微流体系统的设计与数值模拟

摘要

微流体系统作为微机电系统(MEMS)的一个重要分支，是指由微流道、驱动微泵、微阀、微传感器等元器件组成的高集成微系统。由于其具有轻便携、功耗低、控制精度高及响应时间快等优点，使得微流体系统在微量化学分析、痕量颗粒检测和微量药物注射等领域有着广阔的市场应用前景。
　　微流体系统是现代分析科学技术的前沿技术之一，其广阔的应用前景使得微流体系统成为国内外研究热点。微流体系统是在微尺度下进行相关的定量、定性分析，在分析时出现的一些物理现象与宏观世界存在较大差别，这些差别给微流体系统研究带来了诸多困难。随着数值分析技术的不断发展，应用数值分析方法模拟较为复杂的物理现象能为研究工作者做出准确预测，有效地降低了实验成本，缩短了研究周期。因此，本文针对微流体系统进行数值模拟，对微流体系统中微流道基底银溶胶团聚现象、静电微泵驱动特性做出准确预测。
　　本文首先利用COMSOL Multiphysics对微流道中基底银溶胶团聚进行数值模拟，将银溶胶浓度与流体流速参数化，以此研究银溶胶浓度与流体流速对二聚体最大浓度、二聚体最大浓度位置的影响，得到了二聚体最大浓度与银溶胶浓度、二聚体最大浓度位置与流体流速的关系。
　　而后，对静电微泵膜频域特性进行分析，确定静电微泵在湿模态下的驱动频率。之后针对静电微泵泵膜、运动流体和交变电压进行三相耦合仿真，利用仿真结果考察驱动电压与流量、流速的关系。同时仿真结果表明，在工作频率为500Hz时，静电微泵的泵送流量达到最大工作效率。并且得出静电微泵在该种工作频率下，其驱动电压与泵送静流量以及驱动电压与工作流体流速的关系。
　　最后，设计出微流道、静电微泵的制作工艺，给出具体的工艺参数，为后续实验制作做好准备。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 微机电系统(MEMS)技术的发展及研究现状

1．3 微流控芯片发展现状

1．4 痕量探测技术的发展现状

1．4．1 光谱探测技术

1．4．2 离子迁移谱探测技术(IMS)

1．4．3 微机电系统探测技术

1．5 COMSOL Multiphysics软件介绍

1．6 问题剖析

1．7 本论文的主要内容及章节安排

第2章 微尺度流动的基础理论与研究方法

2．1 引言

2．2 微尺度流动的重要参数介绍

2．2．1 雷诺(Reynolds)数

2．2．2 克努森(Knudsen)数

2．3 微尺度流动的基本控制方程

2．3．1 粘性流动的纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程

2．3．2 对流扩散的控制方程

2．3．3 边界条件

2．4 微尺度流动的数值模拟方法

2．4．1 连续性模型

2．4．2 分子模型

2．5 本章小结

第3章 微流道中基底银溶胶团聚数值模拟

3．1 引言

3．2 基于微流控-SERS的基底银溶胶团聚的数值模拟

3．2．1 自由表面微流道几何模型及其简化

3．2．2 控制方程

3．2．3 网格剖分

3．2．4 边界条件及求解器设定

3．2．5 仿真材料属性及相关参数设置

3．3 求解结果分析

3．3．1 二聚体最大浓度特性分析

3．3．2 二聚体最大浓度位置特性分析

3．4 本章小结

第4章 微泵的选型及数值模拟

4．1 引言

4．2 微泵的类型

4．3 静电微泵泵膜的频域特性分析

4．3．1 静电微泵泵膜干模态特性分析

4．3．2 静电微泵泵膜湿模态特性分析

4．4 静电微泵的静电-结构-流体三相耦合动态特性分析

4．4．1 静电微泵的多场耦合问题

4．4．2 静电微泵三相耦合数值模拟

4．4．3 求解结果分析

4．5 本章小结

第5章 微流道、静电微泵的制作工艺

5．1 引言

5．2 微流道的制作工艺设计

5．2．1 微流道的设计及工艺路线的确定

5．2．2 微流道材料的选定

5．2．3 掩膜版的设计

5．2．4 微流道光刻工艺及参数确定

5．2．5 微流道刻蚀工艺及参数确定

5．3 静电微泵的制作工艺设计

5．3．1 泵体制作的工艺路线确定

5．3．2 泵体材料的选定

5．3．3 泵体光刻工艺及参数确定

5．3．4 泵体与泵膜的封装键合

5．4 本章小结

结论

1 全文总结

2 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果