串联式开通道直流电渗泵的设计

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电渗泵无需可移动机械部件,其微加工工艺简单,容易与其他微器件实现单片集成,可获得很高的压力性能,压力输出连续并且无脉动,可广泛应用于高效液相色谱仪、微全分析系统、片上实验系统、微冷却系统、微量给药装置、微机械器件流体驱动等场合,是微系统中输出压力和流量的液压致动元件。本论文的目标是设计同时具有低驱动电压、高压力和高流量的性能趋势的电渗泵,为了使设计的电渗泵能够实现片上集成,其结构设计必须满足标准的MEMS微加工工艺。   本文首先研究了电渗流产生的基本原理;分析了微通道中双电层产生的机理,并采用Possion-Boltzmann方程描述了zeta电势的分布状态;采用N-S方程和Debye-Huckel近似得到了开通道电渗泵中最大流量、最高压力以及热动力效率的的解析表达式;最后描述了等效电路法求解串联开通道电渗泵的电渗流性能的方法。   采用理论模型求解和有限元数值仿真的方法分析了影响电渗泵性能的因素,主要包括驱动电压、微通道的尺寸、微通道截面形状和工作溶液的性质。总结出了各因数影响电渗流性能的趋势,为串联式开通道直流电渗泵的设计提供了理论依据。   结合MEMS微加工工艺,设计了并、串联相结合的电渗泵微通道结构;金属电极的设计满足微加工工艺要求,可集成制作在硅衬底上。应用Coventorware的虚拟微加工建模方法建立了单级并联微通道电渗泵的三维模型,对电渗流性能进行了数值分析,结果表明设计的串联式开通道电渗泵结构具有高流量高压力的优势。设计了串联式开通道直流电渗泵的微加工工艺流程,采用L-edit绘制了串联开通道电渗泵的加工版图,制作了串联开通道电渗泵工艺样品。
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