微流控系統(tǒng)調控電滲流和熱效應數值研究.pdf

1、流動控制技術是微流控系統(tǒng)原理功能分析和優(yōu)化設計的重要關鍵問題之一。由于微流控器件尺寸的縮小而引發(fā)的流動尺度效應，液-固界面電場力，流場-電場-溫度場-離子運動多物理場耦合等效應，使得微流控系統(tǒng)流動現象與宏觀系統(tǒng)有很大不同，雙電層和電滲流是其中與流體力學相關的最重要基礎問題之一。本文旨在對微流控系統(tǒng)電滲流控制和焦耳熱效應進行初步的分析與數值研究，探討微納尺度液體流動的基本規(guī)律，為微流控芯片的研發(fā)提供理論依據和優(yōu)化設計手段。
　　

2、本文采用數值方法分析有限長異質材料PDMS/玻璃微通道電滲流焦耳熱效應。數值求解雙電層的Poisson-Boltzmann方程，液體流動的Navier-Stokes方程和流-固耦合的熱輸運方程，分析二維微通道電滲流的焦耳熱效應和溫度場特性?？紤]溫度變化對流體性質特性（介電系數、粘度、熱和電傳導率等）的反饋作用。數值結果表明，在微通道進口附近有一段熱發(fā)展長度，這里的流動速度、溫度、壓強和電場快速變化，然后在微通道內趨向到一個穩(wěn)定狀態(tài)。在高

3、電場和厚芯片的情況下，熱發(fā)展長度可以占據電滲流微通道相當一部分長度。電滲流穩(wěn)定態(tài)溫度隨外加電場和芯片厚度的增加而升高。由于壁面異質材料的傳熱特性差異，在穩(wěn)定態(tài)時的PDMS壁面溫度比玻璃壁面溫度高。研究還發(fā)現在微通道的縱向和橫向截面有溫度梯度。壁面溫升高降低雙電層電荷密度。微通道縱向溫度梯度誘發(fā)流體壓強梯度和改變微通道電場變化特性。微通道進流溫度不改變熱穩(wěn)定態(tài)的溫度分布特征和熱發(fā)展長度。在微通道壁面垂直施加一個調控電場可以改變雙電層電荷密

4、度和固壁面zeta電位，實現對電滲流的調控。采用流-固耦合雙電層Poisson方程，離子輸運Nernst-Planck方程、液體流動Navier-Stokes方程，數值求解連續(xù)電極與離散電極微通道的調控電滲流動。得到感應Zeta電位、電滲流速度與外加調控電壓的關系特性。離散電極-電場調控電滲流數值分析給出對稱和反對稱的單電極，雙電極和三電極的數值結果。研究結果表明，適當設置離散電極對電滲流進行調控，可以在流場中產生微型渦旋流動，實現液體

5、的高效率混合。同時，對橫向調控電場與縱向驅動電場的相互作用也進行討論。
　　 本文研究了一種對稱電極組交變電滲流微泵結構，通過改變相鄰電極間的交變（AC）信號相位，可以方便實現對微通道電滲流向的控制。根據雙電層離子數的空間位阻效應修正，數值求解了雙電層Poisson-Boltzmann方程、液體流動Navier-Stokes方程，得到了對稱電極組交流電滲微泵的流動特性。分析了微泵流速與交流電壓幅值、頻率等參數的關系特性，并且與雙

6、電層Debye-Hückel線性解進行比較。結果表明，空間位阻效應修正在低電壓時與Debye-Hückel線性解一致，但是在高電壓時會產生高頻反向流動。為了滿足微電子封裝過程對器件溫度變化的精確控制，本文研究一種快速升降溫度的微流體溫度控制器，數值模擬了控制器的液體－固體－空氣一體化的流動－熱傳導過程。在給定進口液體溫度變化特征的情況下，通過數值分析考察溫度控制器表面溫度對進口液體溫度變化的響應特性，包括時間跟隨性（傳熱靈敏度）和溫度變