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基于MEMS技术的直流电渗流微泵的研究

江涛  
【摘要】: 微机电系统(MEMS)中的芯片实验室以其微型化,集成化的特点成为目前公认的最具发展潜力的研究领域。微流控系统作为芯片实验室中的一个关键组成部分在目前蓬勃发展的微全分析系统中有着及其重要的应用,其采用微通道结构进行样品的输送,节省了时间、减少材料浪费、降低了环境污染。当前在微流控系统中液体的驱动方式是一个关键问题,直流电渗流微泵是基于电渗原理,利用电场控制通道中的液体流动,实现无运动部件的液体流动系统,近年越来越受到人们的重视。本文是以实际应用为目的,对直流电渗流微泵的理论和实验进行了深入的研究,为直流电渗流微泵的应用提供了理论和实验基础。在微流控系统中微通道的表面特性、截面形状等都会对电渗流流体的流动和控制产生影响,因此本文的主要工作内容就是对电渗流的产生机理进行研究和对微通道的几何参数对其中的流体的流动状况的影响进行分析。本文详细的综述了直流电渗流微泵的国内外研究状况,阐述了双电层和直流电渗流微泵的原理,研究了电渗流微泵流量与压强的产生机制,建立了直流电渗流流场的理论模型,并利用涡度流函数法和有限差分法得到双电层电势和电渗流流场数值解。 根据电渗流理论进一步研究了影响电渗流微泵流量的各种因素,主要包括外加电场强度、微通道的横截面积和截面形状,流体介电常数和流体粘度系数等等。以理论为基础,利用Matlab、FEMLAB进行仿真分析,并且对不同截面形状微通道的流阻和不同当量直径微通道内的流速进行了分析计算,其结果为电渗流在微通道内的流动特性的研究和直流电渗流微泵的设计提供了理论依据。 为了验证理论研究结果的正确性,设计制备了毛细管电渗微泵,进行了直流电渗流流动的验证实验,通过使用自制的毛细管电渗泵来驱动去离子水和KCl溶液。实验考察了在不同外加电场强度时的去离子水和KCl溶液的流量,其结论为以后的电渗流微泵的设计提供了实验基础。


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