微量磁流体的动态驱动研究

发布时间：2020-07-05 05:01

【摘要】：近年来随着科技的快速发展,微流体技术(Microfluidics)在生物学、医学、化学等领域中应用日益广泛。微量流体驱动作为微流体技术的重要组成部分,是一种通过各种驱动方式实现微升甚至纳升级别流体的精确泵送技术,包括流体力学、材料学、生物学、机械学和电磁学等多项学科内容。其中微泵是实现微量流体驱动的常用装置,近年来取得了较大的研究进展,在生命科学、生物医学、航天航空等领域上展现了重要而广泛的应用前景。本文主要基于微量磁流体的动态驱动方式,研制了一种磁流体微泵,并实现了微量流体的有效泵送。首先,为能更好的选择泵送腔室的结构和磁流体驱动的方式,本文借助ANSYS仿真软件的有限元法对腔室的具体结构和磁流体的运动方式进行仿真模拟。择优选择环型腔室作为泵腔通道结构,同时泵腔出入口通道相隔一定距离呈60°的夹角状;磁流体在泵腔内分为两个部分布置,其中一部分固定于出入口之间的环形通道内,另一部分在外界作用力驱动下沿环形通道做圆周运动。其次,对驱动腔室的具体制作展开研究。实验中选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为泵腔材料,为解决磁流体污染被泵送液体的问题,在实验中使用硅橡胶作为泵腔隔膜,将磁流体与被泵送液体分隔。为能有效完成泵腔的键合,本文对现有PMMA的键合条件进行了改进。本文通过正交试验设计对影响PMMA键合结果的键合温度、时间、预压力等参数进行分析、设计和测试,获得的最优键合条件为:键合温度115℃,时间70min,预压力60N。通过激光雕刻的方式完成泵腔基片的制作,并根据改进的键合条件完成泵腔的有效键合与封装。然后,设计驱动磁流体运动的外部磁场控制单元。该单元通过单片机芯片设置程序,发送驱动信号在L298N驱动器中放大后驱动步进电机运动,使其按照指定的转速和方向旋转,带动转子上的永磁体运动,从而驱动磁流体位移引起泵腔隔膜形变,再带动被泵送液体移动,完成磁流体微泵的泵送功能。本控制单元可通过电路中的按键控制电机的转速和方向,并通过显示器显示转速和转动角度。最后,将泵腔与外部磁场控制单元集成封装后,开始微泵泵送的测试实验。本文通过对微泵泵送流速、泵送背压等参数指标的测量,对微泵的性能进行验证与测试,得到微泵的最大流速为156.8μL/min,最大背压为666.4Pa,实验数据达到预期指标,符合应用要求。
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318
【图文】：

驱动结构,压电

其主要工作原理是利用压电振子的逆压电效应[2介质的极化方向对其施加电场，这些电介质将在一定场撤去时，电介质恢复原样。因此压电驱动装置在工电压信号，使其不断产生形变和回复，引起装置内的和压力的变化程度，一般采用双压电晶片，驱动电压变。当晶片向上弯曲时，腔室内体积增大，压力减小弯曲时，腔室内体积减小，压力增大，液体从出口动的效果，如图 1.1 所示[21]。德国 Dolla 等用硅作为并将其应用于人工括约肌系统中[22]；我国的科研工作，吉林大学机械工程学院从早期对双腔体的串联式压腔体四振子结构的压电泵[24]，以及最近的基于 PD现了对压电驱动装置所开展的大量细致研究。压电驱承受背压高，但缺点也同样明显，因压电晶片的振幅致泵送速度低，且极容易受通道内气泡影响。

热驱动,基本结构

种方式都是通过受热和冷却的交替变化实现液体泵送效果，故统称为热致驱动。2000年清华大学尹执中等人研究了一种铝膜和硅膜结合的复合膜片的热驱动装置，并对空载下的泵性能和膜片振动随频率和功率变化关系进行了研究，其结构如图1.2所示[26]。2005 年 Kim 等人利用 ITO 加热的方式完成了无阀收缩扩张型微驱动装置的研制[27]。热致动驱动方式的优点在于驱动功耗小，制作方式简便；但热致动方式涉及到多个能量之间的转化，相对复杂，其受热和冷却的可控性差，频率难以控制，因此一般流量不大，且因使用加热的方式容易使生物材料降解或生物细胞变性，因此不适用于生物方面的应用。图 1.2 热驱动泵基本结构1.2.3 静电力驱动美国 Honeywell 公司依据静电效应，采用双面抛光法和等离子体蚀刻法的加工工艺研制了一种薄膜悬臂梁结构的微型驱动装置。其工作原理是：当对泵腔中的隔膜和负电极之间施加交变电压时，泵膜由于强静电力的作用反复弯曲和恢复，从而导致泵腔的容积形成周期性变化，实现连续泵送流体的目的。Zengerle 等人根据静电力致动原理制作了薄膜泵，微泵主要由两个被动止回阀、一个泵膜和一个静电驱动的电极这四个硅片组成

【相似文献】