超声行波微流体驱动模型的动力学分析及声固耦合分析

发布时间：2019-08-07 10:32

【摘要】： 随着MEMS技术在生物医学工程领域的广泛应用,微流体驱动与控制技术的研究已逐渐成为MEMS研究的一个热点,开展对微尺度、微结构及微功能器件的微流体机理研究,寻找合适的微流体建模方法,进而对微流体器件的结构及参数进行优化研究,是目前微流体研究中亟待解决的问题之一。 超声行波微流体驱动技术在原理上不同于当前各种微流体驱动技术,它是利用压电陶瓷的逆压电效应产生的超声振动在输送管道中激起行波,并在管道内的流体介质中产生行波声场,在声流、声辐射压力的共同作用下,使液体沿行波方向运动,是一种新的微流体驱动技术。作为一种新型微流体驱动技术,超声行波驱动没有可动部件,所需驱动电压低,控制方法简单,利于小型化,具有广泛的应用前景。 本文首先概述了微机电系统(MEMS)及微流体系统的发展现状,回顾了微流体驱动技术的国内外发展概况,对目前的几种微流体驱动技术作了介绍。 其次,介绍了压电陶瓷的逆压电效应及其材料特性和频率特性,详细分析了行波的合成,通过对声辐射压力及声流产生机理的研究,得出驱动机理与模型参数的关系,为超声行波微流体的驱动控制打下基础。 然后,利用ANSYS有限元分析软件,建立圆环形微流体驱动模型,对其动力学特性进行了分析研究。通过有限元模态分析,讨论了模型固有频率与基底结构参数的关系,如模型的内径、外径、基体厚度,并分析了沟道尺寸对固有频率的影响;通过谐响应分析,激励出所需振型,验证了频率特性,得出了响应位移随频率的变化特性,为模型结构设计的进一步优化提供指导。 最后,介绍了声学基础及声固耦合理论,结合数值方法,借助有限元分析软件ANSYS进行了超声行波微流体驱动模型的声固耦合模态分析,通过对耦合模型与非耦合模型的对比分析,得出声场对模型固有频率的影响,并进一步分析了流体密度、声速等因素对模型共振频率的影响。
【图文】：

山东大学硕士学位论文图1一1双金属悬臂梁致动的微薄膜泵如图1一1为一个双金属悬臂梁制动的微机械薄膜泵的结构图[32]。典型的往返运动式薄膜微机械泵可产生 110kPa的静水压力，流速可达到大约lm腼in.1993年一种无阀微机械泵由瑞典斯德哥尔摩Chalmer大学的stelluneE和stelnlneG等提出【34，35]，在这种微泵中，薄膜式微泵的止回阀被扩散器/喷嘴单元代替。扩散器/喷嘴单元在两个方向上的流阻不同，可以产生单方向的净流量。图1一2为该泵的原理图。这种微泵有两个优点:一是泵腔内的最小缝隙相对较大(80一100娜)，薄膜泵的颗粒问题在无阀泵中不会遇到;二是既适用于液体，也适用于气体。这种无阀泵的缺点是在关闭时没有流动阻力，所以当存在反压力时

电泳芯片、低电压电泳芯片和交流电式的电驱动动流体在微管道中流动，是一类较为和控制方法之一。电渗驱动属于致动触的管壁上有不动的表面电荷是电渗基或是液体中被强力吸附在表面的电用下，溶液中的抗衡离子就会在固液电荷则几乎为零，，双电层由紧密层和离子的厚度。当在管道两端施加适当在紧密层和扩散层之间的滑动面上发力的作用，当形成扩散层的离子发生，因此形成了电渗流。图1一为电渗流
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：R312

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本文编号：2523900