低电压高通量MEMS数字微流控芯片基础理论及关键技术研究

摘要

以微型全分析芯片系统为基础发展起来的“芯片实验室”技术是微型分析仪器发展的重要方向，基于电润湿技术的数字微流控芯片，以其灵活、快速、微量、结构兼容好、易于自动化控制等优点，正以强劲的势头推动着片上实验室技术的不断发展。特别是在生化应用领域的集成数字微流控芯片，已发展成为芯片技术中一个引人瞩目的新兴研究领域。
　　本硕士论文针对电润湿技术为核心的数字微流控芯片操作微流体存在的驱动电压较高、液滴操作动力学饱和、驱动模块与传感检测系统单片一体化等问题，提出了实现低电压、高稳定性和高通量的器件设计方案，并通过实验验证了方案的可行性；探索建立了电润湿动态饱和模型；探索了与数字微流控芯片集成的传感技术与加工工艺方法，实现了芯片的驱动模块与传感单元的集成。
　　本文工作主要如下：
　　（1）本文在查阅大量文献、资料和总结前期研究工作的基础上，系统地总结了数字微流控芯片的设计要点与评价方法，提出了电压、高通量的芯片设计方案；
　　（2）利用MEMS加工技术完成了芯片加工，并通过微流控操作实验验证了芯片低电压和高通量的特点，并且实现了芯片的稳定性与数字性的改进；
　　（3）针对电润湿领域的饱和现象，提出了动态饱和模型，深入讨论了数字微流控芯片的动态性能以及参数优化。
　　（4）探索了芯片一体化工艺，设计并实现了高通量集成芯片的加工工艺。
　　本论文的工作得到了国家自然科学基金的资助。

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第一章 绪论

1.1基于EWOD技术的数字MEMS微流控芯片国内外研究现状

1.2本课题的研究目的以及研究内容

第二章 开放式数字微流控芯片的设计理论与性能评价方法

2.1电润湿与EWOD驱动基本原理

2.2开放式数字微流控芯片设计理论与加工工艺

2.3对比实验与性能评价

2.4本章小结

第三章 低电压高通量数字微流控芯片设计与性能评价

3.1低电压高通量微流控芯片设计方案

3.2模型分析

3.3实验验证与性能对比

3.4本章小结

第四章 开放式EWOD驱动器运输微液滴的动态饱和现象与动力

4.1开放式EWOD运输液滴的动态饱和现象

4.2开放式EWOD驱动器运输液滴动态饱和模型

4.3模型参数讨论

4.4本章小结

第五章 MEMS数字微流控芯片与压电生物化学传感器单片集成

5.1 EWOD与压电生物传感器集成方案

5.2 EWOD与压电生物传感器集成关键技术

5.3硅烷化试剂选择性疏水修饰的FBAR质量传感器性能

5.4汞离子实验与信号增强效应

5.5压电MEMS数字微流控技术

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文完成的主要工作

6.2论文创新点

6.3有待解决的问题

6.4后期工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