Search academic texts

Information × Registration Number 0825U003284, PhD dissertation Status Доктор філософії Date 12-08-2025 popup.evolution o Title Methods and Models for Computer-Aided Design of Acoustic-Fluid Microelectromechanical Systems Author Volodymyr M. Stahiv, popup.head Oleh M. Matviykiv popup.head Marek Płaczek popup.opponent Valeriy V. Matus popup.opponent Ihor V. Prasol popup.review Serhiy V. Shcherbovskykh popup.review Olena M. Stankevych Description Дисертаційна робота присвячена розробці методів та моделей для автоматизованого проєктування акустофлюїдних рідинних мікросистем, в мікроканалах яких, за рахунок формування стоячих акустичних хвиль, забезпечується селективне керування потоком різнорідних нерозчинних мікрочасток. Переміщення мікрочасточок в рідинному потоці відбувається за рахунок акустофоретичних сил, які виникають при їх взаємодії з акустичними хвилями. У першому розділі проаналізовано механізми акустофлюїдного розділення мікрочастинок. Встановлено, що об'ємні акустичні хвилі більш чутливі до неоднорідностей акустичного опору п'єзоелектричної підкладки, що робить їх менш придатними для подальших досліджень. Розглянуто механізми дії первинної та вторинної сил акустичного випромінювання, які виникають внаслідок нелінійного поширення звуку в рідкому середовищі та впливають на траєкторії руху мікрочасток. Виявлено, що форма та розміщення зустрічно-штирьових перетворювачів (ЗШП) суттєво впливають на результати розділення, оскільки характеристики поверхневих акустичних хвиль (ПАХ) залежать від таких параметрів ЗШП, як відстань, кількість пальців, апертура та ширина електрода. А застосування штучного інтелекту та машинного навчання відкриває нові перспективи для ефективного проєктування та аналізу мікрофлюїдних пристроїв, зокрема автоматизації розробки, оптимізації конструкції та прискорення аналізу даних. За результатами аналізу сформульовано задачу дисертаційного дослідження. У другому розділі проведено дослідження конструктивних особливостей зустрічно-штирьових перетворювачів (ЗШП) та наведено приклади їх застосування в акустофлюїдних мікросистемах. Особливу увагу приділено основним геометричним параметрам ЗШП та їхньому впливу на довжину згенерованої акустичної хвилі, розглянуто різні схеми розташування двонаправлених електродів. Також вивчено механізм поширення акустичних хвиль у заповненому рідиною мікроканалі та досліджено вплив акустофоретичних сил, що виникають на зважені у рідині мікрочастинки. В середовищі COMSOL Multiphysics® розроблено 2- та 3- вимірні геометричні моделі ЗШП, підібрано необхідні матеріали та мультифізичні інтерфейси. Побудовано математичну модель розподілу акустичного поля в мікроканалі, сформованого завдяки взаємодії електродів ЗШП та п’єзоелектричної підкладки. Показано, що форма та стабільність поля акустичної стоячої хвилі залежать від кількох конструктивних факторів: співвідношення між довжиною хвилі та шириною мікроканалу, положення та конструкції ЗШП, параметрів та властивостей п'єзоелектричної підкладки. Загалом, проведено чисельне моделювання базової конструкції ЗШП, двох модифікацій з парними пальцями та чотирьох варіантів ЗШП, які відрізняються шириною пальців. У третьому розділі побудовано математичну модель акустофоретичного розділення мікрочасточок, яка дає змогу прогнозувати рух мікрочасточок всередині мікроканалу та оцінювати вплив геометрії мікроканалу на ефективність їх розділення. Проведено чисельне дослідження розробленої моделі для сортування та фокусування частинок мікропластику в мікроканалах мікрофлюїдних лабораторних чипах (лаб-чип), а також для розділення і сортування мікрочасток сажі та золи, зважених у мікрофлюїдних зразках дощової води. В результаті чисельного експерименту отримано висновок, що на фокусування мікрочасточок впливає як їх розмір, так і густина. Отримані результати моделювання показали, що спроєктований мікрофлюїдний лаб-чип здатний розділяти два типи мікрочастинок сажі та золи на необхідну кількість груп відповідно до їх густини та розмірів. Вперше розроблено акустофлюїдну модель, здатну розрахувати розподіл акустичного тиску та змоделювати рух мікрочастинок вздовж системи мікроканалів під дією акустофоретичної сили. Розроблено технологію виготовлення мультиканального лаб-чипа та створено фізичний прототип мікрофлюїдного пристрою. Канали та отвори формують методом лазерного фрезерування на кремнієвій підкладці, що забезпечує подачу та вивід тестової суміші та транспортної рідини (деіонізованої води). У четвертому розділі розроблено алгоритм машинного навчання з підкріпленням, який дає змогу автоматизувати процес підбору вхідних параметрів для ефективного розділення мікрочасточок. Показано, що визначення частоти акустичних хвиль можливе за допомогою регресійного аналізу. Для визначення вхідних швидкостей рідини застосовано метод машинного навчання з підкріпленням та врахуванням невдач, який покращив точність та ефективність акустофлюїдної моделі, забезпечуючи новий підхід до вирішення задачі ефективного розділення мікрочасточок в рідинних мікросистемах. На основі чисельних експериментів підготовлено набір даних для навчання алгоритму, використовуючи інформацію про фізичні параметри часточок, швидкість потоку та частоту акустичної хвилі. Реалізовано алгоритм навчання з підкріпленням, який дозволяє підібрати вхідні параметри для забезпечення сортування мікрочасточок, враховуючи результати невдач, що сприяє швидшому та точнішому навчальному процесу. Registration Date 2025-08-05 popup.nrat_date 2025-08-05 Close