摘要：玻璃微棱镜具有耐腐蚀、耐高温、寿命长等优点,但在玻璃上加工微棱镜阵列目前仍是一个难题。因此,提出了界面钻蚀主导的玻璃准各向异性湿法刻蚀方法,制备了高质量的微棱镜阵列器件。在元胞自动机中引入界面性质调控,模拟了界面钻蚀与各向同性侧蚀的竞争行为,探究了刻蚀横截面形貌的变化规律,构建了准各向异性湿法刻蚀模型。在此指导下,加工了横截面为梯形的微结构,设计并制备了间距、形状、尺寸均可调控的微棱镜阵列,重复性达到98%。验证了微棱镜阵列对LED灯扩散效果,光亮度提升了4.6倍。本文改变了传统玻璃湿法刻蚀各向同性的固有认识,创新性地开发了准各向异性刻蚀工艺,为玻璃微棱镜阵列等相关器件提供了高效低成本的制备方法。

摘要：针对病原体的核酸即时检测需求,设计了一种集核酸提取和扩增功能于一体的微流控芯片,利用一次性注射器驱动芯片上的液体流动,借助紫外线验钞笔便可用肉眼直接读出核酸检测结果。芯片分为提取区、混合区和扩增区,在提取区设计了裂解池和清洗池,利用磁珠法完成核酸提取;在混合区设计了洗脱池、扩增试剂池和方波型混合器,用于核酸的洗脱以及与扩增试剂的混合;在扩增区,为了实现多靶标检测,一共设计了16个扩增反应池,采用一种滑动式芯片结构,实现各反应池之间的物理隔离。采用模拟仿真和实验,对方波混合器的混合性能进行了验证,表明其可以实现核酸洗脱液与扩增试剂的均匀混合。在微流控芯片上,利用荧光素钠溶液模拟了环介导等温扩增反应过程,证明了滑动式扩增反应池结构能够满足多靶标检测的物理隔离要求。

摘要：微阀是微流控芯片的重要部件,然而现有的微阀存在加工复杂、不利于批量生产等缺点,限制了微流控芯片的应用范围。研发了基于胶膜转印的胶粘键合方法,采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流道和聚二甲硅氧烷(PDMS)柔性薄膜制备了带有气动微阀的微流控芯片。通过调节转印参数,在PDMS薄膜上可控地制备了厚度约为1μm胶膜,随后利用微米级的胶膜实现了PDMS薄膜与PMMA微流道层的胶粘键合,既避免了微流道的堵塞,又保证了微流道结构的精确性。设计并制备了由上层气体流道、中间柔性薄膜和下层液体流道构成的气动微阀,由上层气体流道内输入气压驱动PDMS薄膜向下层的液体流道变形以实现流体控制功能。构建了静力学模型分析微阀的关闭特性,根据薄膜变形的仿真结果优化微阀结构,确保微阀的有效截止。经测试,微阀具有优异的开关特性,关闭的响应时间为550ms,开启的响应时间为200ms。表征了不同气体和液体压强下的体积流量变化规律,验证了气动微阀可以实现对流体体积流量的精准调控。通过研发胶膜转印工艺实现了PMMA和PDMS的高效无损键合,开发了适合大规模制造的气动微阀,为微流控芯片进一步的实际应用开辟了新的途径。

摘要：传统的频率选择表面(FSS)不仅电磁特性固定、功能单一,而且大都采用硬质材料,难以适应复杂多变的电磁环境和实现曲面物体的共形贴附。提出一种基于柔性复合材料的多层级联可重构频率选择表面,分别利用柔性聚合物的可弯曲性实现器件的共形、液态金属的流动性,以实现频率重构。首先,从多层级联互补型结构可实现多频通带的特性出发,设计了一种三层方环形互补结构,包括上层填充液态金属的方环层、中间介质层和与上层结构互补的孔径型金属层。利用微流控技术,通过是否加载液态金属实现单频滤波和双频滤波的切换。其次,利用全波电磁仿真软件及等效电路模型对器件的功能进行仿真,验证了该结构具有良好的极化稳定性和角度稳定性。然后,采用软光刻工艺制作了SU-8模具,并浇注聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为填充液态金属上层结构,用柔性印制电路板(FPCB)工艺在聚酰亚胺(PI)基底上制作了下层互补金属结构,器件整体结构厚度仅为1.537 mm,具有良好的柔性。最后,对研制的可重构频率选择表面进行了组装测试,结果显示,液态金属非填充情况下,在9.6 GHz处产生一个通频带;液态金属填充情况下,在5.8和9.9 GHz处共产生两个通频带。实验测试结果与仿真结果基本一致,利用该柔性频率选择表面实现了单频和双频带通的切换。

摘要：由于检测通量的不断提高,微流控芯片包含的检测腔室数量多、间距小、与之连通的流道结构尺寸在微米尺度,这对密封过程的操作精度提出了严苛的要求。探究了外部挤压刀具与微流道位置存在配合相对误差时微流道的塑性变形情况,分析了微流道密封失效的原因,总结了相邻检测腔室内反应液互串的发生规律。统计数据揭示了配合相对误差对密封效果的影响,发现芯片主体和支撑板在宽度方向的配合相对误差对密封成功与否起主导作用,而长度方向的配合相对误差对密封效果影响起次要作用。当宽度方向配合相对误差小于17.7%时,芯片密封成功率为100%;当宽度方向配合相对误差为17.7%~23.5%时,长度方向配合相对误差大于34.2%将导致密封的失效。基于以上结果,对芯片制作和密封过程进行优化,使得宽度方向配合相对误差主要集中在6.8%~8.1%,最大值不超过14.9%。制备并密封后的高通量微流控芯片经温度循环密封测试验证,密封效果优异,所有的检测腔室均未发生泄漏。揭示了影响挤压式微流道密封技术的主要因素,为阵列式微流控芯片的设计与制作提供了参考。

摘要：海水温度和深度信息的采集在水文、气象、渔业、生态保护等领域具有重要意义。基于微机电系统(MEMS)技术研制了一种用于海水温度及深度检测的温压一体式传感器。该传感器采用双面设计,利用薄膜式铂电阻传感单元和压阻式压力传感单元分别检测温度和深度信息。两种传感单元均可通过MEMS工艺进行制作,且制作工艺互相兼容,因此,该传感器具有尺寸小、易于大批量制造、可与CMOS集成等优点。经对该传感器性能进行测试,温度传感单元在0~40℃范围内的电阻温度系数为0.27%/℃,测量精度为±0.04℃,同一批次样品电阻温度系数标准偏差为±0.0049%/℃;压力传感单元的量程为0~10 MPa,在该量程范围内其有良好的线性度(R^(2)=0.9993)、灵敏度(14.14 mV/MPa)和批量一致性(灵敏度的标准偏差为±0.896 mV/MPa)。此外,利用温度传感单元信号对压力传感单元在不同温度下的输出电压进行温度-压力解耦,解耦后压力传感单元在5~35℃温度范围内的最大相对误差由8.42%降低至1.07%。开发的MEMS温压一体式传感器满足了海水温度和深度检测的性能需求,有望解决海洋三维温度场监测的难题,在海洋环境保护和水文信息采集等领域有着广泛的应用前景。