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。     

一种挡板结构被动式微混合器的设计与仿真北大核心

基于在微通道内设置障碍物可以提高混合效率的方法,以T型方波通道微混合器为基础,设计了一种新型的、具有挡板结构的被动式微混合器,并采用有限元方法建立了仿真模型,分析比较了T型直通道微混合器、T型方波通道微混合器和具有挡板结构的T型方波通道微混合器在不同雷诺数（Re）下器件内流体的流动特性和混合效率。研究结果表明,具有挡板结构的T型方波通道微混合器在挡板阻塞比为1/4时具备最优的综合性能,也即在较宽Re值范围（5～60）内可实现流体的快速、高效混合,混合效率高于95%。     

微通道交流电渗粒子收集位置的确定

为了研究在交变电场作用下,样品中的微观粒子被收集到电极表面固定区域的作用机理,通过聚苯乙烯粒子在微通道内的收集实验,得到了粒子及流体的运动规律;基于交流电场作用机理,对电极表面的电势、通道内的电压、电场分布及流体在通道内的流动过程进行了计算,并用仿真分析进行验证。计算及仿真结果表明,粒子在微电极上的收集位置与实验结果十分吻合,即粒子收集的位置为电极上的固定位置。研究结果为交流电渗粒子收集微通道的设计及相关的粒子收集检测提供了理论与实验基础。     

一种非对称结构微流体混合器的设计与分析

微流体混合器可以用于不同流体之间的混合与反应,其与化学传感器结合构成的化学分析测试系统,具有灵敏度高、响应时间短和稳定性好的特点。在微电子机械加工技术的基础上,设计了一种新型的、具有非对称分离重组结构的微流体混合器,并应用有限元方法建立了仿真模型,讨论了在不同雷诺数(Re=10~80)下,通道几何结构参数对微混合器内的流体流动特性和混合效率的影响。研究结果表明,微流体在该混合器内形成了扩展涡、分离涡和迪恩(Dean)涡,实现了涡系的叠加和强化,加大了流体间的扰动,增加了流体的接触面积,从而大大增强了混合效率。     

微气泡执行器强化微混合的实验研究

微尺度流动的雷诺数(Re)比较低,其混合主要通过扩散来完成,因此需要较长的距离与时间才能混合均匀。为实现微尺度低Re数流体的快速均匀混合,以甲醇及染色甲醇为工质,采用脉冲电压激励微铂膜产生可控气泡,并以气泡周期性胀缩产生的脉冲压力为动力源,研究脉冲压力横向扰动产生的混沌流对微通道内流动混合的影响。结果表明:脉冲压力横向作用使流体的交界面产生了强烈的卷曲拉伸,有效地强化了混合,该微混合器能够在毫米级混合长度及毫秒级混合时间内快速均匀混合,脉冲频率越高,混合效果越好。本研究结果为解决微尺度下低Re数流动混合难题提供了一种有效的崭新手段。     

PDLC膜电学特性的研究

采用球形液晶微泣均匀分布在聚合物中的物理模型,导出了PDLC膜的介导常数和电场强度的表达式,得到液晶微滴内的电场为均匀电场且方向与外加电场方向一致。讨论了材料的平均介电常数和电导率、外加电场的频率以及液晶微滴的体积比对液晶微滴内电场的影响。     

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。     

微通道尺寸对开通道电渗泵性能的影响

开通道电渗泵的结构简单,性能优越,制作工艺满足标准MEMS微加工工艺,是实现微泵片上集成应用的重要途径之一,可应用于微电子机械系统中作为液压致动元件。开通道电渗泵的压力流量性能与微通道的尺寸参数有直接关系。首先理论分析了微通道的长度、宽度和高度对开通道电渗流性能的影响,得出了各参数对电渗流性能的影响趋势。应用MEMS CAD软件Coventorware对微通道尺寸的影响进行了数值仿真分析,结果表明:数值仿真得出的结论与理论分析相一致,高深宽比微通道的电渗泵,减小宽度W和深度H有助于提高开通道电渗泵的压力,但流量也随之减小,设计时宽度和深度需折衷取值;长度L只对流量有影响,对压力无影响,通过优化设计微通道的几何尺寸可以使开通道电渗泵的压力和流量性能得以提高。     

