磁力驱动微泵的设计与实验研究

发布时间：2020-05-12 13:10

【摘要】：微泵是微流控系统中的重要组成部分,其主要作用是传输液流和分配液流,在微型传感器、微型生物芯片、微系统化学分析以及各种涉及微流体输送的场合中均有广泛应用。磁力驱动微泵主要包括电磁驱动微泵和磁流体驱动微泵,两者都采用磁场力作为驱动力,利用导磁体受到磁场力的作用而产生运动,进而驱动被泵送的液体。电磁驱动微泵利用电磁铁产生磁场,其驱动电压小,但是结构较为复杂、制作成本高、体积较大。磁流体驱动微泵的磁场一般由永磁体产生。磁流体被永磁体磁化,并在永磁体驱动下运动,迫使被泵送的液体流动。磁流体驱动的微泵具有控制灵活、工作电压低,但其泵送流量不高,且制作工艺复杂。本文为充分发挥磁力驱动微泵的优势,主要对磁力驱动微泵的结构设计、方案优化和降低制作工艺难度等方面进行了研究。第一章,按照驱动方式对微泵进行了分类,对近年来国内外所研究的压电驱动、静电驱动、气动驱动、电磁驱动、电渗驱动、表面张力驱动、热气泡驱动和磁流体驱动等微泵的设计方法、驱动原理和工作特点分别进行了系统的总结,分析了国内外具有代表性的几种微泵的工作原理、系统组成、结构尺寸和性能参数等,并进行了归纳和对比。重点研究了电磁驱动微泵和磁流体驱动微泵的系统组成、结构方案和工作特点,详细研究了电磁驱动和磁流体驱动的制作工艺,对比了主要性能参数,总结了磁力驱动微泵的改进方法和发展趋势。第二章,电磁铁的磁场分布直接影响电磁驱动微泵的工作性能,因此,对电磁铁的磁场进行了理论分析,推导了单匝载流圆线圈的磁场、载流螺线管中的磁场和载流螺线管对永磁铁的作用磁力等公式。并采用COMSOL软件对载流螺线管的磁场分布进行仿真分析。为了克服电磁驱动微泵的工艺复杂、制作成本高、体积大等缺点,研究并设计了一种管状柱塞式电磁驱动微泵,采用MEMS工艺制作了微泵的样件。设计并搭建了微泵的测试实验系统,对微泵的电磁力、流量、背压进行了实验测试。微泵在工作电流为0.6A时,电磁驱动力约为1.32mN。当工作电流分别为0.3A、0.4A、0.5A,驱动频率为5Hz时,微泵的最大流量分别为194.15μL/min、201.23μL/min、208.75μL/min,微泵的最大背压分别为490Pa、519.4Pa、539Pa。与平面薄膜结构的电磁驱动微泵相比,该电磁驱动微泵具有可靠性高、体积小、无死体积、无摩擦和线圈匝数少等特点。第三章,磁流体的材料特性直接影响着磁流体驱动微泵的工作性能,因此,论文对磁流体的组成、分类及其材料特性进行了研究。为了克服磁流体驱动微泵泵送流量小、结构复杂和制作工艺难度大等缺点,研究并设计了一种带有C形挡板结构的磁流体驱动微泵,减少了永磁体和控制阀的数量,采用MEMS工艺制作了微泵的样机,并利用FLUENT软件对微泵泵送的稳定性进行了仿真分析。设计并搭建了微泵的实验系统,测试了在不同的驱动频率下微泵的泵送流量和背压。实验表明:最大泵送流量为49.32μL/min,最大泵送背压为1125.9Pa。由于该磁流体驱动微泵的外部驱动系统可重复使用,微泵主要包含PDMS上盖、玻璃基底、少量磁流体。因此,该磁流体驱动微泵具有部件少、结构简单、制作成本低和可靠性高等优点,在一次性应用的微流控系统实验中具有广阔的应用前景。
【图文】：

压电驱动,薄膜,薄膜厚度,液体

图 1-2 悬臂梁阀压电驱动微泵Fig.1-2 Cantilever beam valve piezoelectric micropump Ma 等[25]研制了一种两腔室无阀压电驱动微泵，该微泵主MS 薄膜、泵腔和辅助室、进液口、出液口等组成，其样件薄膜厚度为 0.5mm，辅助室薄膜厚度为 0.3mm，泵，辅助室大小为 20mm×7mm，微泵深度为 4mm，进液口室在无阀微驱动中起着关键的作用，其工作原理如图 1-4程中，辅助室薄膜下凹，增加出液口阻力，因此，液体多从体过程中，辅助室薄膜上凸，不阻碍液体排出，，进液口压体多从出液口排出。该微泵在驱动电压 50V，驱动频率 1以达 1.183mL/s。

静电驱动,电极片,阶梯式,薄膜

图 1-8 静电微泵工作原理Fig.1-8 The principle of electrostatic micropum[29]研制了一种无阀蠕动静电驱动微泵，其样口、出液口、泵腔、薄膜和电极片等组成。泵酰亚胺（PI）膜，薄膜上贴有 4 片宽度为 ×15μm。该微泵使用阶梯式设计，其工作原通电源，控制薄膜升降，液体随着电极片升。四个电极片的阶梯式设计可以减少死区，动电压 60V，驱动频率 4Hz 时，最大流量
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH38

【参考文献】