行波微流體驅(qū)動的理論分析與仿真.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)分子檢測和生化分析領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，微型構(gòu)件中流體的驅(qū)動與控制技術(shù)的研究已逐漸成為一個熱點。超聲行波驅(qū)動在原理上不同于當(dāng)前各種微流體驅(qū)動技術(shù)，它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲振動在輸送管道壁上激起行波，使管道內(nèi)的液體產(chǎn)生行波聲場，在雷諾切應(yīng)力、聲流、聲輻射壓力、管壁黏附力和液體分子間的作用力共同作用下，使液體沿行波方向運動，是一種新的微流體驅(qū)動技術(shù)。作為一種新型微流體驅(qū)動技術(shù)，超聲行波驅(qū)動沒有可動部件，所需驅(qū)

2、動電壓低，材料選擇較廣泛，可適用于各種環(huán)境，具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 本文針對國家自然科學(xué)基金(項目編號：10572078)和山東省自然科學(xué)基金(項目編號：Y2007A16)項目中有關(guān)超聲行波微流體驅(qū)動與控制技術(shù)的基本理論和驅(qū)動模型，從聲學(xué)和動力學(xué)分析的角度進(jìn)行了較為深入的研究。
　　 首先，概述了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)及微流體系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，對目前的幾種微流體驅(qū)動與控制技術(shù)作了介紹。基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)及其材料特

3、性和頻率特性，簡述了行波的合成，通過對聲輻射壓力及聲流產(chǎn)生機(jī)理的研究，得出驅(qū)動機(jī)理與模型參數(shù)的關(guān)系，為超聲行波微流體的驅(qū)動控制打下理論基礎(chǔ)。
　　 然后，利用ANSYS有限元軟件，對圓環(huán)形模型結(jié)構(gòu)、動力學(xué)特性進(jìn)行了分析研究。通過有限元模態(tài)分析，討論了模型固有頻率與基體結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。通過基于逆壓電效應(yīng)的激振響應(yīng)分析，激勵出所需振型，得出了響應(yīng)位移隨頻率的變化特性，為模型的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。通過瞬態(tài)動力學(xué)分析，得出模型起振過

4、程的響應(yīng)情況。為以后的課題研究打下了堅實的基礎(chǔ)。
　　 最后，針對接下來的難點耦合場分析，通過ANSYS中的FSI（流固耦合接口），建立模型實現(xiàn)了聲學(xué)流體單元和固體單元（彈性體和壓電體）的耦合，并得到了圓環(huán)溝道內(nèi)聲壓的分布圖，從而對研究聲流和聲壓在流體驅(qū)動中的作用又前進(jìn)了一步。對圓環(huán)流固耦合模型進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，得到溝道內(nèi)流體在超聲行波激勵下的流場情況，比較不同時間子步時流體域和固體域的位移云圖，得到流體隨固體振動情況，分析不