无阀压电泵驱动的集成式微混合器设计与实验研究
发布时间：2021-03-06 16:15
作为一种新型主动微混合方式,无阀压电泵脉动驱动微混合在微流控系统中的研究和应用受到国内外学者的关注,对其开展相关研究不仅具有重要的学术研究意义,而且在芯片集成和全微分析（μ-TAS）等领域均具有重要的应用价值。本文提出并设计了一种无阀压电泵驱动的集成式微混合器,将驱动源无阀压电泵和Y型微混合流道集成于PDMS基板上,集成式微混合器采用脉动驱动的工作方式,实现对含有粒子溶液的精密输送和可控混合,具体研究内容如下:基于经典扩张/收缩口无阀泵,提出一种新型变高度障碍式无阀压电泵,对泵进行流动特性分析,在理论上证明了新型无阀泵的可行性;利用有限元分析法、等效电路模型以及样机实验测试法对新型无阀泵的结构参数进行系统性分析和研究;确定了新型无阀泵的最佳结构参数:障碍式角度为15°、最小间距为0.14mm、泵腔深度为0.15mm、流道高度比为5;样机实验结果表明,在电压70V、驱动频率为270Hz,泵流量达到0.87ml/min,输出压力达到0.3kPa。本文分析了微流动的多种影响因素,并根据无阀泵和微混合器的设计及制作情况,重点考察壁面滑移对溶液流动和混合的影响;基于壁面滑移效应,利用有限元分析法...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 无阀压电泵概述
1.2.1 压电效应
1.2.2 无阀压电泵简介
1.2.3 无阀压电泵的研究现状
1.3 微混合器的研究现状
1.3.1 被动微混合器
1.3.2 主动微混合器
1.4 无阀压电泵驱动形式在微混合中的优势和存在的问题
1.4.1 无阀压电泵驱动形式在微混合中的优势
1.4.2 无阀压电泵驱动形式存在的问题
1.5 本文的研究意义及主要研究内容
第2章 新型无阀压电泵的结构设计和制作
2.1 无阀压电泵理论基础
2.1.1 流道阻力
2.1.2 无阀泵流量分析
2.2 变高度、障碍式无阀泵的提出
2.2.1 新型无阀泵的结构设计
2.2.2 新型无阀泵的工作机理
2.2.3 新型无阀泵的流动特性分析
2.3 障碍式无阀泵的流体仿真分析
2.3.1 仿真模型的建立
2.3.2 不同三角形障碍角度对泵流量的影响
2.3.3 最小间距对泵流量的影响
2.3.4 泵腔深度对泵流量的影响
2.4 障碍式无阀泵的等效电路模型
2.4.1 电液类比原则
2.4.2 等效电路模型的建立
2.4.3 无阀泵等效电路模型建立
2.5 障碍式无阀泵的样机制作及性能试验
2.5.1 障碍式无阀泵的样机制作
2.5.2 实验平台搭建
2.5.3 流道高度比对泵流量的影响
2.5.4 无阀泵流量对比实验
2.5.5 无阀泵背压测试
2.6 本章小结
第3章 基于壁面滑移的微混合流道的流体仿真及参数优化
3.1 微流动的影响因素
3.1.1 壁面滑移效应
3.1.2 气泡
3.1.3 壁面粗糙度
3.1.4 液体极性
3.1.5 尺度效应
3.1.6 表面（界面）力
3.2 微混合机理
3.2.1 微混合的理论基础
3.2.2 混合度评价标准
3.3 微混合流道的数值模型
3.3.1 模型建立
3.3.2 壁面滑移参数设定
3.3.3 网格划分
3.3.4 边界条件设定
3.4 微混合流道结构和控制参数的优化
3.4.1 微流道不同宽度对混合效果的影响仿真分析
3.4.2 微流道不同角度对混合效果的影响仿真分析
3.4.3 微泵频率对混合效果的影响仿真分析
3.4.4 入口流量对混合效果的影响仿真分析
3.5 壁面滑移效应对流体混合的影响分析
3.5.1 考察壁面滑移效应的必要性
3.5.2 壁面滑移现象对流体流动的影响分析
3.6 本章小结
第4章 集成式微混合器的设计和样机制作
4.1 集成式微混合器的结构设计
4.2 微混合器的样机制作
4.2.1 微混合器的制作材料
4.2.2 微混合器样机制作流程
4.2.3 PMMA阳模制作
4.2.4 PDMS基板制作
4.3 微混合器封装
4.3.1 无阀泵装配
4.3.2 键合封装
4.4 本章小结
第5章 集成式微混合器的实验研究
5.1 脉动现象的实验验证
