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硕j ：论文 以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统实验研究 摘要 本文以原创的“微流笠数宝让拉球户7 珊究起点，选取电磁铁为作动器，通过撞击 、， 产生脉冲惯性力，搭建以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统，实现微流体的数字 化驱动。 建立了电磁铁作动器在竖直、水平两个方向上的动力学模型，对电磁铁作动器进行 了竖直、水平两个方向上的动力学分析，得出了两个方向上的运动方程。设计了电磁铁 作动器驱动控制电路，实现了电磁铁自动往复运动。搭建了以电磁铁为作动器的微流体 数字化驱动系统，通过测量系统的加速度，进一步验证了以电磁铁为作动器产生脉冲惯 性力的可行性。 将以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统应用于微喷射和粉体输送实验，对实 验中几种重要影响参数进行了分析总结，为后续应用研究打下基础。实验结果表明，在 微喷射中，喷射液体粘度、微喷嘴内径、电磁铁作动器撞击产生的脉冲惯性力和喷射高 度影响微喷射效果。在粉体输送中，粉体粒径、脉冲惯性力施加方向、作动器驱动电压 和撞击频率影响粉体输送效果。 将以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统应用到点胶、微胶囊制备、粉体微混 合中进行实验。对粘度为1 2 p a s 的7 0 4 硅橡胶进行了点胶实验，实现了高粘度胶体的 接触式点胶；以丙烯酸树脂i i i 型为壁材，盐酸普萘洛尔为芯材，制备了盐酸普萘洛尔 微胶囊；在三通微混合器中实现了超细铜粉( 1 0 岬。5 0 p , m ) 和锡粉( 7 5 9 m ) 的微混合。 关键词：微流体数字化；脉冲惯性力；电磁铁作动器；微喷射：粉体输送 a b s t r a c t b a s e do nt h ed i g i t a l i z a t i o no fm i c r o f l u i d i ct e c h n o l o g y , i nt h i s p a p e r , t h ee l e c t r o m a g n e t w a sc h o s e na sa c t u a t o r s t h a t g e n e r a t e dt h ep u l s ei n e r t i af o r c e sb yb u m p ，a n dt h e d i g i t a l i z a t i o no fm i c r o f l u i d i cd r i v e ns y s t e mw a sb u i l tt o i m p l e m e n tt h ed r i v i n go f d i g i t a l i z a t i o no fm i c r o f l u i d i c t h ed y n a m i cm o d e lo fe l e c t r o m a g n e ta c t u a t o r sw a sb u i l tu pi nt h eb o t hv e r t i c a la n d h o r i z o n t a ld i r e c t i o n s t h ee l e c t r o m a g n e ta c t u a t o r sw a sa n a l y z e di nt h et w od i r e c t i o n si n k i n e t i c s ，a n dk i n e m a t i c se q u a t i o n si nt w od i r e c t i o n sw e r ed r a w n t h ed r i v i n gc o n t r o lc i r c u i t o fe l e c t r o m a g n e ta c t u a t o r s ，w h i c hr e a l i z e d t h e r e c i p r o c a t i n gm o t i o no fe l e c t r o m a g n e t a u t o m a t i c a l l y , w a sd e s i g n e d t h ed i g i t a l i z a t i o no fm i c r o f l u i d i ce l e c t r o m a g n e ta c t u a t o r s d r i v e n s y s t e m w a sb u i l t f u