基于分合式混合单元的微混合器设计与研究

为实现微尺度下流体的快速均匀混合,基于对流体的分割、合并实现流体间接触面积指数式增长的原理,提出了一种分合式(SAR)混合单元,通过仿真对其支路夹角进行了优化,并最终确定支路夹角θ=70°.利用成熟的标准SU-8光刻及PDMS制作工艺,制作了分合式与组合分合式两种微混合器.采用甘油-水按体积比5:95(0.000 97...     

微流体混合器的研究现状

简单介绍了微混合器，主要综述了微混合器的国内外研究现状及其混合机理，对微混合器研究中所遇到的几个问题加以讨论，展望了微混合器的研究前景。     

内置周期挡板的T-型微混合器

设计了一种流道内布置周期挡板结构的高效T-型微混合器来提高微流控系统的混合效率。该微混合器结构简单,周期布置的挡板可以有效地缩短流体混合所需的流道长度和时间,混合效率高。安排了正交实验组,利用计算流体力学软件ANSYS CFX研究了流道结构参数对混合效果的影响。采用静态田口分析法对数值模拟结果进行分析。结果表明:流道结构参数对混合效果的相对影响程度排列如下:挡板攻角(θ)流道高度(H)挡板宽度(L)相邻混合单元之间距离(D)。根据结构参数对混合效果的影响程度,得出研究参数范围内的最优组合为:θ=75°,H=0.4 Wm,L=0.7 Wm,D=0.6 Wm(这里Wm为流道宽度,等于200μm)。实验显示,结构参数符合最优参数组合的微混合器的混合效果提升显著,雷诺数Re=54时即可实现完全混合(混合指标M95%)。文中研究了流道结构对进出口压降的影响,结果显示,攻角θ对进出口压降的影响趋势在不同雷诺数下相同,参数H,D亦如此。     

3D-不对称菱形被动式微混合器混合特性

提高微混合器雷诺数的适用范围和混合强度是微混合器设计的发展趋势。本文基于非对称分离重组混合原理设计、制作了一种3D-不对称菱形被动式微混合器,并借助数值分析方法和可视化实验对混合强度和混合状态的变化进行了研究。研究发现:在低Re(0.01~10)范围内,两组分间的混合以扩散混合为主,随着Re的增加,流速对混合强度的影响有一定下降;在较高Re(10~200)范围内,受流速增加的影响,流体间不平衡微流惯性碰撞逐渐成为影响混合的主要因素。此时,混合强度随流速的增加逐渐增强并趋于平稳。对Re在0.01~200内的微混合器展开研究,分析了宽缝比Ws/S、分合角θ、宽厚比H/S等结构尺寸对混合强度的影响。通过综合考虑流体混合强度和通道压降的变化情况,确定最佳通道结构尺寸为Ws/S=0.2、θ=45°、H/S=0.5,此时微混合器的混合强度可维持在78%以上。与传统平面对称分合式混合器相比,设计制作的3D-不对称菱形被动式微混合器混合强度有较大的提高,验证了本文设计结构的有效性。     

影响微流体混合的因素及微混合器

由于微流控系统在生物工程、微电子机械系统等领域中有着广泛的应用前景,微通道中流体的流动、传质、传热等已成为微电子机械系统研究的前沿热点.本文分析了小Reynolds数下影响流体混合的因素,综述了目前各类主动式微混合器和被动式微混合器,为微流控系统的设计乃至于微机电系统的设计提供了基础.     

亲/疏水性不同壁面组成微通道的深宽比与通道内液体的自发毛细流动

研究了聚合物芯片上由亲/疏水性不同壁面组成的微通道内流体的流动行为。为了实现该类微通道内液体的自发毛细流动和被操作液体的自发毛细输运,根据系统总表面自由能极小原理,提出了微通道内毛细输运自发实现时微通道的临界深宽比条件。在以二聚二甲基硅氧烷(PDMS)和玻璃为材料的微流控芯片上进行了三面疏水一面亲水微通道内水的毛细输运实验。针对165μm,200μm和265μm3种深度的通道,理论计算的临界深宽比为0.5,而实验得到的值分别为0.4714,0.4878和0.4818,实验结果与理论预测结果基本相符,从而验证了由亲疏水性不同的壁面组成的微通道内毛细输运自发实现的临界深宽比条件。     

基于Krylov子空间的微混合器宏模型设计与仿真

获得宏模型是微混合器设计与仿真的关键。将Navier-Stokes方程和对流扩散方程用有限元方法进行离散化处理,应用Krylov子空间的Arnoldi过程对得到的微分-代数方程组降阶处理,提取出宏模型。仿真结果表明,经过降阶处理得到的宏模型保证了微混合器的输出精度,降低了计算复杂度。     

