电磁场在电动微流体芯片中的仿真
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中国计量学院本科毕业设计（论文）电磁场在电动微流体芯片中的仿真Simulation of Electromagnetic Fields in Electric Micro-fluidic Chip学生姓名朱蔚杰学号 0700201334学生专业测控技术与仪器班级 07测控3班二级学院计量测试工程学院指导教师张凯副教授中国计量学院2011年5月郑重声明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
学生签名：日期：分类号：密级：UDC：学校代码：中国计量学院电磁场在电动微流体芯片中的仿真Simulation of Electromagnetic Fields in Electric Micro-fluidic Chip作者朱蔚杰学号 0700201334申请学位工学学士指导教师张凯副教授学科专业测控技术与仪器培养单位中国计量学院答辩委员会主席评阅人2011年 6月致谢经过这段时间努力，这次毕业设计终于顺利完成。
在此，要感谢祖国，感谢国家的培养，也要感谢在毕业设计此过程中帮助过我的老师、同学和朋友，其中最应该感谢的是我的导师张凯老师，在毕业设计期间张老师总是在关心着我的课题进度，会定期检查我的进展情况，并提出很多有用的建议，帮我解决了不少困难。
我是从一开始对课题感到陌生而且对Fluent软件不了解的情况下，到后来进过张老师的教导使我对论文的驾轻就熟以及对Fluent的熟悉运用以及对电磁场的了解。
另外，我要感谢四年来教过我的所有的老师，特别是计量测试工程学院测控技术与仪器专业的各位老师们，他们的谆谆教导使我们在大学四年里打下了扎实的专业基础；同时我还要感谢所有的同学，他们为我在大学的四年学习生活提供了很多帮助。
正是因为有了他们的支持和鼓励，本次毕业设计才得以顺利完成。
然后，我还要感谢学校图书馆的工作人员及其校园网，给我们提供了查找各种所需资料的便利条件，以便我能够顺利的完成毕业设计。
最后，感谢我的亲人、朋友在毕业设计期间给予我的鼓励和支持。
朱蔚杰 2011年6月电磁场在电动微流体芯片中的仿真摘要：本文借助麦克斯韦方程模拟了电动微流体芯片中受到外加电磁场作用下流体的运动及其周围的磁场的分布情况。
该次模拟的驱动采用电磁场转换驱动，在此过程中运用到一些简单的磁流体力学理论（MHD）。
简单介绍电动微流体和电磁场控制的原理和发展（包括了微芯片、电磁转换和其生物学上的应用）。
在UDF编程的基础上，运用Fluent软件模拟电磁场作用下流体的运动（通电流体中的粒子受电磁场的影响的运动轨迹），得出液体流向图，电压图，压力图，流量大小图，y反向速度。
通过对这些图形的分析进而得到电动微流体芯片中受到外加电磁场作用下流体的运动及其周围的磁场的分布情况。
关键词：电动微流体芯片，纳米颗粒，数值模拟，电磁场分布,磁流体力学（MHD）Simulation of Electromagnetic Fields in ElectricMicro-fluidic ChipAbstract：With the help of Maxwell's equations to simulate the power of nano particles in the micro-fluidic chip in and around the movement of the magnetic field distribution. The driver of the second analog converter driven by electromagnetic fields in the simulation process is accompanied by the skin effect. A brief introduction of electric and electromagnetic control of micro-fluidics theory and development (including micro-chips, magnetic transition and its biological applications).On the basis of programming in the UFD, the use of Fluent software to simulate the movement of nano-particles (particles in the fluid power by the trajectory of the effects of electromagnetic fields)，Obtained velocity vector, velocity vector around the cylindrical conductor, the speed flow around the cylindrical conductor line graph. Through the analysis of these graphics and then get power microfluidic chip charge distribution around the nano-particles.Key words: electric microfluidic chip, nano-particles, numerical simulation,electromagnetic field distribution目次摘要 (I)目次 (II)1. 