一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀的研究

论文摘要

近年来,随着微机械电子科学的迅猛发展,微流体阀在化学分析与检测、生物工程、药物释放、微型化生产系统、集成电路芯片以及芯片实验室（Lab-on-Chip）等领域得到广泛应用。在微流体控制系统中,微流体阀是关键器件之一。传统阀存在体积大、结构复杂、加工要求高、容易磨损等不足,而且还存在不容易控制、响应慢和工作噪声大等问题。因此实现一种结构简单、动作可靠、响应快速和易于连续控制的微流体阀是微流体控制系统中急待解决的问题。本文作者提出并研究了一种具有圆环面边界的微流体主动阀的原理与结构,在此基础上研究并实现了基于压电驱动的具有圆环面边界的微流体主动阀的原理与结构。本文研究工作如下:1、提出了一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀的原理,通过驱动器带动薄膜元件变形改变其与圆环面边界之间的过流间隙实现微流体阀的开启、关闭及其开闭程度。根据上述原理,采用驱动器和薄膜元件构成阀的执行器构造了一种微流体主动控制阀的结构,并建立了相应的流量控制模型。进而,采用了数值仿真分析了圆环面边界的内外半径对微流体阀的流量的影响、执行器和进出口压差对微流体主动控制阀流量的控制特性和阀腔内流体压力分布规律和阀座受力情况。仿真结果表明:当圆环面边界的外半径一定时,阀流量随着圆环面边界的内半径的增大而增大;当圆环面边界的内半径一定时,阀流量随着圆环面边界外半径的增大而减小。2、对复合圆盘形压电振子的组成材料、安装边界条件、覆盖条件和模态进行了仿真分析。仿真结果表明:PZT-5H和铝分别作为压电层和基片层时,有利于复合圆盘形压电振子的变形;相对于固支安装,简支安装的复合圆盘形压电振子变形较大;相对于半覆盖的结构,全覆盖结构的复合圆盘形压电振子变形较大。同时,对部分覆盖的复合圆盘形压电振子的结构进行了优化分析,分析结果显示:当压电陶瓷层和基片层的厚度比约为0.35时,弯曲挠度最大;压电陶瓷层和基片层的半径比约为0.8时,弯曲挠度最大。3、实现了基于复合圆盘形压电振子驱动的微流体主动阀的原理与结构,并对圆环面边界内外半径对微流体主动控制阀漏流量的影响、作用于圆盘形压电振子上的控制电压和进出口压差对微流体主动控制阀流量的控制特性进行了仿真。仿真结果表明:当圆环面边界的外半径一定时,阀流量随着圆环面边界的内半径的增大而增大,同时阀漏流量也增大,即止流特性降低;当圆环面边界的内半径一定时,阀流量随着圆环面边界外半径的增大而减小,同时阀的漏流量也增大,即止流特性降低;相对增大圆环面边界的内半径而言,通过减小圆环面边界的外半径来增大阀的流量时,对阀的止流特性影响较小;在不同的进出口压差作用下,通过改变作用于复合圆盘形压电振子上的控制电压,可以连续的控制阀的流量。基于压电驱动的微流体阀的流量和控制电压呈非线性关系变化;在作用于复合圆盘形压电振子上的控制电压一定时,阀的进出口压差也可以在一定程度上控制阀流量,而且阀流量与进出口压差呈线性关系变化。微流体阀流量的控制同时受到控制电压和进出口压差的影响,为了实现阀流量的精确控制,要么进出口压差一定,要么能够精确监测进出口压差。4、搭建了复合圆盘形压电振子和基于复合圆盘形压电振子驱动的微流体阀的测试系统,并对复合圆盘形压电振子和基于复合圆盘形压电振子驱动的微流体主动阀的性能进行了初步的实验测试。测试结果验证了本文提出的两种新型微流体阀的原理及仿真分析结果。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 本论文的研究背景
• 1.2 微流体阀的研究现状
• 1.2.1 膈膜式主动微流体阀
• 1.2.2 悬臂梁式主动微流体阀
• 1.2.3 球阀式主动微流体阀
• 1.2.4 磁/电流变主动微流体阀
• 1.3 微流体阀的应用
• 1.3.1 微量输送
• 1.3.2 微量采样
• 1.3.3 微型喷射
• 1.3.4 微型散热
• 1.4 新型智能材料及其驱动器简介
• 1.5 本文研究的目的和内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 本文研究的主要内容