微显示器件中的边缘场效应及其改善方法

边缘场效应在微显示中的影响是比较显著的,它会使图像质量下降。为了进一步研究这一现象,建立了液晶模型。通过对液晶模型的数值计算,模拟出几种常用显示模式下的边缘场效应,分析了不同模式下边缘场效应产生机理及其影响因素。通过采用混合排列模式,使得像素电极液晶分子变化平缓,减小了因为电极较小而引起的边缘电场的影响,提高了显示对比度和均匀性,改善了显示效果。     

应用于EMC测量的集成光学电场传感器性能分析

依据集成光学电场传感器的工作原理,研制了可用于电磁兼容性测量的分段电极结构与锥形天线结构的电场传感器.测试结果表明:分段电极传感器频响范围为10 MHz～6 GHz,最小可测电场强度达到30 mV/m,在频率为200 MHz时,线性动态范围可达90 dB;锥形天线传感器频响范围为10 kHz～10 GHz,最小可测电场强度达到20 mV/m,在频率为1 GHz时,线性动态范围可达100 dB.     

电渗泵的研究进展

概述了电渗泵驱动的基本原理。根据电渗泵微通道的结构特征,将其分为多孔介质电渗泵和开放通道电渗泵两类,并阐述了两类电渗泵的研究进展和各种结构电渗泵性能的优缺点,分析了驱动电压、温度、通道结构尺寸和电解液特性等关键因素对电渗泵电渗流性能的影响。概括了目前电渗泵研制中存在的主要问题:高压高流量的电渗泵所需驱动电压很高;电渗泵工作过程中产生大量焦耳热,导致热力效率低于6%;各种电渗泵的结构、微加工工艺与电渗流性能匹配不好。这些问题阻碍了电渗泵的实用化,是未来研究工作的重点。     

微通道内诱导电渗流样品聚焦方法

介绍了一种在微通道内基于直流诱导电渗流的样品聚焦方法。在样品微通道两侧壁面布置一对平行金属板,当通道两端施加一定的直流电压时,金属壁面处会形成涡流并挤压样品流动,从而实现聚焦。数值模拟研究表明:当金属壁面尺寸一定时,样品聚焦宽度随外加电场强度的增加而减小,聚焦长度随外加电场强度的增加而增大;当外加电场强度一定时,样品聚焦宽度随金属壁面尺寸的增加而减小,聚焦的长度随金属壁面尺寸的增加而增大;获得相同的聚焦宽度时,采用本方法所产生的焦耳热远低于传统电动聚焦所产生的焦耳热。与传统聚焦方法相比,本方法极大地简化了芯片结构并缩小了系统尺寸,同时降低了焦耳热效应对生物样品的影响,具有较好的应用前景。     

二维变形方波微混合器混合效果

设计并制作了多种二维变形方波微混合器,通过荧光观测及标准偏差数值分析,在低Re数(Re≤13.33)时,考察拐角和单元长度对混合器混合效果的影响。结果表明,集成拐角的混合器存在一个临界Re值1.3,当Re<1.3时,混合基于分子扩散,拐角大小对混合效率无影响,混合效率保持在28%左右;当Re>1.3时,可以产生回流,混合效率随着拐角的减小逐渐提高。对于集成6个单元、拐角为45°、单元长度(s)为3132μm的微混合器,在雷诺系数Re=13.33时,混合效率为56%,约提高了1倍;但当拐角与混合单元长度增大时,混合效率明显降低。     

被动微混合器的研究进展(英文)

