为了在微流控芯片上形成封闭的微通道等功能单元,克服热压键合中微流控结构的塌陷和热压所致芯片微翘曲对后续键合的影响,提出了一种适用于硬质聚合物微流控芯片的黏接筋与溶剂协同辅助的键合方法.以聚碳酸酯(PC)微流控芯片为研究对象,通过热压法在PC微流控芯片上的微通道两侧制作凸起的黏接筋,通过化学溶剂丙酮微溶PC圆片的表面,然后将PC圆片与带有黏接筋的PC微流控芯片贴合、加压、加热,从而实现微流控芯片的键合.分析了键合机理,并对键合工艺参数进行了优化.实验结果表明:键合质量受丙酮溶剂溶解PC圆片的时间和键合温度的影响,能够保证键合质量的最佳键合温度为80~90°,溶解时间为35~45 s,芯片的键合总耗时为3 min.与已有键合工艺相比,所提出的黏接筋与溶剂辅助键合工艺有效提高了键合效率.该键合方法不仅适用于具有不同宽度尺寸微通道的微流控芯片,还可扩展用于不同材料的硬质聚合物微流控芯片.

为了克服离心式微流控芯片上血清提取对虹吸管亲水性的依赖,保证离心式微流控芯片功能的稳定性和可靠性,在芯片上设计了连接于血液分离腔的压缩空气腔,实现了高转速下血液的分离。基于压缩空气的辅助作用,并通过转速降低导致压缩空气腔内所储存气体压强的释放对血清的泵送作用,实现了离心式微流控芯片上血清的定量提取。基于等温气体的热力学平衡理论,分析了压缩空气腔压缩体积和虹吸管内液面位置与电机转速之间的关系,给出了基于压缩空气辅助作用的离心式血清提取结构的设计规律。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基材,采用CO2激光加工工艺,制作了离心式血清提取芯片,并测试了不同转速下被压缩气体的体积和血清液面在虹吸管中的位置。实验结果表明：转速为4000 r/min时,空气的被压缩量为8.7 μL,虹吸管能有效抑制全血溢出以防止全血进入血清提取腔;当转速降为1 000 r/min时,压缩气体所储存压强得到释放,克服了离心力,并驱动血清流过虹吸管最高点,进而实现血清的定量提取。

针对微流控芯片尺寸小引起吸光度检测方法中光程短的问题, 提出了基于类法布里-珀罗(F-P)共振腔的全反射光探测结构并采用离心驱动方法实现了微流控芯片上全血的高灵敏度多参数分析。首先, 理论分析了取得最大光程和最佳信噪比的条件, 分析表明：探测池体积一定时, 理论最大光程仅与入射光斑直径平方成反比, 信噪比与反射次数与反射率有关。然后, 优化设计了一探测池结构, 通过检测亚甲基蓝溶液实验验证了所设计探测池结构的灵敏度, 其光程提高了1~2个量级。最后, 在芯片上检测全血中的白蛋白和葡萄糖两种物质, 结果表明, 亚甲基蓝溶液、白蛋白试剂、葡萄糖试剂3种物质的线性相关系数分别为0.999 07、0.993 94、0.992 87, 线性度很好, 为微流控芯片实现全集成全血的多参数测量奠定了基础。

AZ4620是一种广泛应用于微系统制作的正性光刻胶。高温改性后的AZ4620在紫外曝光时光照部分不再发生光化学反应，基于这样的材料特性，以220℃高温硬烘30min获得改性的无光敏性的光刻胶，通过Plasma氧刻蚀制作出底层结构，再在底层结构表面涂胶采用多次曝光和显影制作出具有三层微结构的光刻胶模具，利用模塑法制作聚合物PDMS芯片。对光刻胶高温硬固工艺进行分析，对产生回流、残余应力、气泡等问题进行理论分析和实验研究，优化了模具加工工艺。采用多次喷涂，Plasma氧处理改善浸润性，高温硬烘0.5℃/min的升温速率得到了质量较好的多层光刻胶模具，为利用正性厚胶制作多层微结构提供了新的方法。

为了制作高灵敏度Love波传感器，分析了Love波在ST-石英和二氧化硅薄膜分层结构中的传播特性，并对该分层结构进行了相关的理论推导和计算。首先，从声学动力学方程出发，分析求解了该分层结构的波动方程，得到了在该分层结构的色散关系及位移表达式。基于得到的解析表达式分析了波结构，绘制了特性曲线，得到了Love波在该结构中的传播特性。最后，应用MEMS工艺制作了由ST-石英为基底、二氧化硅为波导层的Love波传感器，并通过电化学微电铸的方法进行了实验验证，且对理论灵敏度与实验灵敏度之间不一致的原因进行了分析。测试数据显示，该传感器的质量灵敏度为100 cm2/g，最低检出限为3.65 ng，结果证明了该Love波传感器基本满足高灵敏度生化检测的要求。

