微流操控技术中的微液滴生成和操控技术研究

微流操控技术已经广泛用于精密制造、材料合成、生命科学和生物制药等高精尖领域,微液滴生成技术和微液滴操控技术是成功实现这些应用的基础。然而在微液滴生成技术和微液滴操控技术中依然存在诸多问题,如:生成的微液滴尺寸存在微小偏差以及很难实现对无明显物理特性的微液滴的非接触操控等。这些问题极大地阻碍了微流操控技术的发展。本学位论文以微流体为研究对象,通过研究微流体在多物理场耦合作用下的特性,提出了精密修正微液滴体积和基于非接触操控技术重新编辑微液滴空间位置的方法。本文的主要研究内容如下:(1)基于界面张力理论,提出了一种基于液桥拉伸断裂的微液滴生成方法。该方法同时适用于牛顿流体和非牛顿流体的微液滴生成。首先理论分析了液滴生成过程中各参数间的相互关系,阐明了液桥断裂的力学机理;通过数值计算和试验研究,验证了所提方法的有效性;通过试验研究,探究了生成液滴最小尺寸与流体表面张力、流管直径和液桥所受外力之间的关系,验证了理论的正确性;最后,通过试验研究证明该方法同样适用于生成非牛顿流体的液滴,并制作了磁性驱动器。(2)针对微液滴生成技术中存在的所生成液滴体积变异系数大的问题,提出了一种基于电解原理同时精密调控液滴体积和p H值的方法。首先,建立了电解过程中液滴自动脱离电极的力学模型与气泡炸裂液滴的最小能量模型;通过数值拟合和理论计算,依次建立了置于基板上的液滴体积与其直径、电极间空间距离与电解生成的液滴直径和液滴体积消耗量与液滴p H值与间的关联关系;最后通过试验研究,验证了所提方法的有效性。(3)针对传统非接触操控方法编辑微液滴至空间指定位置所存在的各类问题,设计了一种基于声流场原理非接触操控微液滴的超声悬臂结构。首先理论分析了微液滴非接触操控过程中非接触操控力与声流场中的流体速度间的关系,建立了非接触操控微液滴的力学模型;通过“振动—声场—流场”多物理场耦合的有限元计算和试验研究证明了该方法的有效性;试验研究了超声悬臂结构的关键参数(驱动电压区间、非接触操控能力和对液滴最大影响距离),并实现了对微液滴选择性融合的操作。试验中使用的液滴均为去离子水液滴,无明显物理特性,表明了该方法对流体微液滴的物理性质不具有挑选性,适用范围广。(4)针对超声悬臂结构无法非接触操控微升级液滴的问题,提出一种基于声流场非接触操控微升级液滴的T型末端超声悬臂结构。首先基于机械振动理论和声流场理论,推导出超声悬臂结构末端形状与非接触操控力之间的关联关系;通过“振动—声场—流场”多物理场耦合有限元计算和试验研究验证了理论的正确性及该方法的有效性;通过试验研究,探究了T型末端超声悬臂结构的关键参数(操控能力和对液滴的最大影响范围);基于试验数据,依次实现了液滴融合、液滴图案化排列和液滴阵列制作等操作。最后,总结全文的研究工作并对展望了未来的研究工作。