综述了被动微混合器的混合原理、结构、微制作技术以及在数值仿真计算等方面的研究进展。着重讨论了几种主要被动微混合原理,如多层流、混沌对流、分裂-重合、流体弯曲和压缩以及循环流动。重点分析了近年来低雷诺数下高混合效率的复合式微混合器。复合式微混合器利用其他简单的外界作用来提高其混合效率,诸如施加离心力、采用几何压缩和三个入口结构,或利用多入口结构,使其中的流体产生周期性的流动。指出随着对低雷诺数和高黏度要求的不断提高,SAR型复合式微混合器成为更为广泛的一个研究方向,其内部的分裂-重合结构单元能够使流体产生旋转,同时通过采用几何压缩结构,缩短扩散长度.从而大大提高了流体的混合效率,但同时也提高了对微制作技术的要求。     

电极结构对于大气压低温等离子体射流初始电场的影响——创新信息论坛优秀论文

为研究不同电极结构对于大气压低温等离子体射流电场的影响,建立了二维轴对称模型,利用COMSOL软件对三种不同的电极设置情况进行了仿真。仿真结果表明,只有针电极时,电场强度比较低,壁上加环电极时,最大电场强度显著增大,且环电极的宽度对它的大小也有影响,壁外加环电极时,最大电场强度也增大,但增加的幅度较环电极在壁上时小,且随着环电极距壁的距离越来越大,产生的影响也越来越小。     

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。     

一种采用介电突起消除边缘场效应的LCoS

提出了一种使用介电突起消除边缘场效应的硅基液晶显示器(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)。在像素电极之间设计介电突起结构来阻隔相邻像素电极之间的串扰电场,通过对LCoS的液晶分子指向矢分布和边缘场串扰现象进行仿真,分析了边缘场效应产生的机理及其影响因素,并对相应反射率和相位进行了计算和对比。具有介电突起的LCoS相比传统LCoS在减少相邻像素边缘反射率和相位干扰上有明显的效果,反射率始终维持在96%,相位差保持不变,对比度大于35∶1的区域接近60°,整体视角基本不受影响。所提出的介电突起能够很好地消除横向电场对相邻像素内液晶分子取向的影响,进而提高了LCoS的对比度,大大改善了显示效果。     

碳纳米管在混合电场下的运动规律及应用研究

根据介电电泳理论关于碳纳米管在电场下的运动规律,对直流和高频电场驱动下影响碳纳米管运动的因素进行了实验对比,讨论了电压、频率、电极间距、挥发时间和溶剂种类等因素。直流和高频电场对碳纳米管的取向排布和杂质分离效果有不同影响,两者都不能完全解决近电极区域碳纳米管和杂质的分离,在综合了两种方法的特点基础上发展了直流和高频电场混合操纵碳纳米管的方法,得到碳纳米管取向分布以及与杂质分离的效果。     

一种新型压电驱动微流体混合器

设计了一种新型的压电驱动微流体混合器(micromixer)，采用计算流体力学(CFD)的方法对其性能进行了仿真研究。结果显示，该混合器可在很大程度上提高微量流体的混合效率，在雷诺数为16、悬臂梁振动频率为200Hz时，充分混合两微量流体仅需0．158，对应的最小混合长度仅为0．9mm，这基本可以满足目前大多数微流体系统应用的需要。     

三种平面被动式微混合器的对比北大核心

主要通过数值模拟对比研究流率比和雷诺数的变化对Circle,Spiral和Tesla三种平面被动式微混合器混合效率的影响。通过混合指数、阻力系数及涡量等分析三种微混合器间的差异,发现Tesla模型的混合效果最好,而同为非对称分离-聚合结构的Circle模型却没有明显的混合优势,通道宽度和通道方向不断变化的Spiral模型在高雷诺数条件下反而取得了很好的混合效果,三种模型的数值模拟结果通过荧光实验得到有效验证。最后结合Spiral与Tesla模型的研究结果,将Tesla模型改为单通道结构并进行数值模拟,发现改进的Tesla模型的混合效果比Tesla模型更好。若在微通道内部能够产生足够强度的扰动,溶液间的扩散对流效应将因此加强,从而有效提高混合效率,研究结果对于微混合器在制药或食品工业等相关领域的实际应用具有一定的指导意义。