微泵在微流體系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色,其性能的高低往往能夠直接決定微流體系統(tǒng)整體的表現(xiàn)。微泵在藥物檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、芯片試驗(yàn)室系統(tǒng)以及微電子芯片冷卻系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。在各種新開(kāi)發(fā)出的微泵中,基于逆壓電效應(yīng)的無(wú)閥壓電微泵以其結(jié)構(gòu)尺寸小、能耗低、沒(méi)有閥片的磨損和疲勞等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。本文在附壁射流無(wú)閥壓電微泵的基礎(chǔ)上提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、性能更優(yōu)的雙腔串聯(lián)附壁射流無(wú)閥壓電微泵,這種串聯(lián)微泵將兩個(gè)附壁射流元件集成在一起,通過(guò)兩個(gè)泵腔的協(xié)同工作可以實(shí)現(xiàn)80%的工作周期都能夠排出流體。以下是本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果:1.基于康達(dá)效應(yīng)提出了新型的雙腔串聯(lián)附壁射流無(wú)閥壓電微泵,并且闡述了該泵的理論基礎(chǔ)和工作原理,在壓電振子采用Bu模型的條件下,推導(dǎo)出了串聯(lián)微泵的容積效率以及特征雷諾數(shù)計(jì)算公式。選取硅基材料加工樣泵進(jìn)行外特性試驗(yàn),介紹了樣泵加工中的主要工藝方法,包括掩膜板的加工、硅基的光刻與刻蝕以及玻璃板和硅片的鍵合等。2.通過(guò)試驗(yàn)研究了三種不同結(jié)構(gòu)尺寸的附壁射流無(wú)閥壓電微泵(P1、P2和P3)在驅(qū)動(dòng)電壓為75vpp~250vpp,激勵(lì)頻率為25Hz~250Hz下的性能曲線(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),無(wú)論是單腔附壁射流無(wú)閥壓電微泵還是異相工作的雙腔串聯(lián)附壁射流無(wú)閥壓電微泵在激勵(lì)頻率不變的情況下其凈流量均隨著電壓的增大而增大。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓一定時(shí),單雙腔附壁射流無(wú)閥壓電微泵的凈流量在整體上又隨著頻率的增大呈現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為200vpp時(shí),單、雙腔附壁射流無(wú)閥壓電微泵對(duì)應(yīng)的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)頻率分別為60Hz和50Hz,此時(shí)的凈流量分別為0.735ml/min和1.062ml/min。雙腔串聯(lián)附壁射流無(wú)閥壓電微泵在異相工作(兩振子驅(qū)動(dòng)相位差為180°)時(shí)的性能要明顯高于同相工作(兩振子驅(qū)動(dòng)相位差為0°)時(shí)的性能,并且當(dāng)兩腔同相工作時(shí)微泵會(huì)在特定的驅(qū)動(dòng)條件下出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象。當(dāng)增大雙腔串聯(lián)附壁射流無(wú)閥壓電微泵的附壁射流角度θ時(shí),其凈流量會(huì)明顯增大,但是最佳激勵(lì)頻率也會(huì)增加,P2(θ=30°)和P3(θ=45°)在200vpp的異相驅(qū)動(dòng)電壓下面達(dá)到最大凈流量時(shí)的激勵(lì)頻率分別為50Hz和75Hz。3.利用SST湍流模型以及速度邊界條件對(duì)雙腔串聯(lián)附壁射流無(wú)閥壓電微泵的性能進(jìn)行仿真模擬。比較了雙腔串聯(lián)附壁射流無(wú)閥壓電微泵的兩個(gè)振子在不同驅(qū)動(dòng)相位差下面的流量特性,結(jié)果表明兩振子在180°相位差下工作時(shí)微泵的凈流量最大,當(dāng)雷諾數(shù)Re=500,頻率f=50Hz時(shí),異相工作的凈流量為0.955ml/min,接近同相工作時(shí)的三倍。在相同的速度邊界條件下,雙腔串聯(lián)附壁射流無(wú)閥壓電微泵(兩振子異步工作)的凈流量要高于單腔附壁射流無(wú)閥壓電微泵,但雙腔串聯(lián)微泵的容積效率要低于單腔。在背壓表現(xiàn)方面,雙腔串聯(lián)附壁射流無(wú)閥壓電微泵的優(yōu)勢(shì)明顯。從數(shù)值模擬結(jié)果中可以看出雙腔串聯(lián)附壁射流無(wú)閥壓電微泵在高雷諾數(shù),低頻率的工況下性能更優(yōu)。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TH38
【部分圖文】：

