基于熱氣泡驅(qū)動(dòng)的MEMS無(wú)閥微泵數(shù)值研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的迅速發(fā)展促進(jìn)了微流體系統(tǒng)的廣泛研究，微泵是微流體系統(tǒng)的重要驅(qū)動(dòng)裝置，具有微型化、能耗低、操作簡(jiǎn)單、精確性及集成度高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航天、微電子、環(huán)境監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。因此微泵研究具有重大意義，也一直是微系統(tǒng)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象，倍受人們關(guān)注。
　　 與有閥微泵相比，無(wú)閥微泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在制造工藝上減少了閥片制作和鍵合工序。同時(shí)，無(wú)閥微泵總效率要比有閥微泵高。目前研究的無(wú)閥微泵大部分都是壓電薄膜微泵

2、，但是這種微泵要求外部要有較高的電壓，誤差較大。以熱汽泡方式驅(qū)動(dòng)的無(wú)閥微泵避免了上述缺點(diǎn)。由于汽泡周期性生長(zhǎng)和冷凝是個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，至今為止對(duì)熱汽泡驅(qū)動(dòng)方式的微泵研究還很少，因此通過(guò)數(shù)值模擬方法來(lái)優(yōu)化無(wú)閥微泵擴(kuò)散管/收縮管的幾何結(jié)構(gòu)，了解汽泡生長(zhǎng)和冷凝過(guò)程微泵內(nèi)部流場(chǎng)特性變化對(duì)實(shí)驗(yàn)可提供前瞻性的啟示。
　　 本課題在微泵腔體底部利用電加熱而產(chǎn)生汽泡，以甲醇為工質(zhì)，基于熱汽泡生長(zhǎng)和冷凝為微泵提供泵送壓力源以及擴(kuò)張管/收縮管流動(dòng)阻

3、力特性不同而實(shí)現(xiàn)差量流動(dòng)的原理，對(duì)不同加熱模式、加熱比例、驅(qū)動(dòng)頻率、擴(kuò)張角度以及不同加熱功率時(shí)熱汽泡驅(qū)動(dòng)無(wú)閥微泵工作特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。采用計(jì)算流體力學(xué)Fluent6.3軟件，編寫(xiě)用戶(hù)自定義函數(shù)(User Defined Function，UDF)，將相變所產(chǎn)生的質(zhì)量及能量傳輸添加到控制方程源項(xiàng)中，模擬計(jì)算結(jié)果采用Tecplot360進(jìn)行后處理。
　　 研究結(jié)果表明，在相同加熱比例下微泵泵送流量隨著驅(qū)動(dòng)頻率增加呈現(xiàn)先增加后降低趨

4、勢(shì)，模擬結(jié)果與Tsai的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，在γ=10％，f=250 Hz工況下微泵泵送最大流量為5.87μL/min，該模擬結(jié)果與Tsai的實(shí)驗(yàn)結(jié)果5μL/min吻合較好。而在不同的加熱功率下微泵的泵送流量也會(huì)隨著加熱功率的增加呈現(xiàn)逐漸增加后趨于平緩的趨勢(shì)，這說(shuō)明微泵流量并非隨著加熱功率增大而無(wú)限制增加。微泵擴(kuò)張管/收縮管角度不同泵送流量隨之發(fā)生變化，發(fā)現(xiàn)微泵的擴(kuò)張角度在14°時(shí)泵送流量達(dá)到最大，說(shuō)明在擴(kuò)張角為14°時(shí)微泵工作在最佳出力狀

5、態(tài)，泵送流量最高，微泵的擴(kuò)張管/收縮管角度過(guò)大可能引起倒流，導(dǎo)致泵送流量下降。
　　 微泵在單泡和雙泡加熱模式工作狀況下，即使是相同的加熱面積時(shí)微泵的泵送流量也存在著差別。雙泡模式下微泵的泵送流量要比單泡的泵送流量大，在γ=10％，f=250Hz工況下最大流量為6.57μL/min。不同加熱功率下管道流速隨著加熱功率的增加曲線(xiàn)呈現(xiàn)遞增狀態(tài)，而在相同的加熱功率下，雙泡模式比單泡模式的管道流速要大。微泵腔體中熱汽泡在一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)周

6、期內(nèi)，冷凝的時(shí)間長(zhǎng)于生長(zhǎng)的時(shí)間，隨著加熱功率的增加，汽泡生長(zhǎng)體積會(huì)增大，因而冷凝的時(shí)間也會(huì)變長(zhǎng)。在同一時(shí)刻雙泡模式下微泵的壓力比單泡模式下壓力要大，中心軸線(xiàn)上擴(kuò)張管壓力下降的速度比收縮管壓力下降的速度要快。
　　 在以上研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)并聯(lián)雙腔室熱汽泡驅(qū)動(dòng)微泵工作特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在加熱功率為0.5 W時(shí)并聯(lián)雙腔微泵在γ=10％，f=100 Hz工況下的最大流量可達(dá)到8.16μL/min，在加熱比例γ=20％，驅(qū)動(dòng)頻率為f=