超聲行波微流體驅(qū)動(dòng)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(xiàng)目致力于一種新原理的微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)——超聲行波微流體驅(qū)動(dòng)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(dòng)在輸送管道壁上激起行波，該行波使輸送管道壁質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生與管道壁垂直的橢圓運(yùn)動(dòng)，通過(guò)液體對(duì)管壁的粘附力及聲流驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)，是一種新的微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)，變傳統(tǒng)的點(diǎn)驅(qū)動(dòng)為面驅(qū)動(dòng)(整個(gè)管壁都為驅(qū)動(dòng)源)。1緒論基于該理論的微流體驅(qū)動(dòng)與其他微流體驅(qū)動(dòng)方式相比具有很多優(yōu)點(diǎn):無(wú)可活動(dòng)部件，控制方式簡(jiǎn)單多樣，控制精度較高。預(yù)計(jì)可能出現(xiàn)層流現(xiàn)象，在越接近管壁的地方流體的流動(dòng)速度越快，與壓力驅(qū)動(dòng)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(duì)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(wàn)美元K/g發(fā)射費(fèi)用);以及對(duì)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(dòng)結(jié)合用于宏觀流體的輸送，由于管道壁質(zhì)點(diǎn)的空間橢圓運(yùn)動(dòng)可以有效防止管壁的結(jié)垢，對(duì)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(jià)值。據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)外對(duì)超聲行波液相驅(qū)動(dòng)的報(bào)道很少。1緒論本文所作工作：(1)推導(dǎo)了微流體驅(qū)動(dòng)的橢圓運(yùn)動(dòng)原理和聲流現(xiàn)象的產(chǎn)生條件，為此新驅(qū)動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)理論打下探索性基礎(chǔ)，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)對(duì)行波微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)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(duì)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(duì)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(zhǎng)度對(duì)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(duì)圓環(huán)形模型和直管型模型進(jìn)行了諧響應(yīng)通過(guò)諧響應(yīng)分析，激勵(lì)出所需振型，對(duì)行波微流體驅(qū)動(dòng)模型產(chǎn)生的行波振型進(jìn)行了仿真，驗(yàn)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(shí)也為微流體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。1緒論2壓電晶體的壓電特性與振動(dòng)模式在超聲行波微流體驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)中，壓電陶瓷作為微流體驅(qū)動(dòng)的核心，起著為微流體提供驅(qū)動(dòng)力的重要作用。首先對(duì)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(dòng)模式在某些電介質(zhì)晶體中，可以通過(guò)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(hào)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(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，而且其應(yīng)變與電場(chǎng)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(chǎng)，晶體將隨著交變電場(chǎng)的頻率作伸縮振動(dòng)。施加的電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，振動(dòng)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(dòng)模式下圖說(shuō)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(dòng)模式上圖總體說(shuō)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(huì)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(zhǎng)(圖e)。當(dāng)加上交流電壓時(shí)，圓柱體就將交替地伸長(zhǎng)和縮短。壓電效應(yīng)2壓電晶體的壓電特性與振動(dòng)模式文章對(duì)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(dòng)機(jī)理行波微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)依靠彈性體內(nèi)的行波對(duì)微流體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，本章從駐波開(kāi)始對(duì)行波的形成進(jìn)行了詳細(xì)的討論。作為一種新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，到目前乃至今后的很長(zhǎng)一段時(shí)間，它的各種機(jī)理、特性都是需要花費(fèi)巨大精力研究的一門科學(xué)。本章作為探索性研究，對(duì)它的驅(qū)動(dòng)機(jī)理做了初步的理論分析。3超聲行波微流體驅(qū)動(dòng)機(jī)理駐波：3.1駐波和行波3超聲行波微流體驅(qū)動(dòng)機(jī)理行波：3.1駐波和行波3超聲行波微流體驅(qū)動(dòng)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(huì)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(dòng)機(jī)理如圖3-1(a)所示的一組壓電陶瓷片(正負(fù)號(hào)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?yàn)閴弘娞沾墒钦迟N在彈性體上，因此使整個(gè)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(huì)隨時(shí)間作正弦波狀的振動(dòng)，振動(dòng)頻率與所加交流電壓的頻率相同，此時(shí)壓電體及彈性體上每一點(diǎn)只是相對(duì)于原來(lái)靜止時(shí)位置作上下振動(dòng)，其左右位置并不發(fā)生變化，其振動(dòng)是駐波方式的振動(dòng)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)理3.3彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)3超聲行波微流體驅(qū)動(dòng)機(jī)理3.3彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)3超聲行