【摘 要】
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利用超声波辐射力来分离流体中的悬浮物质,在微剂量分离领域有着传统分离方法所无法比拟的优势,而与微机电系统(Micro Electro-Mechanical System,MEMS)的结合更使得这种分离
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利用超声波辐射力来分离流体中的悬浮物质,在微剂量分离领域有着传统分离方法所无法比拟的优势,而与微机电系统(Micro Electro-Mechanical System,MEMS)的结合更使得这种分离方法有着广阔的应用前景。MEMS超声分离器的研究在国内外都有所开展,目前取得了一些进展,但也存在出口布置困难、清浊混流等问题和不足之处,而采用双片反相位PZT激发二维简正模式为克服层谐振模式的MEMS超声分离器中的固有矛盾提供了可行途径。本文通过对分离腔中流体层的声场和颗粒受力特性的研究,确定微分离器制作工艺,制造了MEMS分离器,搭建分离实验系统并进行了分离实验研究。主要内容有:1.根据波动声学中的简正波理论来分析分离腔中的声场,对基于平面驻波的MEMS分离器中的二维简正模式进行了探讨,并研究了反相位声源对流体层中声场的影响,选择(1,1)简正频率作为分离器的激发频率;将驻波分解为行波,结合声波在介质层中的传播规律,为分离器中各层厚度的确定提供了依据;最后通过计算辐射力势的分布,得出了颗粒的物性和其汇聚位置的关系。2.通过对比分离腔的各种腐蚀方案的优劣,采用SF6和C2F6混合气体腐蚀SOI片顶层硅的方法来制作分离腔以保证其深度精度和底面、侧壁的平整度;结合MEMS制作工艺,对微分离器制作流程中的腔体腐蚀、激光打孔、划片键合等步骤进行了研究和分析,并利用台阶仪、显微镜等仪器对分离腔的制作质量进行了检测。3.根据分离实验方案完成了超声换能器的选择、底座和接头的设计,并利用导电胶和函数信号发生器实现了双片PZT的反相位振动;通过单片PZT声源和双片反相位PZT声源在分离实验中的对比,观察不同情况下悬浮颗粒的汇聚位置,证明了后者在激发分离腔中二维简正模式上的优势;同时也指出了实验中的不足,并提出了改进措施。
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