1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
电渗是当前芯片实验室设备中微流体常用的驱动方式之一，其中电极版图对控制电渗驱动的外电场起到关键作用。针对电渗流电极版图大多基于尺寸优化和形状优化的方法难以大幅提升微流控器件性能的问题，建立电渗流电极拓扑优化模型，采用滤波方程和阈值投影控制电极结构的特征尺寸，通过连续伴随分析方法获得模型的伴随敏度，进而演化电极版图的结构设计变量，最终实现电渗流电极的拓扑优化。基于上述拓扑优化方法设计电渗流微混合器的电极版图，并对影响微混合器混合效果的因素进行分析。结果表明，电渗流微混合器的混合评价指数达到0.047，能够实现两种不同浓度溶液的完全混合。微混合器良好的混合性能验证了本文提出电渗流电极拓扑优化方法的有效性。
微流体 拓扑优化 电渗 微混合器 电极 microfludics topology optimization electroosmosis micromixer electrodes 光学 精密工程
2023, 31(17): 2515
上海工程技术大学 机械与汽车工程学院, 上海 201620
基于智能车辆视觉传感器表面除水的需求，该文提出了一种利用压电换能器激励兰姆波以驱动液滴运动的装置，并建立了压电振子和弹性体平板的二维有限元模型。首先运用COMSOL Multiphysics仿真软件对自由边界条件下的压电振子进行频率分析，得到前4阶特征模态，第2阶模态具有最大的结构相对位移，其特征频率为谐振频率；然后对压电振子所激励的兰姆波在平板中的传播特性进行了分析。结果表明，兰姆波在板中出现明显的频散特性，并通过改变压电振子间隔激励A0模态占主导的兰姆波,以提高液滴驱动效果。通过实验验证了兰姆波驱动液滴模型的可行性。
兰姆波 液滴 压电 微流体驱动 有限元分析 Lamb wave droplet piezoelectricity microfluidic drive finite element analysis
1 华东理工大学 物理学院，上海 200237
2 华东理工大学 材料科学与工程学院，上海 200237
为了研究向列相液晶微流体在不同界面限制内拓扑缺陷的产生与演化，制备了不同表面锚定条件的微通道。通过采用不同表面特性的基板与聚二甲基硅氧烷制备的结构层键合，并合理利用氧等离子体对通道内壁化学特性的改变，最终制备出3种不同表面锚定条件的微流体通道。观察向列相液晶在其中的流动，总结了不同类型拓扑缺陷的出现规律。实验结果表明：平面取向的微通道内液晶分子排列连续，不会出现明显的缺陷结构。混合取向的微通道在界面锚定之间的竞争作用下，会在上表面附近形成稳定的相错线，相错线的数量与微通道的宽深比相关。正常情况下，垂直取向的微通道内指向场的变化具有良好的连续性，通过控制流速突变产生回流可以有效破坏微通道内指向场的连续性，从而产生动态的拓扑缺陷。缺陷的数量与流速相关。当流速恒定时，缺陷结构会维持短暂的动态平衡，随后会在通道内产生规律的波动。
微流体 向列相液晶 微通道 表面锚定 拓扑缺陷 microfluidics nematic liquid crystals microchannels surface anchoring topological defects
1 燕山大学电气工程学院，测试计量技术与仪器河北省重点实验室，河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学信息科学与工程学院，河北省特种光纤与光纤传感器重点实验室，河北 秦皇岛 066004
基于全介质超材料的电磁属性，提出了一种基于硅缺口盘单谐振器的超表面微流传感装置；利用时域有限差分(FDTD)法进行仿真模拟，仿真结果表明，该结构可以产生三重Fano共振，包括可被入射光直接激发的明偶极共振以及非对称性结构下明暗模式干扰产生的一个高阶模式杂化共振和一个磁共振。另外，分析了结构参数(缺口长度和宽度、结构的周期、硅盘半径和厚度)对Fano共振的影响以及微流装置中分析物厚度对传感特性的影响，得到参数优化后的结构的灵敏度最大可达到400.36 nm/RIU，品质因数Q最大可达到1252.3，并证明了溶液厚度在一定范围内增大可以提升传感检测的性能。
传感器 全介质超表面 Fano共振 微流体传感检测 折射率传感
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
微透镜阵列是一种被广泛应用于光信息处理、光传感、光计算、光通信和高灵敏度成像等领域的精密光学元器件之一。通过一些先进的制造技术已经可以制造出不同几何形状、轮廓和光学特性的微透镜阵列。然而，由于三维微制造工艺的难度，使得高填充因子微透镜阵列中的微透镜很难实现紧密排列。提出了一种快速、低成本的微流体操纵技术，用于制备高填充因子微透镜阵列，且对其制备工艺进行了初步的演示。这种易于操作的制造技术适用于微透镜阵列的大批量生产，极大地提高了生产效率。通过预先制备出的三种不同尺寸(微柱直径分别为300、500、700 μm)的微柱，实现了与其对应不同形状和尺寸的微透镜阵列的制备，并搭建了一套光学成像系统以对这些微透镜阵列进行成像性能的评估。主要对微透镜阵列的焦距、成像精度和每个微透镜阵列中各个微透镜子单元成像的均一性进行测试，利用所提出的微流体操控技术制备的微透镜阵列具有良好的成像性能，有望能够被应用到三维成像、光均匀化等诸多应用中。
