行波电渗微流体驱动仿真和实验研究

为了探讨在封闭通道内微流体在行波电渗作用下的流动状态,进行了行波电渗微流体驱动实验及仿真研究。通过对行波电渗微流体驱动原理的分析,建立了行波电渗微流体驱动数学模型。根据微通道内电势分布满足Laplace方程及通道内流体流动满足Navier-Storks方程,并利用建立的边界条件,确定了行波电渗在微通道内电势及电场的分布,通过对电场及流场问题的耦合求解,获得了微通道内行波电渗微流体驱动流场。分析表明,其仿真计算结果与实验结果具有较好的一致性,从而验证了行波电渗微流体驱动理论模型的正确性,为进一步研究和分析行波电渗微泵提供了理论工具和仿真手段。     

主动式交变电场电渗微混合通道数值模拟

为了获得快速、充分的流体混合效果,提出了一种主动式增强微通道内流体混合的方法。利用交变电场电渗,在微通道内诱发混沌流,以提高流体混合效率。基于有限元方法采用COMSOL软件对流体混合过程进行数值仿真,分析了相邻电极极性相同和相反时的混合效率及电场强度、电场频率对混合效率的影响。结果表明,此方法能够有效提高微通道内流体的混合效率。选择适当的电场强度和电场频率对提高混合效率有显著的影响。当相邻电极极性相反时,可获得更好的混合效果。定量地评价了该微混合通道的混合效果,即微通道出口处混合效率在0.5 s后较稳定地保持在99%,与无交变电场的电渗相比,混合效率提高了约46%。     

一种用于称重的矩形微通道式微悬臂梁

矩形微通道式微悬臂梁传感器可用于检测单个微粒子或细胞的质量,在生物和化学等领域具有非常广泛的应用前景。设计了一种含有矩形微通道的微悬臂梁结构,建立了单个微粒子等效的集中载荷在微悬臂梁中矩形微通道的任意位置时弯曲挠度的理论模型,分析了静态工作模式下的弯曲挠度变化以及研究了单个微粒子的质量及位置对微悬臂梁的弯曲挠度的影响,并用COMSOL Multiphysics仿真软件对矩形微通道式微悬臂梁的弯曲变形进行仿真计算,弯曲挠度的仿真结果与理论计算结果相对误差为1.2%。实验验证了在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微粒子的作用下,微悬臂梁的最大弯曲挠度为2.741μm。     

基于介电泳机理的金纳米颗粒传感器装配方法

研究了一种基于介电泳机理的金纳米颗粒传感器装配方法。在分析介电泳工作原理的基础上,利用Comsol Multiphysics仿真软件,对平面微电极条件下所产生的空间电场进行了建模仿真,研究了金纳米粒子极化模型及相关介电泳频谱特性。设计加工了基于光刻标准工艺和引线键合技术的平面微电极阵列,构建了具有三维位移平台和视频监控装置的介电泳装配实验平台。以250nm金颗粒为实验对象,在理论分析基础上,完成了在微电极阵列上的介电泳组装实验研究,并通过电特性测量验证了组装结果。实验结果表明:金纳米颗粒的介电泳组装效果与介质溶液的电导率、电场频率和幅度、金纳米粒子浓度、电极间隙及作用时间有关,在适宜的条件下,采用介电泳技术可实现对金纳米颗粒的有效操控和纳米器件装配,该方法为纳米传感器的制造提供了一种有效途径。     

准分子激光器中张氏面型电极的电场仿真研究

为了获得准分子激光器高脉冲能量输出,采用张氏面型电极的理论,设计了一套能产生大面积均匀电场的紧凑型电极。通过ANSYS软件数值仿真获得了电极表面电场分布,并与紧凑型张氏面型电极的理论计算结果进行了对比验证;分析了紫外火花预电离结构对电极放电的影响,并进行了电位和电场分布仿真。结果表明,预电离板的存在直接影响了电极之间的电位和电场分布;电场仿真结果解释了预电离板的顶端与阳极形成放电的原因。该研究为大面积辉光放电电极设计提供了更深入的理论支持。     

