脉动微流体跨尺度驱动与传输机理及高精度闭环控释方法研究

Piezoelectric pump has gained a wide application in the field of micro doze releasing for its simple structure, and easy integration. But due to the unstable pulsation driven characteristic of piezoelectric ceramic, piezoelectric pump is not put into use yet in the field of higher precision requirement. By combination piezoelectric pump and flow sensor, constituting a closed-loop system, higher precision of piezoelectric pump can be expected. The core idea lies in amplitude modification of piezoelectric pump. In order to fulfill this goal, the following issues were considered and solved. They are the micro fluid actuation and transportation mechanism within micro channels, the modeling and optimization of closed loop micro system for controlled releasing, and real time control mechanism for the delay problem of the pulse driven system. Furthermore, a micro system of micro doze releasing was established which is capable self detection and self control. High precision and high efficient micro doze delivering was tested and achieved by this micro system.

压电泵由于机构简单、易于集成等优点在微量试剂控释领域具有非常广泛的用途，但由于压电陶瓷非定常脉动驱动的特点，限制了其在更高精度要求场合的应用，而压电泵与流量传感器集成，构成闭环系统成为解决这一问题的重要方法。本项目基于压电泵有效驱动幅值控制的思想，通过解决跨尺度流道内微流体驱动与传输机理、非定常脉动流体整流机理与层流化方法、闭环控释微系统动态特性建模与优化设计以及脉动驱动延时检测微系统实时调控机理和方法等关键技术问题，建立具有自检测与控制功能的微量试剂闭环控制微系统，实现高效高精度试剂输送。

随着科学技术的不断发展，微流动系统逐渐成为研究热点。压电驱动微流体系统——以压电泵为核心工作元件的微流动系统的应用最为广泛，主要应用领域包括工业、汽车和航空航天系统等。然而，压电驱动微流体系统中存在脉动，制约了其在具有高精度、高稳定性要求领域中的发展。因此，研究压电驱动微流体系统的脉动控制十分必要。.对压电驱动微流体系统脉动产生机理进行分析，并得出系统脉动的影响因素。本文还研究了不同的系统脉动检测法，基于直观和高实时性的要求选择了流量传感器检测压电驱动微流体系统脉动。.针对压电泵的工作原理、组成结构和驱动参数等影响因素，本文分析了基于不同电压参数的脉动控制的可行性，提出了基于驱动电压波形修正的脉动控制方法。本文探索了驱动电压波形与脉动的关系，并验证了波形修正对压电泵脉动控制的影响。在“椭圆修圆”理论指导下，对比分析不同修圆参数组合下的系统输出能力和脉动情况，选择了对方波正向突变点A点和D点进行修圆的最优控制方法。.针对压电驱动微流体系统传输过程的影响，本文引入了优化设计的压电驱动微流体系统脉动控制滤波器。在对流体滤波器工作原理分析的基础上，得到影响滤波器性能的因素为管道、通道尺寸以及薄膜半径等。利用Comsol软件搭建模型进行仿真实验，设计出微通道横截面为0.2mm×0.05mm的矩形，长度为23mm，薄膜半径为8mm，此时压电驱动微流体系统脉动控制滤波器具有较佳的工作效果。.本文最终在给定目标流速的前提下，进行基于驱动电压波形修正的脉动控制实验，并且，引入压电驱动微流体系统脉动滤波器进行实验，结果表明都可以控制系统脉动。最后结合两种方法进行脉动控制实验，可以将脉动大小控制在目标流速的2%，使压电驱动微流体系统中的脉动得到有效控制。