论文摘要
微流控芯片实现了对分析实验室功能的集成化,具有良好的应用前景,已经成为当今MEMS领域的研究热点之一。流体在微通道内传输和混合作为微流控芯片中的两个重要操作过程,将直接影响微流控芯片的性能。本文在分析了国内外研究现状的基础上,将交变电场作为微通道中流体的驱动力,以数值模拟方法为手段,系统地研究了交变电场驱动时的电渗流及微混合。本文的主要工作和创新点如下：1.从微流体流动中的动电现象出发,研究了双电层及电渗流形成的机理,分析了电渗流相关物理场及其控制方程。在Debye-Huckel近似的条件下,求解了二维光滑微通道中双电层电势分布和电渗流速度的解析解,将解析解与数值解进行了比较,验证了基于有限元法的COMSOL Multiphysics数值解的可靠性。2.基于有限元法,采用COMSOL Multiphysics模拟了二维光滑微通道内交变电场驱动电渗流,讨论了电场频率、电场强度、溶液浓度和微通道高度等因素对电渗流的影响。结果表明,交变电场驱动电渗流速度分布呈“波浪状”,速度变化与电场变化不同步,随着电场频率的增大,“波浪状”速度流型更为明显,并且双电层滑移速度减小,尤其当电场频率大于3000Hz时,双电层滑移速度迅速下降,说明高频交变电场对微通道内流体的驱动效果降低；电渗流速度和双电层滑移速度与电场强度成正比,随溶液浓度的增大而非线性地减小；溶液浓度和微通道高度的增大使双电层厚度相对变薄,“波浪状”速度流型的波峰更加尖锐。因此,可通过改变以上因素实现对电渗流速度和流型的控制,这为微通道内交变电场驱动电渗流精确控制提供了理论参考。3.对二维亲/疏水微通道内交变电场电渗流进行了模拟,研究表明,与亲水微通道不同,疏水微通道中由于壁面存在滑移速度,电渗流速度和双电层滑移速度明显增大,且与滑移长度成正比；疏水微通道中,双电层滑移速度随溶液浓度的增大先减小后增大,因为当溶液浓度大于10-4mol/L时,边界滑移速度的增大成为影响双电层滑移速度的主要因素。以上研究成果使得对电渗流的研究更加全面。4.提出了一种主动式增强微通道内流体混合的方法,并对其进行了数值模拟研究,讨论了交变电场强度、电场频率、电极对数和电极极性等对微混合的影响。结果显示,垂直于微通道轴向的交变电场能够有效地诱发混沌流,提高微通道内流体混合效率；随着电场强度和电场频率的增大,混合效率总体呈增大趋势,当频率在4～8Hz时,微通道出口处混合效率不稳定,有较大波动；随着微通道壁面电极对数量的增加,混合效率先减小后增大；相比于电极极性相同时,电极极性相反时,混合效率明显增大。根据这些因素对混合效率的影响规律,优化了模型参数,获得了0.5s后微通道出口处混合效率相对稳定地保持在99%的理想混合效果,与无外加交变电场时53%的混合效率相比,混合效率提高了46%。这为提高微尺度下流体混合效率提供一种新的思路,并为微混合器的优化设计提供一些理论参考。