Диссертация (1143641), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Для этогорассчитаем систему при различном значении ширины канала Rx в диапазоне от 30 до 42 мкм,как указано в таблице 7.1. Для исследования характера течения жидкости в микрофлюиднойструктуре будем использовать методы компьютерного моделирования. Математическая модельпостроена аналогично описанной модели в главе 3. Различие заключается в том, что мы нерассматриваем химические реакции в системе, а параметры плотности и вязкости считаемпостоянными, равными соответствующим параметрам чистой воды.Движение жидкости по структуре обеспечивалось заданием разности давлений междувходом и выходом. Значения разницы давления устанавливалось с учетом того, чтобыдостигаемые в системе числа Рейнольдса не превышали критических значений и поток211оставался ламинарным.
Модель решалась для трехмерной модели микрофлюидного мостикаУинстона итерационным методом, описанным в главе 3.Результаты расчетов визуализировались. На рисунке 7.2.3 показано распределениескоростей и давлений в микрофлюидной структуре. На рисунке 7.2.4 показано сравнение линийтока в эксперименте и в модели на прямоугольном участке сопряжения микроканалов.(а)(б)Рисунок 7.2.3 – Визуализация распределения скорости в микрофлюидном мостике Уинстона(а) и давления в мостиковом канале (б)(а)(б)Рисунок 7.2.4 – Визуализация линий тока в месте сопряжения микроканалов вмикрофлюидном мостике Уинстона: (а) натурный эксперимент; (б) - моделированиеКак следует из представленных графиков, характер течения жидкости в структуреламинарный.
Максимальные скорости достигаются в самих микроканалах, в то время каксопрягающие прямоугольныеучасткислужатдляторможения потоков и плавногораспределения давления, в том числе и в мостиковом канале. При изменении ширины канала Rx212картина течений и распределений существенно не изменяется, за исключением того, что припереходе через состояние равновесия направление течения в мостиковом канале изменяет знак.Дляснятиячисловыххарактеристикпотокаизрезультатовкомпьютерногомоделирования мы условились брать за точки отчета скорости в мостиковом каналегеометрический центр прямоугольного параллелепипеда, моделирующего мостиковый канал.Разницу давлений на мостиковом канале ΓPbr измеряли как разницу полных давлений вгеометрических центрах прямоугольников, на гранях параллелипипеда, описывающих вход ивыход в мостиковый канал.
Рассмотрим как изменяются эти два главных параметра приизменении ширины канала Rx и суммарного перепада давления на всей структуре ΓPMWB.. Нарисунке 7.2.5 показаны зависимости скорости и давления в мостиковом канале от этих величин.(а)(б)Рисунок 7.2.5 – Зависимость скорости (а) и перепада давления (б) в мостиковом канале отширины канала Rx при различных давлениях ΓPMWBВне зависимости от общего перепада давления в системе, при изменении ширины каналаRx давление ΓPbr и соответствующая ему скорость линейно изменяются, переходя через нулевоезначение в единственной точке с шириной 36,60 мкм, которая соответствует равновесномусостоянию системы.
Увеличение общего перепада давления в рассмотренных пределах невлияет на положение точки равновесия, оно лишь изменяет наклон указанных прямых. Этиграфики показывают, как будет изменяться поток и перепад давления в мостиковом канале впроцессе изменения гидравлического сопротивления канала Rx, в том числе и в процессежидкостного травления кремния в микрореакторе.Существует зависимость между перепадом давления во всей микрофлюидной структуре иперепадом давления на мостиковом канале.
Это соотношение зависит от ширины канала Rx, чтоудобно выразить на другом графике, показанном на рисунке 7.2.6.213Рисунок 7.2.6 – Зависимость перепада давления в мостиковом канале от перепададавления во всей структуре при различных значениях ширины канала RxЭто очень важное свойство микрофлюидного мостика Уинстона, поэтому удобно ввестикоэффициент уменьшения давления ζ, как соотношение этих двух дифференциальныхдавлений, по формуле:=гдеΓPMWB –дифференциальное,давление7.2.3междувходомивыходомсамоймикрофлюидной структуры, ΓPBr – дифференциальное давление между входом и выходоммостикого микроканала. Важно отметить линейность этой зависимости, и, как следствие,постоянство параметра δ от величины ΓPMWB.
Однако этот параметр меняется с изменениемсостояния микрофлюидного мостика от малых значений, когда мостик находится не вравновесии, до бесконечности при идеальном уравновешенном мостике (перепад давления вмостиковом канале равен нулю в состоянии равновесия). Таким образом, можно построитьграфик коэффициента δ от ширины канала Rx, что и показано на рисунке 7.2.7.Коэффициент уменьшения давления имеет сильную нелинейность и асимптотическийпредел при стремлении микрофлюидной структуры к равновесию.
