微流控系统调控电渗流和热效应数值研究

论文摘要

流动控制技术是微流控系统原理功能分析和优化设计的重要关键问题之一。由于微流控器件尺寸的缩小而引发的流动尺度效应,液-固界面电场力,流场-电场-温度场-离子运动多物理场耦合等效应,使得微流控系统流动现象与宏观系统有很大不同,双电层和电渗流是其中与流体力学相关的最重要基础问题之一。本文旨在对微流控系统电渗流控制和焦耳热效应进行初步的分析与数值研究,探讨微纳尺度液体流动的基本规律,为微流控芯片的研发提供理论依据和优化设计手段。论文采用数值方法分析有限长异质材料PDMS/玻璃微通道电渗流焦耳热效应。数值求解双电层的Poisson-Boltzmann方程,液体流动的Navier-Stokes方程和流-固耦合的热输运方程,分析二维微通道电渗流的焦耳热效应和温度场特性。考虑温度变化对流体性质特性（介电系数、粘度、热和电传导率等）的反馈作用。数值结果表明,在微通道进口附近有一段热发展长度,这里的流动速度、温度、压强和电场快速变化,然后在微通道内趋向到一个稳定状态。在高电场和厚芯片的情况下,热发展长度可以占据电渗流微通道相当一部分长度。电渗流稳定态温度随外加电场和芯片厚度的增加而升高。由于壁面异质材料的传热特性差异,在稳定态时的PDMS壁面温度比玻璃壁面温度高。研究还发现在微通道的纵向和横向截面有温度梯度。壁面温升高降低双电层电荷密度。微通道纵向温度梯度诱发流体压强梯度和改变微通道电场变化特性。微通道进流温度不改变热稳定态的温度分布特征和热发展长度。在微通道壁面垂直施加一个调控电场可以改变双电层电荷密度和固壁面zeta电位,实现对电渗流的调控。采用流-固耦合双电层Poisson方程,离子输运Nernst-Planck方程、液体流动Navier-Stokes方程,数值求解连续电极与离散电极微通道的调控电渗流动。得到感应Zeta电位、电渗流速度与外加调控电压的关系特性。离散电极-电场调控电渗流数值分析给出对称和反对称的单电极,双电极和三电极的数值结果。研究结果表明,适当设置离散电极对电渗流进行调控,可以在流场中产生微型涡旋流动,实现液体的高效率混合。同时,对横向调控电场与纵向驱动电场的相互作用也进行讨论。论文研究了一种对称电极组交变电渗流微泵结构,通过改变相邻电极间的交变（AC）信号相位,可以方便实现对微通道电渗流向的控制。根据双电层离子数的空间位阻效应修正,数值求解了双电层Poisson-Boltzmann方程、液体流动Navier-Stokes方程,得到了对称电极组交流电渗微泵的流动特性。分析了微泵流速与交流电压幅值、频率等参数的关系特性,并且与双电层Debye-Huckel线性解进行比较。结果表明,空间位阻效应修正在低电压时与Debye-Huckel线性解一致,但是在高电压时会产生高频反向流动。为了满足微电子封装过程对器件温度变化的精确控制,本文研究一种快速升降温度的微流体温度控制器,数值模拟了控制器的液体—固体—空气一体化的流动—热传导过程。在给定进口液体温度变化特征的情况下,通过数值分析考察温度控制器表面温度对进口液体温度变化的响应特性,包括时间跟随性（传热灵敏度）和温度变化振幅的衰减率（传热效率）。论文还考察控制器结构尺度,进口液体速度,温度变化波形,周期等参数对温度控制器的特性影响。数值结果表明：控制器厚度增加,控制器表面温度变化幅值衰减增大；控制器进口流速大,控制器表面温度变化幅值衰减率小；进口液体温度变化周期短,传感器表面温度变化幅值衰减增大；进口温度变化方形波的传热效率大于三角波形;传感器表面温度变化周期与进口温度周期相同,但存在相位差。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 微流控分析芯片概述
• 1.3 微尺度下的液体流动特征
• 1.4 微流控芯片流体驱动
• 1.5 微流控芯片的动电现象
• 1.6 微流控系统动电效应理论
• 1.7 国内外研究进展
• 1.8 本文研究内容
• 2 有限长异质材料微通道电渗流热效应
• 2.1 电渗流热效应
• 2.2 二维有限长异质材料微通道电渗流热效应
• 2.3 数值计算与结果分析
• 2.4 本章小结
• 3 电场调控电渗流数值计算
• 3.1 调控电渗流机理和背景
• 3.2 有限长微通道连续电极电渗流数值研究
• 3.3 离散电极电渗流控制与微通道混合
• 3.4 本章小结
• 4 交流电渗流动驱动研究
• 4.1 交流电渗流研究及背景
• 4.2 非对称电极交流电渗流研究
• 4.3 对称电极组交流电渗流研究
• 4.4 本章小结
• 5 微流体温度控制器的设计与数值模拟
• 5.1 微电子封装与换热
• 5.2 微流体温度控制器的结构和工作原理
• 5.3 数值计算和结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 6.1 结论
• 6.2 展望与建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士期间发表的学术论文
• 附录2 攻读学位期间参与的科研项目