介电湿润芯片上液滴从静止到运动的机理

针对介电湿润芯片上液滴在电场作用下的运动过程,对液滴从静止到运动的机理进行了研究。根据电磁极化原理并结合克劳修斯-莫索提方程对固液接触面的极化机理进行了研究,在极化性与介电常数之间建立了一个连接。应用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对芯片中的电场进行建模和数值仿真,分析了芯片中电场强度和麦克斯韦应力张量对液滴受力的影响,建立了液滴内部流体静压力差公式,分析了液滴的运动过程和机理。最后,通过实验验证了液滴的运动过程。     

数字微流控芯片半月形驱动电极的设计

为了降低数字微流控芯片的驱动电压,将传统的方形驱动电极结构设计为半月形,并研究了不同参数的半月形驱动电极降低驱动电压的效果。首先,根据介电湿润的基本原理分析了不同驱动电极形状对降低驱动电压的影响。然后,通过流体体积法(VOF)对液滴的运动过程进行建模和数值仿真;根据数值仿真结果对比分析了不同结构参数的半月形驱动电极随驱动时间的运动过程。最后,设计了4种不同结构参数的半月形驱动电极芯片,并对其驱动液滴的效果进行了试验验证。结果表明:研制的4种半月形驱动电极微流控芯片中,电极圆弧直径等于电极长度结构的芯片其驱动电压比其他3种电极结构的芯片的驱动电压至少降低了15.6%,而且可以在16V的驱动电压下使1μL去离子水液滴的运动速度达到1.6cm/s,是设计为半月形驱动电极中的最优设计。实验数据证明了电极圆弧直径等于电极长度的半月形驱动电极结构可有效降低微流控芯片的驱动电压。     

半月形电极微液滴驱动的微流控芯片

针对目前数字微流控芯片驱动电压比较高的问题,本文对比传统的驱动电极结构,研制了一种可以降低驱动电压的半月形驱动电极数字微流控芯片.首先,基于介电湿润原理,分析微液滴所受介电湿润力和微液滴接触圆上有效三相接触线所对应弦长的关系.接着,对比分析了传统的方形、叉齿形驱动电极与提出的半月形驱动电极上液滴有效三相接触线所形成的弦长大小;分析得出3种驱动电极结构中半月形驱动电极所形成的有效弦长最大,从而表明半月形驱动电极的数字微流控芯片上介电驱动力最大.最后,利用设计制作的3种驱动电极介电湿润芯片分别实验验证驱动液滴的效果.结果表明,所研制的半月形驱动电极数字微流控芯片的最小驱动电压分别比方形和叉齿形驱动电极芯片降低了约37％和67％.另外,当有效驱动电压为60 V时,半月形驱动电极芯片上2μL去离子水微液滴的速度约为10 cm/s,分别是方形与叉齿形驱动电极芯片上液滴速度的3倍和2倍.得到的实验数据证明了半月形驱动电极数字微流控芯片实现了降低芯片驱动电压的目的.     

悬空零电极介电湿润芯片的设计

针对目前单极板数字微流控芯片驱动液滴的效果多通过数值仿真方法验证而缺乏实验支持,本文提出将单极板结构中的零电极进行悬空设计,并通过实验对比分析了设计的悬空零电极单极板结构的芯片和传统双极板结构的芯片对液滴的驱动效果。首先,基于介电湿润原理,推导出传统双极板结构中液滴所受到的介电驱动力以及每个阻力,接着,对文中设计的悬空零电极结构的单极板数字微流控芯片中液滴的受力情况进行分析。然后,对比分析两种结构的数字微流控芯片中液滴的受力情况。最后,对两种结构的数字微流控芯片驱动去离子水微液滴的效果进行试验验证。实验结果显示:驱动同等体积大小的微液滴时,本文设计制作的悬空零电极单极板芯片比双极板结构的芯片所需的电压更低,液滴的运动速度更快;当有效驱动电压达到44V时,液滴的速度可以达到15cm/s。得到的实验结果证明了在单极板悬空零电极结构的数字微流控芯片上液滴驱动速度更高,驱动电压更低。