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微流控芯片系统级建模研究

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第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2基于“Top-Down”的结构化设计方法

1.2.1系统级

1.2.2器件级

1.2.3工艺级

1.3微流控芯片计算机辅助设计软件的研究现状

1.4本文研究内容

第二章微流控芯片的系统级建模方法研究

2.1微流控芯片的系统级设计

2.2基于多端口组件网络的微流控芯片的系统级建模方法

2.2.1组件的多能量域端口

2.2.2组件的行为模型

2.2.3组件的参数

2.3多端口组件网络

2.3.1端口的联结规范

2.3.2组件间能量和信息的交换

2.4基于硬件描述语言的编码技术

2.4.1组件模型的编码技术

2.4.2网络模型的编码技术

2.5微流控芯片的多端口组件库

2.5.1微流控芯片涉及的能量域

2.5.2组件模型的建立规范

2.5.3组件的构建流程图

2.6微流控芯片系统级仿真

2.7小结

第三章基于电渗流的微流控混合芯片的系统级建模

3.1引言

3.2电渗流的基本理论

3.3微流控混合芯片的分解

3.4微流控混合芯片各组件参数化行为模型的提取

3.4.1混合长直通道的参数化行为模型

3.4.2混合十字型通道的参数化行为模型

3.4.3 T字型汇流通道的参数化行为模型

3.4.4倒T字型分流通道的参数化行为模型

3.4.5样品池的参数化行为模型

3.5微流控混合芯片系统级建模与仿真

3.5.1边削流混合器的系统级仿真

3.5.2并行混合器的系统级仿真

3.6 小结

第四章芯片毛细管电泳的系统级建模

4.1引言

4.2芯片毛细管电泳的基本理论

4.3芯片毛细管电泳的分解

4.4芯片毛细管电泳各组件参数化行为模型的提取

4.4.1分离长直通道的参数化行为模型

4.4.2分离U字型通道的参数化行为模型

4.4.3进样和检测组件的参数化行为模型

4.5芯片毛细管电泳分离的系统级建模与仿真

4.5.1纯扩散传送区芯片毛细管电泳分离的系统级仿真

4.5.2扩散对流传送区芯片毛细管电泳分离的系统级仿真

4.5.3对流传送区芯片毛细管电泳分离的系统级仿真

4.5.4深度对流传送区芯片毛细管电泳分离的系统级仿真

4.6结论

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

发表论文

参加科研项目情况

致谢

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摘要

微流控芯片系统由于样品消耗量少,响应时间快等优点而被广泛应用在生物、医疗及化工等领域。随着微流控芯片系统集成度的提高,如何对微流控芯片进行系统级仿真,是微流控芯片计算机辅助设计软件的主要内容。基于电驱动的微流控混合芯片和芯片毛细管电泳分离是微流控芯片系统中的重要组成部分,其混合效率和电泳分离效率直接影响着芯片的整体功能。本文采用多端口组件网络建模方法,以基于电驱动的微流控混合芯片和芯片毛细管电泳分离为研究对象,研究了它们的系统级建模理论,构建了它们的系统级模型,实现了它们的系统级仿真。本文研究内容包括主要: 在对电渗流基本理论分析的基础上,对基于电渗流驱动的微流控混合芯片的行为模型进行提取,在此基础上编程实现了系统各组件的多端口组件模型,构建了基于电渗流的微流控混合芯片的系统级模型,模型仿真结果与有限元方法和实验的方法相比较,相对误差分别为2.5﹪和1.6﹪,而仿真速度却远远高于有限元方法。表明该方法在不降低系统仿真精度的前提下,可以更加有效的对系统性能做出评价。 芯片毛细管电泳分离是微流控芯片系统中的又一个主要组成部分,本文在对芯片毛细管电泳分离基本理论进行分析的基础上,得出了微通道长度和谱带展宽是影响芯片毛细管电泳分离的主要因素。由于逶迤型芯片毛细管电泳分离是目前研究的热点,本文在对逶迤型芯片毛细管电泳分离控制方程及各部分功能分析的基础上,对逶迤型芯片毛细管电泳分离的参数化行为模型进行了提取,在此基础上构建了其多端口组件模型,搭建了其系统级模型,模型仿真结果与数值仿真软件的仿真结果相比较,相对误差小于3.8﹪,而仿真速度却远远高于有限元方法。表明本文提出的方法在不显著损失系统精度的前提下,可以更加有效的对系统性能做出评价。

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