Моделювання і дослідження генератора на ПАХ для акустофлюїдних лаб-чипів
Автор: Карпунець Андрій Віталійович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Системне проектування
Інститут: Інститут комп'ютерних наук та інформаційних технологій
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2020-2021 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Карпунець А.В., Матвійків О.М. (керівник). Моделювання і дослідження генератора на ПАХ для акустофлюїдних лаб-чипів. Maгістерcька кваліфікаційна po6oта. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2020. Розширена анотація В останні роки увагу було привернуто до використання поверхневих акустичних хвиль (ПАХ) для керування мікрофлюїдним сортуванням та різноманітними іншими процесами. Завдяки невідповідності швидкостей звуку в підкладці та рідин, поверхневі акустичні хвилі можна ефективно переносити в рідину, створюючи значні інерційні сили та швидкості рідини. Цей механізм може бути використаний для такої взаємодії з рідинами, як накачування та перемішування. [1] Для керування цими процесами відбувається зміна режиму хвилі на межі розділу рідина-підкладка. У підкладці поверхнева акустична хвиля є поперечною хвилею і, потрапляючи в краплю, хвиля стає поздовжньою хвилею. [2] Саме ця поздовжня хвиля створює потік рідини всередині мікрорідкої краплі, дозволяючи відбуватися перемішуванню. Ця техніка може бути використана як альтернатива мікроканалам та мікроклапанам для маніпуляцій з підкладками, що дозволяє відкриту систему. [3] Мета і задачі дослідження. Розробити у інтерактивному середовищі COMSOL Multiphysics модель генератора ПАХ та провести дослідження впливу геометричних параметрів ЗШП на формування та стабільність стоячої хвилі в мікроканалах лаб-чипа. Для досягнення цієї мети потрібно розробити модель акустофлюїдного лаб-чипа, побудувати зустрічно-штирьовий перетворювач, згенерувати поверхневу акустичну хвилю та розробити модель її перходу у рідинне середовище та проаналізувати стабільність областей нульового тиску у мікроканалі. Об’єкт дослідження – генератор поверхневих акустичних хвиль. Предмет дослідження – модель акстофлюїдного лаб-он-чипа, побудована у середовищі COMSOL Multiphysics. Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено нову модель акстофлюїдного лаб-он-чипа, яка дозволяє підібрати оптимальну конфігурацію зустрічно-штирьового перетворювача для акустофлюїдного лаб-он-чипа; дослідити поле акустичного тиску у мікрофлюїдній камері. Практичне значення одержаних результатів. Розроблену модель акустофлюїдного лаб-он-чипа можна застосовувати для підбору оптимальних розмірів та конфігурації реальних пристроїв. Впровадження такої моделі у виробництво може значно пришвидшити та здешевити виробництво мікрорідинних МЕМС. У роботі проаналізовано основні типи поверхневих акустичних хвиль та їх властивості, виділено їх переваги та недоліки та визначено основні типи хвиль які будуть досліджуватися у даній роботі. На основі проведеного огляду визначено області застосування пристроїв, які використовують поверхневі акустичні хвилі. Досліджено та описано інформацію щодо лаб-он-чипів та їх використання у області мікрофлюїдики із застосуванням ПАХ. Зазначено, що прилади ПАХ вимагають простих фотолітографічних процесів для виготовлення металевих електродів на п’єзоелектричних підкладках. Крім того, властивості ПАХ можуть регулюватися за допомогою прикладених електричних сигналів, які забезпечують набагато простіший контроль, ніж більшість альтернативних методів. Найголовніше, що ультразвук з відповідною інтенсивністю виявився безпечним для біологічних зразків і широко використовується в біомедичній візуалізації та діагностиці. У другому розділі досліджено та описано основні методи взаємодії лаб-он-чипів із генератором ПАХ та методи їх застосування. Описано перспективи даної області дослідження та перспективні напрямки застосування у майбутньому. Розглянуто та описано СAD-систему COMSOL яку було обрано у зв’язку із тим що вона є простою у використанні для створення макетів моделей, а також розглянуто її основні функції та модулі які будуть використовуватися у даній роботі для моделі генератора ПАХ для акустофлюїдного лаб-он-чипа, а саме акустичний риск, механіка твердого тіла, електоростатика та електричні кола.. У третьому розділі була розроблена 3D модель акустофлюїдного лаб-чипа з генерацією ПАХ з використанням ЗШП. Для дослідження конфігурації ЗШП, який використовується для генерації СПАХ у мікрорідинному каналі, була використана 2D модель серединного поперечного перерізу лаб-он-чипа. Ключові слова – лаб-он-чип, зустрічно-штирьовий перетворювач, акустофлюїдика, поверхневі акустичні хвилі, моделювання, COMSOL Multiphysics. Перелік використаних джерел. 1. Biryukov, S.V.; Gulyaev, Y.V.; Krylov, V.V.; Plessky, V.P. (1995). Surface Acoustic Waves in Inhomogeneous Media. Springer. 2. Yang, Chun-Guang; Xu, Zhang-Run; Wang, Jian-Hua (February 2010). "Manipulation of droplets in microfluidic systems". TrAC Trends in Analytical Chemistry. 29 (2): 141–157. 3. H. Biroun, Mehdi; Rahmati, Mohammad; Tao, Ran; Torun, Hamdi; Jangi, Mehdi; Fu, Yongqing (2020-08-07). "Dynamic behavior of droplet impact on inclined surfaces with acoustic waves".