声表面波微流体驱动中的热效应研究

发布时间：2024-10-03 02:24

　　微流体驱动领域中,由于声表面波工艺成熟、生物相容性好、驱动力可控及便于集成,能够快速的驱动微流体完成输送、聚集、混合、喷射、雾化等响应,因此成为生化反应、生物传感器、微驱动器等方向研究的热点。在实际应用中,由于压电基片的自热效应存在,容易造成器件本身的裂片与失效等问题,降低芯片的性能和使用寿命,使得高功率器件的发展十分有限。除此之外,流体受到声波的辐射也会产生热量,该声热效应在一些需要控制温度的生化反应中尤为重要。因此,本文基于微机电系统制造技术,对器件的压电材料和叉指换能器进行了选型和结构设计,加工出了适用于微流体驱动的声表面波微驱动器件,并尝试从理论和实验两方面对热效应的产生机理和影响参数进行合理的解释与探究。理论研究方面,对系统本身的损耗机制进行了探讨,论证器件的自热效应主要来自于压电材料的结构阻尼损耗和介电损耗,流体的声热效应主要来自于流体内部的声流模式带来的粘性耗散。使用COMSOL仿真软件建立了二维压电-传热仿真模型,获得数学模型的解析结果,从微观尺度对声表面波的传播特性和热能量的传递进行了描述。实验研究方面,整个微驱动过程中的热效应均由红外热成像仪和热电偶的传感数据得到温度...

【文章页数】：64 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题来源及研究背景和意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 声表面波微流体驱动概述
        1.2.2 常见声表面波微流体驱动技术
        1.2.3 声表面波微流体热效应研究现状
    1.3 本文的主要研究内容
第2章 声表面波器件的总体设计
    2.1 引言
    2.2 声表面波的产生与传播
        2.2.1 声表面波驱动原理
        2.2.2 声表面波的激励与传播
    2.3 压电基底材料参数及选择
        2.3.1 压电基底材料参数
        2.3.2 压电基底的选择
    2.4 叉指换能器结构设计
    2.5 声表面波驱动芯片的制造与测试
        2.5.1 声表面波驱动芯片的制造
        2.5.2 声表面波驱动芯片的测试
    2.6 本章小结
第3章 声表面波微流体驱动热效应损耗机制与模型
    3.1 引言
    3.2 声表面波微流体驱动热效应损耗机制
        3.2.1 器件压电效应
        3.2.2 器件自热效应
        3.2.3 微流体声热效应
    3.3 声表面波微流体驱动多物理场耦合分析
    3.4 声表面波器件压电-传热模型仿真
        3.4.1 建立二维压电-传热模型
        3.4.2 求解模型步骤
    3.5 仿真结果分析
        3.5.1 特征频率分析
        3.5.2 频域分析
        3.5.3 时域分析
        3.5.4 稳态温度场分析
    3.6 本章小结
第4章 声表面波微流体驱动热效应实验
    4.1 引言
    4.2 声表面波微驱动实验平台
    4.3 声表面波器件生热实验
        4.3.1 粘结材料对芯片热效应的影响
        4.3.2 散热片对芯片热效应的影响
        4.3.3 基片厚度对芯片热效应的影响
        4.3.4 驱动功率对芯片热效应的影响
    4.4 声表面波驱动流体生热实验
        4.4.1 驱动功率对流体热效应的影响
        4.4.2 液体粘度对流体热效应的影响
    4.5 本章小结
结论
参考文献
致谢



本文编号：4006642