微流控芯片上电渗流与压力流的动力学特性分析

论文摘要

微流控芯片功能的增多以及尺寸的不断减小导致芯片中的流体状态和性质变得越来越复杂。目前,模拟仿真和实验测量是研究微流控芯片的主要方法。其中模拟仿真过程需要对所要研究的芯片建立模型,然后将动力学方程和边界条件加在模型上进行计算求解,得到动力学特性。实验中可以观察流体在微沟道中的运动情况,将观察的现象与模拟仿真结果进行对比和分析,从而优化微流控芯片的设计与制作。本文首先介绍基于高分子聚合物PMMA和PDMS的微流控芯片的制作工艺流程和实验所用简易Micro-PIV系统的搭建。PMMA芯片的制作采用模板热压法,选定热压温度为120℃,压强为6MPa,热压时间为10分钟;PDMS芯片采用PMMA二次模板浇铸工艺,浇铸过程中,选定真空环境并保持温度为65℃,时间为50分钟。Micro-PIV系统选定罗丹明B为示踪粒子,系统主要包括显微镜、滤光片、激发光源、CCD、图像采集卡和计算机等。对芯片上变径沟道进行了仿真分析和实验研究,仿真分析中首先模拟了薄厚壁孔口中压力流的流型和其孔口出流特性,然后分析了入口速度和壁厚长度等对薄厚壁孔口出流速度的影响;实验中首先用搭建的Micro-PIV系统观察了微沟道中流体在层流和紊流下的状态,然后对不同入口速度下薄厚壁孔口的出流流量进行了测量、计算获得薄厚壁孔口的临界雷诺数分别为126和97.2。在芯片上十字沟道的研究中,主要仿真分析了十字交叉区域中压力-电渗汇合流的形成和影响因素;又根据仿真条件对十字沟道中的压力-电渗汇合流现象进行了实验观察,与仿真结果进行比较。通过仿真和实验发现交叉区域的压力-电渗汇合流受外加场强的影响较大,这为实验自制的十字型芯片中样品的进入与分离提供了指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 微流控芯片的发展现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展情况
• 1.3 微流控芯片的驱动方式
• 1.3.1 压力驱动
• 1.3.2 电渗驱动
• 1.3.3 其他驱动方式
• 1.4 本课题研究的目的及主要内容
• 第2章 压力流与电渗流形成原理
• 2.1 压力流原理
• 2.1.1 机械微泵的分类
• 2.1.2 基于孔口出流特性的无阀压电微泵
• 2.2 电渗流原理
• 2.2.1 双电层形成原理
• 2.2.2 双电层模型
• 2.2.3 电渗流的产生
• 2.2.4 电渗流的控制方程
• 2.3 本章小结
• 第3章 微流控芯片制作及Micro-PIV 系统
• 3.1 高分子聚合物材料
• 3.2 芯片制作工艺流程
• 3.2.1 清洗
• 3.2.2 热压PMMA 模板
• 3.2.3 浇铸PDMS 膜
• 3.2.4 键合
• 3.2.5 打孔
• 3.3 Micro-PIV 系统
• 3.3.1 示踪粒子的选取
• 3.3.2 Micro-PIV 系统的组成
• 3.4 本章小结
• 第4章 薄厚壁微沟道中压力流特性
• 4.1 薄厚壁孔口微沟道结构
• 4.2 薄厚壁孔口中压力流特性数值模拟
• 4.2.1 物理模型
• 4.2.2 控制方程
• 4.2.3 边界条件及物性常数
• 4.2.4 数值仿真与分析
• 4.3 薄厚壁孔口中压力流特性实验研究
• 4.3.1 实验测试过程
• 4.3.2 实验现象分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 十字沟道中压力电渗汇合流特性
• 5.1 十字沟道中的夹切进样过程
• 5.2 十字沟道中压力电渗汇合流特性数值模拟
• 5.2.1 物理模型
• 5.2.2 控制方程
• 5.2.3 边界条件及物性常数
• 5.2.4 数值仿真与分析
• 5.3 十字沟道中压力电渗汇合流特性实验研究
• 5.3.1 实验测试过程
• 5.3.2 实验现象分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