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《西安电子科技大学》 2007年
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面向MEMS设计的微流体流动特性研究

王卫东  
【摘要】: 针对微流体器件内部流动规律的认识还相对落后的现状,开展对微尺度、微结构及微功能器件开展微流体机理研究,寻找合适的微流体力学建模方法,进而对微流体器件的结构及参数进行优化研究,是目前微流体研究中亟待解决的科学问题,将为新结构、新器件的设计提供重要的理论根据。 本文介绍了微流体力学领域的连续介质模型、分子模型和介观模拟方法三类主要的建模方法,并探讨了它们各自的适用场合,这对如何选择微流体器件的建模方法具有理论意义。 对滑流区的微流体流动阻力特性进行了较为系统地分析和研究。基于一阶滑流边界条件,对滑流区的压差流动、剪切流动等典型流动问题进行分析,并得到了几种典型问题的解析解;针对滑流区中典型截面的压差流动的等效粘度修正方法,推导并给出了多种截面流动的等效粘度修正系数及其相关参数,为工程计算提供了一种简便易行的方法。 针对MEMS微结构中的气体压膜问题,基于一阶滑流边界条件,提出了一种双动量协调系数的修正雷诺方程;并对新模型的误差进行了分析,指出采用该模型能够满足MEMS工程设计的精度需求。基于双动量协调系数的修正雷诺方程,对几种典型情况下的不可压缩和可压缩气体的挤压膜阻尼特性进行了详细分析,推导出了压强分布、阻尼力和阻尼系数等参数的解析表达式。完善了原有文献中关于矩形平板在平动和转动情况下可压缩气体压膜阻尼问题的解析解。 对滑流边界条件下Couette流、Stokes流和Poiseuille流三种模型的滑膜阻尼特性进行了研究,给出了三种模型的解析解,并指出了其适用场合。 基于稀薄气体物理学理论和滑流修正的雷诺方程,研究了平板电容式加速度计的气膜阻尼特性,得到阻尼力和阻尼系数的简化解析解;给出了几种减小气膜阻尼的方法,并指出动量协调系数对于气膜阻尼(尤其是压膜阻尼)的影响很大,有待进一步的理论和实验研究。 对中心开孔圆盘在微流体中所受到的阻尼特性进行了研究,得到了微流体压力和流速的分布函数,分析了压膜与滑膜合成阻尼与结构设计尺寸及滑移长度之间的关系,得到了方便于工程实用的解析解。对具有多孔平板的气膜阻尼特性的研究方法进行了综述;针对气体不可压缩情况下具有高通孔率厚板的气膜阻尼特性进行了研究,给出了圆形通孔情形下阻尼系数的解析解:完善了求解多孔平板气膜阻尼问题的有限元方法,将其应用扩展到具有方孔平板的场合。 采用有限差分方法,对微加速度计的动态阻尼特性进行了研究和分析,仿真分析结果与试验数据吻合较好。建立了静电致动式弹性挠曲微梁的动态耦合模型,采用解析方法对微梁挠度远小于气膜厚度的情况进行了分析,得到了气膜阻尼作用下微梁品质因子和谐振频率的表达式;在微梁最大挠度与气膜厚度相当的情况下,采用有限差分方法对系统动态耦合方程进行了离散,给出了方程及其初始条件和边界条件的差分格式,并对系统在常阻尼系数和气膜阻尼情况下的动态响应进行了求解。 对横向振动梳状谐振器的动态气膜阻尼特性进行了研究,理论分析结果与试验数据吻合较好;指出对于横向振动的微结构而言,拖曳力是影响系统动态特性的非常重要因素之一,尤其对系统品质因子影响很大。 针对超薄气膜的润滑问题,提出了一种具有三个可调参数的计算模型;依据线性波尔兹曼方程对Poiseuille流量的预测值,采用最小二乘法得到了三个可调参数的一组最优化值。与其它方法相比,在特征Kn数倒数D很宽的范围内(10~(-4)<D<10~2),采用该模型方程计算得到的压强分布和承载力能更好与采用线性波尔兹曼方程所得到的预测结果相吻合,有利于更好的微流体器件设计。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TH703

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【引证文献】
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【参考文献】
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7 张永乐;杨建超;唐德高;;爆炸冲击震动下浮放设备的抛离分析[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(上)[C];2005年
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1 赵文武;淮南矿区典型煤层水力冲孔技术参数研究及消突效果考察[D];河南理工大学;2010年
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7 张恒超;基于Hookean珠簧链分子模型的高分子粘弹性流动的数值模拟[D];郑州大学;2010年
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10 王永伟;框架一剪力墙结构抗震性能分析[D];郑州大学;2009年
【同被引文献】
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10 张颖;王蔚;田丽;刘晓为;李玲;;微流动的尺寸效应[J];微纳电子技术;2008年01期
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1 范勇;压电致动式微泵的驱动装置结构分析与设计[D];西安电子科技大学;2001年
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10 吴俊徐;硅微通道结构的制作工艺研究[D];华东师范大学;2006年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 董良;MEMS集成室温红外探测器研究[D];清华大学;2004年
2 杨海波;多孔硅基MEMS非制冷红外探测器微结构与工艺研究[D];天津大学;2010年
3 张正元;射频微机械开关与放大器关键技术研究[D];重庆大学;2004年
4 王春田;MEMS数字检波器采集系统技术研究[D];中国地质大学(北京);2011年
5 杜广涛;新型MEMS磁敏传感器的研究[D];西南交通大学;2011年
6 王鹏;基于MEMS矢量水听器阵列的声目标定向定位技术研究[D];中北大学;2013年
7 王佩红;基于MEMS技术的微型电磁式振动能量采集器的研究[D];上海交通大学;2010年
8 肖功利;MEMS金属/电介质光子晶体的强透射特性研究[D];复旦大学;2009年
9 李庄;用于高场不对称波形离子迁移谱仪的MEMS振簧式静电计研究[D];中国科学技术大学;2010年
10 关乐;基于宏模型技术的MEMS系统级仿真研究[D];大连理工大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 宿智娟;MEMS宽带毫米波天线阵列研究[D];上海交通大学;2010年
2 付宇辉;基于MEMS航位推算系统的设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 曾昊骋;MEMS开关与频率可重构天线的研究与设计[D];电子科技大学;2010年
4 华晨辉;MEMS超声分离器的二维简正模式的研究及实验分析[D];电子科技大学;2010年
5 赵明锐;基于MEMS硅基底L波段微带天线的研究与设计[D];电子科技大学;2010年
6 孟丽娜;基于MEMS的微驱动器研制及其特性研究[D];黑龙江大学;2005年
7 苑海静;船用MEMS航姿测量系统算法研究与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 牛凯;4×4MEMS光开关阵列的设计与实验研究[D];清华大学;2004年
9 赵磊;梳齿式MEMS光开关的分析与改进[D];西安电子科技大学;2010年
10 孙发威;扭臂式MEMS光开关的建模与优化[D];西安电子科技大学;2010年
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