面向数字微流控生物芯片的差分隐私方案

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作者 陈潇 董晨 《信息安全学报》 CSCD 2024年第6期43-59,共17页

近年来,基于数字微流控生物芯片(Digital Microfluidic Biochip,DMFB)的分子诊断技术成为热点研究方向。与传统分子诊断技术相比,数字微流控生物芯片具有精准控制离散液滴、执行生化协议等优势。然而,作为网络物理系统的组成,生物芯片... 近年来,基于数字微流控生物芯片(Digital Microfluidic Biochip,DMFB)的分子诊断技术成为热点研究方向。与传统分子诊断技术相比,数字微流控生物芯片具有精准控制离散液滴、执行生化协议等优势。然而,作为网络物理系统的组成,生物芯片潜在的隐私安全问题日益突出,比如通信信道的窃听攻击,生化协议的篡改攻击,物理结构保护的版权攻击等。差分隐私作为传统数据隐私保护的常用技术可以融入生物芯片应用以保护用户隐私安全。然而,对隐私安全、生物芯片应用以及生物芯片安全三种技术的交叉研究较为少见。调研分析生物芯片应用的实现机制和威胁模型,包括生化协议、网络物理系统及增强隐私保护的DMFB用户数据安全平台,首先在DMFB用户数据平台上描述了拉普拉斯机制、高斯机制和随机响应机制的应用场景和保护方案,其次基于用户层级敏感度、路由权重集合和路由交叉点参数集合这三个策略提出参数安全发布算法,最后创建防篡改概率作为安全性指标,同时建立置信分数、校准度和累计误差率衡量数据可用性。仿真实验结果表明整体方案的隐私安全性可达98%,数据可用性平均可达93.3%,算法性能试验表明方案最佳的隐私预算为0.4,此外,对比同类算法,所提方案平均提高了12.09%隐私安全性和7.02%的数据可用性,因此该方案能够为DMFB执行生化协议安全有效的用户数据平台。 展开更多

关键词 数字微流控生物芯片 生化协议 数据安全 差分隐私

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基于CNN-LSTM的数字微流控系统液滴运动时间预测模型

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作者 赵彬 郭建军 +3 位作者 刘文静 吴健豪 刘双印 罗智杰 《微纳电子技术》 CAS 2024年第11期163-172,共10页

由于数字微流控芯片在制造和使用过程中可能存在潜在故障,并且芯片的应用领域对安全性要求极高,因此需要对芯片进行全面的测试以确保其可靠性和安全性。提出融合卷积神经网络(CNN)算法和长短期记忆(LSTM)神经网络的预测模型。利用机器... 由于数字微流控芯片在制造和使用过程中可能存在潜在故障,并且芯片的应用领域对安全性要求极高,因此需要对芯片进行全面的测试以确保其可靠性和安全性。提出融合卷积神经网络(CNN)算法和长短期记忆(LSTM)神经网络的预测模型。利用机器视觉技术获取数字微流控驱动控制系统数据,基于CNN-LSTM模型对数字微流控系统液滴运动时间变化进行预测及相关性分析,并与传统的LSTM神经网络模型进行对比。实验结果表明,在驱动电压90 V下,CNN-LSTM模型在预测精度上明显优于LSTM神经网络模型,决定系数(R^(2))达到0.9543,均方误差(MSE)仅为6.5301,平均绝对误差(MAE)为1.9179,平均绝对百分比误差(MAPE)为5.0520,预测值与实验值之间的拟合程度高。结果表明,CNN-LSTM的预测准确率高于传统的LSTM神经网络模型,能有效识别实验器件健康状态、较好预测潜在故障时间,具有有效性和优越性。 展开更多

关键词 数字微流控 介电润湿 微液滴 CNN-LSTM模型 时间预测

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基于弧形边缘结构上极板的数字微流控芯片系统

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作者 查俊莹 关一民 《微纳电子技术》 CAS 2024年第12期138-145,共8页

