【摘要】：近年來隨著科技的快速發(fā)展,微流體技術(shù)(Microfluidics)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域中應(yīng)用日益廣泛。微量流體驅(qū)動作為微流體技術(shù)的重要組成部分,是一種通過各種驅(qū)動方式實現(xiàn)微升甚至納升級別流體的精確泵送技術(shù),包括流體力學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、機械學(xué)和電磁學(xué)等多項學(xué)科內(nèi)容。其中微泵是實現(xiàn)微量流體驅(qū)動的常用裝置,近年來取得了較大的研究進展,在生命科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、航天航空等領(lǐng)域上展現(xiàn)了重要而廣泛的應(yīng)用前景。本文主要基于微量磁流體的動態(tài)驅(qū)動方式,研制了一種磁流體微泵,并實現(xiàn)了微量流體的有效泵送。首先,為能更好的選擇泵送腔室的結(jié)構(gòu)和磁流體驅(qū)動的方式,本文借助ANSYS仿真軟件的有限元法對腔室的具體結(jié)構(gòu)和磁流體的運動方式進行仿真模擬。擇優(yōu)選擇環(huán)型腔室作為泵腔通道結(jié)構(gòu),同時泵腔出入口通道相隔一定距離呈60°的夾角狀;磁流體在泵腔內(nèi)分為兩個部分布置,其中一部分固定于出入口之間的環(huán)形通道內(nèi),另一部分在外界作用力驅(qū)動下沿環(huán)形通道做圓周運動。其次,對驅(qū)動腔室的具體制作展開研究。實驗中選擇聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為泵腔材料,為解決磁流體污染被泵送液體的問題,在實驗中使用硅橡膠作為泵腔隔膜,將磁流體與被泵送液體分隔。為能有效完成泵腔的鍵合,本文對現(xiàn)有PMMA的鍵合條件進行了改進。本文通過正交試驗設(shè)計對影響PMMA鍵合結(jié)果的鍵合溫度、時間、預(yù)壓力等參數(shù)進行分析、設(shè)計和測試,獲得的最優(yōu)鍵合條件為:鍵合溫度115℃,時間70min,預(yù)壓力60N。通過激光雕刻的方式完成泵腔基片的制作,并根據(jù)改進的鍵合條件完成泵腔的有效鍵合與封裝。然后,設(shè)計驅(qū)動磁流體運動的外部磁場控制單元。該單元通過單片機芯片設(shè)置程序,發(fā)送驅(qū)動信號在L298N驅(qū)動器中放大后驅(qū)動步進電機運動,使其按照指定的轉(zhuǎn)速和方向旋轉(zhuǎn),帶動轉(zhuǎn)子上的永磁體運動,從而驅(qū)動磁流體位移引起泵腔隔膜形變,再帶動被泵送液體移動,完成磁流體微泵的泵送功能。本控制單元可通過電路中的按鍵控制電機的轉(zhuǎn)速和方向,并通過顯示器顯示轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動角度。最后,將泵腔與外部磁場控制單元集成封裝后,開始微泵泵送的測試實驗。本文通過對微泵泵送流速、泵送背壓等參數(shù)指標的測量,對微泵的性能進行驗證與測試,得到微泵的最大流速為156.8μL/min,最大背壓為666.4Pa,實驗數(shù)據(jù)達到預(yù)期指標,符合應(yīng)用要求。
【學(xué)位授予單位】：重慶理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R318
【圖文】：

其主要工作原理是利用壓電振子的逆壓電效應(yīng)[2介質(zhì)的極化方向?qū)ζ涫┘与妶�，這些電介質(zhì)將在一定場撤去時，電介質(zhì)恢復(fù)原樣。因此壓電驅(qū)動裝置在工電壓信號，使其不斷產(chǎn)生形變和回復(fù)，引起裝置內(nèi)的和壓力的變化程度，一般采用雙壓電晶片，驅(qū)動電壓變。當晶片向上彎曲時，腔室內(nèi)體積增大，壓力減小彎曲時，腔室內(nèi)體積減小，壓力增大，液體從出口動的效果，如圖 1.1 所示[21]。德國 Dolla 等用硅作為并將其應(yīng)用于人工括約肌系統(tǒng)中[22]；我國的科研工作，吉林大學(xué)機械工程學(xué)院從早期對雙腔體的串聯(lián)式壓腔體四振子結(jié)構(gòu)的壓電泵[24]，以及最近的基于 PD現(xiàn)了對壓電驅(qū)動裝置所開展的大量細致研究。壓電驅(qū)承受背壓高，但缺點也同樣明顯，因壓電晶片的振幅致泵送速度低，且極容易受通道內(nèi)氣泡影響。

種方式都是通過受熱和冷卻的交替變化實現(xiàn)液體泵送效果，故統(tǒng)稱為熱致驅(qū)動。2000年清華大學(xué)尹執(zhí)中等人研究了一種鋁膜和硅膜結(jié)合的復(fù)合膜片的熱驅(qū)動裝置，并對空載下的泵性能和膜片振動隨頻率和功率變化關(guān)系進行了研究，其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示[26]。2005 年 Kim 等人利用 ITO 加熱的方式完成了無閥收縮擴張型微驅(qū)動裝置的研制[27]。熱致動驅(qū)動方式的優(yōu)點在于驅(qū)動功耗小，制作方式簡便；但熱致動方式涉及到多個能量之間的轉(zhuǎn)化，相對復(fù)雜，其受熱和冷卻的可控性差，頻率難以控制，因此一般流量不大，且因使用加熱的方式容易使生物材料降解或生物細胞變性，因此不適用于生物方面的應(yīng)用。圖 1.2 熱驅(qū)動泵基本結(jié)構(gòu)1.2.3 靜電力驅(qū)動美國 Honeywell 公司依據(jù)靜電效應(yīng)，采用雙面拋光法和等離子體蝕刻法的加工工藝研制了一種薄膜懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型驅(qū)動裝置。其工作原理是：當對泵腔中的隔膜和負電極之間施加交變電壓時，泵膜由于強靜電力的作用反復(fù)彎曲和恢復(fù)，從而導(dǎo)致泵腔的容積形成周期性變化，實現(xiàn)連續(xù)泵送流體的目的。Zengerle 等人根據(jù)靜電力致動原理制作了薄膜泵，微泵主要由兩個被動止回閥、一個泵膜和一個靜電驅(qū)動的電極這四個硅片組成

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2 劉生根;李德睿;吳桐;;核電站重要廠用水泵腔積氣共性問題原因分析及改進[J];水泵技術(shù);2019年03期

3 王立文;高殿榮;楊林杰;;壓電驅(qū)動無閥微泵泵腔流場分析[J];機床與液壓;2005年12期

4 劉在倫,陳云富,曾偉;離心泵在設(shè)計工況下泵腔內(nèi)壓力分布的研究[J];蘭州理工大學(xué)學(xué)報;2005年01期

5 胡貴敏;葉輪后蓋泵腔級間泄漏的計算分析[J];湖南農(nóng)機;2000年03期

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本文編號：2742121