基于声表面波技术实现微通道内微流体的融合

提出了一种新的油相微通道内微流体融合方法.在128°YX-LiNbO3基片上光刻叉指换能器(IDT)和反射栅,模塑法制作的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道贴合于压电基片的声路径上,在PDMS微通道内采用微量进样器注入石蜡油和待融合微流体.经功率放大器放大后的射频(RF)电信号加到IDT上,激发声表面波(SAW),驱动微通道内的待融合微流体,实现其融合.实验结果表明,在SAW作用下,微通道内微流体的融合决定于加到IDT上RF信号功率、待融合微流体直径和待融合微流体间距.     

芯片上叉指电极介电电泳的模拟与实验研究

分析了影响常规介电电泳过程中粒子所受介电电泳力的因素和发生正、负向介电电泳的条件。经过合理的简化和假设,建立了一个芯片微通道中常规介电电泳的二维数学模型。数值计算结果给出了微通道中的电势和电场强度分布,并根据场强分布预测了粒子发生正向介电电泳时最容易被吸附的位置。利用微加工工艺,在硼硅酸(Pyrex)玻璃表面沉积了叉指型结构的复合金属电极,并用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作了具有微通道的盖片,两者键合形成芯片。以溶解有聚苯乙烯(polystyrene,PS)粒子的KCl溶液为操作悬浮溶液进行了粒子正向介电电泳实验,实验结果与理论分析具有较好的吻合。     

压电基片上集成微通道数字微流体微混合器研究

微流体在压电基片上输运往往偏离声表面波传播方向,尤其是当压电基片表面疏水层不很均匀时,给微流体诸如混合等操作带来不便。在1280旋转Y切割X传播方向的LiNbO3基片上研制了集成有聚二甲基硅氧烷为材料T型微通道的微混合器,压电基片上采用光刻工艺制作相互垂直叉指换能器及反射栅。待混合的两微流体采用微量进样器分别进样到声路径微通道中,依次在两叉指换能器上加RF电信号,它激发的声表面波驱动其声路径上微通道中的微流体沿微通道输运、合并,并快速混合。对2μl水-2μl蓝色染料微流体和2μl甘油-2μl蓝色染料微流体进行混合实验,结果表明,声表面波的作用可以提高微通道中微流体的混合速度,且混合程度更高。     

基于行波介电泳的细菌分离电极的设计与操控北大核心

基于行波介电泳原理,分析了电场强度和Clausius-Mossoti(C-M)因子的虚部对行波介电泳力的影响。对4种不同形状电极的电场强度分布进行了仿真建模,结果表明半圆形电极阵列有较好的传输特性,并建立了半圆形电极阵列在行波作用下的电场模型。以行波介电泳力的复数表达式为基础,得出了C-M因子虚部随频率的变化曲线。设计加工了基于半圆形电极阵列的细胞分离微流体芯片,基于行波介电泳原理,对金黄色葡萄球菌细菌进行了分离实验。通过对比分析,实验结果与仿真结果具有较好的一致性。因此,利用行波介电泳力,半圆形电极阵列能够有效地对细菌进行传输分离。     

真空电子技术

O4612007060213共面介质阻挡放电特性研究/欧阳吉庭,何锋,缪劲松,冯硕(北京理工大学理学院)//物理学报.―2006,55(11).―5969～5974.对共面介质阻挡放电(DBD)的放电过程进行了实验和理论研究。在实验中设计了分段电极方法来获取放电过程中不同位置上的局域电流和光辐射特性,得到了阴极上等离子体的扩展速度,并与二维流体数值模拟结果进行了比较。结果表明,在共面DBD的暂态放电过程中,电极上空等离子体区域始终存在有不均匀电场,导致了不同位置上放电电流和光辐射分布的不一致。同时研究还表明,在DBD放电过程中应当考虑表面光致二次电子…     

