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《华中科技大学》 2011年
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微流控系统调控电渗流和热效应数值研究

晁侃  
【摘要】:流动控制技术是微流控系统原理功能分析和优化设计的重要关键问题之一。由于微流控器件尺寸的缩小而引发的流动尺度效应,液-固界面电场力,流场-电场-温度场-离子运动多物理场耦合等效应,使得微流控系统流动现象与宏观系统有很大不同,双电层和电渗流是其中与流体力学相关的最重要基础问题之一。本文旨在对微流控系统电渗流控制和焦耳热效应进行初步的分析与数值研究,探讨微纳尺度液体流动的基本规律,为微流控芯片的研发提供理论依据和优化设计手段。 论文采用数值方法分析有限长异质材料PDMS/玻璃微通道电渗流焦耳热效应。数值求解双电层的Poisson-Boltzmann方程,液体流动的Navier-Stokes方程和流-固耦合的热输运方程,分析二维微通道电渗流的焦耳热效应和温度场特性。考虑温度变化对流体性质特性(介电系数、粘度、热和电传导率等)的反馈作用。数值结果表明,在微通道进口附近有一段热发展长度,这里的流动速度、温度、压强和电场快速变化,然后在微通道内趋向到一个稳定状态。在高电场和厚芯片的情况下,热发展长度可以占据电渗流微通道相当一部分长度。电渗流稳定态温度随外加电场和芯片厚度的增加而升高。由于壁面异质材料的传热特性差异,在稳定态时的PDMS壁面温度比玻璃壁面温度高。研究还发现在微通道的纵向和横向截面有温度梯度。壁面温升高降低双电层电荷密度。微通道纵向温度梯度诱发流体压强梯度和改变微通道电场变化特性。微通道进流温度不改变热稳定态的温度分布特征和热发展长度。 在微通道壁面垂直施加一个调控电场可以改变双电层电荷密度和固壁面zeta电位,实现对电渗流的调控。采用流-固耦合双电层Poisson方程,离子输运Nernst-Planck方程、液体流动Navier-Stokes方程,数值求解连续电极与离散电极微通道的调控电渗流动。得到感应Zeta电位、电渗流速度与外加调控电压的关系特性。离散电极-电场调控电渗流数值分析给出对称和反对称的单电极,双电极和三电极的数值结果。研究结果表明,适当设置离散电极对电渗流进行调控,可以在流场中产生微型涡旋流动,实现液体的高效率混合。同时,对横向调控电场与纵向驱动电场的相互作用也进行讨论。 论文研究了一种对称电极组交变电渗流微泵结构,通过改变相邻电极间的交变(AC)信号相位,可以方便实现对微通道电渗流向的控制。根据双电层离子数的空间位阻效应修正,数值求解了双电层Poisson-Boltzmann方程、液体流动Navier-Stokes方程,得到了对称电极组交流电渗微泵的流动特性。分析了微泵流速与交流电压幅值、频率等参数的关系特性,并且与双电层Debye-Huckel线性解进行比较。结果表明,空间位阻效应修正在低电压时与Debye-Huckel线性解一致,但是在高电压时会产生高频反向流动。 为了满足微电子封装过程对器件温度变化的精确控制,本文研究一种快速升降温度的微流体温度控制器,数值模拟了控制器的液体—固体—空气一体化的流动—热传导过程。在给定进口液体温度变化特征的情况下,通过数值分析考察温度控制器表面温度对进口液体温度变化的响应特性,包括时间跟随性(传热灵敏度)和温度变化振幅的衰减率(传热效率)。论文还考察控制器结构尺度,进口液体速度,温度变化波形,周期等参数对温度控制器的特性影响。数值结果表明:控制器厚度增加,控制器表面温度变化幅值衰减增大;控制器进口流速大,控制器表面温度变化幅值衰减率小;进口液体温度变化周期短,传感器表面温度变化幅值衰减增大;进口温度变化方形波的传热效率大于三角波形;传感器表面温度变化周期与进口温度周期相同,但存在相位差。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O361.4

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【参考文献】
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1 辛明道,师晋生;微矩形槽道内的受迫对流换热性能实验[J];重庆大学学报(自然科学版);1994年03期
2 聂德明,林建忠,石兴;弯管电渗流场的数值模拟及研究[J];分析化学;2004年08期
3 姜洪源;杨胡坤;闫辉;RAMOS Antonio;;交流电渗微泵理论模型与数值仿真[J];哈尔滨工程大学学报;2007年12期
4 姜洪源;任玉坤;杨胡坤;闫辉;RAMOS A;;交流电渗粒子收集的研究[J];哈尔滨工程大学学报;2009年05期
5 龚磊;吴健康;王蕾;晁侃;;亚微米/纳米通道电渗流及控制[J];华中科技大学学报(自然科学版);2008年09期
6 冯焱颖,周兆英,叶雄英,汤扬华;微流体驱动与控制技术研究进展[J];力学进展;2002年01期
【共引文献】
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1 张陆旻;戴干策;;SBS改性PP基导电复合材料[J];工程塑料应用;2007年01期
2 蒋炳炎;翟瞻宇;申瑞霞;邱庆军;;微流控芯片脱模缺陷分析及其脱模装置研究[J];工程塑料应用;2010年01期
3 李常峰;蒋炳炎;申瑞霞;侯文潭;;微流控芯片超声振动注射成型模具设计[J];工程塑料应用;2010年02期
4 李敏;肾上腺类药物毛细管区带电泳分离方法研究[J];安徽教育学院学报;2000年03期
5 董玲;;微流控合成简介及其研究进展[J];合肥师范学院学报;2009年03期
6 李刚;硝酸铜防结块添加剂的应用研究[J];安徽化工;2004年01期
7 陈九武,王志强;毛细管电泳在氨基酸分析检测中的应用进展[J];氨基酸和生物资源;2004年03期
8 汤传义;二维单分子膜与三维体系的对应关系[J];安庆师范学院学报(自然科学版);2001年01期
9 汤传义,汤新亮;天然条件下单分子膜阻蒸发速率的测定[J];安庆师范学院学报(自然科学版);2002年04期
10 汤传义,姚卫霞;表面膜压与单个分子所占面积的关系[J];安庆师范学院学报(自然科学版);2003年04期
