行波交流电渗微流体驱动理论与实验研究

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微流体控制系统是微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS)的一个重要分支,微流控系统中微流体的驱动方式直接影响到微流体的驱动效果和精度。与其他驱动方式相比,行波交流电渗微流体驱动具有使用电压低、不易发生电解反应、不易产生气泡、流体的流动稳定、流线平直、流体驱动方向可调、可以实现双向驱动、容易集成到芯片实验室系统中等多个优点,是微流体驱动研究的一个重要方向。  本文详细综述了微机电系统以及微泵的国内外研究现状,分析了双电层和电渗流的产生机理,从而进一步的研究了行波交流电渗的产生机理。根据线性双电层理论,通过分析计算,得出了行波交流电渗中电极表面流体的速度公式。建立了行波交流电渗微泵的物理模型和数学模型,利用Laplace方程和Navier-Stokes方程描述微通道内的电场和流场的分布,确立相应的边界条件,通过仿真软件COMSOLMultiphysics进行仿真计算,得到了微通道内电场和流场的分布情况。分析了微通道内的流场分布情况,从理论上验证了行波交流电渗的正确性。改变仿真中的参数,分析了不同参数对行波交流电渗中流体流速的影响。  为了验证理论研究结果的正确性,设计了行波交流电渗实验,选择了合理的实验条件,改变溶液参数及调节输入信号参数,进行了大量的实验研究。观察到了微通道内流体的流动,验证了行波交流电渗理论的正确性。通过粒子图像测速法对不同信号参数下获得的视频文件进行数据处理,得到了行波交流电渗中流体的速度数据和误差数据。根据不同参数下的速度数据,对比相同条件下的仿真结果,研究了信号的频率、幅值以及溶液的电导率等因素对行波交流电渗中流体流速的影响规律,并从理论上给出了合理的解释。本课题的研究结果为行波交流电渗中微流体的驱动与控制提供了理论依据和实验基础。
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