電磁和流體動力學模擬多物理設計過程

據麥姆斯咨詢報道，近日，匈牙利帕茲瑪尼·彼得天主教大學（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雙頻帶微波諧振器，可對兩種液體的混合物進行原位監測。雙頻帶微波諧振器是一種雙開口互補環縫諧振器（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。

通過電磁和流體動力學模擬，研究人員為該部分設計了最佳通道配置，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來監測前兩個諧振的頻率變化。他們通過混合不同濃度的鹽溶液驗證了該器件的性能，并給出了不同化學物質的透射光譜。結果表明，該微流控混合器可以通過同時監測兩種諧振來實現明確的化學識別，所需的流體總量不到8μL。

微流控系統在輸送和處理流體時，一個典型的操作是混合。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（Reynolds number）較低，在微流控中很難實現均勻混合。而無源混合技術利用精確設計的幾何形狀通道進行混合，適用于芯片實驗室（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，或者采用更復雜的設計及附加額外結構。

微流控混合器的幾何結構示意圖如圖1所示。它有一條帶接地層的微帶傳輸線，其中蝕刻了互補環縫諧振器（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）。它有兩個入口（A和B）和一個出口。流體通道的全長寬度為500μm，高度為100μm?；旌隙蔚目傞L度為81mm。在互補環縫諧振器下方，即傳感區域，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 集成了互補環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）帶有互補環縫諧振器的接地層；（d）流體層的幾何形狀

研究人員利用商用軟件CST Microwave Studio的頻域求解器設計了微波諧振器，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，表明了兩種模態都具有完全磁導體（PMC）對稱性，可沿完全磁導體對稱性出現最大場強。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環縫諧振器的操作可以通過單個槽來實現，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，利用CST Microwave Studio軟件的頻域求解器進行模擬；（b）和（d）為一階諧振（5 GHz）時的電場分布；（c）和（e）二階諧振（10.432 GHz）時的電場分布

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

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幾何形狀通道時的混合模擬圖示

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力學模擬在內的多物理設計過程，詳細描述了制造過程，并且制造了工作原型并進行了測試，對傳感區域的微流控幾何形狀通道進行了特別的設計。這對于傳感器的操作至關重要，因為通過這種方式避免了傳感區域中不必要的流體混合和氣泡積聚，消除了無關緊要的和錯誤的數據讀出。

研究人員所選擇的器件結構布局是最佳的，因為這樣可以正確地引導液體，同時在互補環縫諧振器的近場中提供最大的表面積，這是實現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?；旌狭黧w的透射光譜測量結果表明，微流控混合器的性能和互補環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品的透射光譜，這表明同時觀察兩個諧振的頻率偏移和透射幅度變化不僅可以檢測流體性質（例如濃度）的變化，還可以獨特地識別混合流體。

責任編輯：彭菁