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声表面波微流体驱动中的热效应研究

杨小庆  
【摘要】:微流体驱动领域中,由于声表面波工艺成熟、生物相容性好、驱动力可控及便于集成,能够快速的驱动微流体完成输送、聚集、混合、喷射、雾化等响应,因此成为生化反应、生物传感器、微驱动器等方向研究的热点。在实际应用中,由于压电基片的自热效应存在,容易造成器件本身的裂片与失效等问题,降低芯片的性能和使用寿命,使得高功率器件的发展十分有限。除此之外,流体受到声波的辐射也会产生热量,该声热效应在一些需要控制温度的生化反应中尤为重要。因此,本文基于微机电系统制造技术,对器件的压电材料和叉指换能器进行了选型和结构设计,加工出了适用于微流体驱动的声表面波微驱动器件,并尝试从理论和实验两方面对热效应的产生机理和影响参数进行合理的解释与探究。理论研究方面,对系统本身的损耗机制进行了探讨,论证器件的自热效应主要来自于压电材料的结构阻尼损耗和介电损耗,流体的声热效应主要来自于流体内部的声流模式带来的粘性耗散。使用COMSOL仿真软件建立了二维压电-传热仿真模型,获得数学模型的解析结果,从微观尺度对声表面波的传播特性和热能量的传递进行了描述。实验研究方面,整个微驱动过程中的热效应均由红外热成像仪和热电偶的传感数据得到温度随时间变化的情况。提出了一种增设散热片的方法,能有效抑制器件的温差效应,使器件的性能得到改善。压电基底表面温度和液体温度均随驱动功率的增加而增加,且得出温度和驱动功率成线性关系。实验同时发现在微流控过程中,流体的温度始终要远远高于器件本身的温度,侧面论证了流体生热是微驱动过程中热效应产生的主要原因。流体热效应与液体粘度正相关,且粘度越大,液体与基片温差越大,侧面论证了热效应与液体内部粘性耗散的相关性。


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