本文是一篇工程硕士论文，本文结合国内外目前微装配系统研究现状以及存在的问题进行了分析，针对现有的微装配系统存在的问题，提出了自己的一个方案，目的在于解决芯片键合效率低，制作过程慢、过程复杂、难度大等问题。介绍了一种用于微纳流控芯片的对准系统，自主设计了一套用于微纳流控芯片对准的装置，并采用了一种称为“吸附-夹持-旋转”的芯片组装方法。基于霍夫直线检测原理进行了对准装配应用实验。制作了微纳流控芯片，并进行了芯片通道混合实验，分析了实验结果。
第 1 章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
随着近些年来科学技术的高速发展，毛细管电泳技术也跟随着快速发展起来，其本质是一种分析技术。而且，以往毛细管电泳技术分离流体是通过毛细管做为通道，通过大电压的直流电场作为液相分离驱动力的一种技术[1-4]。因为这种分离技术受到焦耳热的影响较大，所以实施电泳技术操作的场合是在较为低的电场强度下进行的，带来的后果就是其液相分离的时间相对来说较为长一点[5]。幸运的是，为了解决这些受限问题，芯片毛细管技术诞生。芯片毛细管电泳技术始于杜邦公司，Pace 等人想要加工出如同毛细管一样的装置，并且开展蛋白质的序列分析，其加工的材料是在单晶硅片，其硅片的直径仅有 100mm。之后，Har-rison[6]等人在玻璃材料的芯片上移入毛细管类似的结构，其加工芯片的技术方法是湿法刻蚀。相比于传统的的毛细管电泳技术，这种湿法刻蚀加工芯片方法的优点有：有利于加工过程中芯片的散热、液相分离的速度以及液相分离效果都有明显提高。有机聚合物、硅、玻璃都可以作为制造芯片的材料。那么，玻璃材料的芯片与其它各种芯片材料比较的话有许多的优点。比如：玻璃芯片材料是日常生活中最便宜也是最容易得到的；和旧时的加工芯片工艺相比较其加工工艺简单并且有更好的兼容性；加工完成芯片的沟道尺寸精细且完整，整个芯片的采光和透光都很好，光源照射芯片进行检测时其形成的影响背景小[7-8]。
自然杂志授予了一项新的“本世纪的技术”，它被称为“芯片实验室”，并且从多方面的阐述了微纳流控芯片的应用前景和发展过程[9-10]。虽然只有几十年的时间，但是其应用领域已经从最开始简单的样本分析延伸到了现如今的临床诊断核酸分析、蛋白质分析、细胞筛选等方面[11-12]。目前较为前沿的微纳分析技术中，微流控芯片在这方面的发展可以说是非常的热门，受到了专家们的关注，是微流控技术实现的主要平台，在生物、化学、医学等领域得到了迅速发展[13-14]。如果微流控芯片系统仍然利用传统的方法做生物化学实验，可想而知其检测效率与理想效果还差很多。那么，新的微流控系统的检测方法就要解决整个系统在精准、快速混合，液相分离，富集等方面还存在的缺陷，解决这些问题就要求能加工出检测尺度比之前更小，但是比表面积更大的结构。由于纳结构与蛋白质等生物大分子尺度相近，在微流控芯片中嵌入纳结构，形成微纳流控芯片[15-16]。
1.2 微纳流控芯片的制作
目前的微纳流控芯片键合通常是选用玻璃微纳流控芯片进行键合，如果是一块玻璃直接加工沟道的方法，那么不需要键合，但是这样对玻璃基片沟道的光刻技术要求较高，也对实验人员及实验环境都提出较高要求；若采用玻璃与玻璃之间键合，该方法相对简单，且适合普通实验室应用，但在键合时需要较复杂的预键合，从而键合周期长，使整个键合过程无法高效完成。为制备良好的玻璃微纳流控芯片，那么，对制造芯片的玻璃来说，需要其表面非常整洁干净，透明度要高，还要求其光滑平整。实验前对实验材料的处理需较为精细，实验时对玻璃键合的步骤较为繁琐。本文研究的是玻璃和 PDMS 之间的键合对准，该方法键合周期短，操作简单，键合强度高，键合步骤相对少。且本文研究的玻璃芯片和PDMS 芯片，其制备方法简单，材料容易获得，玻璃和 PDMS 的键合方法更有利于玻璃微纳流控芯片的生产与应用。
1.2.1 玻璃微纳流控芯片制作方法
玻璃微纳流控芯片的制作过程如图 1-1 所示。
具体步骤如下：
第一步：将实验用到的玻璃基片仔细地洗净，在干净的玻璃基片表面镀上一层铬，再用甩胶机在铬层上均匀地甩上一层光刻胶。
第二步：将已经制备好所需通道的光掩模覆盖在基片上，之后玻璃基片和在其上层的掩模板都放置在光刻机上，目的是进行掩膜版的曝光，之后是显影，显影过后的就会在匀胶铬板的玻璃基片的上层表面形成所需要的相应图形，也就是要加工的微沟道形状。
第三步：为了去除铬，让铬的腐蚀液来腐蚀玻璃基板上的铬材料，腐蚀的时间是 30s，之后取出被腐蚀后的玻璃基板，再用去离子水清洗大约两分钟，最后，进行等待风干。
