【摘 要】
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作为微流控系统的重要驱动元件,无阀压电微泵有着体积小、响应快、抗干扰能力强等优点,在医疗机械、化学合成、生物细胞运输、电子芯片等领域都有着不错的应用前景。目前大多数无阀压电微泵都采用了对称的流道结构形式,关于非对称结构的研究较少。本文在传统附壁射流无阀压电泵的基础上,提出了同侧非对称流道结构,该设计思想有效地提升了附壁射流无阀压电泵的输出流量,为了附壁射流无阀压电微泵下一步研究提供了参考。本文主要
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作为微流控系统的重要驱动元件,无阀压电微泵有着体积小、响应快、抗干扰能力强等优点,在医疗机械、化学合成、生物细胞运输、电子芯片等领域都有着不错的应用前景。目前大多数无阀压电微泵都采用了对称的流道结构形式,关于非对称结构的研究较少。本文在传统附壁射流无阀压电泵的基础上,提出了同侧非对称流道结构,该设计思想有效地提升了附壁射流无阀压电泵的输出流量,为了附壁射流无阀压电微泵下一步研究提供了参考。本文主要研究内容与成果如下:1、介绍了附壁射流无阀压电泵的基础理论,如微尺度流动、压电振子理论等。详细阐述了压电微泵的加工流程,包括微泵材料的选取,加工的三大步骤:掩膜板加工、硅基板光刻与深度刻蚀以及硅基板与玻璃板的键合。2、搭建了微泵外特性试验台,通过试验研究了附壁射流无阀压电泵和扩散/收缩管无阀压电泵在不同驱动参数下的输出流量表现,此外还对三种不同扩散角度下的扩散/收缩管微泵的输出流量进行了研究。试验结果表明,当频率为50Hz时,两种不同类型的微泵输出流量都随着驱动电压的提高而增加;当驱动电压为200vpp时,两种不同类型的微泵输出流量都随着频率的提高先减小后增加,并分别在60Hz和80Hz时取得最大流量,最大流量值分别为0.527m L/min和0.257m L/min,在大多数工作条件下附壁式无阀压电泵都具有更高的输出流量,并且在较长的频率区段都能保持高流量输出;不同角度的扩散/收缩管微泵流量都随着驱动电压的提高而增加,当驱动电压为200vpp时,随着角度的增加,微泵输出流量有所降低。3、基于附壁原理,提出了同侧非对称流道附壁射流无阀压电微泵结构。建立了微泵的三维模型,并通过COMSOL软件对其进行流动分析。确定了流动模型为SST湍流模型,并经过无关性分析,初步确定网格数为100万左右、计算周期为3的模拟设置。对与试验用泵相同尺寸的扩散/收缩管压电泵和附壁射流无阀压电泵进行数值模拟,与其试验结果相比,数值模拟结果的误差分别为9.3%和11.2%,说明所用数值模拟方法具有较高的可靠性。对非对称流道与对称流道结构的附壁射流无阀压电泵在电压为200vpp,频率为50Hz条件下进行数值计算,对比二者的瞬时流量曲线,并分别计算出口净流量,发现非对称流道无阀压电泵输出流量为1.122m L/min,相比对称流道结构,流量提升了95%。4、通过数值模拟,进行了微泵内部流场以及压力分布的分析。探索了驱动参数（频率）和结构参数（出口流道扩散角度、进口流道宽度和出口流道结构）对非对称流道附壁射流无阀压电泵出口净流量的影响。模拟结果表明:当电压为200vpp时,在出口扩散角度为20°的结构下,随着频率的增加,流量曲线幅值不断提高且出现了明显的流量滞后现象。微泵在一个周期内的净流量出现了先增大后减小的趋势,但工作次数的增加抵消了周期流量下降的负面影响,微泵每分钟的流量依然出现了增长趋势。当频率为125Hz时,取得最大流量1.943m L/min;当电压为200vpp,频率为50Hz时,随着出口流道扩散角度的增加,输出流量呈现先增大后减小的趋势,出口流道扩散角度为15°时,取得最大流量1.122m L/min,不同扩散角度的微泵随着频率的增加都获得了流量提升;在其他条件不变时,随着进口流道宽度的增加,输出流量呈现先增大后减小的趋势,当进口流道宽度为0.4mm,微泵输出流量最大;在其他条件不变时,减小出口流道长度,微泵输出流量有小幅提高,而在扩散管段后追加直管段对于输出流量也有增益效果。将出口流道的后半部分替换成直管段,在提高流量的同时也缩小了出口流道结构,为附壁射流压电泵进一步微型化提供了参考。
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