基于交流电热的微流体混合芯片研究

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1、硕士学位论文基于交流电热的微流体混合芯片研究MICROFLUIDICMIXINGCHIPBASEDONALTERNATINGCURRENTELECTRICTHERMAL吴玉潘哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：O359学校代码：10213国际图书分类号：532密级：公开工学硕士学位论文基于交流电热的微流体混合芯片研究硕士研究生：吴玉潘导师：任玉坤副教授申请学位：工学硕士学科：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O359U.D.C:532Dissertationfort

2、heMasterDegreeinEngineeringMICROFLUIDICMIXINGCHIPBASEDONALTERNATINGCURRENTELECTROTHERMALCandidate：WuYupanSupervisor：AssociateProf.RenYukunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalDesignandTheoryAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,20

3、15Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学硕士学位论文摘要快速爆发多种传染性疾病，如艾滋病、疯牛病、埃博拉病毒等，给经济社会带来巨大损失。早期检测效率低、检测难度大是上述疾病得以蔓延的主要原因，而解决这一问题的根本手段则是提高甄别疾病的免疫检测效率。传统免疫检测中，抗原-抗体之间的结合仅靠自由扩散完成，耗时长、阳性率低。因此，如何通过合理的方式提高二者的结合速度进而提高检测效率与精度，则是目前疾病快速诊断面临的一项艰巨任务。基于微流控的快速混合技术，有望通过流体的输运将

4、抗原-抗体之间的结合速度大幅度提高，进而实现一些疾病的早期快速诊断与预警的目的。本文面向交流电热诱导的快速混合技术开展研究，拟通过对微尺度电极施加交流电场产生的交流电热漩涡，实现微通道中高电导率溶液的混合。该微混合结构采用了三维电极结构，较大的提高了结构的样品通量，进而加快检测速度，提高效率。首先对交流电热相关理论进行了研究，推导了在交流电场下，高电导率溶液受到的体积力（线性模型下和强耦合模型下的交流电热力）的表达式，并对交流电热力中的库仑力和介电力进行了理论和仿真计算分析。其次，比较线性和强耦合模型对结构中流场和温度场的影响，利用强耦合模型针对关键结构参数

5、(电极的布置方式、电极尺寸极其非对称性、周期间隙、施加电压方式等)进行了二维仿真优化。同时结合实际芯片的外界条件进行了三维仿真优化，并分析了buoyancy力的影响，得出较准确的混合效果变化规律。再次，根据仿真优化后的三维微混合芯片参数，利用光刻工艺分别加工完整的微混合芯片。分别进行了荧光微球溶液的流场实验和荧光素溶液的微混合实验，发现在频率低于500kHz或者电压高于150Vpp左右时，极易产生气泡，影响实验。在1MHz频率下，电压达到125Vpp时，漩涡中间位置流速达到峰值91μm/s。微混合实验中，在入口流速为0.364μl/min时，分析了不同电压频

6、率对混合效果的影响。在施加频率为1.5MHz，电压峰峰值为137.5Vpp时，混合效率达到96%左右。最后对仿真和实验数据进行了详细的比较，分析了产生相关差异的原因。进一步验证了该结构的优良混合性能。可以很好的实现对高电导率溶液的快速混合，在生物免疫检测方面具有十分广阔的应用前景。关键词：微流控芯片；微混合器；交流电热；仿真；混合效率-I-哈尔滨工业大学硕士学位论文AbstractRecentyears,withtherapiddevelopmentofeconomy,avarietyofinfectiousdiseases,suchasAIDS,madco

7、wdisease,ebolavirusandsoon,hadbroughtthehugedamagetooursociety.Traditionaldetectionareoftenoperatedthroughthecomplexprocedures,andtheinspectioncycleislong.Soitisurgenttofindanewwaysolvethisproblem.Nowwedesignedamicrofludicchipwhichcanpromotethemixingofdifferentsolutionsinthemicroch

8、annel.Athree-dimensionalmi