超聲行波微流體驅(qū)動與控制技術(shù)的基礎(chǔ)性研究

超聲行波微流體驅(qū)動與控制技術(shù)的基礎(chǔ)性研究山東大學(xué)碩士論文1緒論本項目致力于一種新原理的微流體驅(qū)動與控制技術(shù)——超聲行波微流體驅(qū)動和控制技術(shù)的研究。原理：利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲振動在輸送管道壁上激起行波，該行波使輸送管道壁質(zhì)點產(chǎn)生與管道壁垂直的橢圓運動，通過液體對管壁的粘附力及聲流驅(qū)動流體流動，是一種新的微流體驅(qū)動技術(shù)，變傳統(tǒng)的點驅(qū)動為面驅(qū)動(整個管壁都為驅(qū)動源)。1緒論基于該理論的微流體驅(qū)動與其他微流體驅(qū)動方式相比具有很多優(yōu)點:無可活動部件，控制方式簡單多樣，控制精度較高。預(yù)計可能出現(xiàn)層流現(xiàn)象，在越接近管壁的地方流體的流動速度越快，與壓力驅(qū)動的流速分布恰好相反，這種特性在微流體散熱學(xué)方面是最為理想的，對目前亟待解決的航空電子微流體散熱系統(tǒng)，提高熱擴(kuò)散效率，減輕航天發(fā)射質(zhì)量(現(xiàn)20萬美元K/g發(fā)射費用);以及對于日益興起的MEMS散熱、CPU散熱非常有益;可用于微分析芯片和藥物釋放系統(tǒng)中;和壓力驅(qū)動結(jié)合用于宏觀流體的輸送，由于管道壁質(zhì)點的空間橢圓運動可以有效防止管壁的結(jié)垢，對熱力、管道水、化工管道等易結(jié)垢系統(tǒng)都有廣泛的應(yīng)用價值。據(jù)調(diào)研，國內(nèi)外對超聲行波液相驅(qū)動的報道很少。1緒論本文所作工作：(1)推導(dǎo)了微流體驅(qū)動的橢圓運動原理和聲流現(xiàn)象的產(chǎn)生條件，為此新驅(qū)動技術(shù)的驅(qū)動理論打下探索性基礎(chǔ)，同時通過試驗對行波微流體驅(qū)動與控制技術(shù)進(jìn)行了驗證，試驗結(jié)果證實了該技術(shù)的可行性。(2)推導(dǎo)了壓電陶瓷的有限元模型，然后，利用胡ANSYS有限元軟件，分別對圓環(huán)形模型和直管型模型進(jìn)行了模態(tài)分析，得到模型的固有頻率和振型，并研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對振型、頻率的影響，得出了圓環(huán)內(nèi)徑、彈性體厚度等與振型和頻率的關(guān)系;直管內(nèi)徑、壁厚及長度對振型和頻率的關(guān)系，為壓電陶瓷的排列、接線提供依據(jù)。(3)利用ANSYS有限元軟件，分別對圓環(huán)形模型和直管型模型進(jìn)行了諧響應(yīng)通過諧響應(yīng)分析，激勵出所需振型，對行波微流體驅(qū)動模型產(chǎn)生的行波振型進(jìn)行了仿真，驗證了頻率特性，并分析了電壓幅值與行波振幅的，關(guān)系，為流體單元的仿真打下基礎(chǔ)，同時也為微流體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。1緒論2壓電晶體的壓電特性與振動模式在超聲行波微流體驅(qū)動和控制技術(shù)中，壓電陶瓷作為微流體驅(qū)動的核心，起著為微流體提供驅(qū)動力的重要作用。首先對壓電效應(yīng)、壓電晶體的特性參數(shù)、壓電本構(gòu)方程和振型模式進(jìn)行了詳細(xì)討論，為后面的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。2壓電晶體的壓電特性與振動模式在某些電介質(zhì)晶體中，可以通過機(jī)械應(yīng)力作用而發(fā)生極化，并導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，電荷密度與外力成正比。