气动微流控芯片气压控制微阀的机理及关键技术研究

为实现气动微流控芯片外部气压控制阀组的小型化,提高气动微流控芯片的气动微流道对液体微流道的控制性能，促进微流控芯片的大规模集成化，本项目提出了一种新型的采用压电微位移致动器驱动的气动微流控芯片气压控制微阀及阀组,利用该微阀和阀组实现气动微流控芯片气动微流道中压力的实时控制，具有结构简单、微型化、密封性好、便于以模块形式与微流控芯片集成以及易于实现闭环控制等特点。研究该压电驱动微阀及阀组与微流控芯片气动微流道和液体微流道之间多场耦合的作用机理，建立数学模型，对压电驱动气压控制微阀的压电驱动位移特性、阀口压力损失特性、阀口开度动态响应特性以及气压微流道中压力特性和PDMS薄膜的形变特性进行仿真分析及试验测试，研究压电驱动微阀阀组的封装和集成化以及控制方法，为气动微流控芯片外部控制系统的小型化和微流控芯片本身的高度集成化提供理论依据。

为实现气动微流控芯片外部气压控制阀组的小型化,提高气动微流控芯片的气动微流道对液体微流道的控制性能，促进微流控芯片的大规模集成化，本项目提出了一种新型的气动微流控芯片气压控制微阀及阀组, 采用压电微位移致动器、高速电磁铁和微型步进电机三种驱动方式，利用该微阀和阀组实现了气动微流控芯片气动微流道中压力的实时控制，具有结构简单、微型化、密封性好、便于以模块形式与微流控芯片集成以及易于实现闭环控制等特点。研究了该微阀及阀组与微流控芯片气动微流道和液体微流道之间多场耦合的作用机理，对压电驱动气压控制微阀的压电驱动位移特性、阀口压力损失特性、阀口开度动态响应特性以及气压微流道中压力特性和PDMS薄膜的形变特性进行仿真分析及试验测试，研究微阀阀组的封装和集成化以及控制方法。通过本课题研究给出了驱动力数学模型、气压控制微阀阀口开度静动态数学模型以及阀口压力损失、气动微流道中压力动态响应、PDMS薄膜形变静动态特性和气压控制微阀与微通道之间多物理场耦合的数学模型。给出了PDMS薄膜形变以及多物理场耦合的有限元仿真结果、气压控制微阀阀口特性和气动微流道中压力特性仿真结n果、气动微流道和液体微流道之间PDMS薄膜形变动态仿真结果。给出了气压控制微阀及阀组软光刻、微加工及刻蚀等各种封装方式的比较结果及最佳封装方法和封装参数，给出了微阀的样机分析及试验研究结果。通过本课题研究揭示了气压控制微阀对微流控芯片气动微流道中压力及PDMS薄膜形变的控制机理；建立了气压控制微阀与微流控芯片气动微流道及液体微流道之间多物理场耦合的数学模型；给出了采用Bang-Bang及P+PWM的气压控制微阀及阀组有效控制方法，对气动微流控芯片气动微流道中压力及PDMS膜片变形量进行快速、精确和实时控制，从而实现液体微流道中液体样品的驱动、流向和流量控制。为气动微流控芯片外部控制系统的小型化和微流控芯片本身的高度集成化和自动化控制提供了理论依据。.通过本课题研究达到了预计的研究目标，共发表论文20篇，其中SCI收录论文9篇，EI收录15篇，培养博士研究生6人、硕士研究生3人，课题研究期间派出项目组一名博士生到加州大学伯克利分校进行为期两年的联合培养和交流，派出项目组一名博士生到普林斯顿大学进行为期一年的联合培养和交流，邀请多位国外教授到课题组访问，组织召开第7届流体动力及自动化国际学术会议，参会人数达400人。