r t h e r m o r e ，t h e f e a s i b i l i t y o ft h e e l e c t r o m a g n e ta c t u a t o r s g e n e r a t i n gt h ep u l s e di n e r t i af o r c e sw a sv e r i f i e db ym e a s u r e dt h ea c c e l e r a t i o no ft h ed r i v e n s y s t e m t h ee l e c t r o m a g n e ta c t u a t o r sd i g i t a l i z a t i o no fm i c r o f l u i d i cd r i v e ns y s t e mw a s a p p l i e di n m i c r o - i n j e c t i o na n dp o w d e rc o n v e y i n ge x p e r i m e n t s s o m e k e yi n f l u e n c i n g f a c t o r si n e x p e r i m e n t s t h a to f f e r e dt h er e f e r e n c ef o r t h e s u b s e q u e n ta p p l i c a t i o nr e s e a r c hw e r e s u m m a r i z e da n da n a l y z e d i nm i c r o - i n j e c t i o n ，t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h e m a i n l yp a r a m e t e r sw h i c hi m p a c to nt h ee f f e c to fm i c r o i n j e c t i o na l et h ev i s c o s i t yo fi n j e c t l i q u i d ，t h ei n t e r n a ld i a m e t e ro ft h em i c r o n o z z l e ，t h ep u l s e di n e r t i af o r c e s a n dt h ei n je c t h e i g h t i nt h ep o w d e rc o n v e y i n g ，t h em a i n l yp a r a m e t e r sa r et h ed i a m a e t e ro ft h ep o w d e lt h e d i e r e c t i o no ft h ep u l s ei n t e r t i af o r c e s ，t h ed r i v e nv o l t o g eo ft h e a c t u a t o r s ，a n dt h ef r e q u e n c yo f b u m p t h ee l e c t r o m a g n e ta c t u a t o r sd i g i t a l i z a t i o no fm i c r o f l u i d i cd r i v e ns y s t e mw a s u t i l i z e di n t h ed i s p e n s i n g ，t h ep e r p a r t i o no fm i c r o c a p s u l e ，a n dt h ep o w d e rm i c r o m i x i n ge x p e r i m e n t s t h ec o n t a c td i s p e n s i n gw i t ht h eh i g hv i s c o s i t yc o l l o i de x p e r i m e n tw a sd o n e ，u s i n gt h e s i l i c o n er u b b e r t h ep r o p r a n o l o lh y d r o c h l o r i d em i c r o c a p s u l ew a sp r e p a r e dw h i c hu s e dt h e a c r y l i cr e s i ni i ia st h ew a l lm a t e r i a la n dt h ep r o p r a n o l o lh y d r o c h l o r i d ea sc o r em a t e r i