面向植入式微泵在生物医疗领域的应用需求，为了提高低电压及微型化条件下微泵的输出流量，该文设计了一种双层泵腔压电无阀植入式微泵。基于压电振子的压电耦合仿真以及微泵的电-固-液三相耦合仿真，验证了双层泵腔微泵设计的有效性，并优化了结构及驱动参数。通过实验验证了耦合仿真结果的正确性,并测试了微泵的流量范围。结果表明，微泵最优设计参数：扩散角为30°，颈宽为300 μm，上层泵腔高度为100 μm。微泵的净流量随电压的增大而增大，且适用于低频驱动。实验结果表明，双层泵腔压电无阀微泵的输出流量是传统压电无阀微泵的5.38倍。

基于微流控芯片的细胞培养能有效模拟细胞在体生存微环境, 为实现微流控芯片内细胞的长期动态培养及实时观察, 设计并制作了一种微流控芯片细胞动态培养装置。首先,采用分体式设计, 利用SolidWorks分别构建培养箱、控制箱和载泵箱的三维模型, 根据性能要求设计控制系统并配备硬件。接着, 利用Comsol软件中的焦耳热模块对加热器ITO玻璃进行热力学仿真, 通过分析温度场验证可行性。然后, 搭建培养装置, 进行调试, 并检验其稳定性。最后, 进行细胞培养实验。采用分体式设计可有效减小培养箱体积, 实现与显微观测系统的兼容; 培养装置对温湿度的控制稳定性良好; 细胞生长状态良好, 生长曲线呈“S”形, 细胞存活率达到95%以上。该分体式微流控细胞动态培养装置可长期为细胞培养提供所需环境, 并可进行实时观察, 满足设计要求。

细胞培养是进行细胞研究的基础, 为了在细胞体外培养时提供一种近似于体内的微环境, 设计了一种可供细胞三维动态培养的微器件。首先设计了用于输运流体的微通道网络, 培养池对称布置于微通道网络中, 通过一系列“多进多出”型微通道分别与进样口和出样口相连。利用Comsol软件中的层流物理场和多孔介质物理场耦合对培养池内的流场进行仿真, 通过比较流场的均一性和稳定性优化微通道网络结构。然后, 采用静电直写技术在培养池内集成聚己内酯(PCL)三维支架, 构建细胞三维培养空间。最后, 封合微器件, 检测微器件培养池内的流体流动情况, 并进行细胞实验。实验结果表明, “2×2”型微器件培养池内的流体稳定性和均一性较好; PCL三维支架的纤维间距400 μm, 纤维直径80 μm, 孔隙率64%, 细胞存活率达到90%以上。该细胞三维动态培养微器件更好地模拟了生物体内细胞生存所需的微环境, 培养池内的细胞生长良好, 满足设计要求。

聚合物微流控芯片对键合精度、键合强度及键合效率要求高。为了避免超声波键合中微通道被堵塞, 解决键合过程中由调平精度和高频振动引起的键合强度低、键合压力分布不均的问题, 设计了一种基于超声波键合的熔接结构和压力自平衡夹具。首先, 利用感压胶片对压力自平衡夹具和不带自平衡功能的夹具的压力分布进行测量, 并定义了压力分布系数进行量化。其次, 利用两种夹具分别对设计芯片进行超声键合, 并利用工具显微镜对焊线和微通道截面进行观测。最后, 对两组芯片进行键合强度测试和密封性测试。实验结果表明：所设计的熔接接头结构对微通道的控制精度可达2.0 μm。压力自平衡夹具结构简单可靠, 可提高压力均匀性35.20%~43.18%,并使得焊线均匀一致, 同时可提高键合强度15.3%~45.1%, 并保证密封性。该熔接结构和压力自平衡夹具可满足聚合物微流控芯片的控制精度、键合强度、压力均匀性及其密封性的要求。

基于激光诱导荧光检测技术的微流控系统广泛应用于生物化学检测领域。针对微流控系统中检测样本较少, 诱导荧光强度较弱的问题, 设计并制作了一种集成有微透镜阵列(MLA)的微流控芯片来提高荧光检测强度。采用热熔技术制备直径变异系数为0.36%的8×8光刻胶微透镜阵列模具。采用软光刻工艺, 制造集成有聚二甲基硅氧烷微透镜阵列的盖片, 焦距均匀性误差为7%。制造具有微通道的基片, 并采用氧等离子键合技术封装盖片和基片。将浓度为10 μmol·L-1的异硫氰酸荧光素荧光染料溶液注入微流控芯片, 利用荧光显微镜检测芯片的荧光强度。结果表明, 透镜处的荧光强度比无透镜时提高了约2.2倍。

针对芯片即时检测(POCT)芯片对键合精度、键合强度、生产效率和生物兼容性的要求, 基于超声波键合技术设计了结构化的导能筋布置形式和阻熔导能接头结构。研究了超声波键合时间和键合压力对微通道高度保持性能的影响, 确定了精密超声波键合工艺参数。利用高精度显微镜、拉伸试验机和羊全血分别对键合后芯片的微通道高度、键合强度、微通道密闭性以及液体自驱动性能进行了测试。结果表明: 所设计的导能筋布置形式合理可靠; 利于芯片各功能的集成, 阻熔导能接头结构能够较精确地控制键合后微通道的高度, 键合精度达到2 μm; 全血驱动时间的极差在20 s以内; 所确定的键合工艺参数能够实现高强度的键合, 键合强度不小于2.5 MPa。该熔接结构及工艺参数具有键合精度高、键合强度高、生物兼容性好和熔接均匀等优点, 可应用于医用POCT芯片产品中。

从避免芯片操作机器人与外界环境碰撞的角度进行了安全性设计研究。设计了一种能够感知碰撞发生信号,基于继电器和电磁制动器实现机器人保护的碰撞保护装置,计算分析了本装置对芯片操作机器人定位精度的影响。实验表明,此装置能够精密控制前冲惯性位移＜1 mm,适应性强,不影响操作机器人定位精度,有利于提高微流控芯片自动化制造系统的安全性和自动化水平。