電磁驅(qū)動(dòng)柔性振動(dòng)膜并聯(lián)微泵的研究.pdf

1、基于MEMS技術(shù)的微泵,它是微流體系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,具有體積小、功耗低、適宜批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。微泵作為微流體系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件,在生物、化學(xué)、醫(yī)療、檢疫以及國防等方面構(gòu)建微分析系統(tǒng)(μTAs)有著廣泛的用途或潛在的市場需求,并可應(yīng)用于特殊場合。 目前研究的微泵主要可分為機(jī)械式微泵和非機(jī)械式微泵,其中機(jī)械式微泵中的振動(dòng)膜式微泵和非機(jī)械式微泵中的電滲流微泵的研究比較活躍?，F(xiàn)有機(jī)械式振動(dòng)膜微泵的驅(qū)動(dòng)器多采用壓電驅(qū)動(dòng)方式或靜電驅(qū)動(dòng)方式,其振幅小

2、,所需要的驅(qū)動(dòng)電壓偏高,驅(qū)動(dòng)頻率較高；而采用雙金屬片和形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微泵,其頻率過低,流量小,時(shí)滯較大。鑒于目前微泵的研究現(xiàn)狀,為了改善微泵的性能,本文提出了一種電磁驅(qū)動(dòng)柔性膜無閥并聯(lián)微泵,采用電磁雙向驅(qū)動(dòng)方式、楊氏模量小和硅橡膠作為振動(dòng)膜,以及動(dòng)態(tài)被動(dòng)閥作為泵體,這不僅簡化了制作工藝,減小加丁難度,而且能夠更容易的獲得較好的驅(qū)動(dòng)性能。 本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下: 討論了微泵噴嘴的單向流機(jī)理,也就是噴嘴的流向依

3、賴特性,從能量轉(zhuǎn)換的角度探討了噴嘴的整流能力,并得出,對于張角α=70°的噴嘴要得到明顯的整流效果,要求噴嘴的相對長度 (噴嘴的長度l與噴嘴的喉口邊長d<,0>之比)須大于2.采用板殼振動(dòng)理論和電磁場理論對電磁驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行分析,得出振動(dòng)膜磁體需要和驅(qū)動(dòng)線圈保持一定的垂直距離,以獲得最佳驅(qū)動(dòng)性能,這一距離和線圈的平均邊長有關(guān)系。 設(shè)計(jì)微泵的結(jié)構(gòu)尺寸,并進(jìn)行分析和優(yōu)化。采用整體分析法對微泵的驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行了分析,并用有限元數(shù)

4、值分析工具ANSYS軟件對其進(jìn)行模擬；進(jìn)一步對微泵驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行分析和理解,分析結(jié)果與前述基本一致.對電磁驅(qū)動(dòng)線圈的驅(qū)動(dòng)l生能也進(jìn)行了數(shù)值分析,驗(yàn)證了永磁體陣列分布能充分發(fā)揮振動(dòng)膜的柔性這一優(yōu)點(diǎn).采用MEMS 工藝制作了所設(shè)計(jì)的微泵。所涉及的工藝主要有濺射、光刻、電鍍、永磁體(C oNiMnP)電鍍、硅的濕法刻蝕、玻璃的濕法刻蝕、聚酰亞胺工藝、硅橡膠工藝以及拋磨工藝等。 本研究主要集中于永磁體的電鍍和硅橡膠振動(dòng)膜的工藝,

5、采用永磁體可以制作雙向驅(qū)動(dòng)器,充分利用空間；利用硅橡膠楊氏模量低的特性得到較大的振幅.采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)處理顯影后盼硅片,得到很好的電鍍一致性。同時(shí),磁體為陣列分布,有效地減小了鍍層與種子層間的內(nèi)應(yīng)力,有利于電鍍更高的結(jié)構(gòu)。在電鍍線圈時(shí)采用聚酰亞胺取代氧化鋁作為絕緣層和結(jié)構(gòu)層,制作工藝方便,而且內(nèi)應(yīng)力小,不至于使基片變形,后續(xù)拋磨方便.為了便于微泵泵口進(jìn)出管道的聯(lián)接,設(shè)計(jì)采用一玻璃基片作為過渡片,在玻璃基片上用HF溶液刻蝕管道,

6、并用硅橡膠對玻璃片進(jìn)行密封,經(jīng)濃硫酸加雙氧水處理過的玻璃片與硅橡膠密封效果良好。 構(gòu)建微泵的試驗(yàn)裝置,該裝置由低頻電源、微泵、塑料軟管、儲(chǔ)水池和顯微鏡組成。首先對電磁驅(qū)動(dòng)器的直流驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)表明,振動(dòng)膜的位移量與線圈的驅(qū)動(dòng)電流、振動(dòng)膜磁體與線圈平面之間的垂直距離有關(guān)。當(dāng)線圈電流為0.35A,振動(dòng)膜與線圈間距為100μm時(shí)振動(dòng)膜的位移達(dá)到最大,為40.21μm.對微泵的流體驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行測試,試驗(yàn)表明,在0.351A、頻