PDMS微通道內(nèi)微流動行為的Micro-PIV分析.pdf

1、微流動技術(shù)是一種涉及微米尺度空間中流體過程處理及裝置加工制造的技術(shù)。它是在微米尺度結(jié)構(gòu)下利用微型化的流體處理和檢測系統(tǒng)來研究微流體的各種效應(yīng)和行為。由于其具有高通量的微通道及流動網(wǎng)絡(luò),高效的流體處理和檢測機制,以及潛在的應(yīng)用的低成本,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于制藥業(yè)、生物技術(shù)與生物分析、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析、機械、IT業(yè)甚至國防以及航空航天等領(lǐng)域。但是,微流動技術(shù)在微流動通道及其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的技術(shù)途徑,微流動處理和檢測系統(tǒng)的研究手段等方面都還較為有限。因

2、此,對微流動技術(shù)的研究,包括微流動器件的制作,以及微流動檢測手段的不斷發(fā)展,都已經(jīng)成為研究者和工程技術(shù)人員的一個重要的努力方向,這一點從微加工技術(shù),微流動實驗和檢測技術(shù),以及微粒子圖像測速(Micro-PIV)等技術(shù)的快速發(fā)展和技術(shù)手段的層出不窮可見一斑。鑒于此,本論文的工作主要在于對PDMS微通道內(nèi)液體流動行為的Micro-PIV分析方法進行研究,研究內(nèi)容主要涉及到PDMS微通道的制作技術(shù),Micro-PIV系統(tǒng)構(gòu)建及算法研究,小波分

3、析及其在Micro-PIV圖像去噪中的應(yīng)用,微流變學(xué)實驗和理論研究。傳統(tǒng)的PDMS微通道的制作技術(shù)如光刻法、軟刻法,由于技術(shù)條件苛刻、費時、成本較高以及形成的通道截面形狀不規(guī)則等限制,難于被普通實驗室所接受。本文介紹了一種利用不銹鋼微絲制作通道的方法,能夠形成直徑20-100μm標準的圓形截面微通道,由于不銹鋼微絲具有高強度、高柔韌性、良好的表面特性、良好的導(dǎo)電性,利用不銹鋼微絲可以制作出諸如交叉通道、彎曲通道、三維螺旋形通道等多種拓撲

4、結(jié)構(gòu)和多種功能的微通道。Micro-PIV技術(shù)是一種基于圖像分析的無擾動的流場測量技術(shù)。我們利用微通道、高壓氣源驅(qū)動裝置、顯微鏡和CCD構(gòu)建了Micro-PIV實驗系統(tǒng);同時以基于FFT的互相關(guān)算法為基礎(chǔ),結(jié)合圖像去噪、矢量修正、亞相素匹配等方法構(gòu)建了Micro-PIV圖像處理系統(tǒng),在MATLAB平臺下開發(fā)了相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)上述功能,并利用PIV標準圖像對算法和程序進行了驗證。小波分析是一種在時域和頻域都具有良好特性的信號分析方法。利用小

5、波分析的多分辨率特性,可以對Micro-PIV圖像進行去噪處理,但由于粒子圖像的特殊性,去噪時的閾值選取成為了去噪的關(guān)鍵。本文介紹了利用小波分析去噪的理論和方法,并研究了在Micro-PIV圖像去噪中的應(yīng)用,由于粒子圖像的特殊性,對其僅進行一級小波系數(shù)分解,然后濾波,能夠得到較為滿意的去噪結(jié)果。利用Micro-PIV對微流動現(xiàn)象進行分析,可以得到關(guān)于流場的全局及細節(jié)信息,即速度矢量分布場。根據(jù)得到的矢量分布場,可以進一步計算出通道流動的

6、切應(yīng)力分布,以及液體粘度值等數(shù)據(jù)。本文對不同直徑微通道內(nèi)的流體流動進行了Micro-PIV矢量分析,并根據(jù)矢量分布場,計算出了直徑為80μm的通道截面的速度和切應(yīng)力分布以及通道內(nèi)液體的粘度值(0.9405×10-4Pa·s),與微流變學(xué)層流理論基本符合。本論文以PDMS微流動通道為基礎(chǔ),以結(jié)合了小波分析的Micro-PIV技術(shù)為手段,對通道內(nèi)的粒子流動進行分析,得到了與微流變學(xué)理論基本符合的結(jié)果。這說明本論文介紹的通道制作技術(shù)以及Mic