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在微流控芯片中，微机械往复无阀泵作为微流体驱动单元具有良好的试样适用性与应用前景，但其性能受到工作机理、结构等因素的制约。本文旨在通过对工作机理的研究，提出微机械往复无阀泵原理、结构的优化方向。在系统阐述微流控芯片流体驱动技术发展背景与已有成果的基础上，从理论和实验两个方面对提高微机械往复无阀泵泵压中遇到的主要问题进行了深入的探讨，提出了一些新的观点和新的结构，在提高泵压的机理研究方面取得了一定进展。最后，将微液体驱动技术引入光学器件，提出了微液滴驱动能动变形反射镜的结构。其主要内容包括以下几个方面：
(1)通过对微流体基本特性的分析，认为在几十至几百微米截面特征尺度微流道的作用力中，流体惯性力仍然是主导因素之一；从而在微机械往复无阀泵中应当充分考虑流体惯性的作用。通过对微流道中气泡作用机理的分析，认为气泡将造成动力缓冲与滞后，降低膜片变形与振动的作用效果；从而在微机械往复无阀泵动力学分析中不应忽视气泡的作用。
(2)对异阻流道工作机理进行了深入的理论研究。在借鉴宏观实验流体力学经验公式、数据的基础上，对锥口流道的流动状态分布、流阻、压力分布与几何参数之间的关系进行分析，对锥口流道进行了定性的优化设计。针对目前主要采用的两种异阻流道(锥口流道、TESLA流道)进行有限元分析，得出其特性曲线；发现TESLA流道需要依赖更大的流量产生异阻效果，但其效率随流量呈高阶曲线增长，而锥口流道在很小流量下就可以产生异阻效果，其效率随流量基本呈线性增长；这一规律在微泵实验中得到了间接验证。
(3)对微往复无阀泵工作机理进行了理论分析，建立了基于输入输出口等压条件下的流量、脉动、效率性能公式，提出依靠异阻流道性能曲线分析泵压性能的方法。针对微往复无阀泵的分析模型进行了理论研究，认为模型中必须考虑液体惯性、气泡的影响，泵的工作需要依靠膜片、驱动器、液体、微小气泡所构成系统的谐振；提出了体现这种观点、近似描述泵工作特性的二自由度振动力学模型，并在实验中得到了验证。同时，建立了微泵的模拟电路模型，以反映流体的容抗、感抗、阻抗特性，是对动力学模型认识的一种补充。对微机械往复无阀泵存在的泵腔雾化现象进行了研究，在物态变化解释的基础上，提出气泡卡诺循环解释、空化激波促进雾化的新观点。
(4)在对于微泵工作机理的认识基础上，提出采用环行泵腔的微泵结构。该结构将流量泵工作思想引入微机械往复无阀泵，有助于提高泵压、效率、流动平稳性。采用有限元分析方法对这种结构进行了仿真，从理论上验证了其原理可行性。
(5)对微往复无阀泵的膜片驱动技术进行了分析，介绍了驱动原理、驱动器材料、压电驱动器-膜片连接结构的设计思路。针对“压电片-膜片”复合板的结构参数进行优化设计，采用力学公式、有限元分析两种方法进行了分析，以期在同样驱动电压下达到最大的泵腔容积变化量。对制作工艺进行了探索，制作出“硅-玻璃”键合密封、采用单压电片驱动器的微泵，并制作出硅-玻璃压合密封、采用叠片式压电驱动器的微泵实验架。对微泵进行了泵压、流量实验，在实验架上实现最大泵压约155mmH2O(1.52kPa)、最大流量约35×10-6L/min。在实验中，验证了二维振动力学模型的正确性，间接验证了异阻流道特性曲线、泵压分析方法的合理性，并发现提高谐振频率、膜片刚度、流体温度也是提高泵压的有效途径。
(6)提出采用液滴作为驱动器制作微机械能动变形反射镜的新结构，以简化制作工艺、提高镜面的波前拟合能力；采用有限元仿真方法验证了液滴驱动镜面变形原理的可行性。
本文通过建立力学模型、进行有限元仿真与实验等手段，发展了对微机械往复无阀泵工作机理的认识与分析方法；提出了以提高泵压为目的的微机械往复无阎泵结构改进方向。上述结果为微机械往复无阀泵的进一步优化提供了较为系统的理论与实验基础。