具有宽可调周期的微流控振荡器设计与特性研究

摘要

微流控技术是在尺寸为微米量级的微流道中处理或操纵微量流体的科学和技术。随着微流控芯片制备技术的成熟，微流控技术集成化、阵列化、数字化迅速发展。微流控振荡器作为一种可以将恒定流量输入转换为时序振荡输出的微流控器件，可实现复杂的片上操作，以提高操控效率，并在生物医学监测以及光电子器件等领域有广泛的应用。 本文的主要工作： 1.系统介绍了微流控等效电路的基础理论。在等效电路理论的指导下，从元件（流阻、流容、流感、常闭阀等）和网络（KCL和KVL、分流和分压、串联和并联）两方面对微流控系统进行类比分析，并分别介绍该理论的两方面应用。 2.研究了微流控器件的仿真技术。借助COMSOL软件设计了两个微流控器件，（1）微流控2×2光开关：研究了PDMS薄膜的变形特性；（2）惠斯通电桥式通用流阻测量方法：利用等效电路理论类比、设计、仿真和分析，为模型仿真积累经验。 3.设计并仿真研究了一种具有宽可调周期的微流控振荡器性能。在无稳态自激多谐振荡器的基础上，设计一个具有外置流容、四端口常闭阀的对称式三层微流控振荡器，通过仿真具体研究了（1）振荡器中各分段流阻、流速对振荡周期的影响；（2）外置流容的取值范围；（3）外置流容及流速对振荡周期的影响。结果表明，对于该微流控振荡器，除增加反馈流阻值和流速外，其它各分段流阻对振荡周期影响较小；外置流容的值应是内部流容的0.8-8倍之间，以保证正常起振；随外置流容增大，振荡周期可调范围达四个量级；同时，在外置流容较大时，增加入口流速可一定程度上减小振荡周期。根据以上结果，可针对性设计不同结构尺寸的微流控振荡器以满足对振荡周期有不同需求的装置。

目录

声明

第一章 绪论

1.1微流控技术

1.2微流控振荡器的研究背景及意义

1.3微流控振荡器国内外研究现状及分析

1.4本文研究内容及章节安排

第二章 微流控理论基础

2.1微流控技术基本理论

2.1.1微尺度流动特征

2.1.2微流控基本控制方程

2.2微流控等效电路理论

2.3微流控元件等效

2.3.1流阻

2.3.2流容

2.3.3流感

2.3.4 RC时间常数

2.3.5独立流量源和压力源

2.3.6单向阀

2.3.7常闭阀

2.4微流控网络等效

2.4.1 KCL和KVL

2.4.2流路串联和并联

2.4.3分压和分流

2.5等效电路理论应用

2.5.1流动相关的微流控网络

2.5.2浓度相关的微流控网络

2.6本章小结

第三章 微流控仿真技术

3.1微流控数值模拟分析方法及可行性分析

3.2 2×2微流控光开关的设计与仿真

3.2.1器件结构及工作原理

3.2.2仿真结果及分析

3.3微流控惠斯通电桥式通用流阻测量方法

3.3.1器件结构与工作原理

3.3.2仿真结果及分析

3.4本章小结

第四章 微流控振荡器设计和原理

4.1微流控振荡器设计流程

4.2无稳态自激多谐振荡器电路模型

4.2.1电路中振荡器及分类

4.2.2无稳态自激多谐振荡器电路及工作原理

4.3微流控振荡器模型设计与原理

4.3.1设计目的与分析

4.3.2微流控振荡器模型设计

4.3.3微流控振荡器结构

4.3.4微流控振荡器原理

4.4本章小结

第五章 微流控振荡器仿真及特性分析

5.1仿真测试

5.1.1几何模型构建

5.1.2 COMSOL仿真模拟设置

5.2微流控振荡器特性分析

5.3流容对振荡周期的影响

5.3.1流容值选取

5.3.2外置流容对振荡器周期的影响

5.3.3流速对振荡周期的影响

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录1攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