圖 1.1 壓電泵的分類(lèi)Fig. 1.1 The classification of micropump1.2.2 典型無(wú)閥壓電泵的工作原理無(wú)閥壓電泵主要是采用特殊結(jié)構(gòu)的流道來(lái)引導(dǎo)流體進(jìn)行單向運(yùn)動(dòng)，因此相于有閥壓電泵它具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：首先是它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件閥門(mén)，能夠有效避免閥片磨損或者故障帶來(lái)的流道堵塞，功能失效的問(wèn)題；其次由于壓電泵本的結(jié)構(gòu)尺寸就相對(duì)較小，因此內(nèi)部閥片的加工制造更加復(fù)雜，無(wú)閥壓電泵就不在此類(lèi)問(wèn)題，無(wú)閥結(jié)構(gòu)使得壓電泵的整體變得簡(jiǎn)單緊湊，大大降低了加工制造度。但是無(wú)閥壓電泵也存在著一些短板，它主要利用特殊的流道結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生流差，使得從出口排出的流量大于從出口吸入的流量從而產(chǎn)生凈流量，所以在整工作周期里面很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)出流，一般情況下它的工作效率也較低。

江 蘇 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文入過(guò)程：壓電振子在交變的激勵(lì)信號(hào)作用下向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，部壓強(qiáng)降低，在壓電泵的進(jìn)出口與外部形成壓差，同時(shí)從進(jìn)而由于錐形管特殊的流道結(jié)構(gòu)，從擴(kuò)散方向吸入的流阻小于阻，因此有更多的流體從擴(kuò)散方向吸入，即進(jìn)口管吸入的出過(guò)程：壓電振子在交變的激勵(lì)信號(hào)作用下向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，部壓強(qiáng)增加，在壓電泵的進(jìn)出口與外部形成壓差，同時(shí)從進(jìn)由于錐形管特殊的流道結(jié)構(gòu)，從擴(kuò)散方向排出的流阻小于從，因此有更多的流體從擴(kuò)散方向排出，即出口管排出的流上兩個(gè)過(guò)程，吸入階段從進(jìn)口管吸入更多的流體，排出階段流體，兩個(gè)階段形成了凈流量差，在一個(gè)工作周期中無(wú)閥壓進(jìn)口向出口的定向輸送。

1992 年德國(guó)人 Richter 首次提出采用無(wú)閥的結(jié)構(gòu)作為新型微泵的設(shè)計(jì)思路并發(fā)表了相關(guān)的專(zhuān)利[27]。第二年瑞典 Chalmers 大學(xué)的 Stemme 等人就研制出了最初的擴(kuò)散/收縮管無(wú)閥壓電微泵[28]，該泵的創(chuàng)新之處在于它摒棄了傳統(tǒng)壓電泵的閥體部件，利用錐形管代替移動(dòng)部件閥門(mén)。該微泵的結(jié)構(gòu)圖和試驗(yàn)樣泵圖如圖1.3 所示，泵體的制作材料為銅，該泵的驅(qū)動(dòng)部件是直徑為 16mm 的壓電振子，微泵腔體直徑為 19mm，腔體深度為 200μm，錐形管元件的最小尺寸寬度為230μm，兩個(gè)按相反方向布置的錐形管起到了單向閥的作用，利用流體從不同方向流入/流出錐形管時(shí)流阻不同的原理，該無(wú)閥壓電微泵成功實(shí)現(xiàn)了流體的單向輸送。該無(wú)閥壓電微泵的工作性能也是十分出色，試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為20vpp，驅(qū)動(dòng)頻率為 110 Hz，該泵的背壓最大可以達(dá)到 2m 水柱，且在相同電壓下頻率提高到 300Hz 時(shí)，該泵的最大流量為 16ml/min。
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