生物芯片微流体泵液固耦合系统流动特性研究

论文摘要

微泵（微致动器）是微机电系统（MEMS）流体驱动最关键的元器件之一,它在许多领域有着广泛的应用。微泵是一个复杂的多物理因素耦合系统,它不是传统泵的微型化。由于工作环境、工作介质的差异,微泵不具备通用性,需针对具体的应用进行分析设计。当前还没发现微泵完整的多物理因素耦合研究的成熟报道。本文旨在提出一种有效的数学模型对微泵进行数值分析,以指导微泵的优化设计。本文针对平面无阀压电微泵的结构、运动特点,采用浅水波模型模拟微泵流体运动,以无限大平板间的周期流动（即振动Poiseuille流动）近似微泵厚度方向的速度分布,对Navier-Stokes方程在泵腔厚度方向作积分平均处理,得到了描述微泵粘性流体周期流动的二维非线性浅水波方程,和流体压强的泊松方程。利用Galerkin有限元方法,在压电硅片小振幅振动条件下,忽略非线性项,得到微泵流体压强有限元矩阵方程。通过微泵压电硅片振动方程与流体压强方程的耦合,得到描述微泵周期振动行为的液-固耦合振动方程。本文对微泵液-固耦合系统进行模态分析得到微泵自然频率以及压电硅片振动响应。通过微泵流场计算得到微泵流量、流体压强、速度场分布特征。论文还系统研究了微泵厚度、压电片半径、微扩散管长度、小端面宽度、张角等微泵结构参数对微泵系统的自然频率、压电硅片振幅、微泵流量影响的定量关系。模态分析的结果表明,由于流体和压电硅片的相互作用,微泵液-固耦合系统自然频率比非耦合系统大大降低,尤其是第一阶自然频率降低最为显著。流动分析的结果表明,在微泵耦合系统的第一阶自然频率附近,微泵流量达到最大值,达到流量最大值的外载荷频率稍微高于微泵自然频率。泵腔流动随时间变化的特性,类似于在泵腔内点源（排流半周期）或点汇（吸流半周期）交替产生的流动。在吸流过程与排流过程的过渡时刻,泵腔内出现涡流现象。微泵流体压强呈周期性变化,压强变化与瞬时流量变化不同步。液体压强在泵腔中心处分布比较均匀,在泵腔与微扩散管交接的进出口处,流体压强变化剧烈。本文的研究还表明,微泵耦合系统自然频率随微泵厚度的减小而减小。在微泵厚度很小的情况下,流体粘性阻尼成为影响微泵自然频率的主要因素。微泵自然频率还随压电片半径、扩散管小端面宽度增加而增大,随扩散管长度增加而下降。在微扩散管张角5度到20度的范围内,微泵自然频率随张角的增大而增加。扩散管张角在15度左右微泵流量达到最大值。计算结果还表明,存在一个合适的扩散管小端面宽度和压电片半径与硅片半径比值,使微泵流量可能达到最大值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 微机电系统概述
• 1.3 微尺度流动理论简述
• 1.4 生物芯片和微流体泵概述
• 1.5 微流体泵研究进展
• 1.6 小结
• 1.7 本文研究内容
• 2 无阀压电微流体泵浅水流动方程
• 2.1 无阀压电微流体泵工作原理
• 2.2 微流体泵浅水流动有限元方程
• 2.3 摩擦系数α以及非线性项系数β的讨论
• 2.4 本章小结
• 3 微流体泵液-固耦合系统模态分析
• 3.1 压电硅片振动方程
• 3.2 压电硅片振动和流体流动耦合方程
• 3.3 微流体泵液-固耦合系统模态分析
• 3.4 数值研究及结果分析
• 3.5 本章小结
• 4 微流体泵流动特性分析
• 4.1 微流体泵浅水方程有限体积方法
• 4.2 数值计算与微流体泵流动特性分析
• 4.3 本章小结
• 5 微流体泵结构优化分析
• 5.1 微扩散管结参数优化分析
• 5.2 压电片结构参数优化分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 后续研究展望与建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录1（博士学位期间发表的学术论文）
• 附录2（论文相关材料材料常数）