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MEMS超声分离器的二维简正模式的研究及实验分析

华晨辉  
【摘要】: 微机电系统(Micro Electro-Mechanical System,MEMS)中利用声辐射力分离流体中的悬浮颗粒具有特别的优势,国内外研究人员在这方面已取得了诸多成果,主要是基于平面驻波和层流分离悬浮颗粒的原理建立多层谐振结构的超声微分离器模型。另外,国外也有人研究基于二维超声驻波场的MEMS器件,但并没有建立起这些MEMS器件二维超声驻波场的完整的理论声学模型,在二维模式下成功分离出大量清洁流和混浊流的实验也尚未发现。 本文通过研究MEMS超声分离器的二维简正模式,建立了超声分离器流体腔的理论声学模型,在实验中激发了超声分离器流体腔二维简正模式,并观察到大量清洁流和混浊流从出流口流出,主要工作包括: 1.根据声电类比原理,分析了MEMS超声分离器的流体腔矩形横截面构成的二维振动系统,从波动方程出发,推导了该二维超声振动系统的一组解析解,建立了流体腔矩形截面的二维等效电路模型,根据该模型得到了二维简正模式的谐振频率;通过ANSYS软件对MEMS超声分离器进行有限元的仿真分析,验证了模型的可行性,并得到了最佳激发频率。 2.结合MEMS连接装置加工工艺的要求,增大了流体腔出入流孔的直径,并进一步分析了出入口处斜流道的设计带来的益处;结合声学理论,对MEMS超声分离器流体腔的尺寸设计进行了深入的阐述,并设计了两种结构尺寸的分离器。 3.搭建了一个基于二维简正模式的超声分离实验平台,包括设计分离器连接与管路系统,激发分离器中的简正波,准备悬浮液等;采用单片PZT激发(2,1)阶和双片反相位PZT激发(1,1)阶简正模式的实验均取得了一定分离效果,并进一步研究了影响实验分离效果的各种因素,包括改变PZT的布置方式,配制不同浓度的悬浮液,改变导线的连接方式,匹配超声波的激发功率等等。实验表明,这些影响因素并不能从根本上提高实验分离效果,并提出了进一步研究的方向。


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