随着微加工技术的飞速发展，微型化、自动化、集成化、智能化、批量化微流控系统已成为各国学术界和工业界所瞩目并研究的一个热点，并公认将会给21世纪的生命科学、医学研究和化学分析带来一场革命。作为核心部件的驱动子系统，对微流控系统的输出性能有着决定性的影响。驱动子系统的高效高稳定性工作是微流控系统实现长期可靠应用的前提和基础。但是目前关于驱动子系统研究仍偏重于驱动机理设计和加工方法的讨论，而对于微尺度下基础理论的研究仍处在初步探索阶段。这给驱动子系统的分析和设计提出了极大的挑战，严重地限制了微流控系统的发展速度，并阻碍从实验模型向商业化产品的转化过程。本文以微流控系统中常用的驱动子系统—压电无阀薄膜微泵为研究对象，研究无阀薄膜微泵及相关组件（压电驱动器和微型收缩管/扩张管）的工作特性。压电无阀薄膜微泵服役机理十分复杂，基础理论研究还存在不少争议。影响无阀薄膜微泵基础理论发展的几个关键因素在于：①微型器件集成度的提高，导致服役过程中多学科、多过程和多变量强耦合效应增强，难于从单一学科推演出有效的分析方法和实用的设计准则；②实际的力学行为十分复杂，连续介质模型是否适用、建立何种模型、适用范围如何仍然需要进一步讨论；③微型器件特征尺寸的减小，增加了微观流体动力学现象仿真分析和实验观测的难度，建立合适的模拟技术是十分必要的。本文围绕多过程和多变量强耦合作用下压电无阀薄膜微泵系统设计研究所迫切需要解决的有关理论和技术问题，通过理论分析、有限元仿真和物理实验相结合的方法，对薄膜微泵强耦合建模理论（主要涉及电-固域内耦合以及流-固边界耦合等）展开了系统深入的研究，提出了压电无阀薄膜微泵及相关组件的跨物理域耦合模型和数字化行为仿真方法，并初步探索采用集成数字化仿真的UML设计平台实现微流控系统和压电无阀薄膜微泵快速设计的关键理论，上述研究为压电无阀薄膜微泵的设计和加工提供理论指导和设计参考。主要研究内容和创新点包括：1.改进了压电驱动器电-固耦合建模理论中的若干细节问题，使该理论在逐步改进中趋于实用化：①基于等效多层薄板模型假设和压电耦合理论，提出了适用于积层式圆形压电驱动器和单压电晶片驱动器的电-固耦合通用模型，将等效多层薄板模型的研究范围从宏观结构对称型压电驱动器的性能分析扩展到微观非对称型压电驱动器的状态预测；②为了简化非对称型压电驱动器的理论分析过程，基于电-固耦合通用模型相关假设以及能量变分原理，提出了单压电晶片驱动器电-固耦合变分模型，提高了现有耦合变分模型的预测精度。2.基于数值模拟实验和物理实验，分析了压电驱动器的耦合特性，提出了压电驱动器优化设计思路：利用数值模拟实验和物理实验分析了压电驱动器的静态特性和动态特性，论证了电-固耦合通用模型和电-固耦合变分模型的有效性以及适用范围，揭示了压电驱动器的结构参数对于器件横向弯曲的影响，证实压电驱动器存在最佳的尺寸参数使工作性能最优。3.综合考虑电场、机械场和微流场的耦合作用，提出了压电薄膜微泵电-固-流耦合变分模型：基于压电驱动器电-固耦合变分模型、流体雷诺输运定律和能量损失理论，提出了压电无阀薄膜微泵的电-固-液强耦合变分模型，推导出压电无阀薄膜微泵的谐振频率和输出特性方程；定性地研究泵腔结构变化对于无阀微泵输出特性的影响。上述耦合变分模型比现有的简化模型能够更加全面地反映薄膜微泵的工作特性，为薄膜微泵耦合建模理论的发展提供了新的思路。4.基于有限元数值模拟，分析了收缩管/扩张管的微扩散特性，并提出了压电无阀薄膜微泵耦合行为仿真分析方法：利用商业有限元软件ANSYS建立了微型收缩管/扩张管有限元模型，对管内微流场特性进行了深入的仿真分析，确定了结构参数和流态变化对于收缩管/扩张管扩散性能的影响；建立了压电无阀薄膜微泵的电-固-液耦合仿真模型，更加直观地、系统地揭示了结构参数对微泵输出性能的影响，为实现微泵性能的优化设计提高了有效的思路。上述有限元耦合仿真方法的建立弥补了压电无阀薄膜微泵仿真实验缺乏的现状。5.探索性地提出压电无阀薄膜微泵在药物传输中的应用思路，初步建立了融合行为仿真分析和UML的微流控系统/器件的设计策略和理论：比较完整地提出了压电无阀薄膜微泵在糖尿病患者药物治疗系统中的应用思路；为了表达设计思想并实现微流控系统快速设计，探索性地提出了基于有限元仿真分析及统一建模语言（UML）的微系统设计策略和建模方法；建立了微流控药物传输系统的静态、动态模型和需求模型，全面地反映系统器件/子系统间的拓扑关系、信息传递和系统功能；开发了压电无阀薄膜微泵设计软件，验证了上述设计理论的有效性。上述设计理论融合微流控元件的设计建模、耦合场分析和数值仿真于一体，对于建立微流控系统的实用性设计准则提供了重要理论支撑。