基于熱氣泡驅(qū)動的MEMS無閥微泵數(shù)值研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、微機電系統(tǒng)(MEMS)的迅速發(fā)展促進了微流體系統(tǒng)的廣泛研究,微泵是微流體系統(tǒng)的重要驅(qū)動裝置,具有微型化、能耗低、操作簡單、精確性及集成度高等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航天、微電子、環(huán)境監(jiān)測等各個領(lǐng)域。因此微泵研究具有重大意義,也一直是微系統(tǒng)領(lǐng)域的重點研究對象,倍受人們關(guān)注。
   與有閥微泵相比,無閥微泵結(jié)構(gòu)簡單,在制造工藝上減少了閥片制作和鍵合工序。同時,無閥微泵總效率要比有閥微泵高。目前研究的無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)動的無閥微泵避免了上述缺點。由于汽泡周期性生長和冷凝是個極其復(fù)雜的過程,至今為止對熱汽泡驅(qū)動方式的微泵研究還很少,因此通過數(shù)值模擬方法來優(yōu)化無閥微泵擴散管/收縮管的幾何結(jié)構(gòu),了解汽泡生長和冷凝過程微泵內(nèi)部流場特性變化對實驗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),基于熱汽泡生長和冷凝為微泵提供泵送壓力源以及擴張管/收縮管流動阻

3、力特性不同而實現(xiàn)差量流動的原理,對不同加熱模式、加熱比例、驅(qū)動頻率、擴張角度以及不同加熱功率時熱汽泡驅(qū)動無閥微泵工作特性進行了數(shù)值模擬。采用計算流體力學(xué)Fluent6.3軟件,編寫用戶自定義函數(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中,模擬計算結(jié)果采用Tecplot360進行后處理。
   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)動頻率增加呈現(xiàn)先增加后降低趨

4、勢,模擬結(jié)果與Tsai的實驗結(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的實驗結(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隨著加熱功率的增加呈現(xiàn)逐漸增加后趨于平緩的趨勢,這說明微泵流量并非隨著加熱功率增大而無限制增加。微泵擴張管/收縮管角度不同泵送流量隨之發(fā)生變化,發(fā)現(xiàn)微泵的擴張角度在14°時泵送流量達到最大,說明在擴張角為14°時微泵工作在最佳出力狀

5、態(tài),泵送流量最高,微泵的擴張管/收縮管角度過大可能引起倒流,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完整的驅(qū)動周

6、期內(nèi),冷凝的時間長于生長的時間,隨著加熱功率的增加,汽泡生長體積會增大,因而冷凝的時間也會變長。在同一時刻雙泡模式下微泵的壓力比單泡模式下壓力要大,中心軸線上擴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)上進一步對并聯(lián)雙腔室熱汽泡驅(qū)動微泵工作特性進行了分析,發(fā)現(xiàn)在加熱功率為0.5 W時并聯(lián)雙腔微泵在γ=10%,f=100 Hz工況下的最大流量可達到8.16μL/min,在加熱比例γ=20%,驅(qū)動頻率為f=

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