基于二维简正模式的MEMS超声分离器模型研究

    微机电系统(MEMS)涉及多门技术学科,因其体积微小,便于多功能集成,适合大批量制造工艺,具有成本低,高可靠性和高智能化的特点,有广阔的应用 前景,其在流体中的应用潜力很大。对含有悬浮微粒的混合流体而言,分离流体中的悬浮微粒是问题的关键,如要分离出培养液中的生物细胞或病毒等。传统的分离 方法有过滤法、沉降法、凝聚法和离心法等,但由于MEMS的结构特点,这些方法的效果并不理想。

    此外,还可采用超声波作为外场来分离悬浮微粒,因为流体中的声波能对流体中声速、密度等特性不同于流体的悬浮微粒产生一个声辐射力^[1]。在超声波驻波场作用下,悬浮微粒会在声辐射力作用下向波节或波腹处运动,并彼此碰撞凝聚达到平衡^[2-3]。所以,可以合理利用超声驻波场设计微分离器,通过调节超声波频率将悬浮颗粒移到特定位置,再经由微分离器出口导流分离出洁净流和浑浊流,达到分离的目的。国内,白晓清等开展过利用声波辐射力凝聚去除悬浮微粒的实验研究^[4-5],石秀东介绍过凝聚分离的原理^[6]。国外, Harris、Hill和Beeby等用硅片和Pyrex玻璃,结合MEMS制作工艺制成了一个微分离器^[7]。它利用一维驻波模式将悬浮微粒汇聚到波节面处,再通过侧面将清、浊流导出。但此方式在出口处也易产生紊流,从而影响分离效果。

    基于上述背景,本文利用声辐射力理论和二维简正振动模式,采用导流槽引流方式和多层谐振模型,提出MEMS超声分离器的结构模型,并对其分离可行性进行了分析研究。

    1　流体中超声波对悬浮微粒的作用力

    在声场的作用下,悬浮在流体中的微粒会受到周围流体对它施加的作用力。当声能密度很大时,考虑到声压的2阶微量作用,这些力的时间平均结果并不为零,能使微粒产生移动。

    在流体无粘滞性,无声扰动时媒质宏观静止且均匀,假设声传播过程绝热和超声波为小振幅波时,L.V.King对物态方程和动量方程进行2阶近似,得出了声压的一般表达式:^[8]

式中　φ为超声波的速度势;ρ为流体密度;c为超声波在流体中的传播速度;q为微粒的运动速度。

    通过对物体表面的声压力(由入射声场和散射声场引起)的积分,King推导出了悬浮在理想流体中刚性球体所受声辐射压力的大小。由式(1)可 知,Yosioka和Kawasima在King的工作基础上进一步推导出了可压缩球体所受声辐射力的公式,并与实验结果达成一致。因为悬浮微粒在驻波场 下所受声辐射压力远大于行波场下的受力,所以,对悬浮微粒的控制一般在驻波场下进行。超声驻波场下悬浮微粒所受声辐射压力为^[9]