a l t h e u l t r a f i n ec o p p e rp o w d e rm i x e dw i t ht h et i np o w d e ri n3 w a y sm i c r o m i x e rw a si m p l e m e n t e d k e y w o r d s ：d i g i t a l i z a t i o no fm i c r o f l u i d i c ， m i c r o - i n j e c t i o n ，p o w d e rc o n v e y i n g h p u l s e di n e r t i af o r c e s ，e l e c t r o m a g n e ta c t u a t o r s ， 硕士论文以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统实验研究 图表目录 表1 1 微流体驱动控制方式比较 图2 1 框架直动拉入式往复电磁铁结构示意图 图2 2 竖直安装电磁铁作动器动力学模型图 图2 3 水平安装电磁铁作动器动力学模型图 图2 4 电磁铁作动器驱动控制电路原理图 图2 5 电磁铁作动器驱动控制电路实物图 图3 1 以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统结构图 图3 2 以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统实物图 图3 3 微喷嘴出口端直径 图3 4 加速度测量实验系统结构图 图3 5 电磁铁作动器撞击限位块产生的加速度波形图 表3 1 铁芯运动行程与示波器峰值关系 表3 2 电磁铁驱动电压与示波器峰值关系 表3 3 甘油水溶液浓度与粘度值 图3 6 甘油水溶液浓度与溶液运动粘度关系曲线 表3 4 电磁铁铁芯运动行程改变时不同浓度甘油水溶液喷射效果 表3 5 不同浓度甘油水溶液喷射的液滴直径 图3 7 甘油水溶液浓度与液滴直径关系图 表3 6 电磁铁铁芯运动行程改变不同微喷嘴的喷射效果 表3 7 微喷嘴内径与液滴直径关系 图3 8 微喷嘴内径与液滴直径关系图 表3 8 电磁铁铁芯行程与液滴直径关系 图3 9 电磁铁铁芯运动行程与液滴直径关系 表3 9 不同喷射高度下的实验效果 图3 1 0 不同喷射高度喷射实验效果图 图3 1 1 液滴阵列效果图 表3 1 0 不同粉体6 0 s 内输送位移 图3 1 2 输送管道轴线与脉冲惯性力施加方向夹角q 表3 1 1 不同0 【下6 0 s 内粉体输送位移 表3 1 2 驱动电压改变6 0 s 内粉体输送位移 图3 13 电磁铁驱动电压与粉体输送位移拟合曲线 5 8 9 o 2 2 4 5 5 6 7 7 8 9 9 o 1 1 2 2 3 3 4 4 5 6 6 7 7 8 8 v 1 1 l 1 1 1 1 1 l 1 1 l 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 图表日录硕上论文 表3 1 3 驱动电压改变3 0 s 内粉体输送位移 图3 1 4 撞击频率与粉体输送位移关系曲线 图4 1 以电磁铁为作动器的点胶实验系统 图4 2 点胶实验效果图 图4 - 3 制备成形的盐酸普萘洛尔微胶囊 图4 4 玻璃三通微管道拉制仪 图4 5 玻璃三通微管道拉制仪原理图 图4 6 玻璃三通微管道拉制仪成形示意图 图4 7 玻璃三通微管道结构参数图 图4 8 玻璃三通微管道显微图 图4 9 芯丝嵌入“v 形玻璃毛细管位置 表4 13 0 s 内加热时间与加热域中心温度 表4 2 面丝加热时间与玻璃三通微管道成形关系 表4 3 电磁铁延时时间与玻璃三通微管道成形关系 表4 4 拉伸行程与玻璃三通微管道结构参数对应表 图4 1 0 拉伸行程与玻璃三通微管道l 、2 端内径关系图 图4 1 1 拉伸行程与玻璃三通微管道3 端内径关系图 图4 1 2 拉伸行程与玻璃三通微管道3 端长度关系图 图4 1 3 微混合器外观图 图4 1 4 微混合实验样粉 图4 1 5 超细铜粉和锡粉的微混合过程 v i 9 9 2 2 3 4 5 6 6 6 7 7 8 8 9 9 0 0 1 2 3 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：谢函区 川年乡月力日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：谢麴凰2 鲫产6 月7 日 硕j ：论文以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统实验研究 1 绪论 微系统是指可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理 和控制电路，甚至接口、通信和电源于一体的多功能微型器件或系统。