功能材料与器件学报文章编号1007热驱动薄膜式微型泵的效率研究徐宁，胡桅林，过增元清华大学工程力学系，北京100084膜式微泵达到最大工作效率的工作条件，对泵的温度响应和振动响应进行数值模拟，分别得到种加热功率下微泵的流率频率曲线，效率频率曲线以及微泵的最佳效率曲线。发现微泵的流率在45出达到最大，当加热功率大于2贾时，微泵的流量不再显著增加；微泵在加热功率为1贾时的效率最大，最佳工作条件是加热功率lW加热频率5Hz，此时微泵的效率为l刖目近十几年来，微流动系统以及相关的微型机械制造技术直是非常活跃的研宄领域。微型泵作为种重要的微型执行器，可广泛应用于体内葡萄糖浓度监控和药物输送DNA合成微量流体供给和精确控制芯片冷却系统和微型卫星等等，其广泛的应用前景引起研究者的极大兴趣和深入细致的研宄。目前，已研制出的微型泵结构加工工艺形式多收稿日期20000905；修订日期2000基金项目国家自然科学基金599955502样，驱动原理分别有静电致动压电致动电磁致动热致动气动电液致动凝胶致动光致动超声波致动朽，气泡驱动以及形状记忆合金膜片驱动微型泵的数值模拟和结构性能优化方面的研宄刚刚起步。对无阀压电微泵的膜片材料形状厚度驱动电压和频率进行择优2；肘，选择最佳的加热强度使形状记忆合金驱动膜片产生最大的振幅3；86分别从声波幅值管道高度背压值个方面优化叮，微泵的设计；尹执中对铝膜硅膜双金属热驱动微泵的驱动膜片形状和厚度加热区域位置加热频率进行了优化5.以上的研究工作都是以流率或膜片变形量为优化准则，没有考虑微泵的效率，本文将对双金属热驱动微泵的工作过程进行数值模拟，并以微泵的效率为优化准则对微泵的工况进行择优。为方便起，定义微泵的效率为单位输入功率下的输出流率。确定微泵达到最佳效率的工作条件，可以更加有效的利用能源，提高泵2双金属热驱动薄膜微泵的数值模拟者之间的多晶硅加热电阻组成，氧化硅作为电隔离介质。铝膜的厚度为10μm，半径为为多晶硅电阻在方波电流的作用下周期性地发热冷却，致使热容量很小的驱动膜片温度亦呈周期性变化。由于铝膜和硅膜热膨胀系数的差异，复合膜片产生周期性的变形，从而使泵腔的容积发生周期性变化，使流体不断地吸入和排出。
7卷泵体温度达到室温且均匀致，然后加以占空比为的交变热源。计算中认为热源强度均匀分布在靠近双膜交接处的硅膜中。模拟温度响应时，泵体上热边界条件，腔体内为对流换热条件。模拟泵体振动时，泵体周边以及底面为固支条件。在整个计算过程中，不考虑温度响应与振动的耦合。
2.2控制方程在轴对称的圆柱坐标系中，非稳态导热问的控制方程如下6数，0为热源项，在加热时间段，加热区的0值按加热功率算得，在其它时间和空间段值为零。
有限单元法求结构对动力载荷响应的运动方阵且尼矩阵和载荷向量纟人庠分别是系统的节点加速度向量节点速度向量和节点位移向量。其中1取决于热应力以及面力，由人阳5软件自动计算出来。
2.1计算模型和简化假定采用ANSYS5，5软件对双金属热驱动微泵的温度响应和振动情况进行数值模拟，建立维轴对称简化模型，网格划分2.为了考虑预应力对振动的影响，温度响应模拟从蒸镀温度开始，认为3计算结果和讨论通过对不同工况下微泵的流量以及单位输入功率下流率的比较选择，确定所研究微泵的最佳工作频率和最佳加热功率。3和4分别膜片下零时鬼，林胃致，漠片平格。经过3然冷却后，31苡。可以看出，迁定的，热疋下，膜片的17均温度几乎不受加热频率的影响，但温度波动的幅度则随频率的升高而减小。还可以看出，随着加热功率值也增大。
片中心节点的振动响应。膜片在蒸镀温度3431下是平整的。在自然冷却过程中逐渐变形下凹，致中心点偏离初始零位置91.从交变加热时刻开始膜片产生振动，达到稳定时，中心点振幅分别为51加热功率0.5评和561加热功率4贾。
变化率的变化率在最佳频率上达到峰值。不同的加热功率下，这个最佳频率点均在45HZ.峰值现象或许可作这样的解释频率越低。温度波动范围越大4，因而膜片变形越大。有利于流率增大；但另方面，膜片单位时间振动次数减小。这两种因素共同作用的结果。就使流率频率曲线出现了个峰值。6还说明。加热功率从5贾增加到1界和从1贾增加到2贾时。流率大幅度增加。但随着加热功率的继续增加，微泵的流量增大幅度明显减小，微泵在加热功率为2界3贾4贾条件下的泵送流量基本相同。这是因为膜片的变形量与温度变化量之间不是线性关系，当温度变化幅度增加到定数值时，膜片的变形量不再明显增加，使得微泵的流量保持基本不变。
由6可进步得到微泵的流量与加热功率的比值曲线7.在加热功率为1界左右时，微泵的效率最高，加热功率为0.51和4时，微泵的效率最低。这是因为当加热功率大于1以时，微泵的输出流率增大幅度减小。不同加热功率下，微栗分别在最佳频率值上达到最大的效率。8微泵在最佳频率点上的效率值随着加热功率的变化。在所有计算4结论在不同的加热功率和加热频率下，所研究的热驱动微泵具有流率和效率的峰值。当加热功率大于2时，微栗的流率将保持基本不变，其最佳加热频率为45HZ.在加热功率为1W时，单位输入功率可以得到较大的输出流率。加热功率为1贾，加热频率为5出时，微泵的效率达到最大值，为尹执中。热驱动微型泵的性能分析和实验研宄旧。 |