无源无线微流控微粒检测系统的研究

论文总字数：29257字

摘 要

微流控技术可实现微生物以及微小颗粒的数量、尺寸、浓度等信息的检测。通过对液压油中的水珠和气泡等颗粒尺寸、数量信息的微尺度精确电学测量，可以进一步对机械系统的油液性能进行分析，实现系统监控。LC无源无线传感器由电感和电容组成，通过读出线圈与LC传感器电感的耦合，能够获取LC传感器谐振频率的变化。因此，LC无源无线传感器，可应用于封闭场景中的物理量检测。将LC传感器的敏感原理应用于微流道内的微粒探测，可以实现对微粒的大小、数量等信息的无线检测。

本论文利用LC传感器的电容敏感原理，通过微加工技术将LC电路集成于一块微流控芯片上，用于非金属液滴的检测。为了同时实现液滴的均匀生成、测量和LC无源无线传感，本实验将流体聚焦（FFD）液滴生成结构、LC传感器、微流道集成于同一块芯片上，并能成功检测液压油内尺寸约为300 m的水珠和气泡。

关键词： LC无源无线传感器 微流控微粒检测 流体聚焦液滴生成器 镓铟锡合金

Abstract

Microfluidics is a practical method for detections of some microorganism and particles, such as size measurement and counting. By measuring and counting the particles mixed in hydraulic oil, performances of the hydraulic oil in the vessel could be analyzed for monitoring malfunction of the mechanical system. Inductor–capacitor (LC) passive wireless sensors use a transformer with loose coupling between an external

readout coil，Changes in the sensor are wirelessly and remotely detected by the readout coil, which makes them highly useful in applications that require the sensor to be powered remotely and to occupy a small volume, such as harsh and sealed environments. Combining Microfluidics with LC wireless passive sensors could realize certain detections of particles.

This paper designed a microfluidic chip interrogated with a LC sensor for detecting non-metallic particles based on capacitor sensitivity. The chip is made of PDMS and is shaped by a reverse mould manufactured by 3D printer. The LC sensor is made of Galinstan, which is injected into the groove to shape the inductance and capacitor. For generating droplets with the same size and controlling size of droplets, a FFD droplets generator is also embedded into the chip which is used to detect water droplets and bubbles in hydraulic oil.

Key words: LC wireless passive sensor, particle detection, FFD droplets generator, Galinstan

目 录

摘要

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1微流控微粒检测概述 1

1.2微流控微粒检测常用方法 1

1.2.1 库尔特计数法 1

1.2.2 电阻脉冲传感器法 2

1.2.3 纳米孔传感器法 3

1.2.4 电容计数法 3

1.2.5 散光和光阻计数法 3

1.2.6 荧光检测法 4

1.2.7 微粒成像速度计数法 5

1.3无源无线传感器的应用简介 5

1.4本论文的主要工作 6

第二章 无源无线微粒检测原理和方法 7

2.1 LC无源无线传感器基本原理及参数检测原理 7

2.2无源无线非金属颗粒检测的基本原理 9

2.3 矢量网络分析仪检测信号的原理 11

第三章 无源无线微流控微粒检测芯片制作 13

3.1无源无线微流控微粒检测芯片结构设计 13

3.1.1 LC传感器结构 13

3.1.2 读出线圈 15

3.1.3 水珠和气泡生成结构 15

3.2无源无线微粒检测芯片制作工艺 16

3.2.1 利用DLP投影技术实现SLA的3D打印原理及流程 16

3.2.2 硅烷化 17

3.2.3 PDMS倒模 18

3.2.4 PDMS与玻璃片键合 18

3.3芯片集成改进 19

3.3.1电容极板制作 19

3.3.2 LC传感器电感与电容的集成 20

3.3.3 整体芯片的集成 22

第四章 无源无线微流控芯片上的水珠和气泡检测 24

4.1 实验系统和实验方法介绍 24

4.2 水珠和气泡检测和数据分析 29

4.3芯片可重用性测试 32

第五章 总结和展望 33

参考文献 35

附录一谐振频率实时存取流程 37

附录二 谐振频率实时采集和保存VBS脚本 38

致 谢 39

第一章 绪论

1.1微流控微粒检测概述

微流控是一种利用微小管道对微小流体进行操控和处理的技术，管道的尺寸在数十到数百微米之间，微小流体的体积在纳升到微升之间。微流控装置被称为微流控芯片（或芯片实验室和微全分析系统）。微流控芯片具有微型化和集成化，分析效率高，等特征，适用于微尺度颗粒和细胞分析，可以将常规的化学或生物实验室的各种功能集成一块微小的芯片上，通过对微芯片通道中流体的操纵，完成对样品的检测或化学反应过程，短时间内分析大量的生物分子，准确获取样品中的大量信息。

总的来说，微流控芯片具有两项功能：对流体进行操控和对样本进行检测。第一项功能依赖于微流体的一些特殊物理性质，如层流现象和流体力学，此外还依赖于泵、阀、混合器等人造结构，而这些结构制造得益于PDMS材料的发现。PDMS是一种透明的材料，具有弹性以及透气性，因PDMS的弹性，在PDMS微流控芯片上可以制作气动阀和泵，而PDMS透明的性质则给实验观察带来了极大的便利，此外，其透气性也给微生物培养创造了条件。微流控芯片第二项功能——对样本进行检测得益于MEMS技术的研究和发展，将电路与芯片集成在同一块芯片上，可以对样本的相关信号转化为电信号进行检测。

微粒检测在环境科学^[1]、生物学^[2]以及医学^[3]等方面都得到广泛的应用，如通过对空气中的粉尘颗粒进行计数，进而监测净室的污染程度^[4]；通过对液压油中的颗粒数量和尺寸进行检测，来评估系统的磨损程度^[5]；通过对水中的污染颗粒和胶质浓度进行检测以监测纯化系统对纯净水的纯化效果^[6]；通过对血液中的细胞的数量和尺寸进行检测，可以检测血液中正常细胞和病变细胞的浓度，从而监测病人的健康状况^[7][8]。

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