壓電無閥薄膜微泵多場耦合建模與仿真研究.pdf

1、隨著微加工技術(shù)的飛速發(fā)展,微型化、自動化、集成化、智能化、批量化微流控系統(tǒng)已成為各國學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所矚目并研究的一個熱點,并公認(rèn)將會給21世紀(jì)的生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究和化學(xué)分析帶來一場革命。作為核心部件的驅(qū)動子系統(tǒng),對微流控系統(tǒng)的輸出性能有著決定性的影響。驅(qū)動子系統(tǒng)的高效高穩(wěn)定性工作是微流控系統(tǒng)實現(xiàn)長期可靠應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。但是目前關(guān)于驅(qū)動子系統(tǒng)研究仍偏重于驅(qū)動機(jī)理設(shè)計和加工方法的討論,而對于微尺度下基礎(chǔ)理論的研究仍處在初步探索階段。這給驅(qū)

2、動子系統(tǒng)的分析和設(shè)計提出了極大的挑戰(zhàn),嚴(yán)重地限制了微流控系統(tǒng)的發(fā)展速度,并阻礙從實驗?zāi)Ｐ拖蛏虡I(yè)化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化過程。
　　 本文以微流控系統(tǒng)中常用的驅(qū)動子系統(tǒng)一壓電無閥薄膜微泵為研究對象,研究無閥薄膜微泵及相關(guān)組件(壓電驅(qū)動器和微型收縮管/擴(kuò)張管)的工作特性。壓電無閥薄膜微泵服役機(jī)理十分復(fù)雜,基礎(chǔ)理論研究還存在不少爭議。影響無閥薄膜微泵基礎(chǔ)理論發(fā)展的幾個關(guān)鍵因素在于:①微型器件集成度的提高,導(dǎo)致服役過程中多學(xué)科、多過程和多變量強(qiáng)耦合

3、效應(yīng)增強(qiáng),難于從單一學(xué)科推演出有效的分析方法和實用的設(shè)計準(zhǔn)則；②實際的力學(xué)行為十分復(fù)雜,連續(xù)介質(zhì)模型是否適用、建立何種模型、適用范圍如何仍然需要進(jìn)一步討論；③微型器件特征尺寸的減小,增加了微觀流體動力學(xué)現(xiàn)象仿真分析和實驗觀測的難度,建立合適的模擬技術(shù)是十分必要的。
　　 本文圍繞多過程和多變量強(qiáng)耦合作用下壓電無閥薄膜微泵系統(tǒng)設(shè)計研究所迫切需要解決的有關(guān)理論和技術(shù)問題,通過理論分析、有限元仿真和物理實驗相結(jié)合的方法,對薄膜微泵強(qiáng)耦

4、合建模理論(主要涉及電-固域內(nèi)耦合以及流-固邊界耦合等)展開了系統(tǒng)深入的研究,提出了壓電無閥薄膜微泵及相關(guān)組件的跨物理域耦合模型和數(shù)字化行為仿真方法,并初步探索采用集成數(shù)字化仿真的UML設(shè)計平臺實現(xiàn)微流控系統(tǒng)和壓電無閥薄膜微泵快速設(shè)計的關(guān)鍵理論,上述研究為壓電無閥薄膜微泵的設(shè)計和加工提供理論指導(dǎo)和設(shè)計參考。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點包括:
　　 1.改進(jìn)了壓電驅(qū)動器電-固耦合建模理論中的若干細(xì)節(jié)問題,使該理論在逐步改進(jìn)中趨于實用化:①

5、基于等效多層薄板模型假設(shè)和壓電耦合理論,提出了適用于積層式圓形壓電驅(qū)動器和單壓電晶片驅(qū)動器的電-固耦合通用模型,將等效多層薄板模型的研究范圍從宏觀結(jié)構(gòu)對稱型壓電驅(qū)動器的性能分析擴(kuò)展到微觀非對稱型壓電驅(qū)動器的狀態(tài)預(yù)測；②為了簡化非對稱型壓電驅(qū)動器的理論分析過程,基于電-固耦合通用模型相關(guān)假設(shè)以及能量變分原理,提出了單壓電晶片驅(qū)動器電-固耦合變分模型,提高了現(xiàn)有耦合變分模型的預(yù)測精度。
　　 2.基于數(shù)值模擬實驗和物理實驗,分析了壓

6、電驅(qū)動器的耦合特性,提出了壓電驅(qū)動器優(yōu)化設(shè)計思路:利用數(shù)值模擬實驗和物理實驗分析了壓電驅(qū)動器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性,論證了電-固耦合通用模型和電-固耦合變分模型的有效性以及適用范圍,揭示了壓電驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對于器件橫向彎曲的影響,證實壓電驅(qū)動器存在最佳的尺寸參數(shù)使工作性能最優(yōu)。
　　 3.綜合考慮電場、機(jī)械場和微流場的耦合作用,提出了壓電薄膜微泵電-固-流耦合變分模型:基于壓電驅(qū)動器電-固耦合變分模型、流體雷諾輸運定律和能量損失

7、理論,提出了壓電無閥薄膜微泵的電-固-液強(qiáng)耦合變分模型,推導(dǎo)出壓電無閥薄膜微泵的諧振頻率和輸出特性方程；定性地研究泵腔結(jié)構(gòu)變化對于無閥微泵輸出特性的影響。上述耦合變分模型比現(xiàn)有的簡化模型能夠更加全面地反映薄膜微泵的工作特性,為薄膜微泵耦合建模理論的發(fā)展提供了新的思路。
　　 4.基于有限元數(shù)值模擬,分析了收縮管/擴(kuò)張管的微擴(kuò)散特性,并提出了壓電無閥薄膜微泵耦合行為仿真分析方法:利用商業(yè)有限元軟件ANSYS建立了微型收縮管/擴(kuò)張管

8、有限元模型,對管內(nèi)微流場特性進(jìn)行了深入的仿真分析,確定了結(jié)構(gòu)參數(shù)和流態(tài)變化對于收縮管/擴(kuò)張管擴(kuò)散性能的影響；建立了壓電無閥薄膜微泵的電-固-液耦合仿真模型,更加直觀地、系統(tǒng)地揭示了結(jié)構(gòu)參數(shù)對微泵輸出性能的影響,為實現(xiàn)微泵性能的優(yōu)化設(shè)計提高了有效的思路。上述有限元耦合仿真方法的建立彌補了壓電無閥薄膜微泵仿真實驗缺乏的現(xiàn)狀。
　　 5.探索性地提出壓電無閥薄膜微泵在藥物傳輸中的應(yīng)用思路,初步建立了融合行為仿真分析和UML的微流控系統(tǒng)

9、/器件的設(shè)計策略和理論:比較完整地提出了壓電無閥薄膜微泵在糖尿病患者藥物治療系統(tǒng)中的應(yīng)用思路；為了表達(dá)設(shè)計思想并實現(xiàn)微流控系統(tǒng)快速設(shè)計,探索性地提出了基于有限元仿真分析及統(tǒng)一建模語言(UML)的微系統(tǒng)設(shè)計策略和建模方法；建立了微流控藥物傳輸系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)模型和需求模型,全面地反映系統(tǒng)器件/子系統(tǒng)間的拓?fù)潢P(guān)系、信息傳遞和系統(tǒng)功能；開發(fā)了壓電無閥薄膜微泵設(shè)計軟件,驗證了上述設(shè)計理論的有效性。上述設(shè)計理論融合微流控元件的設(shè)計建模、耦合場分析