5.1.1 实验平台搭建
5.1.2 实验方法
5.1.3 脉动实验验证
5.2 荧光粒子混合实验
5.2.1 实验准备
5.2.2 灰度值
5.2.3 无阀压电泵的驱动频率对荧光粒子溶液的混合影响
5.2.4 壁面滑移
5.3 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 结论
6.2 未来研究展望
参考文献
作者简介及学术成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]壁面滑移条件下微尺度通道内两相流数值模拟[J]. 王琳琳,李泽. 西安文理学院学报(自然科学版). 2016(03)
[2]微混合器的研究现状[J]. 姜枫,刘国君,杨志刚,王腾飞,唐春秀,梁实海. 微纳电子技术. 2016(03)
[3]壁面滑移对微管挤出成型的影响分析[J]. 肖兵,邓小珍. 塑料工业. 2015(12)
[4]内置周期挡板的T-型微混合器[J]. 何秀华,颜杰,王岩. 光学精密工程. 2015(10)
[5]微反应器流道内单气泡逸出动力学模拟[J]. 季炜,周吉,吴太军. 节能技术. 2015(04)
[6]Y型双入-双出水流道无阀压电泵研究[J]. 王洪臣,杨利,张立敏,王桂文,董景石. 科技导报. 2015(11)
[7]圆弧形流管无阀压电泵的工作原理及试验[J]. 唐娟,张建辉,张泉,冯会奎. 振动.测试与诊断. 2015(02)
[8]主动式交变电场电渗微混合通道数值模拟[J]. 张磊,刘莹. 微纳电子技术. 2014(12)
[9]基于Navier滑移模型的聚合物挤出成型有限元模拟[J]. 秦升学,王艳立,许星明,刘杰. 青岛科技大学学报(自然科学版). 2014(05)
[10]基于PMMA的微泵研制[J]. 蒋希. 科技展望. 2014(14)
博士论文
[1]微流道内表面效应对流体流动及传热特性的影响[D]. 谭德坤.南昌大学 2014
[2]流阻差型无阀压电泵的原理与试验研究[D]. 黄俊.南京航空航天大学 2013
硕士论文
[1]基于PDMS的集成式压电驱动微流体反应器的设计与实验研究[D]. 赵天.吉林大学 2015
[2]基于软刻蚀技术的无阀微泵制造工艺研究[D]. 陈鹏.华中科技大学 2014
[3]基于SU-8工艺的微流体检测通道结构的设计与实现[D]. 郝晓剑.中北大学 2013
[4]微通道流动特性的数值分析[D]. 刘君.哈尔滨工业大学 2010
[5]基于数值模拟的三通扩散/收缩管无阀压电泵设计及性能研究[D]. 杨嵩.江苏大学 2009
本文编号：3067407
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 无阀压电泵概述
1.2.1 压电效应
1.2.2 无阀压电泵简介
1.2.3 无阀压电泵的研究现状
1.3 微混合器的研究现状
1.3.1 被动微混合器
1.3.2 主动微混合器
1.4 无阀压电泵驱动形式在微混合中的优势和存在的问题
1.4.1 无阀压电泵驱动形式在微混合中的优势
1.4.2 无阀压电泵驱动形式存在的问题
1.5 本文的研究意义及主要研究内容
第2章 新型无阀压电泵的结构设计和制作
2.1 无阀压电泵理论基础
2.1.1 流道阻力
2.1.2 无阀泵流量分析
2.2 变高度、障碍式无阀泵的提出
2.2.1 新型无阀泵的结构设计
2.2.2 新型无阀泵的工作机理
2.2.3 新型无阀泵的流动特性分析
2.3 障碍式无阀泵的流体仿真分析
2.3.1 仿真模型的建立
2.3.2 不同三角形障碍角度对泵流量的影响
2.3.3 最小间距对泵流量的影响
2.3.4 泵腔深度对泵流量的影响
2.4 障碍式无阀泵的等效电路模型
2.4.1 电液类比原则
2.4.2 等效电路模型的建立
2.4.3 无阀泵等效电路模型建立
2.5 障碍式无阀泵的样机制作及性能试验
2.5.1 障碍式无阀泵的样机制作
2.5.2 实验平台搭建
2.5.3 流道高度比对泵流量的影响
2.5.4 无阀泵流量对比实验
2.5.5 无阀泵背压测试
2.6 本章小结