非线性及粒子空间效应对交流电渗流泵的影响

在交流电渗流(ACEO)泵的研究中,一般采用Debye-Huckel(D-H)线性近似法。但该方法只在电压很小时才成立,这和实际情况不符;此外,交流电渗流泵在大电压、高频率下的反向流现象也不能由D-H近似法给出正确的预测。当电压较大时,一般采用非线性的Poisson-Boltzmann(P-B)模型。但是,P-B模型也无法对交流电渗流泵在大电压、高频率下的反向流现象进行预测。在P-B模型中,溶液粒子被当作一个空间点,忽略了粒子间的相互作用以及粒子本身的空间体积效应。实际的粒子都有一定的空间体积,当电压较大、溶液浓度较高时,粒子的空间体积不应被忽略。由于粒子的空间体积,通过引入粒子空间效应对P-B模型进行修正后,给出了交流电渗流泵在较大电压下的数值模型,并对交流电渗流泵在较大电压下的高频率反向流现象进行了成功的预测。     

叉指型微电极交流电渗泵的阻抗谱分析

阻抗谱的研究对于优化交流电渗泵的结构具有重要意义。通过分析交流电渗泵的结构和工作原理,指出双电层的电容特性和电解质溶液的电阻特性,建立了用来研究交流电渗泵阻抗谱的RC等效电路。在最佳电极结构参数设置下,得到了不同频率下的阻抗谱,分析了电极周期长度以及通道高度改变对交流电渗泵阻抗模以及幅角的影响,并对电解质溶液浓度对阻抗谱的影响做了估计。结果表明,工作频率的增加总体上会造成阻抗模的增大和阻抗角的减小,而同一频率下不同因素对阻抗谱的影响又有所不同。该结论对交流电渗泵的设计和功耗研究有一定的理论指导意义。     

三维交流电渗流泵的流量增强效果

在交流电渗流(ACEO)泵的研究中,一般忽略电极厚度的影响;而三维交流电渗流泵通过将电极厚度设计成台阶形式后,可以大大提高电渗流泵的流量。数值研究了电极台阶高度对三维交流电渗流泵流量的影响。研究发现:在驱动电压幅值不变的条件下,随着台阶高度的增加,三维交流电渗流泵流量也会增大;而当台阶高度增加到一定程度后,流量又会随着台阶高度的增加而减小。因此,在三维交流电渗流泵的设计制造中,需要优化电极的台阶高度,选择合适的台阶高度可以极大地提高电渗流泵的流量。通过和传统交流电渗流泵的比较,还研究了三维交流电渗流泵对流量的增强效果。结果表明:在相同模型尺寸参数下,优化台阶高度后的三维交流电渗流泵能极大提高流量。     

A study on three-dimensional electrode arrays fabricated by PolyMUMPs® for AC electro-osmotic pumping

This paper presents four three-dimensional (3D) micro-electrode arrays for pumping liquid by utilizing AC electro-osmosis (ACEO) mechanism. Fabricated by using PolyMUMPs® process, these electrode arrays are made of polysilicon and subject to a surface oxide layer, which does not exist on conventional gold electrodes. An ACEO finite element model (FEM) accounting for the surface oxide on polysilicon electrodes is integrated in this work. The relationship of the velocity of driven liquid vs. the frequency of the electrical driving signal is obtained for the four electrode arrays through simulation and testing. Impacts of the electrode configuration and surface oxide are analyzed by comparing simulation and experimental results.     

Analysis of alternating current driven electroluminescence in organic light emitting diodes: A comparative study

The alternating current (AC) responses of double-injection and double-insulated organic light-emitting diodes (OLEDs) were investigated and compared. To reveal the electroluminescent (EL) processes in these devices, the AC voltage and frequency dependence of the EL intensity and capacitive current were studied in the time domain with a focus on phase difference analysis. It was found that the voltage-dependent transit time and frequency-dependent carrier distribution were important for the AC-driven performance of the double-injection OLEDs. In contrast, although the double-insulated OLEDs shared some similarities with the double-injection OLEDs, they had some unique characteristics, which were the absence of resistive current and phase shift of EL profiles. It was revealed that the EL in the double-insulated OLEDs was driven by the displacement current generated by the ionization of the doped layers, which, however, formed space charge regions and undermined the EL emission. The space charge redistributed the electric field across the devices after the initiation of EL, making the EL maintain for a limited time interval. This effect was significant under low frequency and high AC voltage. Comparing the phase difference between both devices, it was indicated that the space charge effect was responsible for the observed EL phase shift and the asymmetric EL profiles at low frequency and high AC voltage in the double-insulated OLEDs. The proposed model was also of help to understand the EL saturation phenomena with AC frequency and voltage in those devices.     