基于拓扑优化的电渗流微混合器电极

电渗是当前芯片实验室设备中微流体常用的驱动方式之一,其中电极版图对控制电渗驱动的外电场起到关键作用。针对电渗流电极版图大多基于尺寸优化和形状优化的方法难以大幅提升微流控器件性能的问题,建立电渗流电极拓扑优化模型,采用滤波方程和阈值投影控制电极结构的特征尺寸,通过连续伴随分析方法获得模型的伴随敏度,进而演化电极版图的结构设计变量,最终实现电渗流电极的拓扑优化。基于上述拓扑优化方法设计电渗流微混合器的电极版图,并对影响微混合器混合效果的因素进行分析。结果表明,电渗流微混合器的混合评价指数达到0.047,能够实现两种不同浓度溶液的完全混合。微混合器良好的混合性能验证了本文提出电渗流电极拓扑优化方法的有效性。     

超声微流混合器内流场试验

制作超声微流混合器,该混合器混合腔直径6 mm,深60 μm,振动膜厚和压电层厚210 μm,测量辅助立管高度2 cm。计算该混合器不同的振动模态,利用粒子图像技术测量实际振动模态图和流场图,分析模态计算结果与试验的误差原因。试验结果表明,混合器在超声激励下腔体内存在平面旋状结构;环流边界处有明显地微粒汇聚现象;一阶模态振动会产生净压差。最后得到压差的高度与压电驱动电压的近似关系。     

基于MEMS技术的PCR芯片及PDMS微腔阵列的设计

设计采用了将PCR加热器芯片与微反应腔阵列相分离的思想,利用微电子机械系统(MEMS)技术制作微加热芯片,利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制作一次性使用的微反应腔阵列.这样既可实现PCR的微型化,提高反应速率、节省反应试剂,又可解决生物兼容性和PCR污染的问题.     

折线式卷筒的设计与制造

介绍了折线式卷筒的设计与制造,并对钢丝绳的卷绕过程作了详细说明,其结构解决了钢丝层卷绕中乱扣的难题。并大大减少绳间的挤压。     

极紫外宽带多层膜反射镜离散化膜系的设计与制备

极紫外(EUV)宽带多层膜的光谱性能对膜厚控制精度要求较高,仅由时间控制膜厚的镀膜系统难以满足其精度控制要求。本文提出了基于进化算法的宽带EUV多层膜离散化膜系设计方法,与传统膜系设计相比,离散化膜系所制备多层膜具有更为优良的EUV反射光谱性能。为验证离散化膜系设计在宽带EUV多层膜研制中的优越性,采用磁控溅射方法对具有离散化膜系的宽带多层膜反射镜进行了制备和测试。测试结果表明:研制的宽角度多层膜反射镜可实现入射角带宽为0°～17°,高于41%的反射率;研制的堆栈宽角度多层膜反射镜可实现入射角带宽为0°～18.5°,高于35%的反射率;研制的宽光谱多层膜反射镜可实现波长带宽为12.9～14.9 nm,高于21%的反射率。     

近红外消偏振反射镜的设计与制备

设计并制备了一种在45°斜入射条件下使用的金属Ag消偏振反射镜,这种反射镜可以实现对目标波长810nm和850nm光线的反射,并保持线偏光的偏振方向和偏振消光比。为了消除s和p两偏振分量的分离,在金属Ag膜层上方添加了介质多层膜结构,并利用软件对膜系的结构进行了优化,设计结果的能量和相位特性满足目标需求。介质多层膜选用TiO2和SiO2分别作为高、低折射率材料,薄膜的制备采用了离子束辅助沉积工艺,并利用石英晶体振荡监控膜层厚度。得到了消光比达到10000∶1以上的样品,实现了光学薄膜器件对能量和相位的控制,满足了偏振编码空间光通信试验的需求。     

X射线超反射镜的设计与制备

介绍了一种可用于X射线成像望远镜中的高能X射线反射元件的设计和制备。结合Spiller和Yamamoto方法选择了W、C作为膜层材料,用Yamshita设计方法给出初始膜系,经单纯形调优算法设计出掠入射角为8.7mrad时,对波长范围在0.0475nm～0.0886nm范围内的X射线计算反射率达21%宽波段X射线超反射镜。样品采用高精度磁控溅射方法制备,并用X射线衍射仪(XRD)测得在8.7mrad～15.7mrad内反射率为15%左右。     

秒表计时器的设计与制作

基于单片机STC89C52设计了一款4位秒表计时器。该秒表计时器具有计满报警,计时清零,暂停计时和回显计时等功能,主要由按键模块、显示模块和蜂鸣器报警模块构成,由74LS138译码器译码后控制数码管位选,P2口控制段选,实现从 "0000" 秒计时到 "9999" 秒的显示,适合于时间精度要求较高的场合。     

旋转式微发电机的设计与制造

为了实现旋转式微发电机对微系统的持续供电,研究了旋转式微发电机的设计、制造以及实验方法.首先,设计了具有单转子和单定子的三相、永磁同步微发电机模型.使用传统的磁路分析法得出了微发电机气隙磁密和感应电动势的表达式,确定了微发电机的主要设计参数.对模型进行有限元分析,得到了感应电动势波形.然后,利用精密加工技术加工了转子和...