聚合酶链式反应微芯片传热过程的数值分析

论文摘要

聚合酶链式反应微芯片(Polymerase Chain Reaction Microchip,PCR微芯片)是在20世纪90年代初出现的,它利用MEMS技术在硅片、玻璃片或有机高聚物等基片材料上加工出一系列的微管道、微反应室等空间结构以及微加热器、微传感器等控制单元,利用芯片集成度高和比表面积大的特性,实现芯片上的快速PCR扩增。 温度控制是PCR微芯片研究的主要内容。本论文首先对PCR微芯片的热传导过程进行分析,然后深入研究了数理模型和边界条件的确定,在此基础上利用数值模拟软件(CFDRC软件)对PCR微芯片进行了模拟分析,并对芯片的升降温过程进行理论推导分析。 本论文的主要工作有: 1.在实验室已做工作的基础上,对PCR微芯片热传导过程进行了分析,深入研究了芯片传热过程的数理模型; 2.深入学习了CFDRC软件包,并针对芯片加热功率的变化编写了自定义程序,在此基础上对芯片升降温时间和脉冲加热下的芯片温度分布进行了模拟分析。分析结果表明,芯片具有较高的升温速率,样品温度分布均一性良好。 3.通过对芯片的热传导模型进行合理简化,对芯片的升降温过程进行理论推导分析。利用CFDRC软件对简化的模型进行模拟,其结果与理论推导的解析解基本吻合。 论文的研究表明,利用数值模拟方法对芯片的传热过程进行分析,具有方便、准确的优点,突破了实际试验中检测技术的限制。相信数值模拟方法的应用会有力推动微全分析系统研究的发展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 PCR微芯片的发展
• 1.2.1 PCR反应的原理
• 1.2.2 PCR微芯片的优点
• 1.2.3 PCR微芯片的发展现状
• 1.2.3.1 PCR微池芯片
• 1.2.3.2 连续流动式PCR微芯片
• 1.2.4 PCR微芯片与其它系统的集成
• 1.3 数值模拟在PCR微芯片中的应用
• 1.4 本工作的研究思路
• 1.5 本章小结
• 第二章 PCR微芯片传热过程的数值模拟
• 2.1 PCR微芯片的制作与温度控制
• 2.1.1 PCR微芯片的制作
• 2.1.2 PCR微芯片的温度控制
• 2.2 PCR微芯片传热过程描述与数理模型
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 边界条件
• 2.3 几何模型建立与网格划分
• 2.4 有限容积法介绍
• 2.5 松弛因子与收敛标准
• 2.5.1 松弛因子
• 2.5.2 收敛标准
• 2.6 源项设置
• 2.7 本章小结
• 第三章 数值模拟结果与分析
• 3.1 样品升温分析
• 3.2 持温过程的温度场分析
• 3.3 散热分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 芯片传热过程的理论推导分析
• 4.1 PCR微芯片热传导模型的假设
• 4.2 芯片升温的理论推导分析
• 4.3 芯片降温的理论推导分析
• 4.4 与模拟结果的对照
• 4.5 分析与讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 附录一 CFDRC软件包介绍
• 1.CFDRC软件包的构成及特点
• 1.1 CFDRC软件包简介
• 1.2 CFDRC软件包构成及特点
• 2.CFD-Micromesh介绍
• 3.CFD-ACE+介绍
• 3.1 工具栏介绍
• 3.2 控制面板介绍
• 4.UDF介绍
• 4.1 UDF的功能
• 4.2 写UDF时注意的问题
• 4.3 UDF的实现
• 5.CFD-View软件介绍
• 5.1 CFD-View软件图形接口简介
• 5.2 生成动画
• 6.求解流程
• 7.小结
• 附录二 自定义源项程序
• 发表文章和专利
• 致谢
• 作者简介
• 附件 中国科学院上海微系统与信息技术研究所学位论文独创性声明及使用授权声明文本