一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀的分析-analysis of a microfluidic active control valve with torus boundary.docx

摘要近年来，随着微机械电子科学的迅猛发展，微流体阀在化学分析与检测、生 物工程、药物释放、微型化生产系统、集成电路芯片以及芯片实验室（Lab-on-Chip） 等领域得到广泛应用。在微流体控制系统中，微流体阀是关键器件之一。传统阀 存在体积大、结构复杂、加工要求高、容易磨损等不足，而且还存在不容易控制、 响应慢和工作噪声大等问题。因此实现一种结构简单、动作可靠、响应快速和易 于连续控制的微流体阀是微流体控制系统中急待解决的问题。本文作者提出并研 究了一种具有圆环面边界的微流体主动阀的原理与结构，在此基础上研究并实现 了基于压电驱动的具有圆环面边界的微流体主动阀的原理与结构。本文的主要研究工作如下包括：1、提出了一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀的原理，通过驱动器带动 薄膜元件变形改变其与圆环面边界之间的过流间隙实现微流体阀的开启、关闭及 其开闭程度。根据上述原理，采用驱动器和薄膜元件构成阀的执行器构造了一种 微流体主动控制阀的结构，并建立了相应的流量控制模型。进而，采用了数值仿 真分析了圆环面边界的内外半径对微流体阀的流量的影响、执行器和进出口压差 对微流体主动控制阀流量的控制特性和阀腔内流体压力分布规律和阀座受力情 况。仿真结果表明：当圆环面边界的外半径一定时，阀流量随着圆环面边界的内 半径的增大而增大；当圆环面边界的内半径一定时，阀流量随着圆环面边界外半 径的增大而减小。2、对复合圆盘形压电振子的组成材料、安装边界条件、覆盖条件和模态进行 了仿真分析。仿真结果表明：PZT-5H 和铝分别作为压电层和基片层时，有利于复 合圆盘形压电振子的变形；相对于固支安装，简支安装的复合圆盘形压电振子变 形较大；相对于半覆盖的结构，全覆盖结构的复合圆盘形压电振子变形较大。同 时，对部分覆盖的复合圆盘形压电振子的结构进行了优化分析，分析结果显示： 当压电陶瓷层和基片层的厚度比约为 0.35 时，弯曲挠度最大；压电陶瓷层和基片层的半径比约为 0.8 时，弯曲挠度最大。3、实现了基于复合圆盘形压电振子驱动的微流体主动阀的原理与结构，并对 圆环面边界内外半径对微流体主动控制阀漏流量的影响、作用于圆盘形压电振子 上的控制电压和进出口压差对微流体主动控制阀流量的控制特性进行了仿真。仿 真结果表明：当圆环面边界的外半径一定时，阀流量随着圆环面边界的内半径的 增大而增大，同时阀漏流量也增大，即止流特性降低；当圆环面边界的内半径一 定时，阀流量随着圆环面边界外半径的增大而减小，同时阀的漏流量也增大，即止流特性降低；相对增大圆环面边界的内半径而言，通过减小圆环面边界的外半径来增大阀的流量时，对阀的止流特性影响较小；在不同的进出口压差作用下， 通过改变作用于复合圆盘形压电振子上的控制电压，可以连续的控制阀的流量。 基于压电驱动的微流体阀的流量和控制电压呈非线性关系变化；在作用于复合圆 盘形压电振子上的控制电压一定时，阀的进出口压差也可以在一定程度上控制阀 流量，而且阀流量与进出口压差呈线性关系变化。微流体阀流量的控制同时受到 控制电压和进出口压差的影响，为了实现阀流量的精确控制，要么进出口压差一 定，要么能够精确监测进出口压差。4、搭建了复合圆盘形压电振子和基于复合圆盘形压电振子驱动的微流体阀的 测试系统，并对复合圆盘形压电振子和基于复合圆盘形压电振子驱动的微流体主 动阀的性能进行了初步的实验测试。测试结果较好的验证了本文提出的两种新型 微流体阀的原理及仿真分析结果。关键词：微流体，主动控制阀，圆环面边界，复合圆盘形压电振子ABSTRACTWith the rapid development of micromechanical electronic science in recent years, mirofluidic valve, which is one of the /dict_result.aspx?searchword=%e5%85%b3%e9%94%ae%e5%99%a8%e4%bb%b6amp;tjType=sentenceamp;stylekey components in the /dict_result.aspx?searchword=%e5%be%ae%e6%b5%81%e4%bd%93amp;tjType=sentenceamp;stylemicrofluid /dict_result.aspx?searchword=%e6%8e%a7%e5%88%b6%e7%b3%bb%e7%bb%9famp;tjType=sentenceamp;stylecontrol systems, has been widely used in many fields of bioengineering such as chemical analysi