基于介電潤濕的數(shù)字微流控系統(tǒng)中液滴運(yùn)動(dòng)性能研究.pdf

1、　　作為一種新興技術(shù),數(shù)字微流控憑借試劑用量小、可配置、可并行處理和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)勢在生物、醫(yī)藥、化學(xué)和檢測等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。本文通過理論分析、建模仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和模型改進(jìn)四個(gè)步驟,探討了在基于介電潤濕的封閉式數(shù)字微流控系統(tǒng)的基本性能和液滴的運(yùn)動(dòng)特性。論文的主要內(nèi)容包括：
　　1)研究了介電潤濕的基礎(chǔ)理論,對液滴的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了受力分析；
　　2)為系統(tǒng)建立流體力學(xué)的數(shù)學(xué)模型,通過二維仿真研究了電場的分布情況

2、、介質(zhì)層厚度的影響和接觸角隨驅(qū)動(dòng)電壓的變化等系統(tǒng)基本特性；
　　3)建立三維模型,分析了液滴移動(dòng)和分裂過程中接觸角的變化、液滴的壓強(qiáng)和速度、液滴的拉伸情況,討論了電極形狀、電極尺寸和上下極板間隙對液滴動(dòng)態(tài)過程的影響；
　　4)搭建了系統(tǒng)平臺對系統(tǒng)的基本性能和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行驗(yàn)證,包括接觸角的變化、介質(zhì)層厚度的影響、疏水層的影響、接觸角的滯后、閾值電壓、液滴運(yùn)動(dòng)速度、液滴運(yùn)動(dòng)的可重復(fù)性和介質(zhì)層的擊穿現(xiàn)象等。然后驗(yàn)證了介質(zhì)層厚度

3、、不同電極形狀和不同液滴半徑對運(yùn)動(dòng)的影響。
　　5)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出了接觸線摩擦系數(shù)和極板剪切阻力的系數(shù),并將改進(jìn)后模型的預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。
　　本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：
　　1)在對液滴運(yùn)動(dòng)進(jìn)行受力分析的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了液滴運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)體積,得出在理想狀態(tài)下,當(dāng)液滴半徑r與方形電極的邊長L之間滿足r≤ 2L時(shí),液滴所受到的驅(qū)動(dòng)力隨半徑r增加而變大；當(dāng)r> 2L時(shí),液滴所受到的驅(qū)動(dòng)力保持不變。因?yàn)殡S著液滴半徑的增

4、長,液滴之間的互相干擾會(huì)增加,不容易準(zhǔn)確控制,因此當(dāng)r= 2L,液滴的驅(qū)動(dòng)效果最好。
　　2)據(jù)作者所查文獻(xiàn),目前已見采用VOD方法進(jìn)行仿真,采用水平集方法對開放式系統(tǒng)的仿真,采用水平集方法的二維模型對接觸角變化的仿真,未見采用水平集方法對液滴運(yùn)動(dòng)和分裂過程的研究報(bào)道。本文采用有限元仿真軟件、水平集動(dòng)態(tài)界面追蹤方法,以Navier-Stoke方程為基本模型對基于介電潤濕的封閉式數(shù)字微流控系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,研究了系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性

5、。
　　3)通過三維模型的仿真,討論了電極形狀和上下極板間隙對液滴運(yùn)動(dòng)的影響,得出結(jié)論：與方形電極相比,叉指型電極可以降低液滴運(yùn)動(dòng)的閾值電壓,但對液滴運(yùn)動(dòng)的平均速度無明顯影響；液滴分裂時(shí),液滴體積越小分裂速度越快；當(dāng)體積固定時(shí),在液滴直徑R與上下極板間隙h比例大約為6-17的范圍內(nèi),電極尺寸越大,上下板間隙約小越容易分裂,小于此比值范圍會(huì)分裂失敗,大于此比值范圍會(huì)出現(xiàn)細(xì)碎液滴,影響分裂效果。
　　4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)改進(jìn)模型

6、,將接觸線摩擦力和上下極板的剪切阻力考慮在內(nèi),利用兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果求出相應(yīng)的摩擦系數(shù),使仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更吻合。
　　5)采用激光雕刻PCB板作為下極板的電極陣列,線間間距可以精確到50μm左右,用ITO導(dǎo)電玻璃作為上極板的導(dǎo)電層,上下極板上沉積一層最薄為0.5μm的派瑞林作為介質(zhì)層和疏水層,該方式制作芯片相對于無塵室的芯片加工,大大降低了實(shí)驗(yàn)成本,同時(shí)又明顯改善了常規(guī)PCB制版方式的精度,降低了驅(qū)動(dòng)電壓,對低成本高精度的實(shí)驗(yàn)芯片