超聲行波微流體驅動的基礎研究和有限元分析.pdf

1、隨著MEMS技術在生物醫(yī)學分子檢測與生化分析領域的廣泛應用，微米構件中流體的驅動與控制技術的研究已逐漸成為一個研究熱點。超聲行波驅動在原理上不同于當前各種微流體驅動技術，它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應產生超聲振動在輸送管道壁上激起行波，使管道內的液體產生行波聲場，在雷諾切應力、聲流、聲輻射壓力、管壁黏附力和液體分子間的作用力共同作用下，使液體沿行波方向運動，是一種新的微流體驅動技術。作為一種新型微流體驅動技術，超聲行波驅動沒有可動部件，所

2、需驅動電壓低，材料選擇較廣泛，可適用于各種環(huán)境，具有廣泛的應用前景。 本文針對國家自然科學基金、山東省自然科學基金和山東省優(yōu)秀中青年科學家獎勵基金項目中有關超聲行波微流體驅動與控制技術的可行性和驅動模型，從聲學和動力學分析的角度進行了較為深入的研究。 首先，介紹了微流體驅動技術的國內外發(fā)展現狀，詳細分析了行波形成的機理，深入討論了壓電陶瓷的逆壓電效應及其材料特性和頻率特性，通過對聲輻射壓力及聲流產生機理的研究，得出驅動機

3、理與模型參數的關系，為超聲行波微流體的驅動控制打下基礎。 然后，利用ANSYS有限元軟件，對圓環(huán)形模型結構、動力學特性和聲學耦合特性進行了分析研究。通過有限元模態(tài)分析，討論了模型固有頻率與基體結構參數的關系，并分析了溝道尺寸對固有頻率的影響。通過基于逆壓電效應的激振響應分析，激勵出所需振型，得出了響應位移隨頻率的變化特性，為模型的進一步優(yōu)化設計提供指導。針對接下來的難點耦合場分析，通過ANSYS中的FSI(流固耦合接口)，建立模

4、型實現了聲學流體單元和固體單元(彈性體和壓電體)的耦合，并得到了圓盤溝道內聲壓的分布圖，從而對研究聲流和聲壓在流體驅動中的作用又前進了一步，為以后的課題研究打下了堅實的基礎。 接著，由于聲壓聲場在微流體驅動技術中起主要做用，所以為了分析聲流驅動機理及其聲壓分布，以非接觸式超聲馬達為例，利用邊界層理論分析了聲流的產生，得出速度流型與邊界層厚度、流體厚度的關系，分析了聲流在邊界層內的作用。運用有限元仿真方法對流體媒質中聲場和定子的模