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前沿技术
集成毛细管电泳芯片的设计#
刘晓为，田 丽，霍明学，王 美
（哈尔滨工业大学 !"!#中心，黑龙江 哈尔滨 !"###!）
摘 要：利用 $%#&#软件对集成毛细管电泳芯片微沟道内样品流动情况进行模拟，获得了不同进样模式
下微沟道的结构与流体流速之间的关系，并以此为依据对芯片整体结构参数进行设计：毛细管沟道最终尺
寸为宽度 ’(!)，深度 ’*!)，有效分离长度为 +,- .)的圆角转弯形沟道，从而确定整个芯片设计。
关键词：集成毛细管电泳芯片；有限元法；微沟道设计
中图分类号：/(-0,1 文献标识码：$ 文章编号：’*** 2 3010（4**+）*4 2 **(’ 2 *5
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检测
工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训
流动池等集成在同一个基片（硅片、玻璃或有机玻
璃）内的超高速电泳仪，是一种多功能化的快速、高
效、高灵敏度和低耗的微型装置［4］。
将对 7P"P的主要组成部分———微沟道进行模
拟设计。利用 $%#&#-, 0有限元分析软件包的 $%=
#&# V W6/@X$%工具，对毛细管电泳芯片不同进样模
式下的样品流动情况进行流体动力学（PWY）模拟分
析。得出微沟道结构（包括几何参数和形状）与流体
流速间的关系，并以此为依据对集成毛细管电泳芯
片进行优化设计。
! 集成毛细管电泳芯片工作原理
7P"P一般管长为 ’ Z ’* .)，宽为 ’* Z -*!)，深
为 ’*!)左右，而 P"的毛细管长几十厘米，内径多
为 0-!)。7P"P截面积比 P"小，比
表
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面积大，所以
7P"P比 P" 散热速度快，即 7P"P 中的“焦耳热”比
P"小。实际上，7P"P中由焦耳热引起的展宽在一
般情况下可以忽略不计。应该指出由于技术的原
因，现阶段所制作的 7P"P毛细管槽的截面实际上呈
不太规则的长方形或梯形，但由于槽的截面积很小，
所以可以近似为圆形来处理。由 P"公式
!" #
$Y
%"
#
("&!$Y
’"(
，
式中 !" 为第 " 个离子的迁移时间；$Y 为分离沟道
有效长度；%" 为第 " 个离子的运动速度；!为份筛分
介质粘度；(为场强；&为管的内径；’"为 "离子所带
的电荷。
假定 P"管内场强与 7P"P管内场强相同，由于
收稿日期：4**4 ) ’’ ) ’4
# 基金项目：哈尔滨工业大学跨学科基金项目资助（$$Y$’1****1’）
’(4**+年 第 44卷 第 4期 传感器技术（[ 芯片整体设计
利用当前微电子制作工艺与本文的模拟结果，
将 $%&%芯片的毛细管槽沟道设计为宽度 *’!#，深
度为 +’!#的扁方形管状结构，其有效分离沟道长
为 , -* .#（如图 /）。
图 ? @%A%版图设计
"#$ ? B-3*&2 4)5#$/ *+ @%A%
设计所采用的芯片尺寸只有 +* ## 0 !* ##，在
保证分离效率的前提下，既节省了芯片面积，又降低
制作成本。如果采用较为昂贵的基片材料（如
123&4玻璃等），优势更为明显。而且通过模拟得到
,"第 +期 刘晓为等：集成毛细管电泳芯片的设计
的芯片参数也与进行毛细管电泳芯片研究国内外同行
的参数相符合，从而增加了模拟的可信度［!" #］。
! 结 论
通过对微沟道中流体的运动情形进行的二维模
拟分析，可以看到在一定范围内，流体的平均流动速
度随着微沟道宽度的增加而增加，层流层的厚度随
着宽度的增加而减小；直角弯沟道会造成涡旋和回
流现象，过渡平缓的圆角弯沟道恰恰可以避免这种
缺陷。通过参数的优化设计，确定最终优化尺寸为
宽度 $%!&，深度 $’!&，毛细管槽的有效分离沟道长
度为 ( )! *&，此结果为芯片的研制奠定了基础。
总之，采用 +,-技术对 ./.0器件进行结构和
尺寸设计，是当前 ./.0领域发展的必然方向，也是
本文设计工作的基础和根据，这样可以减少设计过
程中失误，使结果更趋于合理。
参考文献：
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作者简介：
刘晓为（$6!! 5），男，黑龙江哈尔滨人，教授，T///成员。主要
研究领域包括 ./.0、微机械加工、微传感器、微执行器、微流体测控
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
系统以及生物芯片等。
（上接第 %’页）
参考文献：
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(6：$’(6 5 $’42)
作者简介：
王 钟（$632 5），女，江苏淮安人。浙江大学生物医学工程系本
科生。研究方向：生物医学传感器，神经网络非线性动力学建模。
4% 传 感 器 技 术 第 22卷
集成毛细管电泳芯片的设计
作者： 刘晓为， 田丽， 霍明学， 王美
作者单位： 哈尔滨工业大学,MEMS中心,黑龙江,哈尔滨,150001
刊名： 传感器技术
英文刊名： JOURNAL OF TRANSDUCER TECHNOLOGY
年，卷(期)： 2003，22(2)
被引用次数： 3次
参考文献(7条)
1.金亚.罗国安.王如骥 集成毛细管电泳芯片研究进展[期刊论文]-色谱 2000(04)
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引证文献(3条)
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3.陈超.赵湛 线阵电极电泳芯片与单片机控制系统[期刊论文]-传感器技术 2004(1)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cgqjs200302022.aspx
授权使用：重庆大学(cqdx)，授权号：44144081-da85-4b9a-a70d-9df20116a012
下载时间：2010年9月15日
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