无阀压电微流体泵工作特性与结构参数

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1、学兔兔www.xuetutu.com第44卷第11期机械工程学报vol-44No．112008年11月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGNov．2008DoI：lO．3901，JME．2008．11．121无阀压电微流体泵工作特性与结构参数木鲁立君吴健康2(1．华中科技大学土木工程与力学学院武汉430074；2．武汉光电国家实验室武汉430074)摘要：根据平面无阀压电微流体泵的结构特点，采用厚度平均的浅水模型和有限元法，得到微流体泵液体一振动片耦合方程。耦合方程的模态分析给出硅片一阶模态自然频率和振型，以及硅片振幅一

2、频率关系。在模态分析之后，加入压电力考察振动片响应、微泵流动特征和微泵流量。同时研究微泵结构参数(微泵压电片半径、扩散管长度、最小宽度、扩散张角)对微流体泵液一固耦合系统的自然频率、振动片振幅和微泵流量的影响，得出对微流体泵优化设计有重要意义的结果。关键词：压电微流体泵浅水方程模型液体一振动片耦合方程中图分类号：TG156WorkingBehaviorandStructureParameterofValvelessPiezoelectricMicropumpsLULijunWUJiankang(1．SchoolofCivilEngineering&Mecha

3、nics，HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074；2．WuhanNationalLaboratoryforOptoelectronics，Wuhan430074)Abstract：Basedonthecharacteristicofplanarvalvelesspiezoelectricmicropumpsthickness-averagedshallowwatermodelandfiniteelementmethodareemployedtodevelopaliquid·di~hragmco

4、upledequationofthemicropump．Themodeanalysisofcoupledequationiscarriedoutforthefirst-ordernaturalfrequency,vibrationshapeandtheamplitude·frequencyrelationofthesilicondiaphram．Aftermodeanalysis，piezoelectricforceisimposedtoinvestigatediaphragmresponse，flowbehaviorandflowrateofmicropu

5、mp．Theefectsofthestructureparameters(thelength，theminimumwidthandthedifuseangleofthemicro-difuser,andtheradiusofpiezoelectricpatch)onthenaturalfrequencyofliquid-solidcoupledsystem，thediaphragmamplitudeandtheflowrateofthemicropumpsarestudied．Significantresultsareobtainedforoptimalde

6、signofthemicropumps．Keywords：PiezoelectricmicropumpsShallowwaterequationmodelLiquid—diaphragmcoupledequation工作效率，增加流量的必要条件。文献[3]还表明，0前言微泵液体流动和硅振动膜的动力耦合作用大大降低微泵系统自然频率除了频率因素之外，微流体泵微流体泵是生物芯片(微流体分析系统)最重要流量还与微泵的结构形状密切相关。泵腔和进出口的流体驱动部件，其中无阀压电微流体泵因为具有微扩散管几何结构，大小尺度也是提高流量的关键易加工、运行可靠、寿命长以及成本低

7、等优点】，参数。文献[4】研究了微扩散管形状尺度对微泵流量已经大量应用。压电微流体泵由是由压电片、硅片的影响。综合外电场频率和微流体泵优化的结构尺(或玻璃，PDMS等)、工作流体和进出口微扩散管度可以得到比较理想的流量效率，这是微流体泵优组成的一个复杂的液一固耦合系统。已有研究表化设计的重要目标。明【3】，当压电驱动频率接近微泵系统一阶自然频率微流体泵除了能满足一定的功能要求以外，人时，硅片振动膜获得可能最大振幅，这是提高微泵们希望通过结构尺寸的优化，尽可能提高微泵的流量效率。近些年有不少人对微泵结构参数进行分析研究。JIANG等pJ、OLSSON等以及SI

8、NGHAL·国家自然科学基金资助项H(1047203