超聲行波微流體驅(qū)動技術(shù)的參數(shù)研究與仿真.pdf

1、微機電系統(tǒng)在過去幾十年內(nèi)發(fā)展迅速，作為其重要分支的微流控技術(shù)在生物醫(yī)學工程、化工制藥、生物檢測、食品安全等領(lǐng)域內(nèi)里也有了廣泛的應用。由于流體的尺度效應，傳統(tǒng)的電壓力驅(qū)動已經(jīng)不適合微流控體的發(fā)展，探索微尺度下更為高效的微流體驅(qū)動與控制技術(shù)逐漸成為研究熱點?；诓煌淼奈⒈秒S之產(chǎn)生，其中一些微泵的技術(shù)已經(jīng)得到初步應用。常見的微泵包括有閥微泵與無閥微泵，其中，有閥微泵技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但是由于有閥微泵存在可活動部件，其微型化以及使用壽命受到

2、了限制。無閥微泵常見的驅(qū)動方式有電滲驅(qū)動、熱驅(qū)動、電磁驅(qū)動、靜電驅(qū)動等，雖然在一定程度上解決了微型化與使用壽命的問題，但目前仍面臨較多的技術(shù)難題。
　　針對上述問題，本文提出了一種新型的微流體驅(qū)動與控制技術(shù)——超聲行波微流體驅(qū)動與控制，改變傳統(tǒng)微流體驅(qū)動的點壓力驅(qū)動為面驅(qū)動。這種微泵的上管道壁排列壓電陶瓷陣列，利用壓電陶瓷的逆壓電效應使管壁產(chǎn)生形變，并在整個管道壁激起行波，管壁質(zhì)點作橢圓運動，管內(nèi)液體在管壁粘附力、液體分子間作用力

3、、聲流、聲輻射壓力等的共同作用下，在微泵出口處產(chǎn)生凈流量。超聲行波驅(qū)動微泵可控性較高，通過改變驅(qū)動電壓的幅值、相位和頻率，可以方便地改變流體的流向和流速。此外，由于這種管壁蠕動型微泵的驅(qū)動動作較為溫和，且不包含機械閥門等可動部件，在輸送生物流體時具有不傷害細胞或生物大分子結(jié)構(gòu)的特性，使其有望在生化分析等領(lǐng)域發(fā)揮其特性。本文在分析了行波驅(qū)動原理的基礎(chǔ)上設計了一種行波驅(qū)動微泵的模型，利用有限元軟件COMSOL Multiphysics對模型

4、進行了流固耦合分析，研究了不同參數(shù)的改變對微泵驅(qū)動性能產(chǎn)生的影響。通過分析，驗證了該微泵的可行性。
　　本文主要分為四個部分。首先對MEMS在國內(nèi)外的發(fā)展狀況以及微流體驅(qū)動技術(shù)的應用和進展做了概述，介紹了幾種常用的微泵并指出其優(yōu)缺點。其次，分析了壓電陶瓷的材料和頻率特性，推導了管壁質(zhì)點行波運動與橢圓運動原理，對超聲行波驅(qū)動的驅(qū)動機制作出了系統(tǒng)的描述。之后，介紹了常用的有限元分析方法、流固耦合分析理論以及有限元分析軟件COMSOL