静电微泵动态特性和流量分析

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微机电系统(MEMS)的飞速发展已经取得了举世瞩目的成就。而微流体系统是MEMS的重要组成部分,微泵是其核心的执行部件。静电微泵是一种常见的微泵结构,具有响应时间短、功耗小、可靠性好等优点,并且与IC工艺兼容,具有广阔的应用前景。本文主要对静电微泵泵膜的振动特性和端口的流量特性进行了研究。首先,本文建立了静电微泵泵膜无阻尼自由振动微分方程,求解了固有频率和模态振型,分析了模态振型的特点,以及泵膜结构参数对固有频率的影响。其次,分析了静电微泵的静电驱动力,求解了泵膜在偏置电压作用下的静态位移;给出了防止泵膜静电吸合的条件,建立了静电微泵系统工作状态下的动力学方程,并使用KBM法求解了泵膜在偏置电压和压膜阻尼作用下的自由振动方程,以及在波动电压作用下的受迫振动方程。研究了静电无阀微泵的端口特性,分析了微泵的效率。计算了几种不同工作参数下微泵的流量,研究了静电无阀微泵的流量输出特性,分析了系统参数对静电微泵流量的影响。考虑到直接对微泵结构参数进行优化时约束的复杂性,对优化问题作了适当简化,以泵膜在相同条件下的变形量为优化目标,对泵膜尺寸进行了优化。借助有限元软件ANSYS对泵膜进行了模态分析,求解了前几阶模态振型和固有频率;并使用ANSYS耦合分析方法,求解了泵膜在偏置电压作用下的静态变形,验证了理论分析的合理性。
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