超声行波微流体驱动技术的基础研究

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随着MEMS技术在生物医学领域的广泛应用,微米乃至纳米构件中流体的驱动与控制技术的研究已逐渐成为一个研究热点。超声行波驱动在原理上不同于当前各种微流驱动技术,它是利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声振动在输送管道壁上激起行波,该行波使输送管道壁质点产生与管道壁垂直的椭圆运动,使管道内的液体产生行波声场,在雷诺切应力、声辐射压力、管壁黏附力和液体分子间的作用力共同作用下,使液体沿行波方向运动,是一种新的微流体驱动技术。作为一种新型微流体驱动技术,超声行波驱动没有可动部件,所需驱动电压低,材料选择较广泛,可适用于各种环境,具有广泛的应用前景。本文针对国家自然科学基金(项目编号:10572078)和山东省优秀中青年科学家奖励基金(项目编号:2004BS05006)项目中有关超声行波微流体驱动与控制技术的可行性和驱动模型,从动力学分析的角度进行了较为深入的研究。首先,介绍了微流体驱动技术的国内外发展现状,详细分析了行波形成和椭圆运动的机理,深入讨论了压电陶瓷的逆压电效应及其材料特性和频率特性,通过对声辐射压力及声流产生机理的研究,得出驱动机理与模型参数的关系,为超声行波微流体的驱动控制打下基础。然后,利用ANSYS有限元软件,分别对圆环形模型和直管型模型的动力学特性进行了分析研究。通过有限元模态分析,讨论了模型固有频率与基体结构参数的关系,并分析了沟道尺寸对固有频率的影响。通过基于逆压电效应的激振响应分析,激励出所需振型,得出了响应位移随频率的变化特性,为模型的进一步优化设计提供指导。最后,本文将面向对象有限元法引入微流体分析软件(MFA)的设计中,实现了一个微流体有限元分析软件框架,软件整体由前处理模块,有限元计算模块,后处理模块组成,实现了模型的构造(前处理)和实际计算的分离,并通过算例说明了该软件设计的实用性。目前该研究方向尚处于起步阶段,流体的运动机理和实现方式尚有大量的基础工作要做。
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