为降低微尺度液滴在介电润湿(EWOD)基板上的转移难度,提出了一种基于弧形边缘结构上极板的数字微流控芯片系统,可顺利完成液滴在开放区和封闭区之间的输运。从数字微流控芯片的基本原理出发,介绍了该芯片的结构设计、制造工艺及平台构建... 为降低微尺度液滴在介电润湿(EWOD)基板上的转移难度,提出了一种基于弧形边缘结构上极板的数字微流控芯片系统,可顺利完成液滴在开放区和封闭区之间的输运。从数字微流控芯片的基本原理出发,介绍了该芯片的结构设计、制造工艺及平台构建,并对此系统中液滴在两区运动时两极板间距、液滴体积及上极板横向位置对驱动电压的影响进行了研究。实验结果表明:基于氧化铟锡(ITO)玻璃的上极板与基于铬板的下极板间距为200μm、液滴体积为1.75~2μL、上极板横向位置在电极中间时,有利于实现液滴在两个区域的自由往返输运。通过优化上极板设计,液滴在两区运动所需最低驱动电压降至67~77 V,相较于传统上极板的240~300 V驱动电压,降幅高达约75%,避免了高电压对样本的破坏,为后续生物化学分析中样品信息的保留提供了有效支持。 展开更多

关键词 数字微流控 介电润湿(EWOD) 弧形边缘结构上极板 两区运动 驱动电压

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数字微流控生物芯片的并行在线测试 被引量：8

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作者 张玲 邝继顺 +1 位作者 林静 梅军进 《上海交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第1期98-102,107,共6页

在数字微流控生物芯片的并行测试过程中,将芯片阵列分成等大的子阵列块,在生物实验模块布局的限制下,对相应的子阵列块进行合并与调度,以实现芯片阵列的并行测试.同时,通过实验验证了并行在线测试方法的有效性.结果表明,在不干扰生物实... 在数字微流控生物芯片的并行测试过程中,将芯片阵列分成等大的子阵列块,在生物实验模块布局的限制下,对相应的子阵列块进行合并与调度,以实现芯片阵列的并行测试.同时,通过实验验证了并行在线测试方法的有效性.结果表明,在不干扰生物实验过程的基础上,所采用的测试方法能够减少测试液滴的数目,提高在线测试的效率. 展开更多

关键词 数字微流控生物芯片 测试调度 在线测试

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基于介质上电润湿的数字微流控器件的模拟 被引量：4

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作者 岳瑞峰 曾雪锋 +2 位作者 吴建刚 康明 刘理天 《电子器件》 EI CAS 2006年第3期778-780,共3页

根据介质上电润湿的基本理论,利用计算流体动力学软件CFD-ACE+,成功模拟出了典型的“三明治“结构数字微流控器件中水滴输运、产生、分离和合并的全过程。模拟结果显示,上下极板间距和液滴输运速度之间呈线性关系;并且,当极板间距大于20... 根据介质上电润湿的基本理论,利用计算流体动力学软件CFD-ACE+,成功模拟出了典型的“三明治“结构数字微流控器件中水滴输运、产生、分离和合并的全过程。模拟结果显示,上下极板间距和液滴输运速度之间呈线性关系;并且,当极板间距大于200μm时,液滴分离容易失败。模拟结果与已有的实验结果符合的非常好。 展开更多

关键词 介质上电润湿 数字微流控器件 “三明治”结构 模拟

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引脚约束的数字微流控生物芯片在线并行测试 被引量：4

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作者 许川佩 陈春艳 汪杰君 《电子与信息学报》 EI CSCD 北大核心 2015年第9期2265-2271,共7页

随着数字微流控生物芯片在生化领域中的广泛应用,对芯片可靠性和制造成本的要求也越来越高,在线测试对于确保微流控生物芯片正常工作异常重要。该文针对引脚约束的数字微流控生物芯片,提出一种基于改进最大最小蚁群算法的在线并行测试方... 随着数字微流控生物芯片在生化领域中的广泛应用,对芯片可靠性和制造成本的要求也越来越高,在线测试对于确保微流控生物芯片正常工作异常重要。该文针对引脚约束的数字微流控生物芯片,提出一种基于改进最大最小蚁群算法的在线并行测试方案,在满足各种约束条件的情况下,采用伪随机比例原则,建立禁忌判断策略,自适应地改变信息素的残留系数,实现引脚约束数字微流控生物芯片的在线并行测试。实验结果表明,该方法可以同时用于离线和在线测试,相对于单液滴离线和在线测试,可有效减少芯片的测试时间,提高了测试工作效率。 展开更多

