芯片实验室提供了高分辨样品处理和检测分析的微型集成平台,在生物、化学、医学等重要领域拥有巨大的应用前景。特别是数字微流控系统能够对微量液滴实施多种流体操作,以其突出的反应快速、可并行处理、体积小等优势成为实现未来高通量检测和床边检测的重点研究对象。本论文紧扣这一研究热点,依据当前芯片实验室对功能部件高密度集成的重大需求,提出了薄膜体声波生化微传感器与基于介质上电润湿技术的数字微流控平台的单片集成方案,先后完成了第一代与第二代集成单芯片的研制,并针对其检测信号增强特性进行了分析;采用化学和生物样品在两代原型机上的实验展示结果验证了集成单芯片的有效性与实用性。课题的研究内容和成果可以归纳为以下几个方面:1.本论文在查阅大量文献的基础上,提出了以氮化铝薄膜为设计核心的单片集成薄膜体声波生化微传感器的数字微流控芯片方案;通过对其中设计、加工、测试等关键技术的突破,成功实现了单通道和多通道集成单芯片以及整体系统的研制;2.集成单芯片利用数字微流控系统的样品离散特性,使微传感器对样品液滴在空气中的检测成为可能,解决了传统MEMS传感器在溶液中检测时性能急剧恶化的难题,大幅提升了检测信噪比,质量检测极限可达0.13 ng/cm2;3.针对集成单芯片的检测信号增强机理展开理论和实验研究,通过在配置疏水掩膜的微传感器和对照组上进行化学与生物目标传感实验,成功展示了集成单芯片检测极限超过一个数量级的提升,对汞离子、BSA蛋白以及anti-IgG蛋白溶液的检测极限均可达1 nM左右;通过对生物目标分子在数字液滴中扩散和吸附过程的分析,建立了集成单芯片在分子局部吸附条件下的动力学模型。