基于EWOD驱动的微泵的设计与分析

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微流控系统技术因其在微观角度下能表现出宏观流体所不具有的特点,因而被广泛运用于多种学科领域。而微泵是微流控系统的重要组成部分,为微流控系统的运作提供动力,起到传输和分配流体的作用。介质上电润湿效应(Electrowetting-On-Dielectrics,EWOD)微泵作为微泵的重要分支,其工作原理一般是利用EWOD现象完成对离散液滴的驱动。但是随着研究的深入,发现当微流控系统需要实现更复杂功能的时候,如果继续利用EWOD现象驱动离散的液滴那么电极数目就会成倍增加,此时在电极和引线的排布方式、电极控制的复杂程度、微泵的加工工艺等方面都出现了瓶颈。因此有学者提出了一种利用EWOD现象驱动连续微流体的方案,也就是本文所讨论的EWOD微泵的范畴。研究发现利用EWOD现象驱动连续微流体的方法目前还是存在着较为严重的不足,就是微泵会产生明显的宏观回流,因此本文通过设计“多腔结构”的EWOD柔性阀微泵来改善原有EWOD微泵的不足,并对EWOD柔性阀微泵的结构参数和流动参数分别进行深入的分析,其中主要工作内容如下:(1)EWOD柔性阀微泵的方案设计。从理论上分别分析了利用EWOD现象使液滴产生振动的原理以及利用柔性阀使微泵产生宏观上单向流动的原理。通过实验验证了EWOD现象使液滴产生振动的有效性,所得到的实验结果符合已有的实验数据,并通过观察接触角的变化过程和液滴的移动过程,总结出利用EWOD现象驱动液滴的注意事项,并将其运用于后续的仿真建模中。通过实验验证了柔性阀的单向性,得到的实验结果与理论分析相吻合。利用已有的实验数据对数值模型的有效性进行了验证,确保了后续仿真分析的合理性。(2)EWOD柔性阀微泵的结构设计。从提出的四种串并联结构EWOD柔性阀微泵中,以微泵泵送量波动大小、以及有无宏观回流为主要评价指标,选定了一种并联EWOD柔性阀微泵。利用COMSOL Multiphysics数值仿真软件详细分析了该并联EWOD柔性阀微泵在工作状态时微泵内部流体流动的情况,并由此得出了左右内循环是导致该并联结构微泵泵送量波动较小的主要原因等及其相关推论。(3)EWOD柔性阀微泵的结构参数分析。根据分析所得到的影响微泵性能的有关信息,对一些可能影响该并联EWOD柔性阀微泵性能的主要结构参数进行分析,讨论其对微泵性能的影响规律,通过对不同结构参数进行配比提出了一组较优的结构参数组合。结构参数优化后的EWOD柔性阀微泵,微泵泵送量约为优化之前的3.5倍。(4)EWOD柔性阀微泵的流动参数分析。利用得到的较优结构参数组合的模型来分析流动参数对微泵性能的影响,探讨一些主要的流动参数对微泵性能的影响规律,最后按照实际流体的物性,提出一组较优的流动参数配比。流动参数优化后的EWOD柔性阀微泵,微泵泵送量约为结构参数优化之前的26.0倍,约为结构参数优化之后的7.6倍。
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