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微流体的驱动与精确控制是微流控芯片系统的一个重要分支。与其它方法相比,利用交流电渗原理对微流体进行驱动与控制具有结构简单、造价低廉、无移动部件、所需电压低、不易发生电解反应、流动稳定、易与其它流体器件集成等优点,得到越来越广泛的关注。研究表明,一定条件下,实验测交流电渗流流速远低于理论计算流速值,因此,深入研究微流体流动特性,揭示其运动机理,分析影响微流体流速变化的主要因素,修正其流速计算式,已成为交流电渗研究中的一个热点问题。 本文详细综述了微机电系统以及微泵的国内外研究现状,分析比较了机械式驱动、直流电渗驱动、交流电渗驱动等不同驱动方式微泵的机理和性能特征。分析了双电层和电渗流的产生机理,在考虑了紧密层和电极表面粗糙度对于交流电渗流速的影响因素基础上,获得了修正后的双电层模型。以此为基础,对对称电极、非对称电极和行波的交流电渗流流速计算式进行了修正,对比分析了修正系数引入先后交流电渗流流速表达式计算结果与实验结果的相对误差。 以理论分析为基础,选取非对称电极以及平行阵列电极两种芯片,建立了相关的数学物理模型,进行仿真研究。通过求解 Laplace方程和Navier-Stokes方程,分别对微通道内的电场以及流场进行仿真分析,并且分析了电压幅值、频率、溶液电导率、电极尺寸参数、微通道高度及电热对交流电渗流流速的影响。 为了验证理论研究以及仿真分析的正确性,选择平行阵列电极芯片进行行波交流电渗微泵的实验。对比分析实验结果与仿真研究,得到了行波交流电渗流流速随电压幅值、频率和溶液电导率的变化规律,验证了理论研究的正确性。研究成果为微流体的精确驱动与控制提供了理论基础和实验依据。