关键词 数字微流控芯片 并行测试 引脚约束 最大最小蚁群算法

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数字微流控生物芯片并行测试分析和优化 被引量：2

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作者 张玲 王伟征 晏伯武 《微电子学与计算机》 CSCD 北大核心 2014年第10期103-106,112,共5页

针对数字微流控生物芯片阵列的并行测试过程进行建模,利用测试时间和所需检测测试液滴个数来衡量测试成本,并利用成本函数给出最优的并行测试分块方法.通过matlab分析表明:对任何规模的芯片阵列,其测试成本随着分块数的增大呈先减少后... 针对数字微流控生物芯片阵列的并行测试过程进行建模,利用测试时间和所需检测测试液滴个数来衡量测试成本,并利用成本函数给出最优的并行测试分块方法.通过matlab分析表明:对任何规模的芯片阵列,其测试成本随着分块数的增大呈先减少后增大的趋势,而成本的最低点就是最优的并行测试分块方法.另外,在并行测试分块数小于测试成本最低点所对应的测试分块数时,测试成本随着测试时间在测试成本中所占的比重的增加而增大,随着测试所需测试的液滴数的增大而减小.而并行测试分块数大于测试成本最低点所对应的测试分块数时,测试成本随着测试时间的比重地增加而减小,随着所需测试的液滴数的增加而增大.这些结论给并行测试的优化提供了重要了依据和指导. 展开更多

关键词 数字微流控芯片测试 测试液滴个数 测试时间 芯片阵列

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数字微流控系统动态模型研究 被引量：3

8

作者 常银霞 张思祥 《煤炭技术》 CAS 北大核心 2013年第3期187-188,共2页

数字微流控芯片不仅具有传统微流控芯片的试剂消耗量小、分析速度快、体积小、便于集成化优点,更具有可配置、可并行处理及易实现自动化的优势,其中介电润湿是数字微流控最重要和最有前景的驱动方式。首先介绍了数字微流控芯片的工作原... 数字微流控芯片不仅具有传统微流控芯片的试剂消耗量小、分析速度快、体积小、便于集成化优点,更具有可配置、可并行处理及易实现自动化的优势,其中介电润湿是数字微流控最重要和最有前景的驱动方式。首先介绍了数字微流控芯片的工作原理,分析了液滴的受力情况,然后为系统建立动态模型,在实验基础上确定了系统的阻力系数,并将仿真结果与实验数据相比较,结果表明动态模型可以比较准确的预测系统的运动情况。 展开更多

关键词 数字微流控 介电润湿 液滴 动态模型

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基于蚁群算法的数字微流控芯片并行测试 被引量：1

9

作者 蔡震 《电子科技》 2014年第10期156-159,162,共5页

可靠性是数字微流控生物芯片的一项重要指标,尤其是在安全性要求较高的应用领域。因此,芯片需要在生产制造后或生化实验前进行充分测试,以排除故障,确保实验结果准确。文中针对芯片的结构故障,提出了一种基于蚁群算法的并行测试方案,实... 可靠性是数字微流控生物芯片的一项重要指标,尤其是在安全性要求较高的应用领域。因此,芯片需要在生产制造后或生化实验前进行充分测试,以排除故障,确保实验结果准确。文中针对芯片的结构故障,提出了一种基于蚁群算法的并行测试方案,实现对较大规模的数字微流控芯片进行多液滴并行测试。该方案首先将芯片模型转化为MTSP模型,并利用蚁群算法分布式计算特性搜索多组优化的测试路径,完成对数字微流控芯片实验路径的测试。实验结果表明,该方案可用于在线测试,并能有效地减少大规模芯片的测试时间,且提高了工作效率。 展开更多

