基于压电驱动的数字化微喷射技术的研究

　　微流体系统是微系统的一个重要分支。由于它具有尺寸小、无效体积小、功耗低、控制精度高、响应速度快等特点,因此有着广阔的应用前景,可用于化学分析、生物和化学检测、药物输送、分子生物学、食品卫生、环境监测等。微流体的输运、控制和混合逐渐成为研究热点。微喷射是微流体控制系统的一个重要组成部分,现有微喷射技术大都基于喷墨打印机的原理,它利用外力迫使液体以液滴的形式从小孔中射出,目前喷射的实现可以有多种方式,根据驱动方式的不同,微喷主要分为压电式、电阻电热式(气泡式)、静电式、超声式和电磁阀式等。微喷射技术最成功的应用是喷墨打印机的商品化,它要求溶液具有很好的微粒分散性以防止喷头堵塞,和较低的粘度而易于喷射,但是对所喷溶液近乎苛刻的要求限制了其在打印之外的其它应用;近年来随着相关纳米分散技术和溶胶-凝胶技术的发展,微喷射技术在微机械和微器件制造、生物芯片、材料合成、药物雾化、芯片冷却和微推进系统等领域也获得了发展和初步应用[1-3]。

　　1　压电驱动的微喷射的原理

　　在微尺度下,流体在稳定状态时受到微小的扰动,就会破坏原先的平衡,外加的周期性的引起不稳定性的扰动可以产生惯性力,同时受到粘性力的作用,可以驱动微流体运动[4]。

　　基于压电驱动微流体的方法基本原理:压电驱动器与微管道通过连接器固连在一起,利用逆压电效应,对压电驱动器施加周期性的电场,以控制压电驱动器产生周期性的伸长或收缩的形变位移,即可使微管道固壁产生周期性的运动,而固壁边界层内的流体由于与固壁的分子作用力,会一起沿固壁切线方向运动,而后运动传递,通过流体粘性力带动微管道内部流体一起运动,实现对微流体的驱动。

　　1·1　压电驱动微流体的运动控制方程及其解

　　图1为柱坐标表示的圆形微管道,微管内不可压缩粘性流体运动的Navier-Stokes方程为:

　　微管道只有一个方向的流动速度分量,连续方程为:

　　不考虑外部压强差以及体积力,方程(1)简化为:

　　式中:u为流体的轴向速度,μ为流体的粘度系数,ρ为流体的密度, r为圆管径向坐标。

　　对于半径为R (直径为D)的光滑直圆管来说,有如下边界条件:

　　式中Uw(t)为管壁的运动速度,由管壁运动的周期性,根据傅里叶定律,有关脉动量均可看成是按正弦规律变化的许多分量之和,用复数表示,周期性速度为:

　　式中:U₀为振幅,ω为脉动圆频率, f为脉动频率, T为脉动周期。