生物芯片微流體泵液固耦合系統(tǒng)流動(dòng)特性研究.pdf

1、微泵（微致動(dòng)器）是微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）流體驅(qū)動(dòng)最關(guān)鍵的元器件之一, 它在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。微泵是一個(gè)復(fù)雜的多物理因素耦合系統(tǒng)，它不是傳統(tǒng)泵的微型化。由于工作環(huán)境、工作介質(zhì)的差異，微泵不具備通用性，需針對(duì)具體的應(yīng)用進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。當(dāng)前還沒(méi)發(fā)現(xiàn)微泵完整的多物理因素耦合研究的成熟報(bào)道。本文旨在提出一種有效的數(shù)學(xué)模型對(duì)微泵進(jìn)行數(shù)值分析，以指導(dǎo)微泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 本文針對(duì)平面無(wú)閥壓電微泵的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，采用淺水波模型模擬微泵流體運(yùn)動(dòng)

2、，以無(wú)限大平板間的周期流動(dòng)(即振動(dòng)Poiseuille流動(dòng))近似微泵厚度方向的速度分布，對(duì)Navier-Stokes方程在泵腔厚度方向作積分平均處理，得到了描述微泵粘性流體周期流動(dòng)的二維非線(xiàn)性淺水波方程，和流體壓強(qiáng)的泊松方程。利用Galerkin有限元方法，在壓電硅片小振幅振動(dòng)條件下，忽略非線(xiàn)性項(xiàng)，得到微泵流體壓強(qiáng)有限元矩陣方程。通過(guò)微泵壓電硅片振動(dòng)方程與流體壓強(qiáng)方程的耦合，得到描述微泵周期振動(dòng)行為的液-固耦合振動(dòng)方程。 本文對(duì)

3、微泵液-固耦合系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析得到微泵自然頻率以及壓電硅片振動(dòng)響應(yīng)。通過(guò)微泵流場(chǎng)計(jì)算得到微泵流量、流體壓強(qiáng)、速度場(chǎng)分布特征。論文還系統(tǒng)研究了微泵厚度、壓電片半徑、微擴(kuò)散管長(zhǎng)度、小端面寬度、張角等微泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)微泵系統(tǒng)的自然頻率、壓電硅片振幅、微泵流量影響的定量關(guān)系。 模態(tài)分析的結(jié)果表明，由于流體和壓電硅片的相互作用，微泵液-固耦合系統(tǒng)自然頻率比非耦合系統(tǒng)大大降低，尤其是第一階自然頻率降低最為顯著。流動(dòng)分析的結(jié)果表明，在微泵耦合系

4、統(tǒng)的第一階自然頻率附近，微泵流量達(dá)到最大值，達(dá)到流量最大值的外載荷頻率稍微高于微泵自然頻率。泵腔流動(dòng)隨時(shí)間變化的特性，類(lèi)似于在泵腔內(nèi)點(diǎn)源（排流半周期）或點(diǎn)匯（吸流半周期）交替產(chǎn)生的流動(dòng)。在吸流過(guò)程與排流過(guò)程的過(guò)渡時(shí)刻，泵腔內(nèi)出現(xiàn)渦流現(xiàn)象。微泵流體壓強(qiáng)呈周期性變化，壓強(qiáng)變化與瞬時(shí)流量變化不同步。液體壓強(qiáng)在泵腔中心處分布比較均勻，在泵腔與微擴(kuò)散管交接的進(jìn)出口處，流體壓強(qiáng)變化劇烈。 本文的研究還表明，微泵耦合系統(tǒng)自然頻率隨微泵厚度的減