【摘要】：無(wú)閥壓電微泵作為微流控系統(tǒng)中的一種重要?jiǎng)恿υ?是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)泵腔流體作往復(fù)運(yùn)動(dòng),通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的流道實(shí)現(xiàn)流體的定向輸送。在眾多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前無(wú)閥壓電微泵的研制過(guò)程主要集中在驅(qū)動(dòng)機(jī)理和加工方法的討論,而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究不能提前預(yù)測(cè)其輸出特性,且難以獲知微泵內(nèi)部流體的瞬態(tài)流動(dòng)特性�，F(xiàn)階段的數(shù)值模擬方法大都局限于單一域,未考慮多物理場(chǎng)的耦合效應(yīng)。本文通過(guò)動(dòng)力學(xué)耦合建模理論分析,多物理場(chǎng)全耦合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)壓電—固體—流體三場(chǎng)耦合作用下的無(wú)閥壓電微泵展開(kāi)研究,主要包括以下幾部分的內(nèi)容:基于彈性力學(xué)薄板小撓度理論對(duì)簡(jiǎn)化雙層結(jié)構(gòu)的壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,推導(dǎo)其振動(dòng)位移方程,得到沿半徑方向的位移分布。對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行電-固耦合模擬,對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析,得到其一階固有頻率。對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,得到中心點(diǎn)位移隨時(shí)間呈正弦波動(dòng),驅(qū)動(dòng)頻率在200Hz以下的壓電驅(qū)動(dòng)器中心點(diǎn)最大位移與電壓幅值成正比。利用激光測(cè)振儀對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了位移測(cè)量實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)建模和耦合模擬的準(zhǔn)確性。綜合考慮壓電—固體—流體基于微流體力學(xué),分析了流體在擴(kuò)散/收縮管內(nèi)的流動(dòng)特性,通過(guò)平均速度和平均位移建立整泵的動(dòng)力學(xué)模型,推導(dǎo)出擴(kuò)散/收縮管型無(wú)閥壓電微泵的輸出特性方程和諧振頻率,能更完整地反映整個(gè)微泵的工作過(guò)程,為無(wú)閥壓電微泵的多物場(chǎng)耦合研究提供了新思路。通過(guò)多物理場(chǎng)耦合分析軟件COMSOL Multiphysics對(duì)擴(kuò)散/收縮管型無(wú)閥壓電微泵進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)下耦合模擬分析,建立了無(wú)閥壓電微泵的電—固—液耦合仿真模型,包括壓電驅(qū)動(dòng)器的域內(nèi)耦合和雙向流固耦合。更加全面地分析耦合效應(yīng)下壓電驅(qū)動(dòng)器的服役特性以及流體輸送機(jī)理。對(duì)不同擴(kuò)散角度的無(wú)閥壓電微泵進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,微泵輸出流量隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大而增大,不同結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散/收縮管型無(wú)閥壓電微泵對(duì)應(yīng)不同的最佳工作頻率,對(duì)于長(zhǎng)寬比為15,喉部尺度為200μm的擴(kuò)散/收縮管型無(wú)閥壓電微泵,最佳工作頻率范圍為75—100Hz。最佳工作頻率隨著擴(kuò)散角的增大而減小。驅(qū)動(dòng)電壓頻域在25-150Hz,幅值在50-150Vpp下的最優(yōu)擴(kuò)散角度為10°。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TH38
【圖文】：

圖 1.1 壓電泵分類(lèi)Fig. 1.1 The classification of the piezoelectric micropumps電微泵的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

江 蘇 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文3該泵的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖如圖1.2所示。圖 1.2 擴(kuò)散/收縮管無(wú)閥壓電微泵結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖Fig. 1.2 The structure and pictures of the piezoelectric micropump with diffuser/nozzle tube1995 年，德國(guó) T.Gerlach 等人[33]首次研制出硅基擴(kuò)散收縮管無(wú)閥壓電泵，如圖 1.3 所示，使用刻蝕工藝為各向異性濕法，在硅片上刻蝕出所需要的腔體和流道。硅基微泵的誕生使得無(wú)閥壓電微泵的特征尺寸進(jìn)入到微米級(jí)別，對(duì)其微型化、集成化發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。圖 1.3 硅基無(wú)閥壓電微泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1.3 Schematic diagram of the valveless piezoelectric micropump based on silicon同年，F(xiàn)orster 等將 Tesla 管應(yīng)用到無(wú)閥壓電泵的設(shè)計(jì)制造中[34]，以此來(lái)獲得更大的正方向流阻差，Tesla 管結(jié)構(gòu)如圖 1.4 所示

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2714913