超聲行波微流體驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)研究和有限元分析.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)分子檢測(cè)與生化分析領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，微米構(gòu)件中流體的驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的研究已逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。超聲行波驅(qū)動(dòng)在原理上不同于當(dāng)前各種微流體驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(chǎng)，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(yùn)動(dòng)，是一種新的微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)。作為一種新型微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)，超聲行波驅(qū)動(dòng)沒(méi)有可動(dòng)部件，所

2、需驅(qū)動(dòng)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(duì)國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金和山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家獎(jiǎng)勵(lì)基金項(xiàng)目中有關(guān)超聲行波微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的可行性和驅(qū)動(dòng)模型，從聲學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的角度進(jìn)行了較為深入的研究。 首先，介紹了微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了行波形成的機(jī)理，深入討論了壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)及其材料特性和頻率特性，通過(guò)對(duì)聲輻射壓力及聲流產(chǎn)生機(jī)理的研究，得出驅(qū)動(dòng)機(jī)

3、理與模型參數(shù)的關(guān)系，為超聲行波微流體的驅(qū)動(dòng)控制打下基礎(chǔ)。 然后，利用ANSYS有限元軟件，對(duì)圓環(huán)形模型結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)特性和聲學(xué)耦合特性進(jìn)行了分析研究。通過(guò)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，并分析了溝道尺寸對(duì)固有頻率的影響。通過(guò)基于逆壓電效應(yīng)的激振響應(yīng)分析，激勵(lì)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(jì)提供指導(dǎo)。針對(duì)接下來(lái)的難點(diǎn)耦合場(chǎng)分析，通過(guò)ANSYS中的FSI(流固耦合接口)，建立模

4、型實(shí)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，并得到了圓盤溝道內(nèi)聲壓的分布圖，從而對(duì)研究聲流和聲壓在流體驅(qū)動(dòng)中的作用又前進(jìn)了一步，為以后的課題研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 接著，由于聲壓聲場(chǎng)在微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)中起主要做用，所以為了分析聲流驅(qū)動(dòng)機(jī)理及其聲壓分布，以非接觸式超聲馬達(dá)為例，利用邊界層理論分析了聲流的產(chǎn)生，得出速度流型與邊界層厚度、流體厚度的關(guān)系，分析了聲流在邊界層內(nèi)的作用。運(yùn)用有限元仿真方法對(duì)流體媒質(zhì)中聲場(chǎng)和定子的模