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Electroosmotic Micromixer

Electroosmotic Micromixer. 授課教師 : 李旺龍教授 學生 : 奈微所碩一 張恩旗 學號 :Q26961016. Introduction. 在生物晶片的應用中常常需要混合不一樣的流體 , 但是在微尺寸下流體常常是高程度的層流 ( 也就是雷諾數低 ), 因此流體間混合的程度也比較低 , 所以必須要使用一些結構來混合流體 當混合大小不同分子時會發生另外一種狀況 , 因為分子大小的不同 , 所以混合的平衡時間需要很久 , 從幾分鐘到幾小時不等 , 這種延遲在化學反應中是很重要的 , 在混合的微流系統中是需要被考慮的.

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Presentation Transcript

  1. Electroosmotic Micromixer 授課教師:李旺龍教授 學生:奈微所碩一 張恩旗 學號:Q26961016

  2. Introduction • 在生物晶片的應用中常常需要混合不一樣的流體,但是在微尺寸下流體常常是高程度的層流(也就是雷諾數低),因此流體間混合的程度也比較低,所以必須要使用一些結構來混合流體 • 當混合大小不同分子時會發生另外一種狀況,因為分子大小的不同,所以混合的平衡時間需要很久,從幾分鐘到幾小時不等,這種延遲在化學反應中是很重要的,在混合的微流系統中是需要被考慮的

  3. 大部份微米尺寸下的混合元件,通常是被動的混合,或者是利用外界力量像是壓力或是電場來進行混合大部份微米尺寸下的混合元件,通常是被動的混合,或者是利用外界力量像是壓力或是電場來進行混合 • 在被動混合下,有一種增加混合率的方法,利用破壞流體的方法,加入很薄的交替層中,將會減少液體中不同分子的平均擴散長度,然而這些方法通常需要很長的混合通道,因為不同的液體通常會平行的流動 • 另一種改善的混合法是使用主動的攪拌的方法來混合,在微米尺寸下利用主動混合很容易破壞結構的

  4. 所以如果使用電滲流的方法達到流體垂直方向混合的效應是比較好的所以如果使用電滲流的方法達到流體垂直方向混合的效應是比較好的 • 這個模組使用電滲流的優點來混合流體,這個系統應用以時間為變數的電場,電滲流擾動了平行的流線

  5. Model Definition • 這個範例是由一個簡單的結構(如下頁圖)有兩種不同流體的入口,將兩種不同的流體導入10-μm寬的通道,然後在流入一個環狀的混合通道,在這個環狀的地方有四個加電壓處,頻率是45, 135, -45, -135度 • 假設通道的深寬比很大,可以使用2D的來模擬

  6. The Navier-Stokes equations in the channels • η 定義成動黏度 (kg m-1 s-1), • u 是速度向量 (m s-1), • ρ 是流體密度 (kg m-3), • p 是壓力 (Pa).

  7. 因為兩個入口通道並沒有被模擬,所以假設入口處的位置已經是全展流的形式因為兩個入口通道並沒有被模擬,所以假設入口處的位置已經是全展流的形式 • 混合液體流在右端的邊界是0壓力的 • 大部份的固體表面由接觸電解液獲得電子,電子在固液交界處產生,就我們所知的電雙層的成因是因為電子群在溶液和固體間的表面聚集而成 • 當我們應用電場,電場產生的電滲流會迫使電子溶液離開電雙層,如此使得正電荷的溶液靠近牆面,而且使溶液開始流向電場

  8. 垂直牆面的速度梯度引起這個方向的黏度改變,最終速度在垂直牆面的方向變成了uniform垂直牆面的速度梯度引起這個方向的黏度改變,最終速度在垂直牆面的方向變成了uniform

  9. 這個模組讓電滲流速度和應用電場的Helmholtz-Smoluchowski關係取代了電雙層,電滲流速度的方程式如下 • εw定義為液體的絕對介電係數 (ε0 εr, AsV-1m-1), • ζ0代表牆上的zeta-potential • V 定義成電位 (V) • 這個方程式應用在所有的邊界上,除了入口和出口的邊界外

  10. 假設沒有離子的濃度梯度,所以我們可以用歐姆定律來描述電流的平衡,並且平衡電流密度假設沒有離子的濃度梯度,所以我們可以用歐姆定律來描述電流的平衡,並且平衡電流密度 • σ被定義成導電率 (Sm-1) • 在四個電極上的電位,是時間的正弦值,最大值是V0 = 0.1 V,頻率是8 Hz,但是在兩極是有交換的,電位在位置1和3是V0 sin2(πft), 2和4為-V0 sin2(πft)

  11. 假設其他的表面都是絕緣的,所以其邊界條件是下面方程式,假設所有垂直方向的電場是零假設其他的表面都是絕緣的,所以其邊界條件是下面方程式,假設所有垂直方向的電場是零 • 在上層的入口流入溶度為c0 ,下層是0,因此假設電子濃度在中間的地方由0突然變成c0 ,混合流體流出時假設是對流,然後其他的邊界假設成絕緣

  12. 內部的混合的擴散和對流由下面的方程式來描述內部的混合的擴散和對流由下面的方程式來描述 • c是濃度 • D 是擴散因子 • R 是反應率 • U 是流速. • 在此R = 0 因為濃度不受到任何反應影響