绪论 (3)1.1 电动微流体芯片的应用背景 (3)1.2 微流体芯片的研究历史与现状 (4)1.3. 微流体芯片及电磁场研究的国内外研究现状 (6)1.4 存在的问题分析 (8)2.电磁场在电动微流体芯片中的仿真理论基础 (9)2.1 电磁感应的感生电动势和涡旋电场 (9)2.2 电磁感应和相对性原理 (12)2.3 磁感应线 (13)3. 电动微流体芯片中纳米颗粒周围电磁场分布监测的数值模拟 (14)3.1 磁流体动力方程 (14)3.2 磁流体模型理论 (17)3.3 磁流体模型仿真 (18)4.结论 (22)参考文献 (23)学位论文数据集 (25)作者简介 (26)1. 绪论1.1 电动微流体芯片的应用背景未流体（芯片实验室）技术是目前迅速发展的高新技术和多学科交叉科技前沿领域之一，是生命科学、化学科学与信息科学信号检测和处理方法研究的重要技术平台。
芯片实验室将在未来的发展中对分析科学乃至整个科学技术以及相关的产业界产生相似的作用。
计算机芯片使计算微型化，而芯片实验室使实验室微型化，因此，在生物医学领域它可以使珍贵的生物样品和试剂消耗降低到微升甚至纳升级，而且分析速度成倍提高，成本成倍下降；在化学领域它可以使以前需要在一个大实验室花大量样品、试剂和很多时间才能完成的分析和合成，将在一块小的芯片上花很少量样品和试剂以很短的时间同时完成大量实验；在分析化学领域，它可以使以前大的分析仪器变成平方厘米尺寸规模的分析仪，将大大节约资源和能源。
芯片实验室由于排污很少，所以也是一种“绿色”技术。
总体上看，该技术具有以下特点：（1）集成性，芯片集成的单元部件越来越多，且集成的规模也越来越大。
所涉及到的部件包括：和进样及样品处理有关的透析、膜、固相萃取、净化；用于流体控制的微阀（包括主动阀和被动阀），微泵（包括机械泵和非机械泵）；微混合器，微反应器，当然还有微通道和微检测器等。
（2）分析速度快。
（3）高通量。
（4）能耗低，物耗少，污染小。
每个分析样品所消耗的试剂仅几微升至几十个微升，被分析的物质的体积只需纳升级或皮升级。
（5）廉价，安全。
因此，微流控分析系统在微型化、集成化和便携化方面的优势为其在生物医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂的检测等众多领域的应用提供了极为广阔的前景[1]。
从结构上看，功能化芯片实验室大体包括三个部分：（1）芯片材料。
在微米或者纳米的数量级上，可用于芯片的常见材料有玻璃，石英和各种塑料。
玻璃和石英有很好的电渗性质和优良的光学性质，可采用标准的刻蚀工艺加工，可用比较熟悉的化学方法进行表面改性，加工成本较高，封接难度较大。
常用的有机聚合物包括刚性的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），弹性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚碳酯（PC）等，它们成本低，可用物理或化学方法进行表面改性，制作技术和玻璃芯片有较大的区别[2]。
（2）芯片分析系统，主要包括驱动源和信号检测装置。
样品和试剂的充分接触、反应或分离必须有外力的作用，这种外力一般为电场力、正压力、负压力或微管虹吸原理产生的力。
人们常采用高压电源产生电场力或泵产生正、负压力作为驱动源。
由芯片内产生的信号需要被检测，目前最常用的检测手段是激光诱导荧光，此外还有电化学、质谱、紫外、化学发光和传感器等。
激光诱导荧光检测器主要由激光源、光学透镜组和以光电倍增管或CCD为主的荧光信号接收器件组成。
特点是检测灵敏度高，被广泛采用；但现阶段其体积仍然偏大。
驱动源和检测装置是芯片实验室仪器的主要组成部分，其体积的大小直接决定了芯片分析仪的大小，因此人们正努力追求将这两部分做到最小。
目前，电化学检测由于其体积较小，与高压电源一起可制成便携式分析仪，加之有电化学响应的物质很多，所以在芯片中的应用研究较多。
电化学检测器的一般做法是将电极集成到芯片上，采用安培或电导法进行检测，其中电泳分离电压对检测电流的干扰是电化学检测需要克服的问题之一。
用于电化学检测的电极材料有碳糊、碳纤维、铜丝、金丝等。
被检测物质有氨基酸、肽、碳水化合物、神经递质等。
集成电泳分离、酶联免疫和生物化学等于一体以实现多功能（例如多人同时检测或多种免疫指标的同时检测）的芯片实验室研发，体现了微流体芯片技术的集成化特点，也代表了微流体芯片技术的发展方向[3]。
（3）包含有实现芯片功能化方法和试剂盒。
将质谱法、紫外-可见检测法等现有的检测方法移植到芯片实验室的检测上，是微流体芯片研究的主要思路。
微流控技术最早由瑞士Ciba-Geigy [7]公司的Manz与Widme[12]在1990年提出，当时设想是发展一种可能作为一个化学分析所需的全部部件和操作集成在一起的微型器件即μ-TAS。
1993年Harrison和Manz等人在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动注射分析，借电渗流实现了混合荧光染料样品注入和成功电泳分离。
