基于微流体数字化技术搭建了聚合物微透镜阵列按需喷射制备实验系统。以UV固化胶为喷射材料, 将其按需喷射到镀有疏水化薄膜的玻璃基片上, 在界面张力和疏水化效应的作用下, 形成平凸状的微液滴, 再经紫外光固化后形成微透镜阵列。实验研究了系统参量对稳定微喷射与微透镜直径的影响, 稳定微喷射出了黏度值为50×10-3 Pa·s的UV胶, 制得了最小直径达25 μm的微透镜, 进而制备出了直径变异系数C·V达0.64%、焦距均匀性误差为1.7%的15×15微透镜阵列。微透镜在扫描电子显微镜下具有较好的表面形貌, 采用白光干涉/轮廓仪(VSI模式)测得其轮廓算术平均偏差Ra为247.99 nm(扫描区域: 29.4 μm×39.3 μm), 扫描区域轮廓曲线平滑。通过微透镜阵列的成像实验, 得到了微透镜阵列所成的清晰实像。实验结果表明, 采用微流体数字化技术进行聚合物微透镜阵列的按需喷射制备过程简单、成本低廉、工艺参数稳定; 制备的微透镜阵列几何与光学性能优越。

介绍了微流体脉冲驱动-控制技术, 分析了微流体脉冲驱动-控制过程, 指出在这一过程中影响微流体流动的主要因素是微流道固壁加速度和流体内部的黏性力。采用"椭圆修圆法"对方波驱动电压进行修圆, 针对修圆点的位置决定微流体的驱动方向, 获得了不同修圆位置和修圆系数的驱动电压修圆波形。通过实验探索了波形修圆对微流道固壁运动加速度、微流体脉冲惯性力和流体驱动效果的影响规律并进行了机理分析。所得流体体积流量可在0~15.4 pl/min连续变化,远小于现有的微流体驱动技术。本文的研究成果可为微流体脉冲驱动-控制技术在微流体系统中的进一步应用提供参考。

为提高液滴微喷射的喷射效率和粉体微喷射的喷射方向性, 选用普通硼硅酸盐毛细管和石英玻璃管为原材料, 基于稳定的拉制和锻制工艺, 设计并制作了直列式组合微喷嘴和同轴式组合微喷嘴。在基于微流体数字化的微喷射实验平台上, 利用4×2直列式组合微喷嘴单次喷射得到了形状规则、圆整, 大小均匀, 无卫星液滴的液滴阵列, 液滴平均直径为180 μm; 相对于单微喷嘴, 直列式组合微喷嘴提高了单次微喷射的效率。另外, 进行了粉体微喷射实验, 相对于单微喷嘴, 同轴式组合微喷嘴在相同驱动条件下, 出射角由33°减小至10°, 成形粉线的宽度由450 μm降低至300 μm。结果表明, 同轴式组合微喷嘴中的辅助喷嘴有效地约束了主喷嘴出射的粉体流动, 粉体喷射的方向性有显著提高。

为了解决Teflon脉冲等离子体推进器存在的性能低、有污染等问题，设计了以水为工质的脉冲等离子体推进器系统，并研究了它的主要工作指标的能量阈值。分析了水工质脉冲等离子体推进器系统的放电类型形成条件及原因，通过放电电压和电流测试实验，对工作能量阈值进行了实验研究，得到了稳定运行能量对应的储能电容值。实验结果表明: 在足够高的电场强度和足够大的触发电流下，才能产生保证稳定工作触发概率的初始等离子体; 而水工质脉冲等离子体推进器的正常工作能量范围由储能决定，与储能电容的容值不相关。研究结果为发展无污染、性能高、具有广适性的低功率水工质脉冲等离子体推进器打下了一定的基础。

采用以脉冲为微流动基本形态、脉冲当地惯性力为主动力的微流体数字化技术进行了基因芯片微阵列制备实验。在搭建的基于微流体数字化技术的基因芯片微阵列制备系统上，实验验证了脉冲点样系统参量(收敛角2θ、微喷嘴内径d、电压幅值U和驱动频率f)对样点直径和脉冲点样稳定性的影响规律。以实验规律为依据，提出了制备样点直径约为100 μm的中等密度微阵列的实验路线，制备出了样点平均直径为102.2 μm、微阵列密度约为4 000 spot/cm2的基因芯片微阵列(点样溶液为3×SSC柠檬酸盐缓冲液)。得到的研究结果可为建立高密度基因芯片脉冲点样技术提供实验研究基础。

