热气致动双稳态微型阀响应时间的仿真及实验

从２０世纪八十年代开始，基于微结构的微流体器件得到了不断发展。微型阀是微流体器件的重要组成部分，其开闭动作有多种致动方式［１］，热气致动是其中重要的一种。热气致动微型阀会在一个带密封膜的加热腔中布置一个热电阻，通过对热电阻施加电流来改变加热腔中气体的温度使气体升压膨胀作用在膜片上以密封流道［２－５］。热气致动能提供较大密封力，但是由于焦耳热利用率较低导致响应时间比较长（一般＞１００ｍｓ），同时由于在工作时往往需要持续提供热量，其能量消耗也比较大。本课题组所参与研制的如文［６］所描述的热气致动微型阀由于采用了双稳态设计，使得阀门只在进行开关动作时接通电流，从而减少了能量消耗。

同时，由于其用于加热气体的电阻材料金是淀积在聚酰亚胺薄膜上，加热区域没有与封装壳体直接接触，从而减少了加热过程中的能量损耗。响应时间是对微型阀性能进行设计和评价的重要参数。本文就上述热气致动双稳态微型阀的响应时间展开仿真和实验研究：采用热电类比法对开阀响应时间进行分析，在已知稳态流量的情况下，推导了高压气填充一定空间的理论升压响应时间，并将仿真结果与实验结果进行了比较与讨论。

１　热气致动双稳态微型阀简介

文［６］所述的热气致动双稳态微型阀如图１所示。它采用对称结构，上下２个部分开闭状态是相反的。微型阀中的软磁片可在２个环形永磁体之间移动并停留在２个稳态位置上：紧靠上部环形永磁体，或紧靠下部环形永磁体。当软磁片处于下方稳态位置时，它在磁场力作用下紧压在致动膜和导力钉上，导力钉进一步压迫在密封膜上使其变形从而密封住流体通道。此时，上部的流体通道是连通的。给下部加热膜通电，下部加热腔中气体压强升高作用在致动膜上，进而推动软磁片向上方移动并进入到上方稳态位置，从而密封住上方流道。此时，下方流道被打开。

软磁片能够提供大约８２０ｍＮ的力用以密封流体，亦即需要加热腔中气体在升温后能提供大约８２０ｍＮ力以驱动软磁片到另外一个稳态位置。由于驱动膜的半径为９ｍｍ，对应的气体升压为：

若加热腔中气体初始温度为２９８Ｋ，则由Ｃｌａｐ－ｅｙｒｏｎ方程，当腔内气体在等容变化情况下压强升高如式（１）所示的数值，需要升高温度约９．５Ｋ。

２　开阀响应时间计算

２．１　热电类比方法

对这个热气致动双稳态微型阀而言，开阀响应时间是从加热膜通电开始到升高的气压足以推动软磁片离开其所处在的稳态位置所需要的时间，此时间取决于加热腔内空气的升温速度。估计开阀响应时间可以采用热电类比方法［７］。由于导热微分方程和导电微分方程形式相同，在对两者的载荷条件及边界条件进行等效的情况下，两者的解也是可以通用的。热电类比方法多年来一直应用于传热学领域，如变压器热点估计［８］、墙体温度响应［９］，在微机械领域也得到了应用［１０］。热电类比法中参量的定义及对应关系如表１所示。