基于MEMS技术的直流电渗流微泵的研究
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【摘要】: 微机电系统(MEMS)中的芯片实验室以其微型化,集成化的特点成为目前公认的最具发展潜力的研究领域。微流控系统作为芯片实验室中的一个关键组成部分在目前蓬勃发展的微全分析系统中有着及其重要的应用,其采用微通道结构进行样品的输送,节省了时间、减少材料浪费、降低了环境污染。当前在微流控系统中液体的驱动方式是一个关键问题,直流电渗流微泵是基于电渗原理,利用电场控制通道中的液体流动,实现无运动部件的液体流动系统,近年越来越受到人们的重视。本文是以实际应用为目的,对直流电渗流微泵的理论和实验进行了深入的研究,为直流电渗流微泵的应用提供了理论和实验基础。在微流控系统中微通道的表面特性、截面形状等都会对电渗流流体的流动和控制产生影响,因此本文的主要工作内容就是对电渗流的产生机理进行研究和对微通道的几何参数对其中的流体的流动状况的影响进行分析。本文详细的综述了直流电渗流微泵的国内外研究状况,阐述了双电层和直流电渗流微泵的原理,研究了电渗流微泵流量与压强的产生机制,建立了直流电渗流流场的理论模型,并利用涡度流函数法和有限差分法得到双电层电势和电渗流流场数值解。 根据电渗流理论进一步研究了影响电渗流微泵流量的各种因素,主要包括外加电场强度、微通道的横截面积和截面形状,流体介电常数和流体粘度系数等等。以理论为基础,利用Matlab、FEMLAB进行仿真分析,并且对不同截面形状微通道的流阻和不同当量直径微通道内的流速进行了分析计算,其结果为电渗流在微通道内的流动特性的研究和直流电渗流微泵的设计提供了理论依据。 为了验证理论研究结果的正确性,设计制备了毛细管电渗微泵,进行了直流电渗流流动的验证实验,通过使用自制的毛细管电渗泵来驱动去离子水和KCl溶液。实验考察了在不同外加电场强度时的去离子水和KCl溶液的流量,其结论为以后的电渗流微泵的设计提供了实验基础。
【关键词】:MEMS 微通道 电渗流 双电层 涡度流函数法
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TH703
【目录】:
- 摘要4-5
- Abstract5-9
- 第1章 绪论9-15
- 1.1 课题研究的目的和意义9-10
- 1.2 微机电系统的研究现状10-14
- 1.2.1 微流体驱动和控制技术的发展11-12
- 1.2.2 直流电渗流驱动的特点12-14
- 1.3 课题研究的主要内容14-15
- 第2章 双电层电势分布15-24
- 2.1 双电层的产生15-16
- 2.2 双电层电位势数值模拟16-18
- 2.3 双电层电势无量纲方程的数值解18-20
- 2.4 双电层电势分布的影响因素20-23
- 2.4.1 介质的介电常数ε的影响20-22
- 2.4.2 介质的浓度的影响22-23
- 2.5 本章小结23-24
- 第3章 微通道内直流电渗流流动数学模型24-33
- 3.1 外加电场电位势分布24-26
- 3.2 直流电渗流流场数值模拟26-30
- 3.2.1 电渗流流场的描述方程26-28
- 3.2.2 电渗流流场方程求解28-30
- 3.3 直流电渗流的影响因素30-32
- 3.4 本章小结32-33
- 第4章 直流电渗流微泵流体状态分析33-45
- 4.1 尺寸效应33-34
- 4.2 微通道中直流电渗流的压力34-40
- 4.2.1 在通道出口和入口处的压力损失34-37
- 4.2.2 直流电渗流微泵中压力分布37-40
- 4.3 微通道截面形状对电渗流的影响40-44
- 4.4 本章小结44-45
- 第5章 单级直流电渗流微泵实验45-51
- 5.1 直流电渗流微泵实验45-47
- 5.1.1 电渗流微泵材料选择与制作45-46
- 5.1.2 实验条件及实验方法46-47
- 5.2 实验结果分析47-50
- 5.3 本章小结50-51
- 结论51-52
- 参考文献52-55
- 攻读学位期间发表的学术论文55-56
- 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明56
- 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书56
- 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理56-57
- 致谢57-58
- 个人简历58
【引证文献】
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,本文编号:256765
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