基于声表面波的液滴驱动技术研究

基于声表面波的液滴驱动技术研究

【摘要】： 微流控系统由于其便携性、可控性和仅需消耗少量样品等特点受到了临床医学诊断、药物输送和细胞工程等领域的广泛关注。微流控技术包括对多相流和单相流、连续流和液滴的操控。多相流必须克服交叉污染以及分子、液滴或者颗粒的分离等等难题。因此,对不依赖于载流液的液滴操控具有很好的工程技术意义。声波可以在没有载流体的情况下,实现对液滴的各种操控,如驱动、混合、分子或者细胞的分离筛选、细胞的破碎等。如果把声波的电源驱动系统以及微分析模块一起集成到同一块芯片,有望实现真正的便携片上系统。因此,基于声波,特别是,声表面波(SAW)的微流控系统始终是一个重要的研究方向。本文研究内容主要包括基于声表面波的液滴驱动原理和声液相互作用过程中方波幅度调制信号的频率、激励信号幅度、液滴粘性和液滴尺寸等重要物理参数的作用。本论文主要工作内容如下:首先,通过COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对基于声表面波的液滴驱动物理过程进行建模仿真,模型中压电材料采用128°Y-X Li Nb O3,电极为金属铝,液滴为水。仿真工作主要分为两个方面。对于一阶线性声学问题,建立二维物理模型,采用热粘性声学模块验证了漏波模式,得到的瑞利角与理论值一致。对于二阶非线性流体动力学问题,建立三维物理模型,采用不可压缩层流模型来研究液滴内部的流场结构,得到的流场结构进一步验证了声表面波加速液滴混合的机理。其次,设计并制作了声表面波叉指换能器,实验探究特定频率下液滴驱动过程中液滴的驱动速度与方波幅度调制信号的频率、激励信号幅度、液滴的体积和液滴粘性之间的关系。本文对实验数据进行处理分析后发现:1)存在关于液滴驱动速率的最优方波幅度调制信号频率值,实验发现对于6μL的液滴,在相同的激励水平下,将正弦激励信号用100Hz方波作幅度调制后输出来激励IDT,液滴获得较大的驱动速度;2)液滴的驱动速度随着激励信号幅度的增加而呈增长趋势;3)存在液滴与压电基底接触面有效尺寸d和激发声表面波波长λ的最佳匹配问题,实验发现d/λ在8附近时,有较大的液滴驱动速度;4)随着粘性的增加,液滴的驱动速度急剧降低,当粘性达到一定值后,其下降的越来越缓慢。该研究首次提出了方波调制信号频率对液滴驱动速率的影响机制。这些规律对优化基于液滴驱动的微流控芯片的应用和开发具有一定的潜在价值。

【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2021

网址：基于声表面波的液滴驱动技术研究 https://mxgxt.com/news/view/489605

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