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静电驱动振膜型微泵理论研究

吴红刚  
【摘要】:随着集成电路技术的日趋成熟,微系统(MEMS,Micro Electro-Mechanical System)的发展取得了长足的进步。如今,微小型化已经成为当代科技发展的重要方向之一。而微流体学是MEMS的一个重要分支,近年来己经成为热门的研究领域。微泵、微阀等的蓬勃发展更标志着微流体学的成功。而进入21世纪后,研究者已经不局限于这些功能相对单一,专业化程度较高,独立性强的器件,集成化程度高、组合型的多功能微流体器件也越来越成为微流体器件的研究重点。 本文立足于对微型静电驱动型的泵或压缩机等微型流体机械进行了建模与分析。所研究的泵或压缩机等微型流体机械采用静电驱动振膜振动的方式,利用膜片的运动对制冷剂进行压缩,以达到制冷系统工况要求。本文主要围绕微型静电驱动型的泵或压缩机的建模分析和比较展开。 在基于最小能量法对微泵或压缩机进行分析的模型-Saif最小能量法基础上,对最小能量法模型进行了改进,发展建立了两个分析模型,并提供了解析解。其中第一个模型(单腔挠度试解最小能量法)研究对象相对简单,可用于与现有部分工作进行对比,其膜片结构在Saif模型基础上进行了改进,结果也更符合实际情况。第二个模型(双腔挠度试解最小能量法)则结合了前面两个模型的优点,采用双腔结构,限制了膜片变形,能显著提高压头。 在选择关键设计参数时,采用不同膜片厚度、膜片介电层厚度及驱动电压来研究设计参数与微泵或压缩机压头的关系。通过模型计算,可知双腔挠度试解最小能量法模型具有明显的优势。采用双腔结构,可以增大流量,提高工作效率;减小膜片变形,显著提高压头;可能满足压缩机设计。


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