微系统在各国的 名称不一，主要的习惯术语有：m e m s ( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，微机电系统， 美国) 、m i c r o m a c h i n e ( 微机械，日本) 、m i c r os y s t e m s ( 微系统，欧洲) 。在2 0 世纪 8 0 年代初期，微系统作为一个非常重要的技术学科明确形成，且受到各国政府的重视， 尤其在国外，美、日、欧等国家相继组织企业、高校、科研机构，投入大量科研经费支 持该项技术的研究。我国的研究起步相对较晚，从8 0 年代术丌始微机电系统研究，在 新原理微器件、通用微器件、新工艺和测试技术以及初步应用方面取得明显进展，形成 以下几个研究方向：微细加工技术；微型惯性器件和微型惯性测量组合；微型传 感器和微执行器：微流量器件和微流体系统；生物传感器、生物芯片和微操作系统； 微机器人【卜2 1 。 微系统具有多学科交叉性，微系统技术的器件与系统具有体积小，重量轻、耗能低、 性能稳定、可批量生产、惯性小、谐振频率高及响应时间短等特点，能完成大尺寸系统 不能完成的任务。因此，它具有广泛的市场与应用范围，包括传感器、流体控制与调节、 光学、显示、打印、电子开关、化学分析、生物化学的流体处理、精确机械运动和驱动 以及数据存储系统等p 刁j 。 1 1 微流体系统 微流体系统在流体领域有巨大的应用前景，随着人们对完全微型化流体系统的不断 研究，微流体系统成为了微系统的一个重要分支。一般认为微流体系统是指集成微传感 器、微泵、微阀、微喷嘴、微通道、微计量器等元器件及输入输出接口、微处理电路等 于一体的，用于实现微量流体的压力、流量和方向控制及成分分析等功能的，适合于批 量化生产制作的高度集成化微型系统【8 j 。 2 0 世纪7 0 年代中后期，斯坦福大学开发硅基微气相色谱和i b m 开发喷墨打印机 微喷嘴，开始对微流体技术进行研剜9 。 1 0 l 。到2 0 世纪9 0 年代早期m a n z 提出全微分析 系统( “t a s ) 大大的推动了这一领域的发展【1 1 1 。此后微流控芯片成为了微流体系统中 的主导研究对象，微流体系统各项技术迅速发展，研制了大量的微流体器件和各种微流 体控制系统。 i 绪论硕十论文 微流体器件 微流体器件是微系统器件中应用最为广泛的一种，是组成各种微流动系统的基础部 件。每个微流体器件具有至少一个或多个液体输入界面和液体输出界面。由于器件的功 能不同，微流体器件可以有电气和机械界面。相关的微流体器件包括微化学传感器、微 泵、微阀、微混合器、微节流器、微流道、微喷嘴等。在微通道系统中将微流体器件相 互连接可以组成复杂的微流体移动系纠1 2 】。 目i j 常用的微流体器件的材料很多，主要有单晶硅、无定性硅、玻璃、石英和高分 子聚合物材料等。常用的高分子聚合物有环氧树脂、聚酯、聚氨、聚甲基丙烯酸甲酯 ( p m m a ) 和聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 等。微流体器件加工方法与材料有密切的关系。 目前主要的方法有光刻、刻蚀技术、激光烧蚀、l i g a 技术、注塑法、软刻蚀、模塑法、 微机械加工等。多年来，研究者们都致力于简化加工工艺，降低制作成本、缩短制备周 期、提高器件的精确性等研究。国内外已研制出基于各种材料和不同原理的微泵、微阀、 微流体通道及各种流体传感器，如微型薄膜泵，压电式微泵，形状记忆合金主动式微阀， 微传热式流体传感器及各种形状和用途的微喷嘴等【l 弘1 4 】。 微流动系统 随着人们对微流动系统领域各个独立器件( 如微泵、微阀、微流体传感器、微流体 通道等) 研究的日趋深入，以及市场对高精度微流动系统需求的同益增加，对微流动系 统的研究成为热点之一【l5 1 。微流动系统按器件组合的方式不同，可以分为组合式和单片 集成式两种。组合式微流动系统主要是指将系统所需要的各器件独立加工，然后用精密 机械方法组成一个整体。这种系统的集成度相对较低，装配难度大，不利于大批量生产。 单片集成式微流体系统是将微泵、微阀、微传感器及其他辅助器件( 如微通道、过滤器、 混合器等) 采用微加工方法集成在同一基片上，以获得一整体性芯片器件。单片集成式 微流体系统由于其加工键合工艺与集成电路工艺兼容，容易实现微泵、微阀、微传感器 等微流体器件与控制电路的集成，有利于批量生产，所以这种单片集成式微流动系统是 研究的主流l l 酬。 微流体系统应用 微流体系统具有尺寸微小，无效体积小，功耗低，控制精度高，响应速度快等特点 1 8 】，且加工、键合工艺与集成电路兼容，容易实现微泵、微阀、微流量传感器等流体器 件与控制电路的集成，有利于批量生产，使得这种微型化、集成化的微流动系统在微量 化学分析与检测，微量液体或气体配给，微量生化制造，高精密喷墨打印，微型部件的 润滑，分子识别，核酸合成，微小卫星的推进，微集成电路的冷却与除尘、环境监测等 2 硕士论文以电磁铁为作动器的微流体数! 