PDMS微通道內微流動行為的Micro-PIV分析.pdf

1、微流動技術是一種涉及微米尺度空間中流體過程處理及裝置加工制造的技術。它是在微米尺度結構下利用微型化的流體處理和檢測系統(tǒng)來研究微流體的各種效應和行為。由于其具有高通量的微通道及流動網(wǎng)絡,高效的流體處理和檢測機制,以及潛在的應用的低成本,已經(jīng)被廣泛地應用于制藥業(yè)、生物技術與生物分析、醫(yī)學、化學分析、機械、IT業(yè)甚至國防以及航空航天等領域。但是,微流動技術在微流動通道及其網(wǎng)絡構建的技術途徑,微流動處理和檢測系統(tǒng)的研究手段等方面都還較為有限。因

2、此,對微流動技術的研究,包括微流動器件的制作,以及微流動檢測手段的不斷發(fā)展,都已經(jīng)成為研究者和工程技術人員的一個重要的努力方向,這一點從微加工技術,微流動實驗和檢測技術,以及微粒子圖像測速(Micro-PIV)等技術的快速發(fā)展和技術手段的層出不窮可見一斑。鑒于此,本論文的工作主要在于對PDMS微通道內液體流動行為的Micro-PIV分析方法進行研究,研究內容主要涉及到PDMS微通道的制作技術,Micro-PIV系統(tǒng)構建及算法研究,小波分

3、析及其在Micro-PIV圖像去噪中的應用,微流變學實驗和理論研究。傳統(tǒng)的PDMS微通道的制作技術如光刻法、軟刻法,由于技術條件苛刻、費時、成本較高以及形成的通道截面形狀不規(guī)則等限制,難于被普通實驗室所接受。本文介紹了一種利用不銹鋼微絲制作通道的方法,能夠形成直徑20-100μm標準的圓形截面微通道,由于不銹鋼微絲具有高強度、高柔韌性、良好的表面特性、良好的導電性,利用不銹鋼微絲可以制作出諸如交叉通道、彎曲通道、三維螺旋形通道等多種拓撲

4、結構和多種功能的微通道。Micro-PIV技術是一種基于圖像分析的無擾動的流場測量技術。我們利用微通道、高壓氣源驅動裝置、顯微鏡和CCD構建了Micro-PIV實驗系統(tǒng);同時以基于FFT的互相關算法為基礎,結合圖像去噪、矢量修正、亞相素匹配等方法構建了Micro-PIV圖像處理系統(tǒng),在MATLAB平臺下開發(fā)了相應的程序實現(xiàn)上述功能,并利用PIV標準圖像對算法和程序進行了驗證。小波分析是一種在時域和頻域都具有良好特性的信號分析方法。利用小

5、波分析的多分辨率特性,可以對Micro-PIV圖像進行去噪處理,但由于粒子圖像的特殊性,去噪時的閾值選取成為了去噪的關鍵。本文介紹了利用小波分析去噪的理論和方法,并研究了在Micro-PIV圖像去噪中的應用,由于粒子圖像的特殊性,對其僅進行一級小波系數(shù)分解,然后濾波,能夠得到較為滿意的去噪結果。利用Micro-PIV對微流動現(xiàn)象進行分析,可以得到關于流場的全局及細節(jié)信息,即速度矢量分布場。根據(jù)得到的矢量分布場,可以進一步計算出通道流動的

6、切應力分布,以及液體粘度值等數(shù)據(jù)。本文對不同直徑微通道內的流體流動進行了Micro-PIV矢量分析,并根據(jù)矢量分布場,計算出了直徑為80μm的通道截面的速度和切應力分布以及通道內液體的粘度值(0.9405×10-4Pa·s),與微流變學層流理論基本符合。本論文以PDMS微流動通道為基礎,以結合了小波分析的Micro-PIV技術為手段,對通道內的粒子流動進行分析,得到了與微流變學理論基本符合的結果。這說明本論文介紹的通道制作技術以及Mic