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FLOW-3D 輔助數位化微流體多相流模擬的設計

 文:Jun Zeng, Ph.D. 譯: 王榮昌 博士

Jun Zeng, Ph.D. Microfluidics and Biotechnology Group Coventor, Inc.

微流體和數位化微流體

微流體: 利用流體進行運算的小型系統(MEMS).
 ->噴墨頭
 ->製作在晶片上的實驗室
製作在晶片上的實驗室(LOC): 一個小型生化實驗室
 ->數位化微流體 是第二代 LOC 的結構

數位化微流體

結構
 分散液滴運作.
 個別液滴可以被精確控制通過具有特別性質的電極.
 複雜的步驟可藉由小套指令完成.
 相當於微電子學的階層式設計結構.

基本液滴功能
 化合物的載體
 導致混合和反應的結合
 能平行分裂

基本液滴操作
 生成
 融合
 分裂
 易位

數位化微流體的範例

可程式流動處理器 (PFP)

甚麼是下一件重大事情 ? (1)

甚麼是下一件重大事情? (2)

計算規範
取代物理規範
建構元件,系統並在一虛擬環境中操作
模擬是計算規範的核心
他可以提供經由物理科學法則的元件及系統行為的預測

對於製作在晶片上的實驗室高效率計算規範須要其以設計與計算為導向的環境

D-I-M 的計算規範

計算規範
 ->D-I-M每個步驟的協助
 ->縮短從概念到批量生產的時間和成本
成功的例子
 ->航太(’70s), 汽車 (’80s), 半導體 (’90s)
 ->在晶片上製造實驗室 (21st Century)

數位化微流體的模擬工具

一整合微流體元件及系統的設計,最佳化和分析
一樹狀圖控式模型環境
多種詳細物理模擬和分析結構
根據詳細模擬結果減少級數模型及機構
對於微流體的應用與模擬FLOW-3DR 與 CoventorWareR 已經完全整合
FLOW-3DR 與 CoventorWareR 可以非常有能力的解析多種物理模擬
CoventorWareR 在 FLOW-3DR 的分析解答上可降低級數模型.

模擬輔助數位化微流體設計

DEP 驅動微流體晶片的例子
DEP 晶片操作概念: 液滴借電泳 (DEP)
 ->元件範例: 可程式流體處理器
以模擬方法探究DEP的可行性
 ->液滴易位
 ->液滴射出
 ->液滴融合
例子: 由DEP驅動的虛擬晶片分析

使用DEP力量讓個別電極可以處裡流體液滴操作.

數位化微流體操作概念 (2)
一個各別電極陣列產生非均勻電場
電場施加力量在介電液滴上導致液滴易位
一種預先的可程式電極配置可能在預先決定時間移動液滴到預先決定的位置上

DEP 驅動液滴操作
以DEP驅動數位化微流體的電變流體力量作用在液滴上
DEP 由於介電性質的不連續性
DEP 由於非均勻的電場
電變濕潤由於介電塗層

DEP 驅動液滴易位 (1)
表面修改可以導致較高的疏水性
 ->直覺反應為較高的接觸角產生較好的性能.
結果指出在接觸角大於120度時,液滴的遷移可從純滑動到滑動加上滾動的運動狀態
 ->對於液滴轉換時較少的能量變化將導至較慢的運動

DEP驅動液滴易位 (2)
模擬發現傳遞最高液滴遷移效率時的最佳接觸角
 ->反應: 由於減少表面接觸較高的接觸角應該導致較容易的遷移
 ->無論如何,模擬預測一最佳接觸角約為120°

DEP 驅動液滴融合

兩個相同特徵的液滴被放置在電極陣列上面. 隔離物是灰色的. 關閉的電極是黑色, 開啟的電極是白色.

DEP 驅動液滴生成 (1)
注射器建立
兩平行且同平面的大長寬比電級被埋至在一絕緣層內. 注射器噴嘴與化學樣品儲存槽相連接.在y-z平面上電極被放置在具有對稱性的注射器噴嘴上. 在時間為0+時一高頻交流電壓被應用於此兩個電極之間.

DEP 驅動液滴生成 (2)
指狀液滴的形成
前面七張照片是在5msec內形成的;最後一張照片是在時間等於125msec形成的.剛開始一400V(rms)的電壓加在此兩個電極之間. 在125msec時, DEP指狀長度已達 420 mm.

DEP 驅動液滴生成 (3)
指狀液滴破裂

在時間等於110msec時電位差被重新歸零.經過指狀的切面記錄了截面. 從110msec 每間隔15msec依序紀錄一次照片.

DEP 驅動液滴生成 (4)
沒有液滴的釋放

在時間等於26msec時電位差被重設為零.從時間等於26msec每間隔16msec依序記錄這些照片.

DEP 驅動液滴生成 (5)
單一液滴的釋放

在時間等於50msec時電位差被重設為零. 從時間等於50msec每間隔 20msec依序紀錄此些照片.

在DEP驅動晶片上的生化陣列

生化陣列 : 一個例子

我們正在期待

模擬結果

總結
這個練習展示模擬可以提高數位化微流體的設計
共同深入的設計與模擬可以促使在所有晶片上的實驗室產生成功的製作模式!
設計者必須非常清楚知道問題點所在.
模擬是為了研究元件的物性 (可行性)和探索設計參數的空間 (最佳化).

感謝
這裡的模擬是由Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) under contract DAAD10-00-1-0515 from the Army Research Office to the University of Texas M. D. Anderson Cancer Center 所贊助的.