化驱动系统实验研究 领域有着广阔的应用前景【1 7 。1 9 1 。 1 2 微流体驱动控制技术 在微流体系统中，尤其是在微流控芯片所必须的各种功能单元中，微流体驱动与控 制操作单元尤为重要。在微系统条件下，由于尺度减小，微流体器件的面体比大大增 加，表面张力的影响变得十分明显，流体的流动特性发生了变化。宏观世界中的驱动方 式，不能满足微系统中的驱动要求，微流体驱动控制技术成为了微流体系统的研究重点 【2 0 】 o 目前，微尺度泵技术是微系统中常用的液体驱动形式。微尺度泵主要分为机械微型 泵和非机械微型泵两种。 1 2 1 机械微型泵 机械微型( 压力) 泵把机械能转化为被驱动流体的流动动能。这类泵有可移动部件， 例如截止阀、振动膜或涡轮，包括截止阀泵、往复泵、无阀校正泵、旋转泵和超声波泵 等。目前，商品化的微机械型泵已经很成熟，主要分为三种：活塞式、隔膜式和齿轮式。 活塞式中活塞直接和流体相接触，含动态密封和单向阀，存在压力和流量波动不可避免 的缺点。隔膜式中驱动力通过某种介质推动隔膜，隔膜再压缩或吸入流动相，含有单向 阀。齿轮式微泵用行星齿轮压缩流动相，含有动态密封，存在渗漏和机械磨损2 0 1 。 机械微型泵一般都要外接作动器，作动器可分为外部作动器和微作动器。外部作动 器必须粘接或装配到微结构的泵体上，主要有电磁作动器、压电作动器和双金属作动器 等。外接作动器决定了机械微型泵的微型化。苏波利用印刷电路板( p c b ) 制作腔体以 及扩散口和喷口，聚二甲基硅氧烷作为振动膜，1 5 r a m 长的压电双晶片作为驱动部件制 作了一种无阀微流体驱动器，在i o o v 、6 0 h z 、占空比为l 的矩形波驱动下，最大流速 可达1 5 0 p l m i n t 2 1 1 。微作动器则是利用微加工技术直接在泵体上加工。主要作动器有静 电力作动器、热气动作动器等。微作动器受到加工工艺和精度的影响。 1 2 2 非机械微型泵 非机械微型泵主要通过把电、光、磁、热等能量形式转化或施加到被驱动流体而直 接驱动流体的动态连续流泵。主要有电驱动泵技术、光驱动泵技术、磁驱动泵技术、热 驱动泵技术。 电驱动泵技术 电水力( e l e c t r o h y d r o d y n a m i c ，e h d ) 驱动是利用直流电或者低频交流电直接驱动 流体，需要在流体与流体或流体与固体界面诱导产生自由电荷，通过电场与自由电荷相 l 绪论硕上论文 互作用来驱动流体，适用于导电率极低的液体。 根据e h d 原理研制成的电动泵( e l e c t r o k i n e t i cp u m p ，e k p ) 主要有基于电渗流 ( e l e c t r o o s m o t i cf l o w ，e o f ) 的电渗泵( e l e c t r o o s m o t i cp u m p ，e o p ) 和基于电泳流 ( e l e c t r o p h o r e t i cf l o w ，e p f ) 的电泳泵( e l e c t r o p h o r e t i cp u m p ，e p p ) 。在微流体系统中， 尤其在生物和电泳芯片上，电动泵得到广泛应用。h a r r i s o n 等用电泳泵，实现了微芯片 上的电泳分离2 2 1 。陈令新等研制出了微流量高压输液电渗泵【2 3 】。米鑫对基于交流电场 驱动的微流体运动特进行了模拟研刭2 4 】。但电水力驱动控制技术也存在一些缺点。例如： 对管壁材料和驱动流体的物理化学性质敏感，只适用于一定范围的流体和管壁材料；产 生电渗流所需要的高压电源会带来安全、功耗和所占空间大的问题，不利于系统的微小 型化等。 光驱动泵技术 在入射光的作用下材料能产生应变，可以直接将光能转变为机械能。根据这一原理 采用光激发的泵即光驱动泵( o p t i c a l l y d r i v e np u m p ，o d p ) 成为了进年来的热点。目前 基于光控制的原理进行流体驱动的形式有2 种：利用表面自由能空间驱动原理，光作用 在液滴上，液滴两面相对表面张力不平衡实现液滴的驱动。i c h i m u r u 等首先利用“光导” ( g u i d i n gl i g h t ) ) 戎功移动液体，用不对称光照射一个“光敏一致异构化”物质表面时，物 质表面将产生一个表面张力梯度，从而推动液滴运动【2 5 1 。j o n a t h a nl e a c h 等设计的光驱 动泵，流速能达到2 0 0 p m 3 s t 2 6 1 。