关键词 蚁群算法 数字微流控芯片 并行测试

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一种双极板结构数字微流控芯片研制

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作者 凌明祥 陈立国 陈涛 《压电与声光》 CSCD 北大核心 2013年第1期85-89,共5页

基于介电润湿研制了一种将零电极布局为介电层表面的双极板结构数字微流控芯片。为了降低驱动电压并提高介电层的抗击穿能力,将介电层设计为Si3N4-SiO2层状复合结构。30V直流电压作用下,成功实现了对0.5μL去离子水微液滴的连续输运操控... 基于介电润湿研制了一种将零电极布局为介电层表面的双极板结构数字微流控芯片。为了降低驱动电压并提高介电层的抗击穿能力,将介电层设计为Si3N4-SiO2层状复合结构。30V直流电压作用下,成功实现了对0.5μL去离子水微液滴的连续输运操控;且在100V以内电压作用时,均未出现介电层击穿。实验结果表明所研制数字微流控芯片可行。 展开更多

关键词 数字微流控芯片 微液滴 介电润湿 微机械加工

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数字微流控技术及其在生物分析中的应用 被引量：3

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作者 阮庆宇 邹芬香 +5 位作者 王杨 林晓烨 张明霞 周雷激 杨朝勇 朱志 《分析测试学报》 CAS CSCD 北大核心 2018年第10期1166-1173,共8页

数字微流控技术是一种基于微电极阵列来实现离散液滴精确控制的新型液滴操纵技术。这种基于介电润湿现象实现的液滴电操纵体系,相比于传统微流控芯片具有自动化、可寻址、可动态配置、易集成等特点。该文介绍了数字微流控技术液滴驱动原... 数字微流控技术是一种基于微电极阵列来实现离散液滴精确控制的新型液滴操纵技术。这种基于介电润湿现象实现的液滴电操纵体系,相比于传统微流控芯片具有自动化、可寻址、可动态配置、易集成等特点。该文介绍了数字微流控技术液滴驱动原理,总结了芯片的结构和常用的制作方法,举例阐述了现阶段该技术在生物分析化学领域的应用,并对其应用前景做了展望。 展开更多

关键词 数字微流控 介电润湿 芯片上实验室 生物分析

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基于改进等效电容模型的数字微流控液滴定位反馈系统 被引量：2

12

作者 罗智杰 范俊均 +3 位作者 陈统班 谢淑婷 刘双印 周国富 《微纳电子技术》 北大核心 2019年第9期726-733,共8页

基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控技术是近十年来出现的一种能够在平面上操控体积为微升、纳升级别液滴的新技术。为了满足对数字微流控中液滴精准驱动与控制的迫切需求,结合现有的液滴定位方法的研究,设计了改进的等效电容模型,该... 基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控技术是近十年来出现的一种能够在平面上操控体积为微升、纳升级别液滴的新技术。为了满足对数字微流控中液滴精准驱动与控制的迫切需求,结合现有的液滴定位方法的研究,设计了改进的等效电容模型,该模型方法在无输入参数下实现多液滴的定位。基于该液滴定位模型,提出了驱动参数的反馈优先级调整策略,最终实现了一套具备驱动、定位及反馈一体的数字微流控控制系统。实验结果表明提出的方案有利于提高微液滴的连续输运的成功率,在同样的芯片参数结构下,成功率提高了接近40%,对数字微流控系统进一步的应用研究具有一定指导意义。 展开更多

关键词 介电润湿(EWOD) 数字微流控 等效电容模型 反馈优先级 精准驱动与控制

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数字微流控生物芯片的电极管脚控制信号处理 被引量：2

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作者 陈春艳 《电子科技》 2015年第9期93-96,共4页

