壓電無閥薄膜微泵多場耦合建模與仿真研究.pdf

1、隨著微加工技術(shù)的飛速發(fā)展,微型化、自動(dòng)化、集成化、智能化、批量化微流控系統(tǒng)已成為各國學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所矚目并研究的一個(gè)熱點(diǎn),并公認(rèn)將會(huì)給21世紀(jì)的生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究和化學(xué)分析帶來一場革命。作為核心部件的驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng),對(duì)微流控系統(tǒng)的輸出性能有著決定性的影響。驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的高效高穩(wěn)定性工作是微流控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長期可靠應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。但是目前關(guān)于驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)研究仍偏重于驅(qū)動(dòng)機(jī)理設(shè)計(jì)和加工方法的討論,而對(duì)于微尺度下基礎(chǔ)理論的研究仍處在初步探索階段。這給驅(qū)

2、動(dòng)子系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)提出了極大的挑戰(zhàn),嚴(yán)重地限制了微流控系統(tǒng)的發(fā)展速度,并阻礙從實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖蛏虡I(yè)化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化過程。
　　 本文以微流控系統(tǒng)中常用的驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)一壓電無閥薄膜微泵為研究對(duì)象,研究無閥薄膜微泵及相關(guān)組件(壓電驅(qū)動(dòng)器和微型收縮管/擴(kuò)張管)的工作特性。壓電無閥薄膜微泵服役機(jī)理十分復(fù)雜,基礎(chǔ)理論研究還存在不少爭議。影響無閥薄膜微泵基礎(chǔ)理論發(fā)展的幾個(gè)關(guān)鍵因素在于:①微型器件集成度的提高,導(dǎo)致服役過程中多學(xué)科、多過程和多變量強(qiáng)耦合

3、效應(yīng)增強(qiáng),難于從單一學(xué)科推演出有效的分析方法和實(shí)用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；②實(shí)際的力學(xué)行為十分復(fù)雜,連續(xù)介質(zhì)模型是否適用、建立何種模型、適用范圍如何仍然需要進(jìn)一步討論；③微型器件特征尺寸的減小,增加了微觀流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象仿真分析和實(shí)驗(yàn)觀測的難度,建立合適的模擬技術(shù)是十分必要的。
　　 本文圍繞多過程和多變量強(qiáng)耦合作用下壓電無閥薄膜微泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究所迫切需要解決的有關(guān)理論和技術(shù)問題,通過理論分析、有限元仿真和物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)薄膜微泵強(qiáng)耦

4、合建模理論(主要涉及電-固域內(nèi)耦合以及流-固邊界耦合等)展開了系統(tǒng)深入的研究,提出了壓電無閥薄膜微泵及相關(guān)組件的跨物理域耦合模型和數(shù)字化行為仿真方法,并初步探索采用集成數(shù)字化仿真的UML設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)微流控系統(tǒng)和壓電無閥薄膜微泵快速設(shè)計(jì)的關(guān)鍵理論,上述研究為壓電無閥薄膜微泵的設(shè)計(jì)和加工提供理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)參考。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括:
　　 1.改進(jìn)了壓電驅(qū)動(dòng)器電-固耦合建模理論中的若干細(xì)節(jié)問題,使該理論在逐步改進(jìn)中趨于實(shí)用化:①

5、基于等效多層薄板模型假設(shè)和壓電耦合理論,提出了適用于積層式圓形壓電驅(qū)動(dòng)器和單壓電晶片驅(qū)動(dòng)器的電-固耦合通用模型,將等效多層薄板模型的研究范圍從宏觀結(jié)構(gòu)對(duì)稱型壓電驅(qū)動(dòng)器的性能分析擴(kuò)展到微觀非對(duì)稱型壓電驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)預(yù)測；②為了簡化非對(duì)稱型壓電驅(qū)動(dòng)器的理論分析過程,基于電-固耦合通用模型相關(guān)假設(shè)以及能量變分原理,提出了單壓電晶片驅(qū)動(dòng)器電-固耦合變分模型,提高了現(xiàn)有耦合變分模型的預(yù)測精度。
　　 2.基于數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn),分析了壓

6、電驅(qū)動(dòng)器的耦合特性,提出了壓電驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)思路:利用數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)分析了壓電驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性,論證了電-固耦合通用模型和電-固耦合變分模型的有效性以及適用范圍,揭示了壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于器件橫向彎曲的影響,證實(shí)壓電驅(qū)動(dòng)器存在最佳的尺寸參數(shù)使工作性能最優(yōu)。
　　 3.綜合考慮電場、機(jī)械場和微流場的耦合作用,提出了壓電薄膜微泵電-固-流耦合變分模型:基于壓電驅(qū)動(dòng)器電-固耦合變分模型、流體雷諾輸運(yùn)定律和能量損失

7、理論,提出了壓電無閥薄膜微泵的電-固-液強(qiáng)耦合變分模型,推導(dǎo)出壓電無閥薄膜微泵的諧振頻率和輸出特性方程；定性地研究泵腔結(jié)構(gòu)變化對(duì)于無閥微泵輸出特性的影響。上述耦合變分模型比現(xiàn)有的簡化模型能夠更加全面地反映薄膜微泵的工作特性,為薄膜微泵耦合建模理論的發(fā)展提供了新的思路。
　　 4.基于有限元數(shù)值模擬,分析了收縮管/擴(kuò)張管的微擴(kuò)散特性,并提出了壓電無閥薄膜微泵耦合行為仿真分析方法:利用商業(yè)有限元軟件ANSYS建立了微型收縮管/擴(kuò)張管

8、有限元模型,對(duì)管內(nèi)微流場特性進(jìn)行了深入的仿真分析,確定了結(jié)構(gòu)參數(shù)和流態(tài)變化對(duì)于收縮管/擴(kuò)張管擴(kuò)散性能的影響；建立了壓電無閥薄膜微泵的電-固-液耦合仿真模型,更加直觀地、系統(tǒng)地揭示了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)微泵輸出性能的影響,為實(shí)現(xiàn)微泵性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了有效的思路。上述有限元耦合仿真方法的建立彌補(bǔ)了壓電無閥薄膜微泵仿真實(shí)驗(yàn)缺乏的現(xiàn)狀。
　　 5.探索性地提出壓電無閥薄膜微泵在藥物傳輸中的應(yīng)用思路,初步建立了融合行為仿真分析和UML的微流控系統(tǒng)

9、/器件的設(shè)計(jì)策略和理論:比較完整地提出了壓電無閥薄膜微泵在糖尿病患者藥物治療系統(tǒng)中的應(yīng)用思路；為了表達(dá)設(shè)計(jì)思想并實(shí)現(xiàn)微流控系統(tǒng)快速設(shè)計(jì),探索性地提出了基于有限元仿真分析及統(tǒng)一建模語言(UML)的微系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略和建模方法；建立了微流控藥物傳輸系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)模型和需求模型,全面地反映系統(tǒng)器件/子系統(tǒng)間的拓?fù)潢P(guān)系、信息傳遞和系統(tǒng)功能；開發(fā)了壓電無閥薄膜微泵設(shè)計(jì)軟件,驗(yàn)證了上述設(shè)計(jì)理論的有效性。上述設(shè)計(jì)理論融合微流控元件的設(shè)計(jì)建模、耦合場分析