• 2 具有圆环面边界的微流体主动阀的原理与结构的研究
• 2.1 引言
• 2.2 微流体主动控制阀的工作原理与结构
• 2.3 微流体主动控制阀的流量及控制模型
• 2.3.1 微流体主动控制阀的流量
• 2.3.2 微流体主动控制阀的控制模型
• 2.4 阀腔内薄膜执行元件的受力情况
• 2.5.1 圆环面边界的内外半径对微流体主动控制阀性能的影响
• 2.5.2 驱动器和进出口压差对微流体主动控制阀的流量的控制
• 2.5.3 阀腔内的压力分布及阀座的受力情况的仿真
• 2.6 本章小结
• 3 复合圆盘形压电振子的原理与结构研究
• 3.1 引言
• 3.2 压电效应与压电材料
• 3.2.1 压电效应及其原理
• 3.2.2 压电材料
• 3.2.3 压电方程
• 3.3 压电陶瓷的主要性能参数和迟滞特性及疲劳强度
• 3.3.1 压电陶瓷的主要性能参数
• 3.3.2 压电陶瓷的迟滞特性
• 3.3.3 压电陶瓷疲劳强度
• 3.4 复合圆盘形压电振子的原理
• 3.5 复合圆盘形压电振子的控制模型及其仿真
• 3.5.1 边界条件
• 3.5.2 复合圆盘形压电振子的控制模型
• 3.5.3 仿真参数
• 3.5.4 复合圆盘形压电振子的变形仿真
• 3.6 影响复合圆盘形压电振子变形的因素仿真分析
• 3.6.1 复合圆盘形压电振子的组成材料对其变形影响的仿真
• 3.6.2 复合圆盘形压电振子的边界条件对其变形影响的仿真
• 3.6.3 复合圆盘形压电振子的覆盖条件对其变形的影响
• 3.7 复合圆盘形压电振子结构优化
• 3.7.1 厚度优化
• 3.7.2 半径比优化
• 3.8 复合圆形压电振子的振动理论分析
• 3.8.1 基本假设
• 3.8.2 复合圆盘形压电振子的振动模式
• 3.9 复合圆盘形压电振子模态有限元分析
• 3.9.1 复合圆盘形压电振子的有限元分析及其模型建立
• 3.9.2 复合圆盘形压电振子的模态的有限元仿真与分析
• 3.10 本章小结
• 4 基于复合圆盘形压电振子驱动的微流体阀的结构及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 驱动方式的比较及选择
• 4.3 基于压电驱动的微流体主动控制阀的工作原理与结构
• 4.4 基于复合圆盘形压电振子驱动的微流体主动控制阀的流量及其控制模型
• 4.4.1 基于复合圆盘形压电振子驱动的微流体主动控制阀的流量
• 4.4.2 基于复合圆盘形压电振子驱动的微流体主动控制阀的控制模型
• 4.5 基于复合圆盘形压电振子驱动的微流体阀的漏流量的分析与仿真
• 4.5.1 微流体主动控制阀的漏流量的分析
• 4.5.2 圆环面边界的内外半径对作为微流体主动控制阀驱动器的复合圆盘形压电振子的受力影响的仿真
• 4.5.3 有限元分析软件ANSYS 及其结构仿真
• 4.5.4 圆环面边界的内外半径对复合压圆盘形压电振子的静态形变影响的仿真
• 4.5.5 圆环面边界的内外半径对微流体主动控制阀的漏流量影响的仿真
• 4.6 控制电压和进出口压差对微流体主动控制阀的流量的控制
• 4.7 本章小节
• 5 复合圆盘形压电振子及其驱动的阀的性能测试
• 5.1 复合圆盘形压电振子的样品设计
• 5.2 复合圆盘形压电振子的实验测试方案
• 5.2.1 实验设备
• 5.2.2 测试系统介绍及实验目的
• 5.3 驱动电源概述
• 5.4 复合圆盘形压电振子的实验测试
• 5.4.1 直流电压与复合圆盘形压电振子变形之间实验测试
• 5.4.2 输入信号、幅度与复合圆盘形压电振子变形之间的关系
• 5.4.3 复合圆盘形压电振子的谐振频率和频率与变形之间关系
• 5.5 基于复合圆盘形压电振子驱动的微流体阀的实验测试
• 5.5.1 测试系统介绍及实验目的
• 5.5.2 基于复合圆盘形压电振子驱动的微流体阀的流量测试
• 6 结论和后续工作展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 论文工作的贡献与创新点
• 6.3 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录