第3章 基于壁面滑移的微混合流道的流体仿真及参数优化
3.1 微流动的影响因素
3.1.1 壁面滑移效应
3.1.2 气泡
3.1.3 壁面粗糙度
3.1.4 液体极性
3.1.5 尺度效应
3.1.6 表面（界面）力
3.2 微混合机理
3.2.1 微混合的理论基础
3.2.2 混合度评价标准
3.3 微混合流道的数值模型
3.3.1 模型建立
3.3.2 壁面滑移参数设定
3.3.3 网格划分
3.3.4 边界条件设定
3.4 微混合流道结构和控制参数的优化
3.4.1 微流道不同宽度对混合效果的影响仿真分析
3.4.2 微流道不同角度对混合效果的影响仿真分析
3.4.3 微泵频率对混合效果的影响仿真分析
3.4.4 入口流量对混合效果的影响仿真分析
3.5 壁面滑移效应对流体混合的影响分析
3.5.1 考察壁面滑移效应的必要性
3.5.2 壁面滑移现象对流体流动的影响分析
3.6 本章小结
第4章 集成式微混合器的设计和样机制作
4.1 集成式微混合器的结构设计
4.2 微混合器的样机制作
4.2.1 微混合器的制作材料
4.2.2 微混合器样机制作流程
4.2.3 PMMA阳模制作
4.2.4 PDMS基板制作
4.3 微混合器封装
4.3.1 无阀泵装配
4.3.2 键合封装
4.4 本章小结
第5章 集成式微混合器的实验研究
5.1 脉动现象的实验验证
5.1.1 实验平台搭建
5.1.2 实验方法
5.1.3 脉动实验验证
5.2 荧光粒子混合实验
5.2.1 实验准备
5.2.2 灰度值
5.2.3 无阀压电泵的驱动频率对荧光粒子溶液的混合影响
5.2.4 壁面滑移
5.3 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 结论
6.2 未来研究展望
参考文献
作者简介及学术成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]壁面滑移条件下微尺度通道内两相流数值模拟[J]. 王琳琳,李泽. 西安文理学院学报(自然科学版). 2016(03)
[2]微混合器的研究现状[J]. 姜枫,刘国君,杨志刚,王腾飞,唐春秀,梁实海. 微纳电子技术. 2016(03)
[3]壁面滑移对微管挤出成型的影响分析[J]. 肖兵,邓小珍. 塑料工业. 2015(12)
[4]内置周期挡板的T-型微混合器[J]. 何秀华,颜杰,王岩. 光学精密工程. 2015(10)
[5]微反应器流道内单气泡逸出动力学模拟[J]. 季炜,周吉,吴太军. 节能技术. 2015(04)
[6]Y型双入-双出水流道无阀压电泵研究[J]. 王洪臣,杨利,张立敏,王桂文,董景石. 科技导报. 2015(11)
[7]圆弧形流管无阀压电泵的工作原理及试验[J]. 唐娟,张建辉,张泉,冯会奎. 振动.测试与诊断. 2015(02)
[8]主动式交变电场电渗微混合通道数值模拟[J]. 张磊,刘莹. 微纳电子技术. 2014(12)
[9]基于Navier滑移模型的聚合物挤出成型有限元模拟[J]. 秦升学,王艳立,许星明,刘杰. 青岛科技大学学报(自然科学版). 2014(05)
[10]基于PMMA的微泵研制[J]. 蒋希. 科技展望. 2014(14)
博士论文
[1]微流道内表面效应对流体流动及传热特性的影响[D]. 谭德坤.南昌大学 2014
[2]流阻差型无阀压电泵的原理与试验研究[D]. 黄俊.南京航空航天大学 2013
硕士论文
[1]基于PDMS的集成式压电驱动微流体反应器的设计与实验研究[D]. 赵天.吉林大学 2015
[2]基于软刻蚀技术的无阀微泵制造工艺研究[D]. 陈鹏.华中科技大学 2014
[3]基于SU-8工艺的微流体检测通道结构的设计与实现[D]. 郝晓剑.中北大学 2013
[4]微通道流动特性的数值分析[D]. 刘君.哈尔滨工业大学 2010
[5]基于数值模拟的三通扩散/收缩管无阀压电泵设计及性能研究[D]. 杨嵩.江苏大学 2009
本文编号：3067407
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3067407.html
