基于MEMS的无阀泵的数值仿真与参数设计

　　1　引言

　　扩张管/收缩管型(diffuser/nozzle)无阀泵是微机电系统(MEMS)近年研究的热点,它既可以泵送液体也可以泵送气体,而且结构简单,制作工艺成熟,在生物芯片中有着重要的应用。无阀泵的另一个潜在用途就是用于笔记本电脑冷却系统的驱动源,这项技术的应用将带来很大的经济及社会效益。

　　随着国内微机械领域研究的开展与深入,对无阀泵的实验研究取得了很大的进展,但对其流动机理与理论研究开展得很少,特别是结构参数的优化主要依靠实验结果,从而导致优化的局限性。另外,由于微机械加工较为复杂,实验成本偏高,且周期长,给结构参数优化带来了很大的不便。关于扩张管效率随着锥角和扩张管长度如何变化等问题,很多研究得出的结论相互矛盾,例如,A·Olsson提出扩张管效率随着角度的减小而增加,与扩张管的长度无关[1],而T·Gerlach则认为扩张管效率随着长度的增加而增加^[2] 。

　　本文采用有限元分析方法对微型无阀泵进行仿真,研究了扩张管/收缩管型无阀泵的流动机理,探讨了在流体器件内部流体流动的特点及其结构参数对流体器件性能的影响,对最终实现微流体器件的优化设计及性能预测具有重要的意义。

　　2　无阀泵的结构及工作原理

　　在宏观流动中,由于其特征尺寸远大于流体分子的平均自由程,因此将流体假设为连续介质。随着特征尺寸的减小,流体分子的平均自由程与流体特征尺寸的比值相对增大,流体的流动规律可能与宏观流动不同。一般将大于1 mm的称为宏观尺度,1μm~1 mm的称为微尺度[3],微流体研究的特征尺度在微米量级。针对微尺度液体流动,目前已经开展了很多研究^[4] 。牧原光宏^[5] 、Pfahler^[6] 、李勇^[7] 、江小宁^[8] 等人的研究表明,在管道尺寸接近20μm时,微尺度液体流动的研究结果与宏观流动规律相吻合,这是由于在液体微流动中,由于液体间的距离不到1μm,而管道尺度要比分子的间距大得多。本文研究的无阀泵的特征尺寸均在宏观流体力学的适用范围内。

　　图1为扩张管和收缩管的结构示意图。扩张管是横截面面积在流体流动方向上逐渐扩大的流通通道,收缩管是横截面面积在流体流动方向上逐渐缩小的流通通道,无阀微泵是基于扩张管和收缩管因结构的不对称导致对流体的阻力不同,因而压力损失不同的原理来工作的。如果扩张管和收缩管结构设计合理,在同样的压强差驱动下,扩张方向的流量将大于收缩方向的,无阀微泵经过一个工作周期的最终结果是使一定的净流量依靠腔体的振动膜片的驱动到达出口。与流动特性相关的几何参数分别为扩张管和收缩管最小宽度、管的长度、扩张角和深度。