采用以脉冲为微流动基本形态、脉冲当地惯性力为主动力的微流体数字化技术进行了金属微粉体(作为流体)脉冲输送微特性的实验，以解决激光金属粉体融覆沉积工艺中微粉体的精确稳定输送问题。建立了金属微粉体脉冲输送系统；以角形铬粉为实验材料，实验研究了驱动电压U、频率f、微喷嘴内径d、输送角度θ 等4种系统参量对铬粉脉冲输送微特性(粉体输送率和输送稳定性)的影响规律；以此规律为依据，确定和选择铬粉脉冲输送的系统参量，验证粉体微输送效果。实验显示，金属微粉体脉冲输送系统具有精确稳定的脉冲输送微特性，表征输送稳定性的变异系数C·V<7%，铬粉输送率Q可达每秒几十微克量级。结果表明：微流体数字化技术可实现金属微粉体的脉冲精确稳定输送；提出的研究方法可用于不同工程应用背景的微粉体脉冲输送的理论和实验研究。

为了解决现有的微喷点技术中外接驱动设备过于庞大,MEMS技术制作的微喷头结构复杂,与生物样品的兼容性差等问题,提出了新型脉冲惯性力驱动方式和无热源、无外部加压装置的微喷点系统用于微流体数字化喷点技术。介绍了微流体数字化喷点技术的驱动原理,搭建了微喷点系统的实验平台;然后,实验研究了样品均一性和驱动参数对微喷点的影响,并对实验数据进行分析和总结;最后,用黏度为4.13 mPa·s的点样液制作了密度为4 000点/cm2的中等密度微阵列。实验结果表明:样品点直径＜100 μm,变异系数CV＜8%,完全可以满足微阵列制备技术的密度、样品点尺度和均一性的要求,可供小型实验室使用。

为解决玻璃微管道拉制工艺制作的单孔微喷嘴存在容易脆断,微管道长度不易控制,微喷射效率低等问题,提出了一种新的微喷嘴制作工艺。该工艺延续了微喷嘴拉制工艺中非IC工艺和低成本的制作特点,仍以低流阻的圆截面为喷口形状,通过材料流变运动和冷却时收缩率不同,将多根微管道紧密嵌入到塑料管中;通过毛细腐蚀作用,制作出变内径的锥形管,并实现微喷管长度的控制。制作了内径50μm的4孔微喷嘴和10孔微喷嘴,锥管长为750μm,微喷管长2.5mm。使用制作的微喷嘴在微流体数字化驱动平台上进行了水性液体在油相和气相中的微喷射实验,制备了80μm的微滴和微滴阵列。实验表明,该工艺制作的直列微喷嘴可以在微流体数字化驱动下实现较好的数字化微喷射效果。

为了获得具有良好微流动特性的圆截面微流体器件,并构建二维裸微结构微流体管道网络,设计了玻璃三通微流体管道热流变拉制仪。在三通微管道拉伸成形过程中,变形区热软化后的V形玻璃毛细管,可在冷却过程中一次性拉制成三通微管道,储液池在拉制过程的同时成型,并与三通管光滑连接。拉制仪可实现等内径和不等内径拉伸。通过对加热时间、拉伸行程和玻璃材料分配系数的调节,可以控制三通微管道各项参数。制备出了内径为67、32和20μm的圆截面三通微管道。它的三根微管道在三通结点处光滑连通;由于表面张力成型,微管道具有较高的表面质量。最后,以三通微管道和一维玻璃微管道为基础单元,组建了微流体管道网络。

为了解决拉针器国产化的问题,设计出温度、拉力、拉伸速度等参数可变的试验机.以国产玻璃毛细管为拉制原材料,进行了基于方差分析基础上的4组加热温度、拉力、拉伸速度的不同配置的系列实验,分析了在毛细玻璃管拉伸预拉力在1 280～1 310 g强度允许范围内变化及加热温度对针的长度影响,在试验机上进行了用于微流量分析的圆形玻璃微管道拉制试验,研究了拉伸行程及加热温度对微管道内径的影响,实现了仪器的性能多样化.最后提出了拉针器商品化的设计方案.