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1 孔德义;梅涛;;MEMS技术及其在汽车传感器中的应用[A];2004“安徽制造业发展”博士科技论坛论文集[C];2004年
2 崔海航;刘顺东;沈萍;张鸿雁;常志英;;基于介电电泳微流控芯片的微细颗粒物分离研究[A];2011中国环境科学学会学术年会论文集(第四卷)[C];2011年
3 张耀;吴健康;陈波;;坐标变换法数值求解微通道双电层和复杂电渗流[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
4 张圣卓;刘吉晓;李松晶;;采用无阀微泵的微调焦系统特性研究[A];中国机械工程学会流体传动与控制分会第六届全国流体传动与控制学术会议论文集[C];2010年
5 唐苏亚;;智能材料在非电磁原理驱动器中的应用[A];中国电子学会第十六届电子元件学术年会论文集[C];2010年
6 唐苏亚;;非电磁原理微电机的应用前景展望[A];第十届中国小电机技术研讨会论文集[C];2005年
7 唐苏亚;;智能材料在非电磁原理驱动器中的应用[A];第十三届中国小电机技术研讨会论文集[C];2008年
8 颜黄苹;黄元庆;;微/纳制造与微/纳测量技术综述[A];福建省科协第五届学术年会数字化制造及其它先进制造技术专题学术年会论文集[C];2005年
9 张慧敏;陶功华;杨建平;庄志雄;柯跃斌;杨淋清;;毛细管胶束电动色谱测定基因组DNA甲基化水平[A];2010广东省预防医学会学术年会资料汇编[C];2010年
10 魏兵;夏明安;;先进的MEMS封装技术及应用[A];湖北省机械工程学会设计与传动学会、武汉机械设计与传动学会2008年学术年会论文集(1)[C];2008年
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6 晁侃;吴健康;龚磊;王蕾;;异质材料微流体通道电渗流热效应[J];分析科学学报;2009年01期
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8 王利民;葛蔚;陈飞国;;气体微通道流动的传递特性[J];科学通报;2006年22期
9 郭丽祥;尤学一;;平行平板微通道流场在双电层和边界滑移条件下的解析解[J];纳米技术与精密工程;2010年05期
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1 史东山;李锦辉;刘赵淼;;关于微通道相关问题研究方法现状分析[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
2 刘丽昆;逄燕;刘赵淼;;几何参数对微通道液体流动和传热性能影响的研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
3 李锦辉;刘赵淼;;锯齿型微通道内流流动状态的数值模拟[A];北京力学会第17届学术年会论文集[C];2011年
4 范国军;逄燕;刘赵淼;;微通道中液体流动和传热特性的影响因素概述[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
5 滕代高;高芸;郝世峰;;多尺度涡旋自组织影响0604号台风强降水的数值研究[A];第五届长三角气象科技论坛论文集[C];2008年
6 姚志崇;张志荣;曾志波;;基于力场模拟的桨船相互影响的数值研究[A];第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会论文集[C];2009年
7 郑立捷;胡刚义;许建;邱磊;彭娅玲;;水下航行体升降桅杆水动力流场的数值研究[A];第四届全国船舶与海洋工程学术会议论文集[C];2009年
8 谭良才;张旭;;圆环浮射流速度温度分布规律的数值研究[A];全国暖通空调制冷1998年学术文集[C];1998年
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10 雷坤;孙文心;;黄、东海环流的数值研究[A];第八届全国海岸河口学术研讨会暨海岸河口理事会议论文摘要集[C];2004年
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1 孙广明;春兰成为业界范例(下)[N];中国贸易报;2005年
2 段佳;“逮住”居民区中的肮脏空气[N];大众科技报;2008年
3 孙广明;春兰经验成为业界范例[N];中国高新技术产业导报;2005年
4 孙广明;春兰20年长盛的启示[N];消费日报;2005年
5 孙广明;春兰从“制造”到“创造”[N];中国质量报;2007年
6 孙广明;春兰:从“制造”到“创造”[N];消费日报;2007年
7 海涛;研究海洋动力灾害过程的学者[N];科技日报;2005年
8 孙广明;春兰四大举措激活创新[N];消费日报;2007年
9 仲特江;春兰:激活四大元素 从“制造”走向“创造”[N];消费日报;2007年
10 孟元兵孙文心;春兰空调创新求发展[N];消费日报;2008年
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1 晁侃;微流控系统调控电渗流和热效应数值研究[D];华中科技大学;2011年
2 金文;微灌滴头微通道内流流场实验研究与数值模拟[D];西安建筑科技大学;2010年
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8 王蕾;固壁有速度滑移的微流控系统电动流动研究[D];华中科技大学;2012年
9 张忠强;流体在纳米微通道中的流动及传输特性研究[D];大连理工大学;2010年
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9 刘征;超疏水微通道传递特性的数值模拟[D];大连理工大学;2010年
10 徐海明;侧壁沟通式十字交叉微圆通道装置中明胶微液滴的生成及操纵[D];重庆大学;2011年
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