【摘要】：微流控芯片(Microfluidic Chip)是一種結合了生物分析和化學分析的微型實驗儀器,它是當今社會熱門的研究方向之一。而微混合器作為微流控芯片中的基礎部分,也在生物化學工程中提供了重要的應用價值。目前微混合器可以劃分為兩類:被動式微混合器和主動式微混合器。被動式微混合器依靠的是內部微通道的復雜的結構設計來提高混合效率的。被動式微混合器和主動式微混合器的主要區(qū)別在于是否需要借助外部能量促進流體的混合。本文結合大量研究人員的理論和研究,將數(shù)學中的Cantor分形結構與微混合器的設計相結合,設計了多種帶有Cantor分形結構的被動式微混合器和電滲微混合器,并進行了數(shù)值仿真模擬,最后對微混合器的制作也進行了實驗探究,本文主要內容如下:(1)基于Cantor分形原理設計出分形幾何結構,將分形結構與微通道設計相結合,構造帶有分形結構的微通道。通過仿真對比,優(yōu)化參數(shù),得出分形結構能夠有效的打破層流,增加混合路徑并促使流體混合時產生旋渦,從而促進了混沌對流,最后優(yōu)化設計出一種高效率的仿Cantor分形微混合器。(2)將基于Cantor分形原理設計的分形結構運用到微通道壁面設計中,形成分形凹槽或分形檔板,通過多種微通道的仿真對比,得出SFO結構優(yōu)于PFO和TFO結構,能夠明顯的產生混沌對流,設計出了高效的Cantor分形檔板凹槽式SFO微混合器。(3)基于Cantor分形設計出電滲微混合器。通過前期探究,主要比較的參數(shù)有電極的長度、分形電極間距、電極上施加電壓的大小,頻率的大小等因素,最終得出在同電壓頻率下,間距200μm的Cantor分形電極產生的電場能促進流體產生較強的混沌旋渦,最后設計出的Cantor分形結構的電滲混合器較無電極時混合效率提高50%。(4)本文在實驗室現(xiàn)有的基礎上對PMMA、PET、PS等材質芯片進行微通道加工,通過改變激光切割的功率、激光半徑等均可以對微通道產生不同的影響。探究熱壓芯片鍵合機對不同材質芯片的熱鍵合參數(shù)。最終采用CO_2激光加工和熱壓鍵合聯(lián)合的方法成功制作了雙層PS材質的Cantor分形微混合器芯片和四層PMMA材質的Cantor分形微混合器芯片,并進行了樣品混合實驗的驗證�？偟膩碚f,本文通過將Cantor分形引入到微通道的設計中,研究得出Cantor分形結構能夠有效的促進混沌對流的產生,利用數(shù)值模擬仿真研究設計了幾種混合效果較好的主動式和被動式微混合器,對微混合器的設計和開發(fā)有一定的指導價值。
【圖文】：

學的發(fā)展中發(fā)揮巨大的作用。器概述混合器器作為微流控芯片中的應用之一。目前，被動微混合器的主要混合方散和混沌對流。有兩種方法可以提高分子擴散水平，即增加不同相流便接觸、累積或縮短組分的擴散距離；而混沌對流主要通過在同面積徑長度或增加微通道內部復雜結構來實現(xiàn)[8]�？蒲腥藛T依據(jù)微混合器道結構，將被動微混合器分為以下幾種：-Y 型微混合器和 Y 字型微混合器是最經典的微混合器，如圖 1.1 所示為最早期的兩998 年，B kenkamp 等人[9]為了縮短急冷實驗的觀測時間，設計并制接的 T 型微混合器被刻蝕在一個 1cm×1cm 的硅片上，該芯片與一臺接通。因此減小了混合室的體積和它們之間的距離，使儀器的死機次

混沌對流式微混合器的設計原理簡單并且易于設計，所以主流被動式沌對流混合器為主�；煦鐚α魑⒒旌掀髦饕峭ㄟ^通道內復雜的結構使流折疊，并破壞流體穩(wěn)定狀態(tài)進而打破層流進行高效混合。研究人員對設計起混沌對流提高流體混合效率越來越感興趣，其中擁有復雜微通道的三維了科研人員的廣泛關注。Tofteberg 等人在平面通道系統(tǒng)中設計了一種被動出了一種控制流截面 90°旋轉的工作原理。通過分裂成多個通道，這些通復旋轉 90°，從而增加流體的折疊，因此有效地打破層流狀態(tài)，顯著增強了圖 1.2（a）所示為二維平面修改的 Tesla 結構。這種結構也是依靠折疊流從而產生混沌對流，因此混合效果得到了明顯的改善。圖 1.2（b）中 3D 道是由一系列相互垂直的 C 形片斷組成，適用的雷諾數(shù)范圍為 25~70。K蜿蜒折線形微混合器帶來了新的思路和方法，他們通過映射的方法設計了合器的特征尺寸的優(yōu)化方法。李鐵川等人[13]利用拓撲優(yōu)化的方法優(yōu)化設計合器，其效率提高了 67%。張帥[14]基于 Koch 分形原理設計出的 Koch 分微通道內有效的打破層流，明顯促進混沌對流的產生，，所以其基于 Koch 多種高效率的微混合器。
【學位授予單位】：遼寧工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ051.71

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 Xing Fu ZHONG;Jie L

本文編號：2624035