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1、介电弹性材料驱动的大流量无阀微泵研究第16卷第6期2010年12月功能材料与器件JOURNAL0FFUNCTIONALMATERIALSANDDEVICESV01.16.No.6Dec..2O10文章编号:1007—4252(2010)06—0555—05介电弹性材料驱动的大流量无阀微泵研究胡树林,陈花玲,李博,强俊花(西安交通大学机械工程学院,西安710049)摘要:在对基于介电弹性材料的无阀微泵流量分析基础上,从增加流量的角度出发,分析了结构参数对流量的影响规律,并对微泵泵膜预拉伸率及封装材料对微泵流量的影响进行了实验
2、研究.实验结果表明,采用参数优选后的无阀微泵结构可使微泵的流量大幅度增加,可达到500的流量.该类型无阀微泵在生物医学等微流体系统中的应用具有广泛的前景.关键词:无阀微泵;介电材料;振动膜中图分类号:TB381文献标识码:AStudyofthevalvelessmicropumpdrivenbydielectricelastomerHUShu—lin,CHENHua—ling,LIBo,QIANGJun—hua(SchoolofMechanicalEngineering,XihnJiaotongUniversity,Xih
3、n710049,China)Abstract:Theeffectofstructuralparametersonthepumpingperformanceofakindofvalvelessmi—cropumpdrinvenbyakindofdielectricelastomerwasstudiedinthispaper.Theimprovementofdia—phragmspre——stretchedanddifferentsealmaterialswereinvestigatedinordertoachievelarg
4、erflowrate.Accordingtothesimulationandexperimentaldata,theflowrateupto500canbeobtainedbyparameteroptimizing.Thisvalvelessmicropumpisusefulforapplicationofmicroflnidicsysteminbiomedicalfields.Keywords:ValvelessMicropump;Dielectricelastomer;DiaphragmO引言目前微流体系统中使用的动力
5、元件一般为振动膜式微泵,但是驱动振动膜的许多驱动元件常存在驱动频率低或冲程体积小等缺点而导致流量太小,从而大大限制了微流系统的开发与应用.介电弹性体(DielectricElastomer,简称DE)是被称作"人工肌肉"一一EAP(ElectroactivePolymer)的一种材料,当在其两个表面覆盖上柔性电极并施加高电压(大于3000V)时,弹性体可产生达300%的应变uI2J.这类材料在电场作用下响应快,可产生大幅变形,其变形幅度远大于现有的压电材料,将其应用于微泵的驱动元件,有望克服现有微泵存在流量小的缺点.此外,
6、本研究提出的基于DE驱动的无阀微泵采取uV—LIGA非硅工艺加工的SU一8材料作为微泵的基体,其加_r=工艺比传统硅工艺简单,成本低,易于批量生产且生物兼容性好,在生物医学微系统中具有广阔的应用前景.收稿日期:2009—11～30;修订日期:2010—04—05基金项目:本项目得到国家863项目(2006AA04Z350)及国家自然科学基金(No.10972174)资助.作者简介:胡树林(1984一),男,江西高安人,硕一卜研究生,研究方向:基于电致动聚合物驱动的大流量微流体系统研究556J』J能材料与器什16卷本课题组前
7、期已经利用I)E材料作为微泵动材料设计制作了无阀微泵结构,初步实现了微泵流量的定向流动J.但由于基于DE材料的微泵结构属于一种新型智能材料的应用,一些基本问题的研究尚不充分,导致其流量难以达到预期的500的目标基于此状况,本文主要从提高流量的角度出发,详细研究了微泵流量与结构参数的一些基本关系,并通过实验方法确定了DE材料预拉伸量,封装层材料等与流量的关系.在此基础上设计制作了新的微泵结构,其性能实验表明,该微泵结构达到了预定流量指标.本文的研究成果对于微泵的发展和应用AP.Fig.1Sketchof(a)diffuser
8、&(b)nozzle图1尤阀微泵(a)扩散/(b)收缩管示意图无阀微泵的扩散管和收缩管示意如图1所示.1作中,微泵在一个周期T内的平均流量可用下式表示:,2Vll(J了ld】+1=[]=2](1)式中,为无阀微泵的腔体体积变化值,为微泵的T作周期厂为微泵的工作频率,为收缩管的压强损失系数,为扩散
