【摘要】：微泵是微流控系統(tǒng)中的重要組成部分,其主要作用是傳輸液流和分配液流,在微型傳感器、微型生物芯片、微系統(tǒng)化學(xué)分析以及各種涉及微流體輸送的場合中均有廣泛應(yīng)用。磁力驅(qū)動(dòng)微泵主要包括電磁驅(qū)動(dòng)微泵和磁流體驅(qū)動(dòng)微泵,兩者都采用磁場力作為驅(qū)動(dòng)力,利用導(dǎo)磁體受到磁場力的作用而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)被泵送的液體。電磁驅(qū)動(dòng)微泵利用電磁鐵產(chǎn)生磁場,其驅(qū)動(dòng)電壓小,但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、制作成本高、體積較大。磁流體驅(qū)動(dòng)微泵的磁場一般由永磁體產(chǎn)生。磁流體被永磁體磁化,并在永磁體驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng),迫使被泵送的液體流動(dòng)。磁流體驅(qū)動(dòng)的微泵具有控制靈活、工作電壓低,但其泵送流量不高,且制作工藝復(fù)雜。本文為充分發(fā)揮磁力驅(qū)動(dòng)微泵的優(yōu)勢(shì),主要對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)微泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、方案優(yōu)化和降低制作工藝難度等方面進(jìn)行了研究。第一章,按照驅(qū)動(dòng)方式對(duì)微泵進(jìn)行了分類,對(duì)近年來國內(nèi)外所研究的壓電驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、電滲驅(qū)動(dòng)、表面張力驅(qū)動(dòng)、熱氣泡驅(qū)動(dòng)和磁流體驅(qū)動(dòng)等微泵的設(shè)計(jì)方法、驅(qū)動(dòng)原理和工作特點(diǎn)分別進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié),分析了國內(nèi)外具有代表性的幾種微泵的工作原理、系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)尺寸和性能參數(shù)等,并進(jìn)行了歸納和對(duì)比。重點(diǎn)研究了電磁驅(qū)動(dòng)微泵和磁流體驅(qū)動(dòng)微泵的系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)方案和工作特點(diǎn),詳細(xì)研究了電磁驅(qū)動(dòng)和磁流體驅(qū)動(dòng)的制作工藝,對(duì)比了主要性能參數(shù),總結(jié)了磁力驅(qū)動(dòng)微泵的改進(jìn)方法和發(fā)展趨勢(shì)。第二章,電磁鐵的磁場分布直接影響電磁驅(qū)動(dòng)微泵的工作性能,因此,對(duì)電磁鐵的磁場進(jìn)行了理論分析,推導(dǎo)了單匝載流圓線圈的磁場、載流螺線管中的磁場和載流螺線管對(duì)永磁鐵的作用磁力等公式。并采用COMSOL軟件對(duì)載流螺線管的磁場分布進(jìn)行仿真分析。為了克服電磁驅(qū)動(dòng)微泵的工藝復(fù)雜、制作成本高、體積大等缺點(diǎn),研究并設(shè)計(jì)了一種管狀柱塞式電磁驅(qū)動(dòng)微泵,采用MEMS工藝制作了微泵的樣件。設(shè)計(jì)并搭建了微泵的測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)微泵的電磁力、流量、背壓進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。微泵在工作電流為0.6A時(shí),電磁驅(qū)動(dòng)力約為1.32mN。當(dāng)工作電流分別為0.3A、0.4A、0.5A,驅(qū)動(dòng)頻率為5Hz時(shí),微泵的最大流量分別為194.15μL/min、201.23μL/min、208.75μL/min,微泵的最大背壓分別為490Pa、519.4Pa、539Pa。與平面薄膜結(jié)構(gòu)的電磁驅(qū)動(dòng)微泵相比,該電磁驅(qū)動(dòng)微泵具有可靠性高、體積小、無死體積、無摩擦和線圈匝數(shù)少等特點(diǎn)。第三章,磁流體的材料特性直接影響著磁流體驅(qū)動(dòng)微泵的工作性能,因此,論文對(duì)磁流體的組成、分類及其材料特性進(jìn)行了研究。為了克服磁流體驅(qū)動(dòng)微泵泵送流量小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和制作工藝難度大等缺點(diǎn),研究并設(shè)計(jì)了一種帶有C形擋板結(jié)構(gòu)的磁流體驅(qū)動(dòng)微泵,減少了永磁體和控制閥的數(shù)量,采用MEMS工藝制作了微泵的樣機(jī),并利用FLUENT軟件對(duì)微泵泵送的穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析。設(shè)計(jì)并搭建了微泵的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),測試了在不同的驅(qū)動(dòng)頻率下微泵的泵送流量和背壓。實(shí)驗(yàn)表明:最大泵送流量為49.32μL/min,最大泵送背壓為1125.9Pa。由于該磁流體驅(qū)動(dòng)微泵的外部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可重復(fù)使用,微泵主要包含PDMS上蓋、玻璃基底、少量磁流體。因此,該磁流體驅(qū)動(dòng)微泵具有部件少、結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),在一次性應(yīng)用的微流控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
【圖文】：

圖 1-2 懸臂梁閥壓電驅(qū)動(dòng)微泵Fig.1-2 Cantilever beam valve piezoelectric micropump Ma 等[25]研制了一種兩腔室無閥壓電驅(qū)動(dòng)微泵，該微泵主MS 薄膜、泵腔和輔助室、進(jìn)液口、出液口等組成，其樣件薄膜厚度為 0.5mm，輔助室薄膜厚度為 0.3mm，泵，輔助室大小為 20mm×7mm，微泵深度為 4mm，進(jìn)液口室在無閥微驅(qū)動(dòng)中起著關(guān)鍵的作用，其工作原理如圖 1-4程中，輔助室薄膜下凹，增加出液口阻力，因此，液體多從體過程中，輔助室薄膜上凸，不阻礙液體排出，，進(jìn)液口壓體多從出液口排出。該微泵在驅(qū)動(dòng)電壓 50V，驅(qū)動(dòng)頻率 1以達(dá) 1.183mL/s。

圖 1-8 靜電微泵工作原理Fig.1-8 The principle of electrostatic micropum[29]研制了一種無閥蠕動(dòng)靜電驅(qū)動(dòng)微泵，其樣口、出液口、泵腔、薄膜和電極片等組成。泵酰亞胺（PI）膜，薄膜上貼有 4 片寬度為 ×15μm。該微泵使用階梯式設(shè)計(jì)，其工作原通電源，控制薄膜升降，液體隨著電極片升。四個(gè)電極片的階梯式設(shè)計(jì)可以減少死區(qū)，動(dòng)電壓 60V，驅(qū)動(dòng)頻率 4Hz 時(shí)，最大流量
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH38

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王瑞金;磁流體技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J];新技術(shù)新工藝;2001年10期

2 鄭士杰;周福洪;;鐵磁流體的特性及其應(yīng)用[J];功能材料;1993年03期

本文編號(hào)：2660267