具有微米柱表面特征的微流控芯片仿真设计验证.pdf

在当前微流控芯片设计过程中，CAD（计算机辅助设计）与CAE（计算机辅助工程）技术的应用至关重要。CAD技术主要用于绘制和设计微流控芯片的流道结构，而CAE技术则用于对设计完成的模型进行仿真分析与优化。本课题主要阐述了使用Solidworks软件进行微流控芯片CAD设计，以及如何将设计成果以.STL文件格式导入Comsol软件进行CAE仿真优化的过程。通过仿真验证了流速和扩散常数对微流控芯片内浓度分布的影响，以及微米柱阵列对流线和流速的调控作用。 在CAD软件Solidworks中，首先绘制出微流控芯片流道的整体结构，其中流道入口设计为9排扇形阵列，宽度为100微米，以利于浓度扩散。流道的有效扩散面积为1×7平方毫米，整体高度为50微米。完成绘制后，将流道设计以.STL格式导出，这是因为.STL格式是CAE软件通用的三维模型文件格式。 将.STL文件导入CAE软件Comsol中后，模型被定义为“浓度流体的层流和运输”问题，并对材料属性进行了设置，包括密度和动态粘度。在仿真分析中，研究了不同扩散常数下的情况，发现扩散常数越高，流速相同时上游与下游之间的浓度分布差异越大。当流速增大至超过0.01毫升每小时时，无论扩散常数如何，浓度分布差异均变小。而当流速减小至0.1毫升每小时以下时，流速的非线性分布转变为线性分布，特别是在扩散常数较大的溶液中。通过调整微米柱的排列和间距，研究了它们对流线和流速的影响，结果表明六角形排列相比于正方形排列更有效地避免了流速波动和流线涡旋现象。 在微流控芯片设计中，仿真技术提供的参考价值非常高。它能够帮助设计师在实验操作之前进行合理的条件选择，尤其在细胞培养及流体剪切微环境设计中，仿真可以模拟流体剪切力的作用，观察细胞在受力敏感环境下的骨架附着和伸展情况。通过仿真得到的数据可用来指导实验，节省资源和时间，提高实验成功率。 本研究的主要贡献在于展示了如何通过CAD&CAE技术来优化微流控芯片设计，同时证实了微米柱阵列在微流控芯片中调整流线和流速方面的积极作用。该成果不仅对微流控芯片设计具有重要的参考价值，也为微流控技术在生物医学及化学分析领域的应用奠定了基础。 在微流控芯片设计的工程中，CAD&CAE技术的集成创新应用是实现芯片实验室设计、标准化和工业化的关键步骤。通过仿真优化，能够对实验结果进行预判，有效地指导实验设计和优化流程，这对于微流控芯片的发展具有深远的影响。因此，CAD&CAE技术在微流控芯片设计中的应用，正逐渐成为行业关注的焦点和未来发展的趋势。