[發(fā)明專利]一種電滲微流體電極版圖的逆設(shè)計方法

在審

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• 申請日: 2017-11-14
• 公開（公告）號: CN107832531A
• 公開（公告）日: 2018-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄧永波;紀(jì)元;吳一輝;劉洵;劉永順;劉震宇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 深圳市科進(jìn)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)44316
• 代理人: 趙勍毅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于生化檢測中的微流控芯片上電滲微通道內(nèi)壁的電極版圖設(shè)計方法，具體涉及一種電滲微流體電極版圖的逆設(shè)計方法。

背景技術(shù)

芯片實驗室(Lab-on-a-chip)被廣泛應(yīng)用于生物和化學(xué)領(lǐng)域的快速檢測中。在使用微流控芯片進(jìn)行生化檢測時，通常需要使用泵類設(shè)備驅(qū)動和控制流體運動，增強(qiáng)混合效果以及分離流體等。電滲技術(shù)因其符合微器件上無移動部件的要求，尤其適用于微流控領(lǐng)域。目前有大量文獻(xiàn)研究了電滲技術(shù)，其中主要包含對于電滲微混合器的研究。電滲是電解質(zhì)溶液接觸的固體表面上的感生電荷引起的。電荷聚集在固體表面附近的液體薄層，該層稱為德拜層，其厚度通常在10nm量級，德拜層上存在Zeta電勢。在外加電場作用下，電荷發(fā)生移動并驅(qū)使自身附近的液體運動，即為電滲驅(qū)動。

大量的研究通過分析、數(shù)值和實驗的方法對電滲微流進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，對微通道進(jìn)行了形狀優(yōu)化設(shè)計，對Zeta電勢的分布進(jìn)行了優(yōu)化。這些研究表明，由于電極吸引電荷形成外部電場，因而在驅(qū)動微流體運動方面起著重要作用，合理設(shè)計電極的分布是實現(xiàn)微流體性能的關(guān)鍵。

德拜層的尺寸通常遠(yuǎn)小于微流體的特征尺寸。因此，在微流控芯片中，微通道內(nèi)壁上的電極版圖是電滲微流體的性能作用的關(guān)鍵。雖然部分相關(guān)研究為電滲控制提供了指導(dǎo)，但是由于這些研究主要依賴于設(shè)計者的直覺，缺乏普適性、靈活性，而且設(shè)計效率低，因而電極版圖的設(shè)計依然存在局限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠克服現(xiàn)有電極設(shè)計方面的局限，并且具備普適性、靈活性，適用于微流控芯片通道內(nèi)壁上的電極版圖逆設(shè)計方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。

一種電滲微流體電極版圖的逆設(shè)計方法，其包括有如下步驟：

步驟S1，在連續(xù)介質(zhì)假設(shè)下，利用Navier-Stokes方程描述微流體運動：

式中，u為流體速度，p為流體壓力，ρ為電解質(zhì)溶液的密度，η為電解質(zhì)溶液的動力粘度，Ω為計算區(qū)域，入口邊界為Γ_i，邊壁邊界為Γ_w，出口邊界為Γ_o，且滿足

步驟S2，在德拜層厚度遠(yuǎn)小于微流體特征尺度的假設(shè)下，根據(jù)電滲微通道內(nèi)壁適用Helmholtz-Smoluchowski理論，得出滑移速度與由電極引起的電場強(qiáng)度的切向分量成正比：

式中，V為電極引起的外部電勢分布，為電滲遷移率，ε_r為相對介電常數(shù)，ε₀為真空介電常數(shù)，ζ₀為Zeta電勢，n為外單位法向向量；

步驟S3，在電滲微流體入口處引入缺陷邊界條件：

式中，為入口已知流量，U為流體平均速度，在出口處，開口邊界條件為：

電滲微流中兩種物質(zhì)的混合由對流擴(kuò)散方程描述：

式中，c為濃度，D為擴(kuò)散系數(shù)，方程的邊界條件為入口的已知濃度分布：

c＝c_i(x),onΓ_i

以及出口和邊壁處擴(kuò)散絕緣：

式中，c_i為電滲微混合器入口處的已知濃度分布；

步驟S4，邊壁邊界Γ_w分為兩部分Γ_wa和Γ_de，對于外部電勢，Γ_wa為電絕緣邊界，滿足條件引入物理密度變量，其取值為[0,1]，其中0和1分別代表電勢和電絕緣邊界類型，則Γ_de的邊界條件為電絕緣和電勢的插值：

式中σ為電導(dǎo)率，V₀是電極的定電勢，α為懲罰函數(shù)：

式中γ_fp為物理密度變量，α_max為懲罰系數(shù)，q為懲罰凸性調(diào)整系數(shù)，外部電勢可由下述方程組描述：

步驟S5，設(shè)計變量用Helmholtz濾波以控制版圖的特征尺寸：

式中，γ為設(shè)計變量，γ_f為過濾后的設(shè)計變量，為Γ_de上局部坐標(biāo)系的梯度算子，r為過濾半徑，n_s為Γ_de的外單位法向向量；