基于电水动力驱动的微马达的基础研究

论文摘要

微机械电子系统（MEMS）是集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路等于一体的微型系统,其特点可归结为体积小、质量轻、功耗低。微马达是微机械电子系统重要的执行器件之一,对整个系统的性能有举足轻重的影响。目前虽已有电磁、静电、压电、超声等多种驱动形式的微马达问世,但不免有其各自的缺点。近几年,一种百年前就被发现但一直认识不足的一种驱动方法-电水动力越来越受到各国科学家的关注,并将其应用到微泵、生物粒子分离芯片等各个领域。目前,国际对电水动力微泵的研究较多,对电水动力微马达的研究甚少,而国内研究对电水动力微泵、微马达的研究尚属空白。电水动力微马达的具有结构简单、可动部件很少、能量密度大、尺寸可以做到很小且成本低等优点,对其进行研究具有很大的理论与现实价值。基于上述原因,本课题在理论、仿真、实验方面对电水动力微马达进行了初步的研究与探索,为后续工作的展开奠定了基础。本文共分六章进行阐述。第一章介绍了微机械电子系统这一大背景的研究现状,分析了电水动力驱动的微泵、微马达研究现状,阐明了电水动力微马达的研究目标及研究内容。第二章详细研究了电水动力驱动理论,包括直流电场下的电水动力-电体积力和交流电场下的电水动力-交流动电。本章对它们的各种作用形式和机理进行了深入的探讨。第三章对直流和交流电压作用下的各种电极结构的电场和力场进行了仿真和对比分析,增进了对电水动力理论的认识,弥补了实验的限制于与不足,得出了一系列有助于指导实验台设计的结论。第四章根据理论及仿真设计制作了交流电场作用下的电水动力微马达和直流电场作用下的其他实验装置。其中,对交流电场作用下的电水动力微马达设计了六种电极结构并选取了包括液晶在内四种液体以对其进行详细的对比研究。第五章对实验流程、实验现象和实验结果进行了叙述和分析。从实验中可以发现小齿轮转子启动时的不稳定性等现象,而对实验结果的对比与分析可得出电压、液体、电极内径和电极个数与交流电场作用下电水动力微马达输出转速的关系。第六章对已做的工作进行了总结,对下一步的工作进行了展望。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 引言
• 1.1 微机械电子系统（MEMS）
• 1.1.1 概述
• 1.1.2 微执行器
• 1.1.3 微马达
• 1.2 有关电水动力微泵微马达的国内外研究现状
• 1.3 课题的研究目标与研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 2 有关电水动力学的理论
• 2.1 电水动力学的研究现状
• 2.2 直流电场下的电水动力-电体积力（ELECTRIC BODY FORCES）
• 2.2.1 电泳力
• 2.2.2 介电泳力
• 2.2.3 电致伸缩力
• 2.3 交流电场下的电水动力-交流动电（AC ELECTROKINETIC）
• 2.3.1 平均介电泳力
• 2.3.2 平均行波介电泳力
• 2.3.3 平均旋转介电泳力
• 2.3.4 介电泳、行波介电泳和旋转介电泳三种力同时作用的情况
• 2.4 本章小结
• 3 仿真
• 3.1 本章介绍
• 3.2 电场及力场仿真的基本方程
• 3.2.1 直流电场基本方程
• 3.2.2 交流电场基本方程
• 3.2.3 力场仿真基本方法
• 3.3 电场仿真及力场仿真
• 3.3.1 直流电场
• 3.3.2 交流电场
• 3.4 本章小结
• 4 电水动力微马达实验装置的设计
• 4.1 交流电场作用下的电水动力微马达实验装置设计
• 4.1.1 实验装置原理与整体思路
• 4.1.2 电压源
• 4.1.3 安全装置
• 4.1.4 数据采集装置
• 4.1.5 实验台
• 4.2 直流电场作用下的其他实验装置
• 4.2.1 由直流电场的非均匀性所引发的介电泳实验装置
• 4.2.2 直流电场作用下的电水动力微马达
• 4.3 本章小结
• 5 实验
• 5.1 实验流程及注意事项
• 5.2 实验现象
• 5.2.1 电水动力微马达实验装置实验现象
• 5.2.2 其他实验装置实验现象
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 电压与输出转速
• 5.3.2 液体与输出转速
• 5.3.3 电极内径与输出转速
• 5.3.4 电极个数与输出转速
• 5.4 本章小结
• 6 总结及展望
• 参考文献