微透镜阵列 微加工 微流体操控技术 高填充率 microlens array micro-fabrication microfluid-manipulation techniques high-filling-factor 红外与激光工程
2021, 50(10): 20200476
1 河北工业大学材料科学与工程学院，天津 300130
2 天津城建大学理学院，天津 300384
光伏微流体操控技术利用非均匀光伏电荷场对流体目标的静电作用来实现非接触操控。近年来，基于铌酸锂的光伏微流体操控技术逐渐引起人们的关注，并有望成为铌酸锂基生物光子芯片微流体操控功能的关键支撑技术。与传统的全电微流体操控和光镊操控相比，铌酸锂基光伏微流体操控不需要外部电源供电，不需要复杂电极的制备，所需操控光强低，作用范围广，因此可以最大程度地避免外界对内部生物环境的污染和干扰。本文介绍了铌酸锂基光伏微流体操控的理论基础，系统阐述了铌酸锂基光伏微流体操控的近期研究进展。
铌酸锂 光伏效应 微流体 光伏操控 介电液滴 水合液滴 lithium niobate photovoltaic effect microfluid photovoltaic manipulation dielectric droplet water droplet
1 兰州大学第一临床医学院, 甘肃 兰州 730000
2 陆军军医大学第一附属医院（西南医院）, 陆军军医大学（第三军医大学）, 重庆 400038
3 兰州大学第一医院, 甘肃 兰州 730000
太赫兹生物医学是目前光谱研究领域的热点, 其主要难点在于如何有效避免水分的干扰, 进行液相环境下样本的灵敏分析与检测。 超材料太赫兹传感器由于具有高灵敏、 快速检测、 痕量分析等优势, 而成为太赫兹生物医学传感领域的重要研究方法。 设计加工了一种基于单开口谐振环超材料的太赫兹液相传感芯片, 为了有效克服水对太赫兹波的强烈吸收, 利用微纳加工技术刻蚀深度为50 μm的流体通道。 传感芯片整合了超材料基底与PDMS流道, 在THz频段有两个位于0.771和2.129 THz的谐振峰。 以水、 无水乙醇作为常见化学溶剂进行传感实验, 相对于空白传感器本身的THz时域谱而言, 液体的加入导致时域峰的相位延迟和幅度减小。 同时, 由于水的折射率大于乙醇, THz透射频谱结果显示为水的频移改变量大于乙醇, 且峰2大于等于峰1。 上述结果表明, 构建的超材料液相传感芯片是一个灵敏的折射率传感器, 也证明了该传感器在测量液态样品方面的可行性。 此外, 利用该芯片研究了不同浓度的PBS溶液, 发现水溶液中加入离子会导致谐振频率红移（以水为参考）, 随着离子浓度增加, 谐振频率改变量依次增加, 10X PBS红移量最大, 峰1为22.9 GHz, 峰2为30.5 GHz。 比较两个谐振峰的传感性能, 峰2的传感能力更好, 但是峰1对低浓度的离子溶液更加敏感。 因此, 构建的微流体传感器及检测体系作为一个灵敏的折射率传感器, 可开发一个灵敏的无标记THz传感平台, 为太赫兹生物医学研究提供新思路。
液相传感 超材料 微流体 太赫兹时域光谱 无标记分析 Liquid-phase sensing Metamaterials Microfluidics Terahertz time-domain spectroscopy Label-free analysis 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1039
1 中国石油大学(华东)1. 储运与建筑工程学院
2 中国石油大学(华东) 2. 新能源学院， 山东 青岛 266580
通过数值模拟研究了交错式微针鳍散热器的散热效应，分析了针鳍阵列间距和高度对散热器壁温和压降的影响。结果表明，压降随针鳍间距和针鳍高度的减小而呈非线性增加；壁温随针鳍间距的增大而上升，随针鳍高度的增加则呈现出波动趋势。基于上述研究，进一步利用响应表面近似法对微针鳍的横向间距、纵向间距和高度进行了优化，优化后压降最大可降低61.11%。
微针鳍散热器 热点 微流体冷却 参数优化 micro pinfin heat sink hot spot microfluidic cooling parameter optimization
1 中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏 苏州 215600
本文提出了一种将衍射相位显微技术与微流体芯片相结合的方法对水源性寄生虫进行定量测量。结合干涉技术与光学显微镜搭建了衍射相位显微成像系统，实现对寄生虫的高灵敏度实时测量。基于光刻工艺，设计和制作了U型捕获结构双层微流体芯片，实现高通量的单个寄生虫捕获。将与聚二甲基硅氧烷(PDMS)折射率相同的聚蔗糖水溶液通入微腔，消除U型捕获结构边缘衍射在相位成像时产生的显著干扰噪声。利用不同直径的标准聚苯乙烯微球验证了该系统的准确性，最大相位值误差不超过3%。采用上述系统测量了100个贾第鞭毛虫包囊和100个隐孢子虫卵囊，然后从干涉图中重构出两虫的相位图。通过对定量相位图的分析得出两虫的形态学参数与定量的光体积差分布，定量的数据为了解其生理特性提供了依据。微流体衍射相位显微成像系统结构简单，稳定性好，测量精度高，在对单个微生物进行实时监测和无标记定量研究方面具有巨大的潜力。
微流体 衍射相位显微技术 干涉 全息 microfluidic diffraction phase microscopy interference holographic
