超声行波微流体驱动与控制技术的基础性研究

论文摘要

随着微流体系统的发展，微流体的驱动和控制技术已经成为微系统发展需要解决的关键技术之一。本文致力于一种新原理的微流体驱动与控制技术——超声行波微流体驱动和控制技术的研究。利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声振动在输送管道壁上激起行波，该行波使输送管道壁质点产生与管道壁垂直的椭圆运动，使管道内的液体产生行波声场，在雷诺切应力、管壁黏附：力和液体分子间的作用力共同作用下，使液体沿行波方向运动，是一种新的微流体驱动技术。基于该技术液体驱动无可活动部件、控制方法简单、控制精度较高，对传统的微流体驱动和控制技术的不足起到一定的弥补作用。 本文针对国家自然科学基金(项目编号：10572078)和山东省优秀中青年科学家奖励基金(项目编号：2004BS05006)项目中有关超声行波微流体驱动与控制技术的可行性和驱动模型，从动力学分析的角度进行了深入的研究。首先，介绍了微流体驱动技术的国内外发展现状，详细分析了行波形成和椭圆运动的机理，深入讨论了压电陶瓷的逆压电效应及其材料特性和频率特性，为超声行波微流体的驱动控制打下基础，并分析了声流现象的产生条件，在此基础上，通过实验初步验证了超声行波驱动与控制技术的可行性。然后，利用ANSYS有限元软件，分别对圆环形模型和直管型模型进行了分析研究：通过模态分析，得到模型的固有频率和振型，并研究了结构参数对振型、频率的影响，得出了圆环内径、弹性体厚度等与振型和频率的关系；直管内径、壁厚及长度对振型和频率的关系，为压电陶瓷的排列、接线提供依据。通过谐响应分析，激励出所需振型，对行波微流体驱动模型产生的行波振型进行了仿真，验证了频率特性，并分析了电压幅值与行波振幅、振型的关系，为流体单元的仿真打下基础，同时也为微流体系统的结构设计提供理论依据。目前该研究方向尚处于起步阶段，流体的运动机理和实现方式尚有大量的基础工作要做。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微流体驱动与控制技术研究的意义
• 1.2 微流体特性
• 1.3 微流体驱动与控制技术的分类及研究现状
• 1.4 超声行波微流体驱动与控制技术的研究
• 1.5 课题来源
• 1.6 本论文的主要工作
• 第二章 压电晶体的压电特性与振动模式
• 2.1 引言
• 2.2 压电效应
• 2.3 压电晶体的特性常数
• 2.3.1 压电晶体的介电常数
• 2.3.2 压电晶体的弹性常数
• 2.3.3 压电晶体的压电常数
• 2.4 压电本构方程
• 2.5 压电振子的振动模态
• 2.6 压电振子的谐振特性
• 2.7 本章小结
• 第三章 超声行波微流体驱动机理及其可行性研究
• 3.1 引言
• 3.2 驻波和行波
• 3.2.1 驻波
• 3.2.2 行波
• 3.3 驻波的产生及行波的合成
• 3.3.1 驻波的产生
• 3.3.2 行波的产生
• 3.4 弹性体表面质点的椭圆运动
• 3.5 超声行波对微流体驱动的理论分析
• 3.6 超声行波微流体驱动可行性试验
• 3.7 本章小结
• 第四章 圆环形超声行波微流体驱动与控制模型的有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 有限元分析基础
• 4.2.1 有限元法
• 4.2.2 ANSYS软件
• 4.3 压电陶瓷的有限元模型
• 4.4 耦合场分析
• 4.5 圆环形超声行波微流体驱动与控制模型的模态分析
• 4.5.1 建立模型
• 4.5.2 加载并求解
• 4.5.3 扩展模态
• 4.5.4 结果分析
• 4.5.5 结构参数对固有频率的影响
• 4.6 圆环形超声行波微流体驱动与控制模型的谐响应分析
• 4.6.1 建模
• 4.6.2 加载及求解
• 4.6.3 后处理
• 4.7 本章小结
• 第五章 直管形超声行波微流体驱动与控制模型的有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 直管形超声行波微流体驱动与控制模型的模态分析
• 5.2.1 建立模型
• 5.2.2 加载并求解
• 5.2.3 扩展模态
• 5.2.4 结果分析
• 5.2.5 结构参数对固有频率的影响
• 5.3 直管形超声行波微流体驱动与控制模型的谐响应分析
• 5.3.1 建模
• 5.3.2 加载及求解
• 5.3.3 后处理
• 5.3.4 激励电压与振幅的关系
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表