微泵的测试和结果分析

1、微泵的测试和结果分析5.1测试设备和测试方法无阀微泵的駆动电H讪XFD8B趙低频信号发生器提供口这种倍号发生嚳的基本波形包括正弦波*三角波、方波.锯齿波等.输出电£E在0-250V范甫内可调.血频率范tADOODSHz-lDkHz内可调口在本文中用的输出C"；證舌空比为1；I的方波电床.背压措锻泵在工作时，岀液口和入液口之働的压强差.它主要取决于徹泵的输出驱动力.木实验中.将珊料管套接在入口和出口的金履连接管上.通过入口和出口之间的水位差町収测褂背斥(backpressure).藹试方法如圈1所乐.在岀口处连接满盘程为2mL的滴定管.根期流出相同体积所需要的时间测得单位时何

2、的流址.其测试方法如图5-2所示在测试时，坐保持滴宦管中的液面与烧杯屮液面平行保证锻泵出口处的相对压强为零.测试所用怖液悴为去育子水.外置的2；离予水中溶有一定址的氧气，在工作时，会禺床电片的寫述振动而产生气泡，因此所冇用于测试的去离子水必须经过脱农处理.即测试Z就庞将山离了水点沸.同时，去离子水的表面张力比乙醇大，不易注入且容易滞留气泡.如乘先注入乙静再注入去焉子水将乙醉丼出.既闰以港洗脫体中的汕胎，乂逝先r气泡的产住.通过上述的处珅可将吒泡出现的几率降低到廉小.甲J甲Jjf4'llWffl5-L丹用测试示曲1對Fig.5-1iresPLietestL按电池!''&#

3、39;'图52流量测述Fig.5-2fl6Ftest5.2测试结果分析为了研究频率对微泵流速的影响范国和程度，并确定澈泵的瑕佳E作频率.我们进行了各种频率卜徹泵的动态特性研究.将电压恒定为170V,改变频睾获得了图5-3的流速-频那特性对比曲线.从图中可以看出,在各频率卜，双【1泵总比单口泵的流量大，两种泵都上在600Hz附近达到最大值.可见两者的谐扳频率很接近.625Hz时,单L】微泵的流駁达到最大值0.9mL/min,而双口微泵的ift址在556Hz时达到虽人，为1.5mL/min双口微泵在170V电压卜的最大流虽比单口微泵大67%.在低频时，由于压电片的响应时何短,而驱动电压的频

4、率低.所以泵腔内体枳变化的频率慢，流虽不人。Iftj驱动频率大于600Hz时,在衲期时间内爪电片还未來得及达到最大挠度，就改变了振动方向，使得毎次振动时泵腔体积变化过小，流量也不大.在微泵流就加大的位置的频率，就是达到斥电片在微泵中流体的流动阻尼彫响卜的固仃频率.图5-4是工作频率是500Hz恒定时,无阀压电微泵的流盘甌电斥变化的特性曲线,从曲线可以看出总体上,微泵的流址随着电压的升高而増加.而在小电压时，特别是在70V以卜时，双口泵和单L1泵的流虽很接近，几乎相同。为了降低匸艺成木.光刻掩膜版是用印刷电路版的设备制作的胶片底版，这种方法制作出的版在Y轴方向上的分辨率比较小，图形不够细致准确,

5、而在X轴上“J以达到耍求。的口泵的扩敬口/喷嘴全部沿X轴分布，而戏L1泉管道必须沿两轴分布，所以制作岀的扩散口/喷哪形状不理想，成为了串联突变管.这种管道的阻力系敌比渐变管要大很第.并ft也是因为降低成本，选用了比较简易的压电片,*个压电片的性能并不完全样,在驱动能力上有一些差出，我们在选用时虽对振幅做了测址，尽量用振幅-样的压电片,但其抗疲劳能力却无法测试.一些爪电片在连续I作一段时何后性能右所卜降.这便得单口微泉和双口微泵的驱动能力上略仃差异。电压小于100V时Ik电片的驱动能力很小，而双LI微泵由于多出一对扩敬口/啖嘴结构，在泉腔压强较小时流速减小，而流动阻力系数是-个常数，双口微泵中管

