چکیده:
سامانه های میکروفلوئیدی شامل شبکه پیچیده ای از کانال های در ابعاد میکرونی می باشند. این سامانه ها برای مخلوط نمودن نمونه های سیال، واکنش شیمیایی سیالات و جداسازی ذرات موجود در سیال ها مورد استفاده قرار می گیرند. جریان سیال در این کانال ها را می توان با اعمال میدان الکتریکی، گرادیان فشار و یا ترکیب این دو «نیرو» راه اندازی و کنترل نمود. برای به دست آوردن پارامترهای مهم مانند توزیع فشار و توزیع پتانسیل در این افزاره ها از روش شبیه سازی عددی دو بعدی یا سه بعدی استفاده می شود. این روش به مدل سازی افزاره ای معروف است. ابزارهای شبیه ساز، معادلات دیفرانسیلی جزئی حاکم بر سیال را با شرایط اولیه و مرزی مناسب حل می کنند. علاوه بر این، این ابزارها، سرعت و دقت لازم برای طراحی و توسعه سامانه های میکروفلوئیدی مجتمع را دارند. طراحان این سامامنه ها با به کارگیری این شبیه سازی ها، می توانند قبل از ساخت سامانه، به طراحی بهینه ای دست یابند. اما این ابزارها پرهزینه هستند و در بعضی موارد ابزارهای طراحی سریع تر، مفید می باشند. در این صورت روش مدل سازی مداری برای تحلیل سامانه های میکروفلوئیدی مورد استفاده قرار می گیرد. این روش که شامل دو مدل سازی مداری الکتریکی و فلوئیدی می باشد، پارامترهای مورد نیاز برای طراحی جدید را به سرعت ارائه می کند. این مدارات در مقایسه با ابزارهای شبیه سازی خیلی ساده تر می باشند و همچنین دقت آنها برای به دست آوردن مشخصات فیزیکی بنیادی و رفتار سامانه کافی می باشد و می توان به آسانی با مدل سازی مداری کانال های میکروفلوئیدی مجتمع را طراحی نمود. اگر مدل مداری مناسبی برای پدیده فیزیکی مورد نظر وجود نداشته باشد، برای به دست آوردن پارامتر متناظر، حل معادلات تفاضلی جزئی ضروری است. در این پایان نامه از روش شبیه سازی عددی (مدل سازی افزاره ای)، مدل سازی مداری و ترکیبی از این دو روش، برای بررسی عملکرد افزاره های میکروفلوئیدی، استفاده می کنیم. در ابتدا به معرفی این سامانه ها و بیان مفاهیم پایه ای در زمینه آن ها می پردازیم. سپس روش مدل سازی مداری و افزاره ای را برای محاسبه توزیع فشار و توزیع پتانسیل برای شبکه میکروفلوئیدی مجتمعی که در حالت کلی برای انتقال سیالات به کار می رود، استفاده می کنیم. خواهیم دید نتایج توزیع فشار و پتانسیل حاصل از مدل سازی مداری و افزاره ای این شبکه با دقت خوبی بسیار نزدیک می باشند. بنابراین مدل سازی مداری به تنهایی برای به دست آوردن پارامترهایی، مثل توزیع فشار و توزیع پتانسیل در این افزاره ها کافی است. سپس اثر گذردهی الکتریکی نسبی سیالات در توزیع فشار و پتانسیل این افزاره را با استفاده از شبیه سازی عددی بررسی می کنیم. و مشاهده می کنیم، برای سیال با گذردهی الکتریکی کوچکتر، مقادیر فشارهای به دست آمده در نقاط مختلف افزاره، کاهش می یابد. ولی در توزیع پتانسیل در کانال تاثیری ندارد. برای ساخت این افزاره اثر این پارامتر سیالات باید در نظر گرفته شود. در نهایت به مثال های دیگری از شبیه سازی عددی (مدل سازی افزاره ای) برای بررسی عملکرد دو نوع افزاره میکروفلوئیدی (شبکه الکتروفورسیس باریک و میکروکانال همگرا – واگرا) می پردازیم. در شبکه الکتروفورسیس باریک در یک زمان معین، فاصله طی شده به وسیله ذره ها در کانال تفکیک این افزاره، به طور مستقیم متناسب با موبیلیتی آن ها می باشد و در این کانال، تراکم ذرات با زمان کاهش می یابد. این پدیده منجر به رقیق سازی تراکم سیال نمونه در طول حرکت در این کانال می گردد. سپس تغییرات فشار ناشی از حرکت قطره ها را در میکروکانال همگرا – واگرا بررسی کرده و مشاهده می کنیم، در زمان های مختلف فشار در طول کانال همگرا ثابت است. اما در ناحیه بین دو کانال که دارای عرض کمتری می باشد، فشار به صورت خطی کاهش می یابد و در کانال واگرا دوباره مقدار ثابتی دارد. اما با گذشت زمان، اختلاف فشار دو سر کانال همگرا و واگرا با افزایش تعداد قطره ها در کانال افزایش می یابد و در زمانی که کانال در قسمت میانی مسدود می شود، اختلاف فشار در دو سر کانال همگرا و واگرا خیلی بیشتر از زمان های دیگر است. تغییرات فشار در این میکروکانال حتماً باید در ساخت افزاره مورد توجه قرار گیرد.
