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、生物醫(yī)學(xué)、芯片試驗室系統(tǒng)以及微電子芯片冷卻系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。在各種新開發(fā)出的微泵中,基于逆壓電效應(yīng)的無閥壓電微泵以其結(jié)構(gòu)尺寸小、能耗低、沒有閥片的磨損和疲勞等優(yōu)點逐漸成為研究的熱點。本文在附壁射流無閥壓電微泵的基礎(chǔ)上提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、性能更優(yōu)的雙腔串聯(lián)附壁射流無閥壓電微泵,這種串聯(lián)微泵將兩個附壁射流元件集成在一起,通過兩個泵腔的協(xié)同工作可以實現(xiàn)80%的工作周期都能夠排出流體。以下是本文的主要研究內(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)計算公式。選取硅基材料加工樣泵進(jìn)行外特性試驗,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.通過試驗研究了三種不同結(jié)構(gòu)尺寸的附壁射流無閥壓電微泵(P1、P2和P3)在驅(qū)動電壓為75vpp~250vpp,激勵頻率為25Hz~250Hz下的性能曲線。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),無論是單腔附壁射流無閥壓電微泵還是異相工作的雙腔串聯(lián)附壁射流無閥壓電微泵在激勵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)動電壓一定時,單雙腔附壁射流無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。當(dāng)驅(qū)動電壓為200vpp時,單、雙腔附壁射流無閥壓電微泵對應(yīng)的最優(yōu)驅(qū)動頻率分別為60Hz和50Hz,此時的凈流量分別為0.735ml/min和1.062ml/min。雙腔串聯(lián)附壁射流無閥壓電微泵在異相工作(兩振子驅(qū)動相位差為180°)時的性能要明顯高于同相工作(兩振子驅(qū)動相位差為0°)時的性能,并且當(dāng)兩腔同相工作時微泵會在特定的驅(qū)動條件下出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象。當(dāng)增大雙腔串聯(lián)附壁射流無閥壓電微泵的附壁射流角度θ時,其凈流量會明顯增大,但是最佳激勵頻率也會增加,P2(θ=30°)和P3(θ=45°)在200vpp的異相驅(qū)動電壓下面達(dá)到最大凈流量時的激勵頻率分別為50Hz和75Hz。3.利用SST湍流模型以及速度邊界條件對雙腔串聯(lián)附壁射流無閥壓電微泵的性能進(jìn)行仿真模擬。比較了雙腔串聯(lián)附壁射流無閥壓電微泵的兩個振子在不同驅(qū)動相位差下面的流量特性,結(jié)果表明兩振子在180°相位差下工作時微泵的凈流量最大,當(dāng)雷諾數(shù)Re=500,頻率f=50Hz時,異相工作的凈流量為0.955ml/min,接近同相工作時的三倍。在相同的速度邊界條件下,雙腔串聯(lián)附壁射流無閥壓電微泵(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)附壁射流無閥壓電微泵的優(yōu)勢明顯。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)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH38
【部分圖文】：

圖 1.1 壓電泵的分類Fig. 1.1 The classification of micropump1.2.2 典型無閥壓電泵的工作原理無閥壓電泵主要是采用特殊結(jié)構(gòu)的流道來引導(dǎo)流體進(jìn)行單向運動，因此相于有閥壓電泵它具有兩個明顯的優(yōu)勢：首先是它沒有運動部件閥門，能夠有效避免閥片磨損或者故障帶來的流道堵塞，功能失效的問題；其次由于壓電泵本的結(jié)構(gòu)尺寸就相對較小，因此內(nèi)部閥片的加工制造更加復(fù)雜，無閥壓電泵就不在此類問題，無閥結(jié)構(gòu)使得壓電泵的整體變得簡單緊湊，大大降低了加工制造度。但是無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 文入過程：壓電振子在交變的激勵信號作用下向上運動時，部壓強降低，在壓電泵的進(jìn)出口與外部形成壓差，同時從進(jìn)而由于錐形管特殊的流道結(jié)構(gòu)，從擴散方向吸入的流阻小于阻，因此有更多的流體從擴散方向吸入，即進(jìn)口管吸入的出過程：壓電振子在交變的激勵信號作用下向下運動時，部壓強增加，在壓電泵的進(jìn)出口與外部形成壓差，同時從進(jìn)由于錐形管特殊的流道結(jié)構(gòu)，從擴散方向排出的流阻小于從，因此有更多的流體從擴散方向排出，即出口管排出的流上兩個過程，吸入階段從進(jìn)口管吸入更多的流體，排出階段流體，兩個階段形成了凈流量差，在一個工作周期中無閥壓進(jìn)口向出口的定向輸送。

1992 年德國人 Richter 首次提出采用無閥的結(jié)構(gòu)作為新型微泵的設(shè)計思路并發(fā)表了相關(guān)的專利[27]。第二年瑞典 Chalmers 大學(xué)的 Stemme 等人就研制出了最初的擴散/收縮管無閥壓電微泵[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部件閥門。該微泵的結(jié)構(gòu)圖和試驗樣泵圖如圖1.3 所示，泵體的制作材料為銅，該泵的驅(qū)動部件是直徑為 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/流出錐形管時流阻不同的原理，該無閥壓電微泵成功實現(xiàn)了流體的單向輸送。該無閥壓電微泵的工作性能也是十分出色，試驗結(jié)果顯示當(dāng)驅(qū)動電壓為20vpp，驅(qū)動頻率為 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，該泵的最大流量為 16ml/min。
【相似文獻(xiàn)】

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本文編號：2847385