论文部分内容阅读
热汽泡驱动是微执行器常用的驱动方式之一,其工作原理是基于汽泡爆破理论,以实现对微流体的驱动。热汽泡微喷器件多为无阀结构,因此具有较高的可靠性与工作寿命,可用于粒子分选、流控开关、传感检测、驱动混合等多种微型器件中。为解决传统薄膜电阻加热的汽泡驱动器件存在生成汽泡体积小、驱动功率小等问题,本文研究一种基于感应加热的汽泡微喷。该驱动理论对于丰富微驱动器的设计具有重要的意义,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,概述传统热汽泡驱动原理,分析经典汽泡成核理论以及热汽泡生长过程的控制方法。综合国内外热泡驱动方法在MEMS领域的应用研究现状,总结传统电阻加热式热泡驱动器件存在问题,并在此基础上提出感应加热的汽泡驱动的方案。 其次,基于电磁感应加热原理与热汽泡驱动理论,分析感应加热的汽泡微喷的工作机理,研究微小尺度内金属材料感应电涡流加热的理论、传热学与热学基础、经典汽泡成核理论与加热表面上热泡生长过程等在感应加热微喷的应用。设计两种不同结构类型的微感应加热器模型。 再次,采用有限元仿真分析软件COMSOL V4.3分别对两种类型的微感应加热器的温度场进行几何建模与仿真分析,以研究螺线管线圈型微加热器加热性能与电流、频率、线圈直径和线圈匝数等四个参数之间的关系;并分析加热盘的厚度、材料对平面型微感应加热器加热性能的影响。 基于仿真分析,设计两种微加热器的结构与尺寸参数,并采用微加工工艺分别制作两种微加热器样件。采用实验研究方法,分别对两种微加热器的热泡生成过程进行实验测试。分别研究热泡生长与电流、频率与加热时间等加热参数之间的关系,并分析加热盘的材料、厚度对热汽泡生成过程的影响。 基于螺线管线圈型微感应加热器仿真分析与热汽泡生成实验,设计并确定微喷射器与微喷驱动器的结构及尺寸参数,并采用微加工工艺分别制作两种微喷器件的样件;分别采用单片机与PLC为控制器搭建两种实验系统,并采用控制变量法,研究两种微喷器件的性能与电流、频率、加热时间等参数之间的关系。 最后,基于螺线平面线圈型微感应加热器温度场仿真分析与加热盘上热泡生长实验测试,设计一种热汽泡驱动无阀微泵,并采用MEMS工艺制作微泵样件,搭建实验系统,测量微泵输出压力与输出流量等参数。