论文题目: 基于MEMS的无阀泵数值仿真与实验研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械制造及其自动化
作者: 白兰
导师: 吴一辉
关键词: 无阀泵,扩张管,收缩管,有限元仿真
文献来源: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
发表年度: 2005
论文摘要: 针对微流体系统中对流体进行定量输运的需求,开展了基于MEMS 的无阀微泵理论分析,仿真及实验研究。扩张管/收缩管型微泵是比较典型的无阀型微泵,它以收缩和扩张的不同形状通道代替了单向阀,利用因流道不对称所引起的压力损失的不对称性来实现流体的泵送,而且结构简单,制作工艺成熟,因而引起了人们的普遍重视。本文运用有限元分析软件ANSYS 对扩张管/收缩管的角度、长度、最小口径等因素对流量和效率的影响进行了数值计算。分析了薄膜的振动模态,并对泵膜-流体耦合振动过程进行了理论分析,得出了耦合振动方程的近似解析解。在此基础上分析了不同阻尼系数,不同驱动力以及不同固有频率下的泵膜振幅、泵流量的变化规律。运用有限元软件CFX 分析了无阀泵的动态工作过程及无阀泵的瞬时流量、累积流量随驱动幅值和驱动频率等参数的变化规律。流量仿真结果与实验结果基本吻合。以微机械加工工艺为基础制作出了硅基微型无阀泵,驱动薄膜采用聚合物PDMS 柔性薄膜,泵体为玻璃-硅-玻璃的三明治结构。通过实验测试分别考察了电压和频率以及薄膜刚度等参数对无阀泵输出能力的影响。实验还表明无阀泵既可以用作液体泵,也可以用作气体泵。在相同电压驱动下气体无阀泵的流量要高于液体无阀泵,但气体泵的背压较低。在驱动电压为8V,驱动频率为15Hz时,液体泵的最大流量可达0.44ml/min。泵的最大背压可达17.5cm 水柱。 关键词:MEMS 无阀泵扩张管/收缩管有限元仿真
论文目录:
摘要
ABSTRACT
图表索引
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 微阀
1.2.1 主动阀
1.2.1.1 静电致动微型阀
1.2.1.2 压电致动微型阀
1.2.1.3 电磁致动微型阀
1.2.1.4 双金属致动微型阀
1.2.2 被动阀
1.2.3 无活动部件微型阀
1.3 微泵
1.3.1 有阀型微泵
1.3.1.1 压电驱动微泵
1.3.1.2 静电驱动微泵
1.3.1.3 双金属驱动微泵
1.3.1.4 热气驱动微泵
1.3.1.5 电磁驱动微泵
1.3.2 无阀型微泵
1.3.2.1 电液动力微泵
1.3.2.2 热驱动型无阀微泵
1.3.2.3 基于粘性的微泵
1.3.2.4 双膜泵
1.3.2.5 收缩-扩张型微泵
1.4 本课题研究的内容
第二章 无阀泵工作原理及其流动特性分析
2.1 引言
2.2 diffuser/nozzle 的流动阻力特性分析
2.2.1 阻力的类型
2.2.1.1 沿程阻力
2.2.1.2 局部阻力
2.2.2 理想流体在diffuser/nozzle 内的流动特性分析
2.2.3 实际流体在diffuser/nozzle 内的流动特性分析
2.2.4 diffuser 的压力复现现象
2.3 无阀泵工作原理
2.4 无阀泵的流量效率计算公式
2.5 本章小结
第三章 结构几何参数等因素的选取对无阀泵性能的影响
3.1 引言
3.2 无阀泵内流体的静态流动特性分析
3.2.1 扩张管/收缩管内流动的数值计算
3.2.2 数值计算结果及分析
3.2.2.1 角度对瞬时流量和效率的影响
3.2.2.1.1 仿真中的压力复现
3.2.2.2 最小宽度对瞬时流量和效率的影响
3.2.2.3 长度对瞬时流量和效率的影响
3.2.2.4 厚度对瞬时流量和效率的影响
3.3 无阀泵泵膜-流体耦合分析
3.3.1 薄膜的模态分析
3.3.2 无阀泵振动薄膜-流体之间的固液耦合分析
3.4 无阀泵的动态特性分析
3.4.1 实体建模
3.4.2 边界条件的设定
3.4.3 初始条件的设置
3.4.4 动态仿真结果
3.4.4.1 微泵扩张管/收缩管内速度、腔内压强和瞬时流量等变量的周期性变化
3.4.4.2 振动的幅值和频率对无阀泵性能的影响
3.5 本章小结
第四章 无阀泵的实验研究
4.1 引言
4.2 微泵的制作过程
4.2.1 硅基泵体和阀体的制备过程
4.2.2 上下层硼硅玻璃的制备
4.2.3 硅基泵体阀体和玻璃片的键合
4.2.3.1 影响阳极键合质量的主要因素
4.2.3.2 硅与玻璃的键合过程
4.2.4 PDMS 薄膜的制备
4.3 无阀泵性能实验
4.3.1 液动微泵实验
4.3.1.1 实验装置
4.3.1.2 无阀泵的性能测试及分析
4.3.1.2.1 零背压下无阀泵的性能实验
4.3.1.2.2 无阀泵背压性能实验
4.3.2 气动微泵实验
4.3.2.1 实验装置
4.3.2.2 气动微泵实验结果
4.4 无阀泵流量仿真结果和实验结果的比较
4.4.1 流量仿真结果和实验结果
4.4.2 结果分析
4.5 本章小结
第五章 结论与展望
参考文献
攻读博士期间论文及专利发表情况
作者简历
致谢
发布时间: 2006-03-14
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