基于一种新型常闭阀结构的微流控振荡器的设计与仿真研究

摘要

微流控系统通过对微通道内流体操控，完成样品进样、混合、反应、分离、检测等一系列过程，具有微型化、高度集成、高效、快速、极少的试剂消耗和较低的生产成本等一系列优点，已经被广泛应用于生物医学、疾病的诊断治疗、环境的检测与保护、军事和太空探索等众多科学领域。而微阀，负责对微流控芯片通道内流动流体的控制限流，是微流控系统中的关键操控部件。目前，有关微阀的研究是微流控系统研究中最为活跃的分支之一。 本文为了减小常闭阀的压力阈值、提高响应速度，设计了一款基于弧型槽道和梯形阀座结构的新型常闭阀结构。利用等效电路理论，设计了一款基于新型常闭阀结构的微流控振荡器，并对微流控振荡器的工作特性做了深入的研究，具体工作内容如下： 1.利用微流控等效电路理论，对微流控系统中单向阀、常闭阀、流阻串并联、流阻星三角变换以及复杂网络的基尔霍夫电压定律KVL、基尔霍夫电流定律KCL进行等效分析，证实等效电路理论在微流控系统设计中的方便、快捷和高效性。 2.介绍了微流控流体数学模型的流体力学相关知识以及微流控流体中的流体不可压缩性理论，对流体运动学的两种描述方法进行了比较讨论。通过不可压缩流体的控制方程，说明了边界条件的分类条件以及定解条件。对纳维-斯托克斯方程进行有限元弱化以及线性化，通过有限元离散说明了流体场的有限元求解方法。同时，结合仿真软件COMSOL中的流固耦合、有限元分析及边界条件的设置，从理论上验证了仿真的可行性。 3.提出了一种基于弧型槽道和梯形阀座结构的新型常闭阀以解决微阀阈值过大、响应速度慢等问题。基于该微阀设计了一种微流控振荡器，基于等效电路理论得出微振荡器简化电路图，使用软件Multisim优化设计微流控振荡器。利用仿真软件COMSOL对常闭阀的性能以及振荡器的工作特性进行研究，分析了入口流速、阈值压力和阀座结构对振荡周期的影响。根据入口流速、阈值压力和阀座结构对微振荡器周期的影响，可设计出满足不同应用需求的微流控振荡器。

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绪论

1.1.1微流控技术

1.1.2微阀

1.1.3微流控振荡器

1.2国内外研究现状

1.2.1微阀

1.2.2微流控振荡器

1.3本文研究内容

第二章 常闭阀及微振荡器的等效电路理论基础

2.1微流控等效电路理论

2.2微流控系统的电路等效建模

2.2.1单向阀和二极管

2.2.2常闭阀和场效应管

2.2.3微流道网络的串并联

2.2.4微流道网络的星三角变换

2.2.5复杂微流控网络的基尔霍夫定律

2.3本章小结

第三章 微流控流体动力学描述及有限元求解

3.1微流体流动的有限元描述

3.1.1微流体流动

3.1.2牛顿流体

3.1.3流体的不可压缩理论

3.1.4不可压缩流体的描述方程

3.1.5数值模型的定解条件

3.2微流体数学模型的有限元求解

3.2.1不可压缩Navier-Stokes方程的有限元弱形式

3.2.2方程线性化和有限元离散求解

3.3 COMSOL仿真软件

3.3.1流固耦合

3.3.2有限元分析

3.4本章小结

第四章 基于新型常闭阀结构的微振荡器的设计与分析

4.1一种基于弧型槽道和梯形阀座结构的新型常闭阀的设计

4.1.1结构设计

4.1.2工作原理

4.2基于新型常闭阀结构的微振荡器的设计

4.2.1结构设计

4.2.2工作原理

4.3微振荡器的工作特性

4.3.1参数设置

4.3.2常闭阀工作性能分析

4.3.3入口流速对振荡周期的影响

4.3.4阀座结构对系统振荡周期的影响

4.4本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