超声行波微流体驱动技术的基础研究

论文摘要

随着MEMS技术在生物医学领域的广泛应用，微米乃至纳米构件中流体的驱动与控制技术的研究已逐渐成为一个研究热点。超声行波驱动在原理上不同于当前各种微流驱动技术，它是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、声辐射压力、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。作为一种新型微流体驱动技术，超声行波驱动没有可动部件，所需驱动电压低，材料选择较广泛，可适用于各种环境，具有广泛的应用前景。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较为深入的研究。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，通过对声辐射压力及声流产生机理的研究，得出驱动机理与模型参数的关系，为超声行波微流体的驱动控制打下基础。然后，利用ANSYS有限元软件，分别对圆环形模型和直管型模型的动力学特性进行了分析研究。通过有限元模态分析，讨论了模型固有频率与基体结构参数的关系，并分析了沟道尺寸对固有频率的影响。通过基于逆压电效应的激振响应分析，激励出所需振型，得出了响应位移随频率的变化特性，为模型的进一步优化设计提供指导。最后，本文将面向对象有限元法引入微流体分析软件(MFA)的设计中，实现了一个微流体有限元分析软件框架，软件整体由前处理模块，有限元计算模块，后处理模块组成，实现了模型的构造(前处理)和实际计算的分离，并通过算例说明了该软件设计的实用性。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
• CONTENTS
• 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 课题的研究背景
• 1.2.1 微流体的特性与研究手段
• 1.2.2 微流体驱动与控制技术的分类及研究现状
• 1.2.3 超声行波微流体驱动与控制技术的研究
• 1.3 课题来源
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 超声行波微流体驱动的机理研究
• 2.1 引言
• 2.2 压电晶体的压电特性与振动模式
• 2.2.1 压电晶体的特性常数与本构方程
• 2.2.2 压电振子的振动模态与谐振特性
• 2.3 驻波与行波
• 2.3.1 驻波的产生与行波的合成
• 2.3.2 弹性体表面质点的椭圆运动
• 2.4 超声行波微流体驱动的驱动模型与理论分析
• 2.4.1 行波声场中的非线性声学现象
• 2.4.2 驱动模型与驱动机理
• 2.5 本章小结
• 第三章 超声行波微流体驱动与控制模型的有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 模型有限元分析的基础理论
• 3.2.1 有限元分析基础
• 3.2.2 压电陶瓷的有限元模型
• 3.2.3 耦合场分析
• 3.3 圆环超声行波微流体驱动与控制模型的动力学特性分析
• 3.3.1 圆环模型的模态分析
• 3.3.2 圆环模型的谐响应分析
• 3.4 直管超声行波微流体驱动与控制模型的动力学特性分析
• 3.4.1 直管模型的模态分析
• 3.4.2 直管模型的谐响应分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 微流体有限元分析软件（MFA）的设计
• 4.1 引言
• 4.2 流体力学中的有限元法
• 4.3 面向对象的有限元程序设计
• 4.3.1 MFA软件框架设计
• 4.3.2 微流体有限元程序对象模型实现
• 4.3.3 模型体系扩展性及重用性分析
• 4.4 微流体有限元分析可视化研究
• 4.5 算例分析
• 4.5.1 计算实例
• 4.5.2 算例分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 附录
• 附录1: ANSYS椭圆模型建模的核心程序
• 附录2: MFAnalyser1.2核心类代码
• 参考文献
• 致谢
• 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