基于锯齿型微沟道的双腔并联无阀微泵研究

论文摘要

微流控系统具有集成度高、性能稳定和功能强大的特点,已经在电子、机械、化工、医疗、航天以及生活用品方面得到广泛应用。微流控系统中的执行部件主要包括微泵,微阀,微流道和各种物理量传感器等。微泵是整个系统的动力装置,为系统内流体的运动提供动力,其作用正如血液循环系统中的心脏,其发展受到各国科学家的关注。基于收缩/扩散原理的无阀微泵以其结构简单、易于集成、性能稳定、不易堵塞等特点,已成为无阀微泵的研究热点之一本文设计了基于锯齿型微沟道的双腔并联无阀微泵。利用ANSYS有限元分析软件,对锯齿型扩散/收缩管内的流场和压电双晶片的性能进行了仿真,分析结果表明：通过在收缩/扩散内增加锯齿状结构,增强了收缩/扩散作用,相同参数的锯齿型扩散/收缩管比平滑型的稳态流量增大约30%；随着扩散/收缩管的长度、最小宽度和扩张角的增大,稳态流量不再是单调变化,存在一个极大值点；压电双晶片的长度和铜片的厚度对驱动性能影响较大,压电双晶片的宽度对驱动性能影响较小。根据仿真结果,优化了锯齿型沟道无阀微泵的结构参数设计,并利用MEMS工艺分别制作了以硅和玻璃为基底的锯齿型收缩/扩散管,选用较易加工且性能优良的亚克力材料制作泵腔,并采用玻璃支架将各部分进行组合封装,制成了具有不同锯齿型结构参数的单腔和双腔无阀微泵。为了更准确地测试微泵性能,本文设计了基于FPGA的微流量传感器检测系统。测试结果表明：在相同的驱动能力下,锯齿型收缩/扩散管可以使微泵的流量增加30%；双腔微泵的流量较单腔微泵有所提高,但由于驱动装置的封装尚未达到理想状态,故其流量达不到单腔微泵流量的二倍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 微泵的国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 2 无阀压电微泵的工作原理
• 2.1 扩散/收缩管微泵工作原理
• 2.2 压电致动器原理
• 2.2.1 压电效应及压电材料
• 2.2.2 压电陶瓷性能参数
• 2.2.3 压电双晶片工作原理
• 3 无阀压电微泵的有限元仿真分析
• 3.1 双腔并联无阀微泵的结构设计
• 3.2 锯齿型微沟道仿真分析
• 3.2.1 实体建模及参数定义
• 3.2.2 仿真结果及分析
• 3.3 悬臂梁式压电驱动器仿真分析
• 3.3.1 压电双晶片的结构静力分析
• 3.3.2 压电双晶片的模态分析
• 4 锯齿型扩散/收缩管无阀微泵的制作
• 4.1 锯齿型扩散/收缩管的制作
• 4.1.1 硅基扩散/收缩管
• 4.1.2 玻璃扩散/收缩管
• 4.2 泵腔的制作
• 4.3 泵膜的制作
• 4.4 压电双晶片的选择
• 4.5 微泵的封装
• 4.5.1 封装工艺
• 4.5.2 封装中存在的问题及其解决方法
• 5 无阀微泵检测系统及测试结果分析
• 5.1 压电双晶片测试系统及结果分析
• 5.1.1 压电片振幅测量系统
• 5.1.2 压电片振幅测量结果分析
• 5.2 流量传感器检测系统设计
• 5.2.1 微流量传感器工作原理
• 5.2.2 流量传感器检测系统设计
• 5.3 流量检测系统及测试结果分析
• 5.3.1 流量检测系统
• 5.3.2 驱动电压对流量的影响
• 5.3.3 锯齿型和平滑型收缩/扩散管的性能对比
• 5.3.4 锯齿型微沟道结构参数对流量的影响
• 5.3.5 单腔和双腔微泵的流量对比
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