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微流体的电渗驱动及其相关技术的研究

2020-12-05阅读(155)

微流体的电渗驱动及其相关技术的研究

论文摘要

微流控系统是20世纪90年代发展起来的一项高新技术,其主要以分析化学和分析生物化学为基础,以微机电加工技术为依托,以微管道网络为结构特征,是当前微全分析系统乃至芯片实验室发展的重点。在微流控系统中,微流体驱动技术是其中的一项关键技术,微流体驱动技术的好坏直接决定微流控系统的性能。尽管微流体驱动技术在过去的十余年得到了快速发展,但微流体驱动系统集成化和微流体驱动系统可靠性的提高仍然是微全分析系统的薄弱环节。交流电渗(AC electroosmosis, ACEO)是近几年发展起来的一项新技术,它以驱动电压低、芯片制作过程简单、容易与系统集成等优点而倍受学者青睐。目前国外对该技术研究还处于不断探索和完善阶段,而在国内关于该技术的研究成果报道甚少,因此展开对ACEO驱动微流体技术的研究具有重要的意义。本文从电渗驱动理论的基础出发,对直流电渗(DC electroosmosis, DCEO)和ACEO的驱动原理及双电层的产生的机理进行了详细的理论分析,揭示了其共同点和主要特征。经过设计毛细管DCEO微泵并进行实验,研究了DCEO流速与驱动电压、微通道结构的关系。针对ACEO中双电层的产生是由于电极极化产生的特征,从理论上推导了ACEO的流速公式。在研究非对称电极ACEO中,根据非对称电极ACEO驱动微流体实验现象,建立了非对称电极ACEO微流体驱动的物理模型。分析了非对称电极ACEO电场和流场特性及相互关系,研究了其边界条件的建立过程。对非对称电极ACEO驱动微流体流场进行了仿真,通过仿真与实验结果的对比分析,验证了理论研究的正确性。开展了行波电渗(Traveling wave electroosmosis,TWEO)驱动微流体的理论和实验研究。提出了一种新颖的用对称电极设计非对称电极ACEO驱动微流体芯片的方法,设计了驱动电路。阐述了粒子图像测速法在非对称电极ACEO和TWEO中的应用及实验数据处理方法,通过对比分析和实验研究,比较了两者芯片的加工过程,验证了在等效驱动电压的情况下,TWEO比ACEO驱动微流体具有更高的效率。以Gouy–Chapman–Stern双电层理论为基础,建立了TWEO驱动微流体非线性物理模型,经过线性变换,对TWEO驱动微流体进行了仿真分析,并对封闭通道内的Poiseuille流进行了分析。通过TWEO驱动微流体流场实验,验证了TWEO驱动微流体理论模型的正确性,获得了TWEO流场流线比ACEO流场流线更平坦结论。对TWEO驱动微流体流速影响因素进行实验及理论研究,研究了不同电导率溶液在TWEO中的容抗比例系数的确定方法和芯片电极的加工工艺,并对芯片电极材料、芯片基底材料、通道材料的选择进行了分析。对驱动不同电导率溶液的实验结果表明,电导率越小,出现最大速度峰值时的频率越小、速度峰值越大。并且通过改变电极参数可以达到改变电渗流流速及最大速度峰值时的频率的目的;同时,在低电势驱动下,在TWEO驱动微流体中,可以忽略电热效应、粒子介电泳运动等对实验测速的影响。综上所述,通过本文对电渗流微流体驱动基础理论和相关技术的研究,进一步证实了非对称电极ACEO驱动微流体具有输入信号电压低、芯片容易与系统集成等特点,比DCEO更具有工程应用的优越性。同时,理论及实验研究结果表明,TWEO比非对称电极ACEO在驱动微流体中更具有效率。因此,本论文的研究结果为电渗流技术的进一步深入研究和工程应用具有重要参考价值。本论文的研究得到了“高等学校学科创新引智计划项目(B07018)”的资助,同时受国家留学基金委“国家建设高水平大学公派研究生项目”资助(录取文号为留金出[2007]3020号)。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题背景
  • 1.2 研究意义
  • 1.3 国内外研究现状
  • 1.3.1 微泵研究现状
  • 1.3.2 电渗驱动技术
  • 1.3.3 TWEO微流体驱动
  • 1.3.4 ACEO研究机构