第四步：用湿法腐蚀的方法腐蚀玻璃芯片的图形沟道，方法是把带有沟道图形的玻璃芯片放到腐蚀液中。腐蚀液的比例是 HF:HNO3:H2O=10:20:70，在这种玻璃腐蚀液比例下虽然腐蚀玻璃基片的速度相对较慢，但是优点是腐蚀后的玻璃的几何形状匀称和沟道表面较为平整光滑。
第五步：采用超声打孔这种方法在玻璃芯片上加工出芯片的储液池用来储存流体，使用的仪器叫做超声打孔仪。通过调节超声打孔仪电流的大小进而来调控在芯片上的打孔效率和打孔时间，获得实验预计的微纳流控沟道深度。
第六步：清除玻璃基片掩蔽层。光刻胶层需要使用丙酮腐蚀掉，因为丙酮的特性是不能溶在水中的，所以通过乙醇可以清洗掉丙酮，完成之后可以用去离子水清洗玻璃，最后将芯片去除铬的腐蚀液进行腐蚀，用去离子水清洗之后，得到实验所需的微纳流控芯片。
第 2 章 微纳流控芯片沟道自动对准方法研究
2.1 芯片对准理论及对准过程
2.1.1 用于芯片对准的霍夫变换直线检测基本原理
本文用到的微米芯片和纳米芯片，其微沟道和纳沟道都是直线沟道，那么对微纳米沟道对准就涉及到直线沟道的检测。将应用霍夫变换直线检测原理对微米芯片和纳米芯片沟道进行检测并对准对准。霍夫变换基本原理为：在图像空间上，直线被离散成一个个的像素点并经过参数方程后，可以表示为在霍夫空间中的曲线，曲线的大致形状和正弦曲线一样。并且，在霍夫空间中的许多条正弦曲线的交点可以当做直线方程中的表示直线的参数，可以近似的看做在图像空间中的直线。
2.2 分析结果与讨论
a、b 图为待对准的微纳流控芯片沟道的输入图像。我们将霍夫直线检测算法进行了重构，将检测到的微纳流控芯片中的微沟道直线与纳沟道直线高亮标记，统计被高亮标记的微纳米沟道的直线条数和交点个数，并计算微沟道直线和纳沟道直线所成角度，进而完成微纳流控芯片的自动对准。对准成功的标准是：微米沟道和纳米沟道所成角度是 90±1˚。
a、b 图为微纳流控芯片沟道的检测图像，图中的坐标为霍夫参数（θ，m），每一组霍夫参数会对应一个图像，我们通过调试找到一组最优的霍夫参数。（a）图中可以看出，霍夫参数为（50，30）下的检测线条杂乱无章，改变参数后检测出的线条逐渐清晰，参数为（200，200）时可以清晰检测出五条直线，参数 θ 为 200 不变，增加参数 m 后，能检测出的直线条数逐渐减少。同样，（b）图中可以看出，参数为（100，125）时，可以清晰检测出五条直线。
第 3 章 微纳流控芯片的自动对准系统研究 ................................. 20
3.1 微纳流控芯片的自动对准系统总体设计 ............................... 20
3.2 自动对准系统夹持吸附装置结构设计及工作原理 ................................ 22
第 4 章 微纳流控芯片对准装置控制系统研究........................ 30
4.1 控制系统硬件设计 ................................ 30
4.1.1 硬件系统总体设计及控制方案 ....................... 30
4.1.2 单片机最小系统 ....................................... 32
第 5 章 对准装置及芯片的性能测试 ...................................... 39
5.1 压力采集模块传感器校准 ........................... 39
5.2 夹持吸附模块直线滑轨直线度检测 ...................................... 40
5.3 芯片制作及芯片通流体测试 ................................... 41
第 5 章 对准装置及芯片的性能测试
5.1 压力采集模块传感器校准
RFP 薄膜压力传感器校准如下图所示。因为本压力传感器应用场合较小，测量的精度也较高，反应比较灵敏，可以集成到各种需要微小测量的场合中。本文中，用该传感器进行检测机械手夹持位置的压力，因为夹取的是芯片，质量比较小，所以要求精度高。本文中对 RFP 薄膜压力传感器进行校准，获得其准确的输入-输出的关系。
本文中采用的薄膜接触式的压力传感器，该传感器的工作原理：压力越大，传感器输出的电阻越小。值得注意的是，从传感器的介绍手册中，只能够得到理论上的压力与电荷之间的线性关系，这对实际测量中的精度会造成较大的影响。本传感器的校准温度为 10 ，相 对 湿 度 50% ， 校 准 依 据 为 ： QB/S1119.1RFP-2018 薄 膜 压 力
