基于介电润湿的数字微流控系统中液滴运动性能研究

摘要

作为一种新兴技术,数字微流控凭借试剂用量小、可配置、可并行处理和易实现自动化等优势在生物、医药、化学和检测等领域展现出良好的应用前景。本文通过理论分析、建模仿真、实验验证和模型改进四个步骤,探讨了在基于介电润湿的封闭式数字微流控系统的基本性能和液滴的运动特性。论文的主要内容包括：
　　1)研究了介电润湿的基础理论,对液滴的运动过程进行了受力分析；
　　2)为系统建立流体力学的数学模型,通过二维仿真研究了电场的分布情况、介质层厚度的影响和接触角随驱动电压的变化等系统基本特性；
　　3)建立三维模型,分析了液滴移动和分裂过程中接触角的变化、液滴的压强和速度、液滴的拉伸情况,讨论了电极形状、电极尺寸和上下极板间隙对液滴动态过程的影响；
　　4)搭建了系统平台对系统的基本性能和动态性能进行验证,包括接触角的变化、介质层厚度的影响、疏水层的影响、接触角的滞后、阈值电压、液滴运动速度、液滴运动的可重复性和介质层的击穿现象等。然后验证了介质层厚度、不同电极形状和不同液滴半径对运动的影响。
　　5)根据实验数据求出了接触线摩擦系数和极板剪切阻力的系数,并将改进后模型的预测值和实验数据进行对比。
　　本文的主要创新点包括：
　　1)在对液滴运动进行受力分析的基础上推导了液滴运动的最优体积,得出在理想状态下,当液滴半径r与方形电极的边长L之间满足r≤ 2L时,液滴所受到的驱动力随半径r增加而变大；当r> 2L时,液滴所受到的驱动力保持不变。因为随着液滴半径的增长,液滴之间的互相干扰会增加,不容易准确控制,因此当r= 2L,液滴的驱动效果最好。
　　2)据作者所查文献,目前已见采用VOD方法进行仿真,采用水平集方法对开放式系统的仿真,采用水平集方法的二维模型对接触角变化的仿真,未见采用水平集方法对液滴运动和分裂过程的研究报道。本文采用有限元仿真软件、水平集动态界面追踪方法,以Navier-Stoke方程为基本模型对基于介电润湿的封闭式数字微流控系统进行了仿真,研究了系统的静态和动态特性。
　　3)通过三维模型的仿真,讨论了电极形状和上下极板间隙对液滴运动的影响,得出结论：与方形电极相比,叉指型电极可以降低液滴运动的阈值电压,但对液滴运动的平均速度无明显影响；液滴分裂时,液滴体积越小分裂速度越快；当体积固定时,在液滴直径R与上下极板间隙h比例大约为6-17的范围内,电极尺寸越大,上下板间隙约小越容易分裂,小于此比值范围会分裂失败,大于此比值范围会出现细碎液滴,影响分裂效果。
　　4)根据实验数据改进模型,将接触线摩擦力和上下极板的剪切阻力考虑在内,利用两组实验结果求出相应的摩擦系数,使仿真结果与实验数据更吻合。
　　5)采用激光雕刻PCB板作为下极板的电极阵列,线间间距可以精确到50μm左右,用ITO导电玻璃作为上极板的导电层,上下极板上沉积一层最薄为0.5μm的派瑞林作为介质层和疏水层,该方式制作芯片相对于无尘室的芯片加工,大大降低了实验成本,同时又明显改善了常规PCB制版方式的精度,降低了驱动电压,对低成本高精度的实验芯片进行了探索。

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第一章 绪 论

§1-1课题研究的背景及意义

§1-2基于介电润湿的数字微流控技术的发展状况

§1-3 数字微流控系统的仿真与算法研究

§1-4主要研究内容及创新点

第二章 介电润湿驱动理论研究

§2-1 润湿与表面张力的关系

§2-2 基本定理的推导

§2-3 接触角的饱和与滞后

§2-4数字微流控系统中液滴受力分析

§2-5本章小结

第三章 数字微流控系统建模及静态特性研究

§3-1系统数学模型的建立

§3-2 水平集方法在界面追踪中的应用

§3-3 COMSOL Multiphysics及其仿真过程

§3-4 基于介电润湿的数字微流控系统静态性能仿真

§3-5本章小结

第四章 数字微流控系统的动态特性研究

§4-1液滴的移动过程研究

§4-2电极形状对液滴移动过程的影响

§4-3液滴分裂过程的研究

§4-4不同几何参数对液滴分裂过程的影响

§4-5本章小结

第五章 实验方法研究及结果分析

§5-1实验方法研究

§5-2实验结果分析

§5-3改进模型

§5-4 本章小结

第六章 结论与展望

§6-1 论文总结

§6-2 创新点

§6-3 展 望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所取得的相关科研成果