  • 1.3.5 微流控芯片的应用
  • 1.4 存在的主要问题
  • 1.5 研究的主要内容
  • 第2章 电渗微流体驱动流速研究
  • 2.1 引言
  • 2.2 DCEO流速计算
  • 2.2.1 DCEO的形成原理
  • 2.2.2 双电层电势分布计算
  • 2.2.3 驱动电场分布
  • 2.2.4 电渗流流速计算
  • 2.3 DCEO微泵流场仿真分析
  • 2.3.1 DCEO流场分析
  • 2.3.2 DCEO流速分析
  • 2.4 单级DCEO微泵
  • 2.4.1 电渗流微泵制作方法
  • 2.4.2 实验过程与结果
  • 2.5 实验结果分析
  • 2.6 ACEO微流体驱动原理
  • 2.6.1 电极极化与粒子极化
  • 2.6.2 非对称电极ACEO等效电路
  • 2.6.3 电极表面非对称电极ACEO流速计算
  • 2.7 本章小结
  • 第3章 非对称电极ACEO微流体驱动流场研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 非对称电极阵列结构与流场实验
  • 3.2.1 非对称电极芯片与驱动电路
  • 3.2.2 微流体流场实验分析
  • 3.3 微通道内电势分布仿真分析
  • 3.3.1 电荷松弛频率
  • 3.3.2 电荷守恒方程
  • 3.3.3 其他边界条件
  • 3.3.4 微通道内电场仿真结果
  • 3.4 微通道内流场仿真分析
  • 3.4.1 方程的有效简化
  • 3.4.2 流场边界条件的建立
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 ACEO与TWEO微流体驱动对比分析
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验用芯片及设备
  • 4.3 实验溶液的配置
  • 4.4 粒子图像测速法
  • 4.4.1 粒子图像处理
  • 4.4.2 实验数据处理
  • 4.5 ACEO与TWEO微流体驱动流速的测量
  • 4.5.1 非对称电极阵列芯片的设计
  • 4.5.2 非对称电极ACEO微流体驱动流速的测量
  • 4.5.3 TWEO微流体驱动芯片
  • 4.5.4 TWEO微流体驱动流速的测量
  • 4.6 ACEO与TWEO微流体驱动比较
  • 4.6.1 驱动效率比较
  • 4.6.2 电极结构比较
  • 4.7 本章小结
  • 第5章 TWEO微流体驱动流场实验与仿真研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 TWEO微流体驱动流场实验
  • 5.3 TWEO微流体驱动原理
  • 5.4 Gouy–Chapman–Stern双电层模型
  • 5.5 TWEO电场仿真分析
  • 5.5.1 行波信号复数变换
  • 5.5.2 双电层电荷守恒定律
  • 5.6 TWEO微流体驱动流场仿真分析
  • 5.6.1 Navier-Stokes方程求解
  • 5.6.2 Poiseuille流方程
  • 5.7 仿真结果分析
  • 5.8 本章小结
  • 第6章 TWEO芯片及微流体驱动影响因素分析
  • 6.1 引言
  • 6.2 芯片材料的选择
  • 6.2.1 芯片基底材料
  • 6.2.2 芯片电极材料
  • 6.3 TWEO微流体驱动芯片加工工艺
  • 6.4 微通道的制作工艺
  • 6.5 实验结果及分析
  • 6.6 影响因素分析
  • 6.6.1 芯片电极参数
  • 6.6.2 电热效应驱动因素
  • 6.6.3 示踪粒子介电泳运动
  • 6.6.4 示踪粒子布朗运动
  • 6.6.5 粒子所受重力与浮力
  • 6.7 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
  • 个人简历

    • 相关论文文献

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