  13. 以下是本例中的一些參數

  14. Results and Discussion • 下面圖顯示瞬間流線的圖,圖中我們可以看到電滲作用對液體混合的作用,在電極端我們可以看到渦流的產生 • 當系統使用AC電場時,電滲流不斷擾動溶液,使流體不斷上下被擾動,下兩頁圖示電位分佈的狀況

  15. 再來的圖更加顯示了混合操作的行為,下頁圖顯示了當電場不施加時steady-state下的液體濃度,流體是層流的狀態,因此擴散係數相當的小,所以兩種流體幾乎不會混合再來的圖更加顯示了混合操作的行為,下頁圖顯示了當電場不施加時steady-state下的液體濃度,流體是層流的狀態,因此擴散係數相當的小,所以兩種流體幾乎不會混合

  16. 當交換的電場施加時,混合的行為開始增加,並且產生擾動,下頁圖顯示當電場和電滲流速度產的振幅下的流體混合,因此可以得到很好的混合效果當交換的電場施加時,混合的行為開始增加,並且產生擾動,下頁圖顯示當電場和電滲流速度產的振幅下的流體混合,因此可以得到很好的混合效果

  17. 這個範例證明了電動學在生物晶片中的混合是有效並且容易的,這是一個可以簡單使用的工具,我們可以很容易的控制振幅和頻率,在低雷諾數下慣性力是很小的,所以可以使用參數解答器來控制振幅而算出穩態的流線圖這個範例證明了電動學在生物晶片中的混合是有效並且容易的,這是一個可以簡單使用的工具,我們可以很容易的控制振幅和頻率,在低雷諾數下慣性力是很小的,所以可以使用參數解答器來控制振幅而算出穩態的流線圖

  18. Modeling in COMSOL Multiphysics • 在參考文獻中Cumming證明了為了使用Helmholtz-Smoluchowski方程在固體邊界上,所以電場必須要是半穩態的,如此可以省略暫態的效應,換句話說時間尺度下的不穩定的電場效應必須大於瞬間流 • Y. T. Zhang在參考文獻1中評估模擬微混合器的瞬時效應的時間尺度大約在0.0127秒,在這個模擬下應用電場的電位大約是8 Hz,大約是流體的時間尺度的10倍大

  19. 因此我們可以模擬time-dependent的電場為穩態電場和時間相因素(sin(ωt))的乘積,如此可以讓計算簡單化因此我們可以模擬time-dependent的電場為穩態電場和時間相因素(sin(ωt))的乘積,如此可以讓計算簡單化 • 一開始利用穩態解答器計算電位場的振幅和time-dependent流的初始狀態,再來計算不可壓縮Navier-Stokes的time-dependent解答和擴散和傳導的解答

  20. 我們利用穩態DC解答和時間相依的相角因子取得電場的切線構成電滲速度的邊界條件,這個近似是許可的,因為這是唯一的方法來偶合電場和Navier-Stokes方程式我們利用穩態DC解答和時間相依的相角因子取得電場的切線構成電滲速度的邊界條件,這個近似是許可的,因為這是唯一的方法來偶合電場和Navier-Stokes方程式

  21. MODEL NAVIGATOR • 選擇 New page並且在 Space dimension 表中選2D. • 按下Multiphysics button. • 在應用模組表中選COMSOL Multiphysics>MEMS Module>Microfluidics>Incompressible Navier-Stokes>Steady-state 並且按下 Add. • 再來在在應用模組表中選MEMS Module>Electrostatics>Conductive Media DC, then click並且按下 Add. • 在選擇COMSOL Multiphysics>Convection and Diffusion>Convection and Diffusion,按下Add.然後按下OK

  22. OPTIONS AND SETTINGS • 從Options選單中選 Constants. • 在表中填入下頁的資料然後按下OK • 在定義時t = 0可能是不可定義的,這是因為我們選用穩態的解答器,但是在後面我們會使用時間相依的解答器,此時這個常數將會變成是有意義的

  23. GEOMETRY MODELING • 到畫圖功能選表上選 Rectangle/Square. • 在出現的表格填上下面資料先畫出一個方形並且將他放大到適當大小

  24. 3. 到畫圖功能選表上選 Ellipse/Circle (Centered) 4. 然後在出現的表格中填入下面資料畫出一個圓形

  25. 6. 重複步驟3和4畫出一個圓心在(0, 0) 半徑 5e-6.的圓 7. 選擇所有圖形(用Ctrl+A) 8. 從Draw選單中選 Create Composite Object. 9. 然後在 Set formula 中填入 (E1+C1)-C2. 10.清除 Keep interior boundaries選項, 然後 按下OKOK. 11.到畫圖功能選表上選 Rectangle/Square 12.然後填入下頁資料在畫出一個方形

  26. 13.利用Ctrl+A 選取所有圖形. 14.從Draw選單中選 Create Composite Object. 15.然後在 Set formula 中填入 (CO1*R1)+CO1 . 16.然後點選畫圖功能選表上的Delete Interior boundaries去除圖形內多餘的邊界 17.然後選擇畫圖選單上的point畫出下面資料的點

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