电磁和流体动力学模拟多物理设计过程

据麦姆斯咨询报道，近日，匈牙利帕兹玛尼·彼得天主教大学（Pázmány Péter Catholic University）的研究人员提出了一种新型微流控混合器。该微流控混合器集成了一个双频带微波谐振器，可对两种液体的混合物进行原位监测。双频带微波谐振器是一种双开口互补环缝谐振器（DC-SRR），蚀刻在微带传输线（microstrip line）的接地平面上。混合器的输出通道在谐振器近场的接地平面下方。

通过电磁和流体动力学模拟，研究人员为该部分设计了最佳通道配置，以提高其灵敏度，最大限度地减少所需液体样品的体积，并消除了不必要的流体混合。研究人员通过测量微带传输线的传输参数来监测前两个谐振的频率变化。他们通过混合不同浓度的盐溶液验证了该器件的性能，并给出了不同化学物质的透射光谱。结果表明，该微流控混合器可以通过同时监测两种谐振来实现明确的化学识别，所需的流体总量不到8μL。

微流控系统在输送和处理流体时，一个典型的操作是混合。液体的均匀混合在许多过程中是必不可少的，但由于层流的雷诺数（Reynolds number）较低，在微流控中很难实现均匀混合。而无源混合技术利用精确设计的几何形状通道进行混合，适用于芯片实验室（LOC），也适用于与微波传感器集成。所以，微流控混合器也可以采用简单的弯曲或“之”字形通道，或者采用更复杂的设计及附加额外结构。

微流控混合器的几何结构示意图如图1所示。它有一条带接地层的微带传输线，其中蚀刻了互补环缝谐振器（CSRR），并将微流控层置于其下方。流体通道由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，表面覆盖了150μm厚的硼硅酸盐玻璃。流体层用薄薄的PDMS层（厚度约55μm）粘接在接地层的底部。微流控混合器的尺寸为：Sx=35mm，Sz=45mm（如图1）。它有两个入口（A和B）和一个出口。流体通道的全长宽度为500μm，高度为100μm。混合段的总长度为81mm。在互补环缝谐振器下方，即传感区域，流体通道尽可能覆盖最大表面积，如图1（d）所示。流体层的厚度为2mm。

图1 集成了互补环缝谐振器传感器的微流控混合器的几何形状：（a）横截面示意图；（b）带有微带传输线的传感器顶部；（c）带有互补环缝谐振器的接地层；（d）流体层的几何形状

研究人员利用商用软件CST Microwave Studio的频域求解器设计了微波谐振器，并给出了一阶谐振（5GHz）和二阶谐振（10.432GHz）的模拟电场分布。图2（b）和（d）的电场分布即为接地层正下方的横截面，表明了两种模态都具有完全磁导体（PMC）对称性，可沿完全磁导体对称性出现最大场强。图2（c）和（e）的电场分布是沿着传感器的对称平面绘制的。两种谐振的近场都延伸到接地层以下，因此，它们可以用于传感。然而，第二种谐振模式的范围更加局部化。互补环缝谐振器的操作可以通过单个槽来实现，该槽在接地层中分割并与微带传输线对称放置。

图2 （a）测量并模拟微波谐振器的S21传输参数，利用CST Microwave Studio软件的频域求解器进行模拟；（b）和（d）为一阶谐振（5 GHz）时的电场分布；（c）和（e）二阶谐振（10.432 GHz）时的电场分布

微流控混合器的几何形状如图1（d）所示。它由两个入口（A和B）、一个接头、一个混合部分、一个传感区域和一个出口组成，将具有不同性质的液体连续地引入混合部分中。由于通道和其中的导柱的弯曲几何形状，这两种流体相互混合，从而形成“之”字形流动模式。弯曲的通道通过改变液体的流动方向来使液体混合。其中的导柱促进了这一过程，使流体即使在原本笔直的部分也能沿着曲折的路径流动。

图3 不同流速下流体混合的显微镜图像

图4 10ppt盐水与蒸馏水两种流体流经几何形状通道时的混合模拟图示

综上所述，研究人员提出了一种集成了微波传感器的新型通用微流控混合器，介绍了包括电磁和流体动力学模拟在内的多物理设计过程，详细描述了制造过程，并且制造了工作原型并进行了测试，对传感区域的微流控几何形状通道进行了特别的设计。这对于传感器的操作至关重要，因为通过这种方式避免了传感区域中不必要的流体混合和气泡积聚，消除了无关紧要的和错误的数据读出。

研究人员所选择的器件结构布局是最佳的，因为这样可以正确地引导液体，同时在互补环缝谐振器的近场中提供最大的表面积，这是实现良好的传感器灵敏度所必需的。通过泵送不同浓度的盐水到装置的入口来证明微流控混合器的性能。混合流体的透射光谱测量结果表明，微流控混合器的性能和互补环缝谐振器传感器的测量能力都很出色，绝对误差小于0.5%。研究人员还测量了几种化学品的透射光谱，这表明同时观察两个谐振的频率偏移和透射幅度变化不仅可以检测流体性质（例如浓度）的变化，还可以独特地识别混合流体。

责任编辑：彭菁