微量磁流体的动态驱动研究

摘要

近年来随着科技的快速发展，微流体技术（Microfluidics）在生物学、医学、化学等领域中应用日益广泛。微量流体驱动作为微流体技术的重要组成部分，是一种通过各种驱动方式实现微升甚至纳升级别流体的精确泵送技术，包括流体力学、材料学、生物学、机械学和电磁学等多项学科内容。其中微泵是实现微量流体驱动的常用装置，近年来取得了较大的研究进展，在生命科学、生物医学、航天航空等领域上展现了重要而广泛的应用前景。　　本文主要基于微量磁流体的动态驱动方式，研制了一种磁流体微泵，并实现了微量流体的有效泵送。首先，为能更好的选择泵送腔室的结构和磁流体驱动的方式，本文借助ANSYS仿真软件的有限元法对腔室的具体结构和磁流体的运动方式进行仿真模拟。择优选择环型腔室作为泵腔通道结构，同时泵腔出入口通道相隔一定距离呈60°的夹角状；磁流体在泵腔内分为两个部分布置，其中一部分固定于出入口之间的环形通道内，另一部分在外界作用力驱动下沿环形通道做圆周运动。　　其次，对驱动腔室的具体制作展开研究。实验中选择聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为泵腔材料，为解决磁流体污染被泵送液体的问题，在实验中使用硅橡胶作为泵腔隔膜，将磁流体与被泵送液体分隔。为能有效完成泵腔的键合，本文对现有PMMA的键合条件进行了改进。本文通过正交试验设计对影响PMMA键合结果的键合温度、时间、预压力等参数进行分析、设计和测试，获得的最优键合条件为：键合温度115℃，时间70min，预压力60N。通过激光雕刻的方式完成泵腔基片的制作，并根据改进的键合条件完成泵腔的有效键合与封装。　　然后，设计驱动磁流体运动的外部磁场控制单元。该单元通过单片机芯片设置程序，发送驱动信号在L298N驱动器中放大后驱动步进电机运动，使其按照指定的转速和方向旋转，带动转子上的永磁体运动，从而驱动磁流体位移引起泵腔隔膜形变，再带动被泵送液体移动，完成磁流体微泵的泵送功能。本控制单元可通过电路中的按键控制电机的转速和方向，并通过显示器显示转速和转动角度。　　最后，将泵腔与外部磁场控制单元集成封装后，开始微泵泵送的测试实验。本文通过对微泵泵送流速、泵送背压等参数指标的测量，对微泵的性能进行验证与测试，得到微泵的最大流速为156.8μL/min，最大背压为666.4Pa，实验数据达到预期指标，符合应用要求。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 微型泵分类

1.2.1 压电驱动

1.2.2 热致驱动

1.2.3 静电力驱动

1.3 磁流体驱动国内外现状

1.4 主要研究内容与创新点

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 本论文创新点

1.5 本章小结

2 驱动原理及仿真分析

2.1 磁流体

2.2 磁流体驱动原理

2.3 驱动腔室的现有结构设计

2.4 通道内流体流场仿真分析

2.4.1 fluent仿真

2.4.2 流体仿真步骤

2.4.3 用有限元法求解通道内的流场

2.4.4 仿真分析

2.5 本章小结

3 驱动腔室设计加工及制作

3.1 磁流体微泵流路结构设计

3.2 泵体材料选择与加工

3.3 PMMA键合条件改进

3.3.1 PMMA基片的制备

3.3.2 PMMA材料的键合

3.3.3 键合强度的测量

3.3.4 正交试验设计

3.3.5 PMMA键合工艺参数的优化分析

3.4 泵腔键合封装

3.4.1 隔膜材料选择与制作

3.4.2 单侧腔室键合

3.4.3 腔室封装

3.5 本章小结

4 外部磁场设计与制作

4.1 磁场选择

4.1.1 电磁铁

4.1.2 永磁铁

4.2 外部磁场控制系统的研制

4.2.1 电路主要模块选择

4.2.2 软件程序设计

4.2.3 硬件电路设计与制作

4.3 本章小结

5 微泵性能验证与测试

5.1 驱动装置搭建与运行

5.2 微泵流速测试

5.3 微泵背压测试

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果