生物芯片微流體泵液固耦合系統(tǒng)流動特性研究.pdf

1、微泵（微致動器）是微機電系統(tǒng)（MEMS）流體驅(qū)動最關(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，需針對具體的應(yīng)用進行分析設(shè)計。當(dāng)前還沒發(fā)現(xiàn)微泵完整的多物理因素耦合研究的成熟報道。本文旨在提出一種有效的數(shù)學(xué)模型對微泵進行數(shù)值分析，以指導(dǎo)微泵的優(yōu)化設(shè)計。 本文針對平面無閥壓電微泵的結(jié)構(gòu)、運動特點，采用淺水波模型模擬微泵流體運動

2、，以無限大平板間的周期流動(即振動Poiseuille流動)近似微泵厚度方向的速度分布，對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的二維非線性淺水波方程，和流體壓強的泊松方程。利用Galerkin有限元方法，在壓電硅片小振幅振動條件下，忽略非線性項，得到微泵流體壓強有限元矩陣方程。通過微泵壓電硅片振動方程與流體壓強方程的耦合，得到描述微泵周期振動行為的液-固耦合振動方程。 本文對

3、微泵液-固耦合系統(tǒng)進行模態(tài)分析得到微泵自然頻率以及壓電硅片振動響應(yīng)。通過微泵流場計算得到微泵流量、流體壓強、速度場分布特征。論文還系統(tǒng)研究了微泵厚度、壓電片半徑、微擴散管長度、小端面寬度、張角等微泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對微泵系統(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，微泵流量達到最大值，達到流量最大值的外載荷頻率稍微高于微泵自然頻率。泵腔流動隨時間變化的特性，類似于在泵腔內(nèi)點源（排流半周期）或點匯（吸流半周期）交替產(chǎn)生的流動。在吸流過程與排流過程的過渡時刻，泵腔內(nèi)出現(xiàn)渦流現(xiàn)象。微泵流體壓強呈周期性變化，壓強變化與瞬時流量變化不同步。液體壓強在泵腔中心處分布比較均勻，在泵腔與微擴散管交接的進出口處，流體壓強變化劇烈。 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