مقدمه:
«میکروفلوئید» حوزه اس از سامانه های میکرو الکترومکانیکی است که با رفتار، کنترل دقیق و کاربرد سیالات در مقیاس حجمی میکرو و نانو سروکار دارد.
پژوهش در زمینه افزاره های میکروفلوئیدی اخیراً با رشد بسیار سریعی روبرو شده است. این افزاره ها، کاربردهای متنوعی در صنعت یافته اند و پیش بینی می شود که این رشد برای سال های آتی نیز ادامه داشته باشد. سامانه های میکروفلوئیدی از اجزای مختلفی ساخته می شوند، برخی از این اجزا عبارتند از: میکروپمپ ها، میکروکانال ها، میکرومخلوط کننده ها، میکروحسگرها، مخازن سیالات و دریچه ها که معمولاً در مقیاس میکرونی ساخته می شوند.
میکروکانال های توزیع سیال (لوله های مویین) برای عبور سیال در شاخه های مختلف سامانه های میکروفلوئیدی استفاده می شوند و کاربردهای وسیعی یافته اند. جریان سیال در این کانال ها بین چندصد نانولیتر تا چند میکرولیتر بر دقیقه می باشد. دو کانال را می توان به گونه ای ایجاد نمود که باهم ارتباط داشته باشند. این نوع کانال ها معمولاً طولی در حدود چندصد میکرون تا چند ده میلیمتر و عمق و عرضی به ترتیب در حدود 2 تا 100 میکرون دارند.
سامانه هایی که از اجزای فوق ساخته می شوند اصولاً سطحی حدود چند سانتیمتر مربع اشغال می کنند. سامانه های میکروفلوئیدی در زمینه های متنوعی کاربرد یافته اند. که از آن جمله می توان به صنایع داروسازی، تحلیل شیمیایی، حسگرهای شیمیایی و بیوپزشکی، انتقال دارو، جداسازی مولکولی نظیر تحلیل دی ان ای، تقویت، تعیین توالی یا سنتز نوکلئیک اسیدها اشاره نمود. این سامانه ها، همچنین بخش مهمی از سامانه های کنترل دقیق در خودروهای مدرن محسوب می شوند و انتظار می رود که در صنایع هوافضا، صنایع تغذیه و صنایع نیمه هادی کاربردهای جدیدی پیدا کنند. مزایای اصلی استفاده از سامانه های میکروفلوئیدی در تراشه های Lab-on-a-chip، راندمان بالا، قابلیت مجتمع سازی، تولید انبوه، کم شدن زمان لازم برای انجام واکنش و امکان انجام عملیات موازی می باشند. در این پایان نامه به بررسی عملکرد انواع مختلفی از افزاره های میکروفلوئیدی با روش های مختلف مدل سازی می پردازیم.
تعداد صفحه : 97
پایان نامه ارشد برق مدل سازی و شبیه سازی افزاره مداری سامانه های میکروفلوئیدی مجتمع
