超聲行波微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)的參數(shù)研究與仿真.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)在過(guò)去幾十年內(nèi)發(fā)展迅速，作為其重要分支的微流控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程、化工制藥、生物檢測(cè)、食品安全等領(lǐng)域內(nèi)里也有了廣泛的應(yīng)用。由于流體的尺度效應(yīng)，傳統(tǒng)的電壓力驅(qū)動(dòng)已經(jīng)不適合微流控體的發(fā)展，探索微尺度下更為高效的微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)。基于不同原理的微泵隨之產(chǎn)生，其中一些微泵的技術(shù)已經(jīng)得到初步應(yīng)用。常見(jiàn)的微泵包括有閥微泵與無(wú)閥微泵，其中，有閥微泵技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但是由于有閥微泵存在可活動(dòng)部件，其微型化以及使用壽命受到

2、了限制。無(wú)閥微泵常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式有電滲驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)等，雖然在一定程度上解決了微型化與使用壽命的問(wèn)題，但目前仍面臨較多的技術(shù)難題。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種新型的微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)——超聲行波微流體驅(qū)動(dòng)與控制，改變傳統(tǒng)微流體驅(qū)動(dòng)的點(diǎn)壓力驅(qū)動(dòng)為面驅(qū)動(dòng)。這種微泵的上管道壁排列壓電陶瓷陣列，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)使管壁產(chǎn)生形變，并在整個(gè)管道壁激起行波，管壁質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，管內(nèi)液體在管壁粘附力、液體分子間作用力

3、、聲流、聲輻射壓力等的共同作用下，在微泵出口處產(chǎn)生凈流量。超聲行波驅(qū)動(dòng)微泵可控性較高，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電壓的幅值、相位和頻率，可以方便地改變流體的流向和流速。此外，由于這種管壁蠕動(dòng)型微泵的驅(qū)動(dòng)動(dòng)作較為溫和，且不包含機(jī)械閥門等可動(dòng)部件，在輸送生物流體時(shí)具有不傷害細(xì)胞或生物大分子結(jié)構(gòu)的特性，使其有望在生化分析等領(lǐng)域發(fā)揮其特性。本文在分析了行波驅(qū)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種行波驅(qū)動(dòng)微泵的模型，利用有限元軟件COMSOL Multiphysics對(duì)模型

4、進(jìn)行了流固耦合分析，研究了不同參數(shù)的改變對(duì)微泵驅(qū)動(dòng)性能產(chǎn)生的影響。通過(guò)分析，驗(yàn)證了該微泵的可行性。
　　本文主要分為四個(gè)部分。首先對(duì)MEMS在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r以及微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)展做了概述，介紹了幾種常用的微泵并指出其優(yōu)缺點(diǎn)。其次，分析了壓電陶瓷的材料和頻率特性，推導(dǎo)了管壁質(zhì)點(diǎn)行波運(yùn)動(dòng)與橢圓運(yùn)動(dòng)原理，對(duì)超聲行波驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制作出了系統(tǒng)的描述。之后，介紹了常用的有限元分析方法、流固耦合分析理論以及有限元分析軟件COMSOL