面向MEMS設(shè)計(jì)的微流體流動(dòng)特性研究.pdf

1、針對(duì)微流體器件內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)還相對(duì)落后的現(xiàn)狀，開展對(duì)微尺度、微結(jié)構(gòu)及微功能器件開展微流體機(jī)理研究，尋找合適的微流體力學(xué)建模方法，進(jìn)而對(duì)微流體器件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，是目前微流體研究中亟待解決的科學(xué)問題，將為新結(jié)構(gòu)、新器件的設(shè)計(jì)提供重要的理論根據(jù)。 本文介紹了微流體力學(xué)領(lǐng)域的連續(xù)介質(zhì)模型、分子模型和介觀模擬方法三類主要的建模方法，并探討了它們各自的適用場(chǎng)合，這對(duì)如何選擇微流體器件的建模方法具有理論意義。 對(duì)滑流區(qū)

2、的微流體流動(dòng)阻力特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)地分析和研究?；谝浑A滑流邊界條件，對(duì)滑流區(qū)的壓差流動(dòng)、剪切流動(dòng)等典型流動(dòng)問題進(jìn)行分析，并得到了幾種典型問題的解析解；針對(duì)滑流區(qū)中典型截面的壓差流動(dòng)的等效粘度修正方法，推導(dǎo)并給出了多種截面流動(dòng)的等效粘度修正系數(shù)及其相關(guān)參數(shù)，為工程計(jì)算提供了一種簡(jiǎn)便易行的方法。 針對(duì)MEMS微結(jié)構(gòu)中的氣體壓膜問題，基于一階滑流邊界條件，提出了一種雙動(dòng)量協(xié)調(diào)系數(shù)的修正雷諾方程；并對(duì)新模型的誤差進(jìn)行了分析，指出采用該

3、模型能夠滿足MEMS工程設(shè)計(jì)的精度需求?；陔p動(dòng)量協(xié)調(diào)系數(shù)的修正雷諾方程，對(duì)幾種典型情況下的不可壓縮和可壓縮氣體的擠壓膜阻尼特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，推導(dǎo)出了壓強(qiáng)分布、阻尼力和阻尼系數(shù)等參數(shù)的解析表達(dá)式。完善了原有文獻(xiàn)中關(guān)于矩形平板在平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)情況下可壓縮氣體壓膜阻尼問題的解析解。 對(duì)滑流邊界條件下Couette流、Stokes流和Poiseuille流三種模型的滑膜阻尼特性進(jìn)行了研究，給出了三種模型的解析解，并指出了其適用場(chǎng)合。

4、 基于稀薄氣體物理學(xué)理論和滑流修正的雷諾方程，研究了平板電容式加速度計(jì)的氣膜阻尼特性，得到阻尼力和阻尼系數(shù)的簡(jiǎn)化解析解；給出了幾種減小氣膜阻尼的方法，并指出動(dòng)量協(xié)調(diào)系數(shù)對(duì)于氣膜阻尼(尤其是壓膜阻尼)的影響很大，有待進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)研究。 對(duì)中心開孔圓盤在微流體中所受到的阻尼特性進(jìn)行了研究，得到了微流體壓力和流速的分布函數(shù)，分析了壓膜與滑膜合成阻尼與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸及滑移長(zhǎng)度之間的關(guān)系，得到了方便于工程實(shí)用的解析解。對(duì)具有多孔平

5、板的氣膜阻尼特性的研究方法進(jìn)行了綜述；針對(duì)氣體不可壓縮情況下具有高通孔率厚板的氣膜阻尼特性進(jìn)行了研究，給出了圓形通孔情形下阻尼系數(shù)的解析解；完善了求解多孔平板氣膜阻尼問題的有限元方法，將其應(yīng)用擴(kuò)展到具有方孔平板的場(chǎng)合。 采用有限差分方法，對(duì)微加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)阻尼特性進(jìn)行了研究和分析，仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。建立了靜電致動(dòng)式彈性撓曲微梁的動(dòng)態(tài)耦合模型，采用解析方法對(duì)微梁撓度遠(yuǎn)小于氣膜厚度的情況進(jìn)行了分析，得到了氣膜阻尼作用下

6、微梁品質(zhì)因子和諧振頻率的表達(dá)式；在微梁最大撓度與氣膜厚度相當(dāng)?shù)那闆r下，采用有限差分方法對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)耦合方程進(jìn)行了離散，給出了方程及其初始條件和邊界條件的差分格式，并對(duì)系統(tǒng)在常阻尼系數(shù)和氣膜阻尼情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了求解。對(duì)橫向振動(dòng)梳狀諧振器的動(dòng)態(tài)氣膜阻尼特性進(jìn)行了研究，理論分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好；指出對(duì)于橫向振動(dòng)的微結(jié)構(gòu)而言，拖曳力是影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的非常重要因素之一，尤其對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)因子影響很大。 針對(duì)超薄氣膜的潤(rùn)滑問題，提出