面向MEMS設(shè)計的微流體流動特性研究.pdf

1、針對微流體器件內(nèi)部流動規(guī)律的認識還相對落后的現(xiàn)狀，開展對微尺度、微結(jié)構(gòu)及微功能器件開展微流體機理研究，尋找合適的微流體力學建模方法，進而對微流體器件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進行優(yōu)化研究，是目前微流體研究中亟待解決的科學問題，將為新結(jié)構(gòu)、新器件的設(shè)計提供重要的理論根據(jù)。 本文介紹了微流體力學領(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合，這對如何選擇微流體器件的建模方法具有理論意義。 對滑流區(qū)

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

3、模型能夠滿足MEMS工程設(shè)計的精度需求?；陔p動量協(xié)調(diào)系數(shù)的修正雷諾方程，對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行了詳細分析，推導(dǎo)出了壓強分布、阻尼力和阻尼系數(shù)等參數(shù)的解析表達式。完善了原有文獻中關(guān)于矩形平板在平動和轉(zhuǎn)動情況下可壓縮氣體壓膜阻尼問題的解析解。 對滑流邊界條件下Couette流、Stokes流和Poiseuille流三種模型的滑膜阻尼特性進行了研究，給出了三種模型的解析解，并指出了其適用場合。

4、 基于稀薄氣體物理學理論和滑流修正的雷諾方程，研究了平板電容式加速度計的氣膜阻尼特性，得到阻尼力和阻尼系數(shù)的簡化解析解；給出了幾種減小氣膜阻尼的方法，并指出動量協(xié)調(diào)系數(shù)對于氣膜阻尼(尤其是壓膜阻尼)的影響很大，有待進一步的理論和實驗研究。 對中心開孔圓盤在微流體中所受到的阻尼特性進行了研究，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)計尺寸及滑移長度之間的關(guān)系，得到了方便于工程實用的解析解。對具有多孔平

5、板的氣膜阻尼特性的研究方法進行了綜述；針對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)用擴展到具有方孔平板的場合。 采用有限差分方法，對微加速度計的動態(tài)阻尼特性進行了研究和分析，仿真分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好。建立了靜電致動式彈性撓曲微梁的動態(tài)耦合模型，采用解析方法對微梁撓度遠小于氣膜厚度的情況進行了分析，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式；在微梁最大撓度與氣膜厚度相當?shù)那闆r下，采用有限差分方法對系統(tǒng)動態(tài)耦合方程進行了離散，給出了方程及其初始條件和邊界條件的差分格式，并對系統(tǒng)在常阻尼系數(shù)和氣膜阻尼情況下的動態(tài)響應(yīng)進行了求解。對橫向振動梳狀諧振器的動態(tài)氣膜阻尼特性進行了研究，理論分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好；指出對于橫向振動的微結(jié)構(gòu)而言，拖曳力是影響系統(tǒng)動態(tài)特性的非常重要因素之一，尤其對系統(tǒng)品質(zhì)因子影響很大。 針對超薄氣膜的潤滑問題，提出