微流控系統(tǒng)調(diào)控電滲流和熱效應(yīng)數(shù)值研究.pdf

1、流動控制技術(shù)是微流控系統(tǒng)原理功能分析和優(yōu)化設(shè)計的重要關(guān)鍵問題之一。由于微流控器件尺寸的縮小而引發(fā)的流動尺度效應(yīng)，液-固界面電場力，流場-電場-溫度場-離子運動多物理場耦合等效應(yīng)，使得微流控系統(tǒng)流動現(xiàn)象與宏觀系統(tǒng)有很大不同，雙電層和電滲流是其中與流體力學(xué)相關(guān)的最重要基礎(chǔ)問題之一。本文旨在對微流控系統(tǒng)電滲流控制和焦耳熱效應(yīng)進行初步的分析與數(shù)值研究，探討微納尺度液體流動的基本規(guī)律，為微流控芯片的研發(fā)提供理論依據(jù)和優(yōu)化設(shè)計手段。
　　

2、本文采用數(shù)值方法分析有限長異質(zhì)材料PDMS/玻璃微通道電滲流焦耳熱效應(yīng)。數(shù)值求解雙電層的Poisson-Boltzmann方程，液體流動的Navier-Stokes方程和流-固耦合的熱輸運方程，分析二維微通道電滲流的焦耳熱效應(yīng)和溫度場特性。考慮溫度變化對流體性質(zhì)特性（介電系數(shù)、粘度、熱和電傳導(dǎo)率等）的反饋作用。數(shù)值結(jié)果表明，在微通道進口附近有一段熱發(fā)展長度，這里的流動速度、溫度、壓強和電場快速變化，然后在微通道內(nèi)趨向到一個穩(wěn)定狀態(tài)。在高

3、電場和厚芯片的情況下，熱發(fā)展長度可以占據(jù)電滲流微通道相當(dāng)一部分長度。電滲流穩(wěn)定態(tài)溫度隨外加電場和芯片厚度的增加而升高。由于壁面異質(zhì)材料的傳熱特性差異，在穩(wěn)定態(tài)時的PDMS壁面溫度比玻璃壁面溫度高。研究還發(fā)現(xiàn)在微通道的縱向和橫向截面有溫度梯度。壁面溫升高降低雙電層電荷密度。微通道縱向溫度梯度誘發(fā)流體壓強梯度和改變微通道電場變化特性。微通道進流溫度不改變熱穩(wěn)定態(tài)的溫度分布特征和熱發(fā)展長度。在微通道壁面垂直施加一個調(diào)控電場可以改變雙電層電荷密

4、度和固壁面zeta電位，實現(xiàn)對電滲流的調(diào)控。采用流-固耦合雙電層Poisson方程，離子輸運Nernst-Planck方程、液體流動Navier-Stokes方程，數(shù)值求解連續(xù)電極與離散電極微通道的調(diào)控電滲流動。得到感應(yīng)Zeta電位、電滲流速度與外加調(diào)控電壓的關(guān)系特性。離散電極-電場調(diào)控電滲流數(shù)值分析給出對稱和反對稱的單電極，雙電極和三電極的數(shù)值結(jié)果。研究結(jié)果表明，適當(dāng)設(shè)置離散電極對電滲流進行調(diào)控，可以在流場中產(chǎn)生微型渦旋流動，實現(xiàn)液體

5、的高效率混合。同時，對橫向調(diào)控電場與縱向驅(qū)動電場的相互作用也進行討論。
　　 本文研究了一種對稱電極組交變電滲流微泵結(jié)構(gòu)，通過改變相鄰電極間的交變（AC）信號相位，可以方便實現(xiàn)對微通道電滲流向的控制。根據(jù)雙電層離子數(shù)的空間位阻效應(yīng)修正，數(shù)值求解了雙電層Poisson-Boltzmann方程、液體流動Navier-Stokes方程，得到了對稱電極組交流電滲微泵的流動特性。分析了微泵流速與交流電壓幅值、頻率等參數(shù)的關(guān)系特性，并且與雙

6、電層Debye-Hückel線性解進行比較。結(jié)果表明，空間位阻效應(yīng)修正在低電壓時與Debye-Hückel線性解一致，但是在高電壓時會產(chǎn)生高頻反向流動。為了滿足微電子封裝過程對器件溫度變化的精確控制，本文研究一種快速升降溫度的微流體溫度控制器，數(shù)值模擬了控制器的液體－固體－空氣一體化的流動－熱傳導(dǎo)過程。在給定進口液體溫度變化特征的情況下，通過數(shù)值分析考察溫度控制器表面溫度對進口液體溫度變化的響應(yīng)特性，包括時間跟隨性（傳熱靈敏度）和溫度變