随着对数字微流控生物芯片的深入研究,直接寻址DMFB需要大量独立控制引脚,显著增加了产品的制造成本。文中根据液滴路由路径,产生液滴路由所经过电极的驱动序列,利用芯片中一个引脚最多所能驱动的电极数量值,对产生的电极驱动序列进行分... 随着对数字微流控生物芯片的深入研究,直接寻址DMFB需要大量独立控制引脚,显著增加了产品的制造成本。文中根据液滴路由路径,产生液滴路由所经过电极的驱动序列,利用芯片中一个引脚最多所能驱动的电极数量值,对产生的电极驱动序列进行分区,对每个分区中的电极驱动序列进行比对,找出相互兼容的以此来减少控制引脚的数量。实验结果表明,该方案与交叉引用等方法相比,减少了控制引脚的数量,实现了对电极管脚控制信号的处理。 展开更多

关键词 数字微流控生物芯片 电极驱动 控制信号处理

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基于红外光强的数字微流控系统定位 被引量：1

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作者 罗智杰 黄邦锐 +6 位作者 黄子涛 姚世鸿 王璐 龙浩岚 侯逸斌 范俊均 刘双印 《微纳电子技术》 北大核心 2020年第4期304-311,共8页

基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控(DMF)系统是一种能够实现多个独立的微液滴控制的新兴技术。该技术具有芯片结构简单、控制方法易于实现、样品消耗小和无流体运动死区等优点。为了满足DMF系统液滴精准驱动与控制的迫切需求,提出了... 基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控(DMF)系统是一种能够实现多个独立的微液滴控制的新兴技术。该技术具有芯片结构简单、控制方法易于实现、样品消耗小和无流体运动死区等优点。为了满足DMF系统液滴精准驱动与控制的迫切需求,提出了一种基于红外光强的DMF系统定位方法,该方法可以在驱动控制液滴的同时,实现无输入参数的液滴精准定位。进一步基于该定位方法,实现了DMF系统的反馈控制。最终实现了一套具备液滴驱动、定位和反馈功能的DMF控制系统。实验结果表明提出的方案有利于提高DMF系统应用的成功率和可靠性。在同样的芯片参数结构下,成功率提高了约38%。同时设计的控制系统可以为其他研究基于EWOD的DMF系统的研究团队提供一个可靠的自动化实验平台。 展开更多

关键词 介电润湿(EWOD) 数字微流控(DMF)系统 红外光强 液滴定位 液滴驱动

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基于数字微流控芯片的液滴驱动及检测集成化 被引量：2

15

作者 王沂林 李嘉旭 +1 位作者 李浩正 崔建国 《微纳电子技术》 CAS 北大核心 2022年第8期725-731,741,共8页

为了精确控制数字微流控(DMF)芯片内液滴的位置及运动范围,在液滴驱动行进过程中需及时检测液滴所在位置,这对于液滴在特定位置进行分离、混合或存储具有重要作用。为了更好地实现驱动与检测技术集成,设计了正交矩阵电极,利用电极间电... 为了精确控制数字微流控(DMF)芯片内液滴的位置及运动范围,在液滴驱动行进过程中需及时检测液滴所在位置,这对于液滴在特定位置进行分离、混合或存储具有重要作用。为了更好地实现驱动与检测技术集成,设计了正交矩阵电极,利用电极间电容值差异获得液滴位置,借助分时工作方式通过电极复用实现驱动与检测的结合,既可有效保证液滴的准确控制,又可大大减少引线密度,降低芯片加工难度。实验结果表明电极上有无液滴时电容值差异明显,差值最大可达1 400 fF,且可靠性良好,电容值误差范围保持在2%以内,经可见光图像验证,液滴位置检测准确率可达100%。根据检测到的液滴位置,利用搭建完成的数字微流控系统为液滴规划路径,完成了高锰酸钾与维生素C溶液的褪色反应,证明本系统可实时完成液滴的可控驱动与准确检测。 展开更多

