超声行波微流体驱动技术的参数研究与仿真

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微机电系统在过去几十年内发展迅速,作为其重要分支的微流控技术在生物医学工程、化工制药、生物检测、食品安全等领域内里也有了广泛的应用。由于流体的尺度效应,传统的电压力驱动已经不适合微流控体的发展,探索微尺度下更为高效的微流体驱动与控制技术逐渐成为研究热点。基于不同原理的微泵随之产生,其中一些微泵的技术已经得到初步应用。常见的微泵包括有阀微泵与无阀微泵,其中,有阀微泵技术已经比较成熟。但是由于有阀微泵存在可活动部件,其微型化以及使用寿命受到了限制。无阀微泵常见的驱动方式有电渗驱动、热驱动、电磁驱动、静电驱动等,虽然在一定程度上解决了微型化与使用寿命的问题,但目前仍面临较多的技术难题。针对上述问题,本文提出了一种新型的微流体驱动与控制技术——超声行波微流体驱动与控制,改变传统微流体驱动的点压力驱动为面驱动。这种微泵的上管道壁排列压电陶瓷阵列,利用压电陶瓷的逆压电效应使管壁产生形变,并在整个管道壁激起行波,管壁质点作椭圆运动,管内液体在管壁粘附力、液体分子间作用力、声流、声辐射压力等的共同作用下,在微泵出口处产生净流量。超声行波驱动微泵可控性较高,通过改变驱动电压的幅值、相位和频率,可以方便地改变流体的流向和流速。此外,由于这种管壁蠕动型微泵的驱动动作较为温和,且不包含机械阀门等可动部件,在输送生物流体时具有不伤害细胞或生物大分子结构的特性,使其有望在生化分析等领域发挥其特性。本文在分析了行波驱动原理的基础上设计了一种行波驱动微泵的模型,利用有限元软件COMSOL Multiphysics对模型进行了流固耦合分析,研究了不同参数的改变对微泵驱动性能产生的影响。通过分析,验证了该微泵的可行性。本文主要分为四个部分。首先对MEMS在国内外的发展状况以及微流体驱动技术的应用和进展做了概述,介绍了几种常用的微泵并指出其优缺点。其次,分析了压电陶瓷的材料和频率特性,推导了管壁质点行波运动与椭圆运动原理,对超声行波驱动的驱动机制作出了系统的描述。之后,介绍了常用的有限元分析方法、流固耦合分析理论以及有限元分析软件COMSOL Multiphysics,建立了微泵的有限元模型。最后对微泵的基础运动和流体驱动效果做了详细的研究,讨论了微泵在驱动电压幅值、频率,流体动力粘度和耦合面粗糙度改变的情况下对出口流速造成的影响,为超声行波驱动的下一步研究提供了参考。
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