微腔体中电致旋转效应的流体动力学特性及其应用研究

论文摘要

随着新兴的MEMS技术和微机械加工技术越来越多地用于微流体装置的集成,以自动化化合物和生物样品的生成和分析,需要对样品进行快速高效地混合。但是大多数现有的微流体混合装置主要通过扩散进行混合。所以对于寻找快速和有效的混合方法是必要。电流体动力学(electrohydrodynamics,EHD)是一门结合流体力学和电动力学的交叉学科,其研究电场作用下液体电介质中的流体力学问题。EHD驱动力通常是用来控制液体在密闭系统的流动,这是由于在微尺度下微系统装置通过EHD驱动力操作方便等优点。Faetti和Morris等论证了通过外加电场和电流在自由悬浮的液晶膜中能产生微涡流的现象。通过EHD驱动在悬浮液膜产生旋转现象被Amjadi和Shirsavar等发现。然而,薄膜液体很容易破裂并且难以存在很长时间,目前的实验装置无法为微流体装置中提供一个实用的方法。本文提出了一种将基于电渗流原理的电致旋转现象运用于微流控芯片的微流控装置。由于其在微尺度上的适用性以及其实现了在密闭区域内对一定量液体的精确控制,并且这种新方法不需要外部电极板和任何移动部件。本文主要提出了两种仿真模型。第一种模型是电极放于微腔侧面的模型。通过使用COMSOL软件进行仿真,得到微腔中微粒子在外加电压下的流场和运动的数值结果,并对仿真结果进行分析;第二种模型是的电极放于微腔底部的模型。考虑在实际中,在现有条件下能够得到的侧面电极的大小厚度在1mm左右,如果是在纳米级别则在实际操作中有一定难度。所以考虑将电极放于微腔底部。最后通过COMSOL得出仿真结果进行分析。在基于以上两个模型的基础上,对其进行改进,建立合适的微混合模型。提出了不同的微混合模型,通过数值仿真实验并通过混合系数对仿真结果进行量化比较。其数值模拟结果表明,该方法具有良好的混合效果,为实现微流控器件的混合提供了一种可行的方法。最后本文提供一种基于侧边电极模型的实验方案,通过实验研究,验证了在微腔体中的电渗流驱动的转动。所以,EHD所产生的电致旋转现象在生物及微流控芯片有着广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究工作的背景与意义
•   1.2 相关领域研究现状
•     1.2.1 微流控芯片技术概述
•     1.2.2 微流体混合国内外研究现状
•       1.2.2.1 被动式微混合器
•       1.2.2.2 主动式微混合器
•     1.2.3 电致旋转效应的国内外研究现状
•   1.3 本文的主要贡献与创新
•   1.4 本论文的结构安排
• 第二章 芯片设计和理论模型
•   2.1 电渗流理论简介
•     2.1.1 双电层理论
•     2.1.2 zeta电位
•     2.1.3 电渗流形成原理
•   2.2 芯片设计
•   2.3 电致旋转原理
•   2.4 控制方程
•     2.4.1 流场
•     2.4.2 电场和感应电荷电渗流（ICEO）
•     2.4.3 粒子运动
•     2.4.4 浓度场
•   2.5 本章小结
• 第三章 微腔体中电致旋转效应仿真及分析
•   3.1 电极放于微腔侧面
•     3.1.1 施加电压为直流电压
•       3.1.1.1 底部边界条件为电渗滑移
•       3.1.1.2 底部边界条件为无滑移
•     3.1.2 施加电压为交流电压
•       3.1.2.1 底部边界条件为电渗滑移
•       3.1.2.2 底部边界条件为无滑移
•   3.2 电极放于微腔底部
•     3.2.1 电极放于底部的芯片设计及理论模型
•     3.2.2 施加电压为直流电压
•       3.2.2.1 底部边界条件为电渗滑移
•       3.2.2.2 底部边界条件为无滑移
•     3.2.3 施加电压为交流电压
•       3.2.3.1 底部边界条件为电渗滑移
•       3.2.3.2 底部边界条件为无滑移
•   3.3 本章小结
• 第四章 基于直流电场的电致旋转效应实验研究
•   4.1 光刻技术简介
•   4.2 微芯片和电极制造
•   4.3 实验结果及分析
•   4.4 本章总结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨旭

导师: 姜海

关键词: 电流体动力学,电渗流,微流控,电致旋转

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,机械工业

单位: 电子科技大学

分类号: O35;TH69

总页数: 75

文件大小: 20034K

下载量: 38