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热驱动微型泵的性能分析和实验研究

尹执中  
【摘要】:微流动系统作为微电子机械系统的一个重要领域,在医疗保健、环境监控、化学分析及生物工程中有巨大的市场前景。本论文对热驱动微型泵的丰要部件(驱动膜片和悬臂梁式微型阀)及微型泵的整体性能进行了较系统的理论分析、数值模拟和实验研究。 对驱动膜片的温度响应和振动特性进行了分析和模拟,得到了膜片的温度和振动的频率特性及随功率的变化。基于驱动膜片的温度响应和力的尺寸效应阐明了热驱动方式在微细尺度领域的可行性和优点。对膜片的结构参数进行了优化分析。铝膜形状取为圆形比环形有利于得到更大的泵腔变形容积;减薄硅膜厚度和增加铝膜的厚度也能增大泵腔容积变化量;加热区域位于膜片中央也比位于膜片外围有利于膜片产生更大变形。在此基础上提出了膜片的优化结构参数。 对悬臂梁式微型阀的启动、静态和动态过流特性进行了分析和模拟。得到了微型阀的启动压力和静态下阀的流量与压差的关系以及阀片的几何尺寸对阀的流量的影响。分析表明本文中的微型阀的固有频率比热驱动微型泵的工作频率高得多,因此阀片的动态特性可不予考虑。 通过数值模拟得到了泵的频率特性。泵的流量随加热频率变化有个峰值。在本文给定条件下,当频率为3.3Hz时,泵的流量达到最大(26.96μl/min)。在此基础上提出了泵的最佳工作频率范围。模拟了流量随进出口压差和加热功率的变化,当输入功率为1.0W时,零流量时的压头可达约64kPa。对膜片内有预应力存在和没有预应力时流量随加热功率的变化进行了比较,功率较低时,没有预应力存在时流量较大;而随着功率的增大,有预应力存在的泵的流量迅速增大并能大于没有预应力时的流量。此外,有预应力存在时,在一段功率范围内(如1.2-1.8W),泵的流量与输入功率比最大。 对泵及其主要部件进行了实验和测试。用热像仪对驱动膜片的温度响应进行了测试,得到了不同加热功率和频率条件下膜片的温度响应曲线。用投影散斑数字相关方法对驱动膜片的振动进行了测试,得到了不同加热


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