基于MEMS新型热电微泵的设计与分析

作     者：霍成 

作者单位：河南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张培玉

授予年度：2022年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：微泵 热电微泵 圆弧凹槽 生物微机电系统 

摘      要：微机电系统已经被广泛应用于各个领域,越来越受到人们的重视。利用微机电技术加工出来的器件体积小,精度高,寿命长。生物医学是微机电系统的重要应用领域。其中微泵既可以提供动力,也可以作为执行部件,是生物微机电系统和微流体系统的重要部件,在医学诊疗,持续、稳定、高效送药等方面起着至关重要的作用。本文首先综述了微泵的研究历史、现状和所面临的问题,以及发展趋势。接着对交流热电微泵的工作原理进行了介绍,并且对已有的热电微泵的相关性能进行了对比分析。随后对微针的研究发展,进行了综述。在此基础上提出了一种可以与微针集成的新型热电圆弧凹槽微泵。该热电微泵相比以往的微泵,进行了结构上的创新设计,在考虑到平面微泵有逆向涡流阻碍流速提高的问题后,将以往的平面微泵改进为有圆弧凹槽的热电微泵。该微泵基底为硅,顶部为PDMS薄膜,微通道壁由玻璃或者PDMS薄膜组成。随后利用有限元分析软件COMSOL,将圆弧凹槽交流热电微泵与平面微泵设置在相同的参数数据下进行对比,结果显示流速提升且效率有显著的提高。之后对本文所提出新结构微泵的性能参数进行了分析和探讨。首先对微通道高度对流速的影响进行了分析,结果显示当微通道高度为60μm时,流速提升效率为5.1%,此时提升效率达到最高。然后对电极宽度进行了分析,其中电极宽度中包含了宽电极和窄电极。结果显示当宽电极宽度为26μm时流速提升最高,此时流速提升效率达到了4%。当改变窄电极宽度的改变对流速的影响较小,变化在0.3%左右,并且当窄电极宽度为4μm时测得流速达到了最高。接下来对两个电极对组对流速的提升进行了分析结果显示与一组电极对相比,流速提升了1%左右,结果显示可以通过增加电极对的组数来提升流速。随后对输入电压初相对流速提升效率的影响进行了分析,结果显示可以通过改变电压的初相来改变微通道内的电场分布,进而对流速产生影响。接着对输入电压的频率和幅值进行了分析,结果显示电压幅值对流速的影响要大于频率对流速的影响。然后分析了流体的电导率对流体流速的影响,结果显示在相同的外加电压条件下当电导率越高时,微泵的泵送能力越高。此外,对微流体集成系统进行了初步设计,其中微泵使用了长蛇结构。最后安排了加工工艺,并对关键工艺进行了分析。本文将传统的平面结构和U-V凹槽结构进行创新,提出了圆弧凹槽结构。并且通过对结构的优化,可以实现对生物流体的高效率泵送,初步提出了流体集成微系统,为经皮给药的驱动方式提供了更多的可能。