《氣動微流控晶片氣壓控制微閥的機理及關鍵技術研究》是依託哈爾濱工業大學，由李松晶擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：氣動微流控晶片氣壓控制微閥的機理及關鍵技術研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：李松晶
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
為實現氣動微流控晶片外部氣壓控制閥組的小型化,提高氣動微流控晶片的氣動微流道對液體微流道的控制性能，促進微流控晶片的大規模集成化，本項目提出了一種新型的採用壓電微位移致動器驅動的氣動微流控晶片氣壓控制微閥及閥組,利用該微閥和閥組實現氣動微流控晶片氣動微流道中壓力的實時控制，具有結構簡單、微型化、密封性好、便於以模組形式與微流控晶片集成以及易於實現閉環控制等特點。研究該壓電驅動微閥及閥組與微流控晶片氣動微流道和液體微流道之間多場耦合的作用機理，建立數學模型，對壓電驅動氣壓控制微閥的壓電驅動位移特性、閥口壓力損失特性、閥口開度動態回響特性以及氣壓微流道中壓力特性和PDMS薄膜的形變特性進行仿真分析及試驗測試，研究壓電驅動微閥閥組的封裝和集成化以及控制方法，為氣動微流控晶片外部控制系統的小型化和微流控晶片本身的高度集成化提供理論依據。
結題摘要
為實現氣動微流控晶片外部氣壓控制閥組的小型化,提高氣動微流控晶片的氣動微流道對液體微流道的控制性能，促進微流控晶片的大規模集成化，本項目提出了一種新型的氣動微流控晶片氣壓控制微閥及閥組, 採用壓電微位移致動器、高速電磁鐵和微型步進電機三種驅動方式，利用該微閥和閥組實現了氣動微流控晶片氣動微流道中壓力的實時控制，具有結構簡單、微型化、密封性好、便於以模組形式與微流控晶片集成以及易於實現閉環控制等特點。研究了該微閥及閥組與微流控晶片氣動微流道和液體微流道之間多場耦合的作用機理，對壓電驅動氣壓控制微閥的壓電驅動位移特性、閥口壓力損失特性、閥口開度動態回響特性以及氣壓微流道中壓力特性和PDMS薄膜的形變特性進行仿真分析及試驗測試，研究微閥閥組的封裝和集成化以及控制方法。通過本課題研究給出了驅動力數學模型、氣壓控制微閥閥口開度靜動態數學模型以及閥口壓力損失、氣動微流道中壓力動態回響、PDMS薄膜形變靜動態特性和氣壓控制微閥與微通道之間多物理場耦合的數學模型。給出了PDMS薄膜形變以及多物理場耦合的有限元仿真結果、氣壓控制微閥閥口特性和氣動微流道中壓力特性仿真結n果、氣動微流道和液體微流道之間PDMS薄膜形變動態仿真結果。給出了氣壓控制微閥及閥組軟光刻、微加工及刻蝕等各種封裝方式的比較結果及最佳封裝方法和封裝參數，給出了微閥的樣機分析及試驗研究結果。通過本課題研究揭示了氣壓控制微閥對微流控晶片氣動微流道中壓力及PDMS薄膜形變的控制機理；建立了氣壓控制微閥與微流控晶片氣動微流道及液體微流道之間多物理場耦合的數學模型；給出了採用Bang-Bang及P+PWM的氣壓控制微閥及閥組有效控制方法，對氣動微流控晶片氣動微流道中壓力及PDMS膜片變形量進行快速、精確和實時控制，從而實現液體微流道中液體樣品的驅動、流向和流量控制。為氣動微流控晶片外部控制系統的小型化和微流控晶片本身的高度集成化和自動化控制提供了理論依據。 通過本課題研究達到了預計的研究目標，共發表論文20篇，其中SCI收錄論文9篇，EI收錄15篇，培養博士研究生6人、碩士研究生3人，課題研究期間派出項目組一名博士生到加州大學伯克利分校進行為期兩年的聯合培養和交流，派出項目組一名博士生到普林斯頓大學進行為期一年的聯合培養和交流，邀請多位國外教授到課題組訪問，組織召開第7屆流體動力及自動化國際學術會議，參會人數達400人。