关键词 数字微流控(DMF)芯片 介电润湿 液滴驱动 位置检测 正交矩阵电极

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基于介电润湿的数字微流控系统液滴精准生成与分裂

16

作者 罗智杰 许嘉志 +4 位作者 潘仲宇 黄爱清 何积源 曹亮 刘双印 《微纳电子技术》 CAS 北大核心 2021年第9期818-826,共9页

基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控(DMF)系统能实现微升级别的多个液滴移动、分裂、合成等操作。针对目前基于EWOD的DMF系统液滴生成和分裂精度不高、效率低、难以精准控制的问题,在传统的电极设计基础上,设计了一种可以实现液滴精准... 基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控(DMF)系统能实现微升级别的多个液滴移动、分裂、合成等操作。针对目前基于EWOD的DMF系统液滴生成和分裂精度不高、效率低、难以精准控制的问题,在传统的电极设计基础上,设计了一种可以实现液滴精准生成和分裂的混合型驱动电极的EWOD芯片,并且研制了能与设计芯片匹配的驱动控制系统。最终实现了一套具备液滴生成、分裂、定位以及反馈功能的数字微流控方案。实验结果表明提出的方案能够提高液滴生成和分裂的成功率和可靠性。与传统的正方形驱动电极的EWOD芯片相比,该EWOD芯片液滴生成的误差率降低了约7%,单个液滴生成的时间缩短了约240 ms。同时研制的基于嵌入式系统和机器视觉的驱动控制系统可以为其他研究EWOD器件的相关团队提供一个可靠的一体化实验验证平台。 展开更多

关键词 介电润湿(EWOD) 数字微流控(DMF)系统 液滴生成和分裂 嵌入式系统 机器视觉

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基于介电润湿效应的微液滴操控 被引量：8

17

作者 凌明祥 陈立国 《压电与声光》 CSCD 北大核心 2013年第4期604-608,共5页

基于介电润湿的微液滴操控已被众多学者实现,但微液滴接触角在饱和阶段随电压变化的数学关系仍未得到较好解决,为此,基于能量最小化原理对Young-Lippmann方程进行了补充和改进。结合理论计算和数值仿真设计了一种叉齿状驱动电极单元数... 基于介电润湿的微液滴操控已被众多学者实现,但微液滴接触角在饱和阶段随电压变化的数学关系仍未得到较好解决,为此,基于能量最小化原理对Young-Lippmann方程进行了补充和改进。结合理论计算和数值仿真设计了一种叉齿状驱动电极单元数字微流控芯片,并加工出介电层分别为SiO2及SiO2-Si3N4-SiO2两种结构的芯片。实验结果表明,在接触角饱和阶段,所改进的Young-Lippmann方程能在一定程度上反映微液滴接触角的变化趋势。此外,SiO2-Si3N4-SiO2复合介电层结构中的微液滴操控电压低于SiO2单一介电层中微液滴操控电压。 展开更多

关键词 介电润湿 微液滴 数字微流控芯片 Young-Lippmann方程

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基于聚酰亚胺介质的单平面微液滴驱动芯片

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作者 王心怡 李美花 +1 位作者 闫卫平 唐祯安 《微纳电子技术》 CAS 北大核心 2014年第1期42-47,共6页

根据介电润湿(EWOD)原理,建立了电润湿力与驱动电压的关系,提出一种基于聚酰亚胺介质的单平面微液滴驱动芯片设计方案。该芯片利用MEMS技术在铬版玻璃上分别制作出金属微电极阵列和聚酰亚胺介质膜,再使用聚四氟乙烯分散液进行疏水处理,... 根据介电润湿(EWOD)原理,建立了电润湿力与驱动电压的关系,提出一种基于聚酰亚胺介质的单平面微液滴驱动芯片设计方案。该芯片利用MEMS技术在铬版玻璃上分别制作出金属微电极阵列和聚酰亚胺介质膜,再使用聚四氟乙烯分散液进行疏水处理,通过在电极阵列和微液滴之间直接施加电压以实现微液滴的驱动。对单平面微液滴驱动芯片的液滴介电润湿效应进行了仿真分析,结果表明仅使用疏水层便可观察到明显的介电润湿现象,接触角测量值与理论值吻合较好。使用该驱动芯片成功实现了微液滴的稳定传输,传输速度达到3.31 mm/s左右,并在实验基础上分析了传输速度与驱动电压幅值和频率的关系。 展开更多

关键词 介电润湿(EWOD) 数字微流控芯片 微液滴 聚酰亚胺(PI) 聚偏氟乙烯和三氟乙烯的二元共聚物

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