基于高频开关式交流斩波技术的研究

本文讨论了高频开关式交流斩波电路的工作原理与电路调压控制技术,交流斩波调压控制技术是一种新型高性能的交流调压技术,在中小交流调压领域获得广泛应用。本文通过对开关反串联式斩波调压电路的原理分析,对比了三相三管交流斩波调压电路和单相单管交流斩波调压电路的控制方式,并对电路的扩展功能的新技术进行了探讨。     

硅微通道板电子倍增器

本文采用感应耦合等离子体刻蚀机(ICP)和低压化学气相淀积(LPCVD)技术制备了硅微孔列阵和连续打拿极,得到具有一定性能的硅微通道板.同时分析讨论了微孔列阵的表面形貌、反应离子刻蚀的尺寸效应以及电子增益系数等问题.与传统工艺相比,新工艺将微通道板基体材料与打拿极材料的选择分开、微孔列阵形成和连续打拿极制作过程分开,以MCP性能的突破找到了新途径.     

Sb掺杂SnO_2修饰双电层电容活性炭电极的研究

应用sol-gel浸渍与热处理工艺相结合,在活性炭表面包覆Sb掺杂的SnO2薄膜对电极进行修饰,构成AC-SnO2/KOH/AC-SnO2双电层电容器,测试结果表明,400 mA/g电流密度条件下,修饰后的双电层电容器在0.001～1.5 V相对较高电压区间的放电容量,比AC/KOH/AC双电层电容器在0.001～1.0 V电压区间高36%,但AC-SnO2的单电极比电容仅为AC单电极比电容的91.9%;当电流密度大于400 mA/g,两种电极的大电流性能相当。     

AC actuation contribution to the induced electromotive force in the miniaturized inductive planar microphone

In this paper, we aim to analyze the gain ratio in the output induced voltage of a CMOS-compatible miniaturized electrodynamic microphone which is based on the use of two coplanar concentric inductors. These latter are comparable to a concentric transformer with a secondary situated on the microphone diaphragm top. The study has been applied when the outer inductor is actuated using an AC bias instead of DC leading to a time-variable B-field. The induced output voltage expression has been evaluated using two distinct analytic methods: the magnetic field derivation and the electric field approach. When an AC current with frequency above that of the acoustic band is used to bias the primary, results show that the induced voltage increases and becomes independent from the incident pressure wave frequency. The paper demonstrates also that with an AC bias, the microphone induced voltage values can reach the order of hundreds of µVs, as opposed to only few µVs when applying a DC bias. The gain in the induced voltage has been investigated and it is shown that it can be correlated to the AC current frequency, ω_c, and the inner inductor fluctuation frequency, ω_p. Moreover, this has been quantified analytically and it is shown that it equals ω_c/8ω_p. This result will not only enhance the overall performance of the microphone, but will also make the preamplification design less complicated by increasing the SNR ratio.     

GMM,PZT和弹性基板复合磁电耦合效应研究

将超磁致伸缩材料(GMM)、压电材料(PZT-5H)复合于弹性基板上,利用共振原理构造了一种新型的磁电换能器。当激励磁场的频率等于或者接近于弹性基板的固有频率时,GMM将驱动弹性基板振动并发生共振,粘结于基板上的压电材料的输出电压将达到极大。实验研究表明,该器件的磁电耦合电压曲线呈现多个峰值,在800Oe偏置磁场和1Oe交变磁场激励下,谐振点处的磁电耦合电压系数达到1.552V/Oe。