電磁和流體動(dòng)力學(xué)模擬多物理設(shè)計(jì)過程

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，匈牙利帕茲瑪尼·彼得天主教大學(xué)（Pázmány Péter Catholic University）的研究人員提出了一種新型微流控混合器。該微流控混合器集成了一個(gè)雙頻帶微波諧振器，可對兩種液體的混合物進(jìn)行原位監(jiān)測。雙頻帶微波諧振器是一種雙開口互補(bǔ)環(huán)縫諧振器（DC-SRR），蝕刻在微帶傳輸線（microstrip line）的接地平面上?；旌掀鞯妮敵鐾ǖ涝谥C振器近場的接地平面下方。

通過電磁和流體動(dòng)力學(xué)模擬，研究人員為該部分設(shè)計(jì)了最佳通道配置，以提高其靈敏度，最大限度地減少所需液體樣品的體積，并消除了不必要的流體混合。研究人員通過測量微帶傳輸線的傳輸參數(shù)來監(jiān)測前兩個(gè)諧振的頻率變化。他們通過混合不同濃度的鹽溶液驗(yàn)證了該器件的性能，并給出了不同化學(xué)物質(zhì)的透射光譜。結(jié)果表明，該微流控混合器可以通過同時(shí)監(jiān)測兩種諧振來實(shí)現(xiàn)明確的化學(xué)識(shí)別，所需的流體總量不到8μL。

微流控系統(tǒng)在輸送和處理流體時(shí)，一個(gè)典型的操作是混合。液體的均勻混合在許多過程中是必不可少的，但由于層流的雷諾數(shù)（Reynolds number）較低，在微流控中很難實(shí)現(xiàn)均勻混合。而無源混合技術(shù)利用精確設(shè)計(jì)的幾何形狀通道進(jìn)行混合，適用于芯片實(shí)驗(yàn)室（LOC），也適用于與微波傳感器集成。所以，微流控混合器也可以采用簡單的彎曲或“之”字形通道，或者采用更復(fù)雜的設(shè)計(jì)及附加額外結(jié)構(gòu)。

微流控混合器的幾何結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。它有一條帶接地層的微帶傳輸線，其中蝕刻了互補(bǔ)環(huán)縫諧振器（CSRR），并將微流控層置于其下方。流體通道由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，表面覆蓋了150μm厚的硼硅酸鹽玻璃。流體層用薄薄的PDMS層（厚度約55μm）粘接在接地層的底部。微流控混合器的尺寸為：Sx=35mm，Sz=45mm（如圖1）。它有兩個(gè)入口（A和B）和一個(gè)出口。流體通道的全長寬度為500μm，高度為100μm。混合段的總長度為81mm。在互補(bǔ)環(huán)縫諧振器下方，即傳感區(qū)域，流體通道盡可能覆蓋最大表面積，如圖1（d）所示。流體層的厚度為2mm。

圖1 集成了互補(bǔ)環(huán)縫諧振器傳感器的微流控混合器的幾何形狀：（a）橫截面示意圖；（b）帶有微帶傳輸線的傳感器頂部；（c）帶有互補(bǔ)環(huán)縫諧振器的接地層；（d）流體層的幾何形狀

研究人員利用商用軟件CST Microwave Studio的頻域求解器設(shè)計(jì)了微波諧振器，并給出了一階諧振（5GHz）和二階諧振（10.432GHz）的模擬電場分布。圖2（b）和（d）的電場分布即為接地層正下方的橫截面，表明了兩種模態(tài)都具有完全磁導(dǎo)體（PMC）對稱性，可沿完全磁導(dǎo)體對稱性出現(xiàn)最大場強(qiáng)。圖2（c）和（e）的電場分布是沿著傳感器的對稱平面繪制的。兩種諧振的近場都延伸到接地層以下，因此，它們可以用于傳感。然而，第二種諧振模式的范圍更加局部化?；パa(bǔ)環(huán)縫諧振器的操作可以通過單個(gè)槽來實(shí)現(xiàn)，該槽在接地層中分割并與微帶傳輸線對稱放置。

圖2 （a）測量并模擬微波諧振器的S21傳輸參數(shù)，利用CST Microwave Studio軟件的頻域求解器進(jìn)行模擬；（b）和（d）為一階諧振（5 GHz）時(shí)的電場分布；（c）和（e）二階諧振（10.432 GHz）時(shí)的電場分布

微流控混合器的幾何形狀如圖1（d）所示。它由兩個(gè)入口（A和B）、一個(gè)接頭、一個(gè)混合部分、一個(gè)傳感區(qū)域和一個(gè)出口組成，將具有不同性質(zhì)的液體連續(xù)地引入混合部分中。由于通道和其中的導(dǎo)柱的彎曲幾何形狀，這兩種流體相互混合，從而形成“之”字形流動(dòng)模式。彎曲的通道通過改變液體的流動(dòng)方向來使液體混合。其中的導(dǎo)柱促進(jìn)了這一過程，使流體即使在原本筆直的部分也能沿著曲折的路徑流動(dòng)。

圖3 不同流速下流體混合的顯微鏡圖像

圖4 10ppt鹽水與蒸餾水兩種流體流經(jīng)幾何形狀通道時(shí)的混合模擬圖示

綜上所述，研究人員提出了一種集成了微波傳感器的新型通用微流控混合器，介紹了包括電磁和流體動(dòng)力學(xué)模擬在內(nèi)的多物理設(shè)計(jì)過程，詳細(xì)描述了制造過程，并且制造了工作原型并進(jìn)行了測試，對傳感區(qū)域的微流控幾何形狀通道進(jìn)行了特別的設(shè)計(jì)。這對于傳感器的操作至關(guān)重要，因?yàn)橥ㄟ^這種方式避免了傳感區(qū)域中不必要的流體混合和氣泡積聚，消除了無關(guān)緊要的和錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)讀出。

研究人員所選擇的器件結(jié)構(gòu)布局是最佳的，因?yàn)檫@樣可以正確地引導(dǎo)液體，同時(shí)在互補(bǔ)環(huán)縫諧振器的近場中提供最大的表面積，這是實(shí)現(xiàn)良好的傳感器靈敏度所必需的。通過泵送不同濃度的鹽水到裝置的入口來證明微流控混合器的性能。混合流體的透射光譜測量結(jié)果表明，微流控混合器的性能和互補(bǔ)環(huán)縫諧振器傳感器的測量能力都很出色，絕對誤差小于0.5%。研究人員還測量了幾種化學(xué)品的透射光譜，這表明同時(shí)觀察兩個(gè)諧振的頻率偏移和透射幅度變化不僅可以檢測流體性質(zhì)（例如濃度）的變化，還可以獨(dú)特地識(shí)別混合流體。

責(zé)任編輯：彭菁