這種由于機(jī)械力的作用而使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象，稱之為正壓電效應(yīng)。反之，在某些晶體上施加電場，會產(chǎn)生機(jī)械變形，而且其應(yīng)變與電場強(qiáng)度成正比，這稱為逆壓電效應(yīng)。如果施加的是交變電場，晶體將隨著交變電場的頻率作伸縮振動。施加的電場強(qiáng)度越強(qiáng)，振動的幅度越大。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。晶體的這一性質(zhì)就叫壓電性，而具有壓電效應(yīng)的晶體則稱為壓電晶體。壓電效應(yīng)2壓電晶體的壓電特性與振動模式下圖說明了壓電陶瓷圓柱體的壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)2壓電晶體的壓電特性與振動模式上圖總體說明：如果將與極化電壓極性相反的電壓加到電極上，壓電陶瓷圓柱體就會縮短(圖(d))。若外加電壓的極性與極化電壓的極性相同，壓電陶瓷圓柱體就將伸長(圖e)。當(dāng)加上交流電壓時，圓柱體就將交替地伸長和縮短。壓電效應(yīng)2壓電晶體的壓電特性與振動模式文章對壓電陶瓷的介電常數(shù)、彈性常數(shù)和壓電常數(shù)等特性常數(shù)的介紹在此略去。3超聲行波微流體驅(qū)動機(jī)理行波微流體驅(qū)動技術(shù)依靠彈性體內(nèi)的行波對微流體進(jìn)行驅(qū)動，本章從駐波開始對行波的形成進(jìn)行了詳細(xì)的討論。作為一種新的驅(qū)動技術(shù)，到目前乃至今后的很長一段時間，它的各種機(jī)理、特性都是需要花費巨大精力研究的一門科學(xué)。本章作為探索性研究，對它的驅(qū)動機(jī)理做了初步的理論分析。3超聲行波微流體驅(qū)動機(jī)理駐波：3.1駐波和行波3超聲行波微流體驅(qū)動機(jī)理行波：3.1駐波和行波3超聲行波微流體驅(qū)動機(jī)理根據(jù)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在極化后的壓電陶瓷上施加電壓就會產(chǎn)生形變，取其中一段梁進(jìn)行分析。3.2駐波的產(chǎn)生及行波的合成3.2.1駐波的產(chǎn)生：3超聲行波微流體驅(qū)動機(jī)理如圖3-1(a)所示的一組壓電陶瓷片(正負(fù)號代表極化方向)，若在壓電陶瓷上施加如圖3-1(b)所示方向的直流電壓后，壓電陶瓷就產(chǎn)生交變伸縮變形，因為壓電陶瓷是粘貼在彈性體上，因此使整個壓電體及彈性體呈現(xiàn)波浪狀;若所加直流電壓反向，則壓電體和彈性體產(chǎn)生相反的交割申縮變形，如圖3-1(c)所示;如果在壓電陶瓷上施加正弦交變電壓，壓電體及彈性體就會隨時間作正弦波狀的振動，振動頻率與所加交流電壓的頻率相同，此時壓電體及彈性體上每一點只是相對于原來靜止時位置作上下振動，其左右位置并不發(fā)生變化，其振動是駐波方式的振動，如圖3一1(d)所示。3.2駐波的產(chǎn)生及行波的合成3.2.1駐波的產(chǎn)生：3超聲行波微流體驅(qū)動機(jī)理3.2駐波的產(chǎn)生及行波的合成3.2.2行波的產(chǎn)生：3超聲行波微流體驅(qū)動機(jī)理3.2駐波的產(chǎn)生及行波的合成3.2.2行波的產(chǎn)生：3超聲行波微流體驅(qū)動機(jī)理3.2駐波的產(chǎn)生及行波的合成3.2.2行波的產(chǎn)生：

3超聲行波微流體驅(qū)動機(jī)理3.2駐波的產(chǎn)生及行波的合成3.2.2行波的產(chǎn)生：3超聲行波微流體驅(qū)動機(jī)理3.2駐波的產(chǎn)生及行波的合成3.2.2行波的產(chǎn)生：3超聲行波微流體驅(qū)動機(jī)理3.3彈性體表面質(zhì)點的橢圓運動3超聲行波微流體驅(qū)動機(jī)理3.3彈性體表面質(zhì)點的橢圓運動3超聲行