针对微流控芯片内部流体状态实时预测和工作流程调控的需求,提出了一种基于“驱动器即传感器”理念的智能泵。对所提出智能泵系统工作原理和工作流程进行介绍,并对测试微流控芯片及工作状态预测需求进行分析。建立压力信号处理流程,气压信号经预处理后,提取有效时域特征,进行状态预测训练。进行微流控芯片工作状态验证,实验表明智能泵预测磁珠球复溶结果和冻干球复溶结果与实际测量和生物实验结果相一致,验证了智能泵系统的有效性。

提出一种采用片上膜阀对微流控芯片液体微流道内液流脉动进行主动消减的方法。以阀腔蓄能器和阀腔阻尼孔为研究对象,采用ANSYS Fluent UDF自定义仿真方法,开展膜阀微流道内液流脉动消减特性研究。研究表明不同结构消减元件消减作用不同,不同膜阀数量的消减效果不同。根据脉动消减元件的工作原理,开展了液流脉动消减试验,试验表明,膜阀对微流道内液流脉动的主动消减方法是有效的,验证了基于膜阀微流道内液流消减元件的合理性、理论模型的正确性和具体应用的可实施性,为微量液流流量精确控制技术提供理论指导和技术支持。

介绍了一种采用计算机辅助制造中快速成型技术实现微流控芯片快速制作的方法。采用VB二次开发工具(VBA)为开发工具,在计算机辅助设计(CAD)二次开发平台上建立微流控芯片三维CAD立体模型,并通过计算机软件算法对CAD模型进行分层切片,为实现微流控芯片计算机辅助制造提供加工数据。文中针对微流控芯片加工精度要求高的特点提出了采用位图数据图像格式(BMP)数据格式取代快速成型分层切片中常用的三角面片数据格式(STL),并对具体实现方法进行了详细介绍。

针对常规微阀结构较为复杂,存在着制作成本较高、难于加工和不易系统集成等问题,提出了一种设计简单的柔性阀片-阀塞结构的PDMS平面微阀的研究。微阀的制作采用了标准PDMS模塑法微细加工工艺。测试结果表明微阀工作性能良好,反向泄漏量可以减少到0.1 mL/min,而微阀的正/反向流量比可以达到41∶1,满足了微流体控制系统对流量调节的要求,可广泛应用于各种微流控系统中。

微流控芯片是微全分析系统(μTAS)中当前最活跃的领域和发展前沿.目前人们在微流控芯片的研究中已经取得了很大的进展,研制出了多种微型化、集成化的芯片.相比之下,与微流控芯片配套的高灵敏度微型光学检测系统的研制却相对落后.介绍了分别基于CMOS、垂直腔面发射激光器(VCSEL)和微型雪崩光电二极管(μAPD)来实现光学检测系统与微流控芯片集成化的方法.

提出了用于研究微机械往复无阀泵动态特性的二自由度振动力学模型,并进行了分析与实验验证.在模型中增加考虑泵腔内气泡因素,并将泵腔内、外液体质量的影响分开考虑;得出振幅随频率、泵腔内外液体质量比变化的曲线;发现其幅频曲线一般呈双峰特性,泵腔内外液体质量比值对曲线特征、谐振频率、振幅均有显著影响.通过实验验证了分析结果.由此得出以提高泵压为目的的微泵优化设计策略:适当增大膜片质量、选择合理的泵腔内外液体质量比值.采用硅深刻蚀、硅-玻璃膜片键合等工艺制作出微机械往复无阀泵,其尺寸为20 mm×20 mm×0.65 mm,实现最大泵压为1.52 kPa,对应最大流量为35×10-6 L/min.

系统地介绍了目前国内外集成细管电泳芯片（微流控芯片）高灵敏检测技术的发展概况，重点讨论了激光诱导荧光，化学发光，电化学检测和质谱等检测技术在微流控芯片中的应用，以及芯片检测技术所面临的微型化，集成化，高通量以及接口设计等关键问题。

以应用在ddPCR检测的聚合物微流控芯片作为研究对象,针对其微通道的具体结构特点,研究其微滴生成尺寸与连续相(氟油)、离散相(去离子水)理论驱动压力的关系。通过设计的检测平台,配合计算机图像处理手段,对在驱动压力范围下生成的微滴进行图像拍摄、尺寸测量和均一性分析。研究结果表明:连续相(氟油)驱动压力与离散相(去离子水)驱动压力分别为31 kPa和26 kPa,能稳定生成满足尺寸指标要求的微滴,且球形良好、液滴界限明显;图像检测处理的结果与CCD高速摄像头配套软件抽样的测量均值接近,误差控制在2μm以内,可实现快速检测,应用方便,可操作性强。

液滴是近年来在微流控芯片上发展起来的一种全新的操纵微小体积液体的技术.液滴的融合方式分为主动式和被动式两种,主动式融合主要是通过在局部施加电场进行的电融合,而被动式融合则是通过对流道的形状局部修改,利用两个液滴的速度差和由于挤压形变后产生的应力促使液滴完全融合.文中设计了一种用于融合液滴的扩张通道,给出流体控制方程,从雷诺数、空间受限效应、主流流体的流场变化和液滴体积4个方面探讨对液滴有效融合的影响.

当液压系统发生异常磨损时液压油中金属磨粒的浓度会急剧增加因此液压油中金属磨粒的浓度检测也是在线监测常用的手段之一.利用光阻法设计并制作了微流控检测芯片搭建了相应的光学检测系统选取粒径为10和20 的铁粉分别配制了不同浓度梯度的油样并进行了大量的检测试验.结果表明：当金属磨粒的浓度增大时信号幅值可增大近6 倍而且信号幅值随着磨粒的粒径增大而增大;光阻法可用于液压油中金属磨粒浓度检测并且具有良好的检测效果.