一种压电无阀微混合器的理论分析与数值模拟

《一种压电无阀微混合器的理论分析与数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书。不保密囤。学位论文作者签名：夏p铀控功f6年6月，与日虹绊，I么伤可印日名签目稚月教：副年匕日．-r独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经

2、发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：叉p池日期：％，D年g月江苏大学硕士学位论文1．1引言第一章绪论微机电系统(MicroElectro．MechanicalSystems，MEMS)是指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的能完成特定功能的微型器件或系统。MEMS技术是多学科交叉的新兴领域，涉及到微电子学、自动控制、材料学、光学、流体力学、声学、磁学以及生物医学等多种领域，是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密

3、机械加工技术的发展而发展起来的，具有体积微小、耗能低，能进入一般机械无法进入的微小空间进行工作，能方便地进行微细操作等优点，因此具有广泛的应用领域和前景【11121。微流体系统作为微机电系统的一个重要分支，近年来取得了很大的进展。图1-1为一种典型的集成有微泵、微阀、微混合器及检测元件的微流体系统131。微流体芯片是以分析化学和分析生物化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，连接微泵、微阀、微混合器、微储液器、微电极、微检测元件等具有流体输送功能以及光、电检测元器件。微流控芯片分析系统的出现图1-1MEMS模型图不仅可使珍贵的生物试样与试剂消耗大大降低到微升甚至纳升级

4、，而且使分析速度成十倍百倍地提高，费用成十倍百倍地下降，从而为分析测试技术普及到千家江苏大学硕士学位论文万户创造了条件。1．2微混合器研究进展在微流体系统中，大部分的生物化学分析过程，在反应开始前需要将两种或两种以上的流体先行完成混合，因此有效地控制扩散和混合对化学分析和生物分析的速度和效率的提高，对微流体器件的设计和制造具有十分重要的意义。如在微反应器中，为了加速化学反应，需使输入的物质充分迅速地混合，这样就能保证在小的样品消耗的前提下，提高分析速度和操作效率；如在电泳采样和样品分离过程中，须很好地控制物质间的扩散和混合，以利于提高采样的准确度以及分离精度和效率14卜181。然而微器件

5、中的流动与一般宏观流体流动有着本质的区别，在微器中，由于尺寸在微米量级，这样Reynolds数一般较小，认为其处于层流状态，粘性力占主导地位，微器件中的组分混合，主要靠组分间的扩散完成。根据流体力学理论(对流扩散方程)，要增加微流体的混合，只有增长混合时间和增强对流，然而流体在微器件中的流动速度较小，所以通过宏观流体式的湍流的方式来加强对流受到很大的限制，我们必须寻求小雷诺数加强对流的方法。微流体混合器由微量流体定量器、微泵、微阀及微通道等连接而成，是一种可进行微量液体混合、流体方向控制的微流体机械系统。微混合器相当于前处理装置，主要用于生化反应前各种试剂的充分混合，是微流体芯片中的重要

6、组成部分。与宏观尺寸的混合装置相比，由于尺寸的缩小，可大大减小降低流动系统中的能耗和试样以及试剂的用量，而且响应速度快，精确度高，因此在化学分析、生物及化学传感、分子分离、核酸排序及分析、环境监测等领域有着广泛的应用前景f8】，微量流体控制及其相关的微混合技术的研究一直是微流体技术研究的一个重点。国内外已有不少关于微混合器研究进展的报导，内容涉及到微混合器的设计制作、计算流体力学仿真、流体混合实验分析等等。微通道的尺度大约在几十到几百微米的范围内，液体的雷诺数很小以至没有涡流产生，液体间的混合以分子扩散为主，使得混合时间相比宏观情况大大延长且混合效果变差，因此必须采取特殊的方式来增加液体

7、间的微接触面积或者增强对流，提高混合效率。依据有无外界动力源，微混合器大致可以分为被动式微混合器和主动式微混合器两种，被2江苏大学硕士学位论文动式主要有弯曲通道式、分合式、回流循环式、交错人字式、分流／截流式等；主动式混合器按作用原理分可分为电动力式、磁动力式、超声波式、压电式、、机械式等。1．2．1被动式微混合器被动式微混合器的研究最先引起了人们的兴趣。被动式微混合器依靠改变微通道的外形或增加阻碍物增强流体间的扩散和对流，从而增加