Это же поведениекоэффициента δ будет наблюдаться, в том числе и при проведении процесса жидкостноготравления кремния в микрореакторе. Крутая зависимость δ в области близкой к равновесиюпоказывает чрезвычайную чувствительность структуры на изменение геометрии илигидравлического сопротивления канала Rx, в данном рассмотрении, или любого плечамикрофлюидного мостика вообще. Это также объясняет тот факт, почему обычнымитехнологиями добиться изготовления уравновешенного мостика практически невозможно.214Рисунок 7.2.7 – Зависимость коэффициента δ от ширины канала RxОбнаруженное свойство микрофлюидного мостика позволяет нам сформулироватьфункциональное определение самого устройства.
Микрофлюидный мостик – это 4-х выходнаямикроструктура, которая при создании на первой паре выходов высокого дифференциальногодавления, на второй паре выходов создаст дифференциальное давление в δ раз меньше. Приэтом коэффициент δ может иметь значения более 1000. Т.е. при подаче на микрофлюидныймостик разности давления 105 Па, на выходе мы получим разность давления 100 Па.Увеличивая коэффициент δ, т.е. приближаясь к равновесию, можно получать еще болеемаленькие значения дифференциального давления.
Это свойство микрофлюидного мостикаможно использовать для создания принципиально новой архитектуры системы длявысокоточного измерения малых дифференциальных давлений.Системадляизмерениямалыхдифференциальныхдавленийнаосновемикрофлюидного мостика Уинстона.Основная особенность всех систем для измерения малых давлений заключается в том, чтоизмерить высокие давления гораздо проще чем низкие. Это понятно из физических причин.Значительные давления вызывают в чувствительном элементе существенные изменения,большие, чем случайные внешние воздействия, позволяя добиться точности измерений. Вслучае необходимости измерять малые дифференциальные давления, но не в вакууме, а принормальном или повышенном давлении, требуется использовать высокочувствительныесенсоры, например с тонкой мембраной или другим элементом.
Для примера с чувствительноймембраной, которая воспринимает давление, можно сформулировать такое возникающее215техническоепротиворечие,длядетектированиямалыхдифференциальныхдавленийнеобходима очень мягкая мембрана, но из-за этой мягкости внешние воздействия в виде силыгравитации земли, вибраций и температурных колебаний вносят большой вклад в погрешностьизмерений. Получается что точность измерений низких дифференциальных давлений меньше,чем высоких. Имеет место проблема создания высокоточных систем для измерения малогодифференциального давления.Для решения этой проблемы мы предлагаем использовать измерительную систему наоснове микрофлюидного мостика Уинстона, схематично показанную на рисунке 7.2.8.Рисунок 7.2.8 – Принципиальная схема устройства для измерения малого дифференциальногодавления на основе микрофлюидного мостика УинстонаСистема для измерения малого дифференциального давления состоит из пяти основныхфункциональных элементов.
Опорный источник дифференциального давления (А) связан скоммутирующим устройством (Б). Коммутирующее устройство имеет два входа (1, 2) дляизмерения неизвестного внешнего дифференциального давления ΓPизм. Коммутирующееустройство соединяется с мембранным чувствительным элементом (В).
Связи между опорнымисточникомдифференциальногодавления(А),коммутирующимустройством(Б)ичувствительным элементом (В) осуществляются посредством пар трубок или каналов, по216которым передается давление рабочей среды, жидкости или газа. Блок управления (Г) связанэлектрическими линиями управления и связи (3) с чувствительным элементом (В),коммутирующим устройством (Б), опорным источником дифференциального давления (А) иустройством индикации (Д).Опорный источник дифференциального давления (А) состоит из микрофлюидногоконтура (4), по которому за счет работы микронасоса (5) циркулирует рабочая жидкость.Контур включает в себя микрофлюидный мостик Уинстона, который выполнен в виде системыиз пяти микроканалов с постоянным высоким гидравлическим сопротивлением (6), которыесоединены между собой посредством полостей с постоянным низким гидравлическимсопротивлением (7).
Все полости и каналы сформированы методами фотолитографии итравления в основании из монокристаллического кремния, которое соединяется с крышкой изстекла методом электротермодиффузионной сварки. Входы (8, 9) микрофлюидного мостикаУинстона соединяются с микрофлюидным контуром циркуляции рабочей жидкости (4).Выходы (10, 11) являются выходом из опорного источника дифференциального давления.Разность давления между входами (8) и (9) микрофлюидного мостика Уинстона регистрируетсядатчиком дифференциального давления высокого диапазона (12).Мембранный чувствительный элемент (В) состоит из корпуса (13), в которомрасположена упругая мембрана (14), разделяющая внутренний объем корпуса на две полости(15, 16). Через вводные каналы (17, 18) в полости передается давление рабочей среды, жидкостиили газа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