6、道中的流动阻力比较大.能呈损火也比较大.双口微泵可能受以上原因的影响.在低压时流虽较小.图5-5是电压背压1(11线的对比.从图中可以看到单L1微泵的背压和双口微泵的背爪随电压的变化儿乎是线性的,前者比后者大很多。这与模拟结果也是相符的。在同样的电压下,双口微泵的流fit比单口微泵大，而背压却比单口微泵小.在相同的功耗K双口微泵以背乐的减小换取了流虽的増加。t-SingleDouble4002001600Frequency(Hz)K5-3ftft一频申对比IHI线示怠圈F1&5-3curveofflow-fiequeiicycompare1001?01401fi0VolagefV)图5

7、4涼駅-电爪曲线示盘图Fig5-4curveofflow-voltagecompare-OJHUKUal一nsged:600-550-500-450-400-Doublesingle530-300-2S0-200-I50-.100-50-80VoltagefV)160180图55电JK.ffIK曲线Fig5-5cuiveofvoltage-pessuie通过ANSYS分析模拟所得出的结果只能是在不同电压卜单口泵和双口泵瞬时流址的左别表3-1中給出的是流速达到最大值时的流量的差别，而实际中的泵其压电丿;(振动时要仃个响应时何其出口流速达到最大值也要仃个响应时间.不会一直停留在最大值的数值上也就是

8、说实际中的双I泵和单.口泵的差别应该小于表31中的数据.表41里的数据符合这一点农51双口微泵比单口微泵的沆城墩加肚Tab.5-1flowincrementratioofdoublenozzle/difftisei,tosingle电压V507090110130150170流filfffi:%-20.9840.7445.1447.056.57由此，双口微泵的流就人r单口微泵，而背压小取口微泵.双口微泵并不是所有的性能都优F单u微泵.本文所做的微泵是用于微流控芯片的进样和清洗,利用的放重要的性质是流址和利于集成的小的依积。本文提出的双扩散LI/喷嘴结构在这流虽比址初的微泵仃所提高，而增加的体枳很

9、小，可以达到集成化的要求，实现了绘初的设计LI标.5.3本章小结对单口微泵和双口微泵进行比较测试，测试了二者的不同电用不同频率卜的流量和背压.得岀了:者的流电压对比曲线.潦量频率对比曲线和电压背压对比曲线。在170V,500Hz条件下流址增加址达到56%=这在很大程度上打ANSYS模拟结果是相符的.在170V电丿k,625Hz频率时单口乘的流量达到最大，为0.9mL/min.在170V电压，556Hz频率时双口微泵的流呈嚴大，可达到1.5mL/min.在流盘方面,双口微泵大于单口微泵,而在背压方1(11.单【微泉大于双I微泵，这两个结果都是符合ANSYS仿典结果的.本课题的研究重点是微流控系统

10、中的关键部件微泵。用r驱动液体以实现一定微駅液体的进样和沟道的清洗。本文着匝研究扩散口/喷嘴无阀微泵，简耍介绍了扩散口/喷嘴结构及对微泵进行ANSYS仿真的发展现状，对泵的结构的改进和优化进行了深入的研究，得出以卜结论：(1) 总结大虽询人对扩散口/喷嘴无阀微泵的研究，发现在改变泵的结构方面人们提出的各种方法虽然在增加流fi方面比较有效.但都有一个共同的缺点，就是相对r最初的结构，泵的体枳仃所増加。对此本文提出了双扩散口/喷嘴结构，可以在不增加泵的体枳的阜础匕增加泵的流虽。(2) 用ANSYS软件对微泵的整体结构进行了仿真分析。将爪电场耦介和流固耦合相结合，实现了爪电，流体，结构的:场耦介，得

11、出了微泵出LI流速的瞬态分析结果。将单口微泵和双口微泵的分析结果进行对比，得到同样电爪卜双口泵在瞬时流就大于单泵。双口泵与单口泵流虽的比值是随电斥地加而增加。驱动能力越大，双口微泵在流址上的优势越明显.(3) 经过匸艺流程制作出单口和双门腹象，甘微泵进行测试。在同样的条件下,戏口泵的流量大于单口泵.在170V,500Hz条件下潅加量达到56%Efl：170V电625Hz频率时单LI泵的流承为09nL/mm在170V电爪，556Hz频率时双口微泵的流斌可达到1.5inL/min-衣同样的电用卞，双口微泵的井斥小于单口微泵。(4) 通过ANSYS软件模拟的流屋结果和研制的微泵的实测结果相符。双扩散L1/喷嘴微泵与