基于平面感应加热的大流量热气泡驱动微泵的研究

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微泵是微机电系统中微执行器的一种,被广泛应用于微药物输送系统、微全分析系统(μTAS)、芯片实验室、细胞分离、微流体混合、燃料供给。微泵按驱动方式可分为压电驱动、静电驱动、热气泡驱动、电动液压驱动、电渗驱动、气动和热气动等。压电驱动、静电驱动和热气动微泵都产生一定的机械变形和机械位移,而电渗驱动微泵的驱动能力较低。热气泡驱动微泵没有机械移动部件,避免了由于机械移动部件的污染和磨损导致的失效,提高了微泵的使用寿命。本文研制了一种基于电磁感应加热原理的热气泡驱动微泵,该微泵的研究弥补了传统热泡驱动微泵对液体泵送量较少的缺憾,使其在大功率与大流量的微流体驱动领域有着广阔的应用前景。论文主要内容如下:  首先,根据热气泡生成方式,对传统热气泡驱动微泵进行分类,分析了不同种类热气泡驱动微泵的工作方式及优缺点。为解决传统热气泡驱动微泵耗能高、流量低、寿命短、制作工艺复杂等缺点,提出感应加热的热气泡驱动微泵的研究方案。  其次,针对热气泡驱动微泵的工作机理,研究了电磁感应加热技术、热传导及相变等理论,为后续微泵的设计和性能测试提供了理论依据。  再次,根据无阀微泵的工作原理,设计了感应加热的热气泡驱动微泵。采用有限元仿真软件FLUENT建立微泵模型,对液体的流速及流量进行仿真分析,根据仿真结果,确定了微泵最佳的结构尺寸参数。采用有限元仿真软件COMSOL建立微感应加热器模型,通过仿真分析,研究了微感应加热器电磁场及温度场的分布状况。之后用FLUENT建立了微泵散热模型,对微泵的散热过程及散热效果进行了研究。  最后,研究了微泵制作所需的MEMS工艺,主要有电镀工艺和刻蚀工艺。根据微泵结构尺寸参数及关键工艺要求,编写了微泵制作工艺流程,采用MEMS工艺制作出微泵样件,搭建实验系统,对气泡的生长过程及微泵的流量进行了测试和分析。
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