针对现有的数值仿真方法不能够准确地计算矩形截面毛细阀用亲水性很好的玻璃作盖板时的临界压力, 提出了一种分析复合壁面毛细管被动阀临界压力的方法。使用Surface Evolver(SE)自由软件, 通过设置和实际流动相符的边界条件, 并监测在扩张段入口处接触角的变化范围, 实现了对由玻璃盖板和PDMS微通道构成的被动阀的临界压力的计算。此时, 接触线应该设置为可以进入到扩张段的侧壁上, 而不能固定在扩张段入口处。对于深度为25 μm, 宽深比为2, 4, 8, 16的毛细管被动阀, 得到的临界压力分别为0.77, 0.45, 0.33, 0.24 kPa。仿真结果和转台实验结果基本相符, 证实了SE方法的有效性。文中分析了接触角对毛细阀有效性的影响, 指出当通道和平板材料的接触角之和大于90°时, 毛细阀才能控制流动。

为了确定光谱仪的入射多狭缝结构设计的可靠依据, 研究了4种阿达玛S型狭缝阵列发生衍射后的光强分布。 采用MEMS加工技术制作出最小狭缝单元为6 μｍ×6 μｍ的一体式微硅片阿达玛狭缝阵列, 对3种S7型狭缝和一种S15型狭缝进行比较。 首先利用阿达玛矩阵构造狭缝阵列的孔径函数, 得到了衍射后的光强分布函数； 然后运用Matlab软件对光强分布函数仿真, 获得了各种狭缝衍射后的光强分布图及光通量对比。 搭建了试验装置进行验证, 试验表明实际衍射光强分布及光通量间的比值都与仿真结果相符。 最后分析了狭缝结构参数对光强分布的影响, 总结了S型狭缝阵列衍射规律。 所提出的衍射光强分布方法, 为光谱仪中入射狭缝的选择与设计提供了理论依据, 为实际应用提供了有价值的参考。

研究了聚合物芯片上由亲/疏水性不同壁面组成的微通道内流体的流动行为。为了实现该类微通道内液体的自发毛细流动和被操作液体的自发毛细输运，根据系统总表面自由能极小原理，提出了微通道内毛细输运自发实现时微通道的临界深宽比条件。在以二聚二甲基硅氧烷(PDMS)和玻璃为材料的微流控芯片上进行了三面疏水一面亲水微通道内水的毛细输运实验。针对165 μm，200 μm和265 μm 3种深度的通道，理论计算的临界深宽比为0.5，而实验得到的值分别为0.4714，0.4878和0.4818，实验结果与理论预测结果基本相符，从而验证了由亲疏水性不同的壁面组成的微通道内毛细输运自发实现的临界深宽比条件。

为了实现微量液体的快速均匀混合，设计了一种PDMS双层结构的新型微混合器。研究了混合器的制作方法以及几何尺寸和Re数对混合的影响。依据Fick第一定律介绍了主辅通道型微混合器的设计原理；采用有限元方法对不同几何尺寸及Re数下混合器中液体的速度流场及浓度场进行了数值模拟；数值分析显示，随着主辅通道出口宽度比的减小，通道长度的增加和雷诺数的减小，混合器的混合率增加。最后，依据仿真结果制作了主辅通道深度比为0.71，出口宽度比为1，通道长度为9 mm的微混合器并进行了去离子水和红墨水的混合实验。实验结果表明：当Re<5时，设计的混合器能实现液体的快速混合，并且混合率随着Re的减小而增大，基本满足低Re数下微量液体快速均匀混合的要求。

研制出了一种采用后分光技术, 微硅片多狭缝进行像元分割, 硅光电二极管阵列为探测器的微型分光光度计。 分析了光谱带宽对测试得到的溶液吸光度线性相关性的影响, 讨论了分光前后狭缝宽度与分光光度计光谱带宽之间的关系, 为分光光度计前后狭缝的设计提供了理论依据。 采用MEMS(微机电系统)工艺制造出了体积小、 精度高、 厚度薄的一体式微硅片狭缝, 并将其应用于分光光度计中。 采用此分光光度计对线性吸光度溶液进行测试, 结果表明线性相关系数大于0.999, 说明所研制的采用微硅片狭缝的分光光度计具有高度线性相关性。