另一种是添加介质法，在输送流体中添加光一热敏感 纳米粒子( p h o t o t h e r m a ln a n o c r e s c e n tp a r t i c l e ，p n p ) ，当光束照射流体，p n p 热效应局 部温度上升，液体经历蒸发一冷凝一融合过程，随着光斑的移动，液体也得到驱动。由 于光可以精密地聚焦和控制，因此可实现光对流体进行精密操纵和控制，适合在微流控 芯片上进行微纳尺度微流体控制操作，具有大规模集成应用的前景。 磁驱动泵技术 磁流控技术是利用电场和磁场施加在导电流体产生的洛仑磁力进行驱动。磁驱动泵 ( m a g n e t h y d r o d y n a m i cp u m p ，m h p ) 常见形式有两种，直流电磁微泵( d c m h p ) 和 交流电磁微泵( a c m h p ) 。j a n g 等人设计的d c m h p 在电流为1 8 m a 时，流量为 6 3 p 1 m i n l 2 7 1 。d c m h p 结构简单，易加工，流动方向可双向调节。现己出现硅片上加工 的用交流电供电可产连续和无脉动的液流a c m h p ，可以有效控制电解质电解时产生 气泡。磁流控技术由于磁场的“不可见性”和聚焦困难等缺点，应用受到限制。 热驱动泵技术 通过给液体加热，使液体中产生气泡，气泡随温度增加而膨胀，从而驱动液体流动。 4 硕j 二论文以电磁铁为作动器的微流体数，化驱动系统实验研究 h e w l e t t p a c k a r d 公司的热喷墨打印机中墨料喷射就是这种驱动方式【2 8 】；e v a n s 等人利用 此方法来混合微流体【2 9 】；t s e n g 等人将该驱动方式用于燃料注射器【3 0 1 。这种驱动方式所 需加热电压小内部没有可动部件，实现简单，易于集成，但目前可达到的驱动速度较小。 微尺度下，空气对温度的敏感度很强，微小热量变化可使气体体积变化，从而驱动液态 流体运动，故此驱动方法适用大部分流体。 基于表面张力的微流控技术 通过化学或物理方法，在管道中形成特定的表面张力梯度表面，可以使微流体无需 任何外部作用而自发运动。产生表面张力梯度的方法是改变流体表面活化分子分布浓 度，常用改变液体成分或温度实现。刘长松研究出z n o 薄膜的表面张力可以在光作用 下发生连续性梯度改变，能够运用到表面张力驱动控制技术中【3 1 】。 微流体流微动特性复杂、影响因素众多，微流体的驱动控制技术种类很多，采用原 理和形式不尽相同，每种方式又有各种不同操作形式，有时是多种方式组合，各种驱动 方式都有各自特点，表1 1 总结了几种微流体驱动控制方式的特点。 表1 1 微流体驱动控制方式比较1 2 0 】【3 2 】 1 3 微流体数字化技本 ， 本论文研究起点是南京理工大学微系统研究室发明的、拥有自主知识产权的微流体 数字化技术3 3 1 。微流体数字化技术的原创技术特征如下：方法上以脉冲为微流动基本形 5 l 绪论硕上论文 态；以脉冲当地惯性力为主动力：以脉冲波形、频率、幅值、相位、波数、波序列为驱 动控制扰动参量；装置上既无微可动件又无嵌入式微电路；以外部宏驱动器影响微流 道内部流动。性能上：适用流体广，包括各种液体和粉体；流动分辨率高达飞升级；脉 冲量规整、序列可控的数字化流动；可靠性高、抗固粒堵塞、气泡阻断；工作条件利于 保持生物活性；结构简、成本低【3 3 - 3 6 。 南京理工大学微系统研究室开展了微流体数字化技术在细胞基因工程、微化学工 程、微胶囊制备、微流体器件制备等领域的应用基础研究，并取得了进展【3 7 4 5 1 。 1 4 课题来源及研究内容 1 4 1 课题来源 ( 1 ) 江苏省自然科学基金 项目名称：物质数字化微传输一转化用微流体器件设计与制造基础 项目编号：b i q 0 0 7 2 0 9 ( 2 ) 教育部博士学科点专项科研基金 项目名称：物质数字化中微特性系统及合理流动形态的理论基础研究 项目编号：2 0 0 6 0 2 8 8 0 0 5 1 4 2 研究内容 本文以原创的“微流体数字化技术”为研究起点，选取电磁铁为作动器，通过撞击 产生脉冲惯性力，搭建以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统，对以电磁铁为作动 器的微流体数字化驱动系统在液体微喷射和粉体输送进行实验研究，总结液体微喷射和 粉体输送中参数的影响，为应用研究打下基础。 主要研究内容如下： ( 1 ) 以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统原理分析：建立以电磁铁为作动器的 微流体数字化驱动系统的动力学模型，进行相关动力学分析；设计实现电磁铁自 动往复运动和调节撞击频率的驱动控制电路。 ( 2 )以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统搭建：电磁铁安装、系统内各器件的 选择以及系统加速度测量等。 ( 3 )以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统在微喷射和粉体输送中的实验研究， 对微喷射和输送中影响参数进行分析总结。 ( 4 ) 探索以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统在接触式点胶、微胶囊制作、粉 体微混合中的应用。 6 硕 论文以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统实验研究 2 以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统原理分析 2 1 微流体数字化系统驱动原理及作动器的选择 2 1 1 微流体数字化系统驱动原理 微流体数字化技术中微流体脉冲影响法的要义是：人为地产生和利用小幅的可预 测、可控制的脉动形态流动，以获得细长流道中液体和粉体低雷诺数内流的更好更全面 的微特性。产生脉冲流动需要脉冲主动力，惯性力可以作为脉冲主动力。惯性力可用各 种人工手段如用撞击、用压电驱动器推动等手段来产生【3 4 】。 实施微流体脉冲影响法的流体流动影响装置是：有一个含有微流道的流路本体，微 流道固壁沿自身的切向( 纵向) 运动，是由至少一个整体驱动器驱动整个流路本体运动 来实现的；选择所述驱动器使得它有良好的动态响应特性、有大的驱动力，能使所述流 路本体获得瞬时绝对值足够大的加速度【3 酬。所述整体驱动器的位置，可以安装在流道外 部，甚至在所述流路本体外部。这样，就可能采用尺寸较大的整体驱动器，获得足够的 驱动力，从而为流路本体及其流道固壁获得绝对值足够大的加速度提供了力的保证1 3 引。 2 1 2 作动器选择 目f j i ，微系统研究室使用层叠式压电陶瓷作为微流体数字化技术中作动器。压电作 动器灵敏度高，动态响应好，产生较大力，性能稳定，在微流体数字化研究中取得良好 的实验效果。但压电作动器需外加功率电源，作动器的精度和分辨率主要取决功率电源。 我国在功率电源领域研究处于滞后状态，进口产品垄断国内市场，且价格昂贵。功率电 源功耗大、性能不稳定等缺点，促使在实践中寻找一种新的方式或手段，能够提供足够 大惯性力，对微流体进行数字化驱动。 电磁铁是一种常见的执行机构，是将电磁能转换为机械能的一种装置。电磁铁主要 由线圈、铁芯及衔铁三部分组成。当线圈通电后，铁芯和衔铁被磁化，成为极性相反的 两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。根据电磁原理，可通过控甬喇中电流大小来控制 电磁力大小【4 6 1 。通常情况下它具有非线性的控制特性和较大的电气时间常数，因此多用 于只需进行开关控制的场合，如电磁继电器、电磁吸盘等。近年来，随着控制技术的发 展，人们通过优化磁路结构，施加预偏置磁场、以及控制器校正等手段，发挥电磁铁输 出力大，可进行非接触式的运动控制等优点将其应用于精密运动控制、主动式电磁轴承、 隔振、以及风洞模型悬浮等领域取得不少成果【4 7 】。 电磁铁的种类很多，分类方式也不相同，按照电磁铁磁路形状可分为：拍合式、e 7 2 以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统原理分析硕十论文 型和螺管式。螺管式电磁铁可外接交流或直流电路，由于其电磁铁气隙全部在激磁线圈 中，吸力较大，在牵引电磁铁和制动电磁铁中采用的这种磁路结构。螺管式电磁铁应用 领域不同，其形状和结构也发生较大变化【蚓。直动拉式电磁铁是众多螺管式电磁铁中的 一种，通过铁芯运动对外进行能量转换。如图2 1 是直流框架直动拉入式往复电磁铁结 构示意图。 图2 1 框架直动拉入式往复电磁铁结构示意图【4 8 】 直流框架直动拉入式往复电磁铁与一般电磁铁相比，增加了弹簧部件。弹簧可使铁 芯通电吸合后，断电时自动复位运动。电磁铁通电，调节线圈两端电压，控制线圈中电 流大小，从而影响电磁力大小。当线圈中产生的电磁力大于弹簧形变力时，铁芯向右运 动，此过程称之为吸合过程。当线圈中电流小于某一定值或中断供电时，电磁力小于弹 簧形变力，铁芯将在弹簧形变力作用下向左返回原始位置，此过程称之为复位过程。当 电磁铁线圈两端外加周期性变化电压，则可控制铁芯周期性左右往复运动。铁芯在往复 运动过程中，可在其运动行程范围内加限位块，铁芯撞击限位块，产生脉冲惯性力。根 据这一现象，可选用直流框架直动拉入式往复电磁铁作为脉冲惯性力作动器。 以电磁铁为作动器具有结构简单，惯性力大小方便可调，功率低，使用寿命长，转 换效率高，运动方向可逆，且易于控制等显著特点。 2 2 电磁铁作动器的运动分析 电磁铁作动器有竖直和水平两种安装方式，撞击可产生在吸合过程或回复过程中。 本文对竖直安装回复过程产生撞击和水平安装吸合过程产生撞击两种情况进行分析。 参数及变量定义如下： m 、k 、c 分别表示电磁作动器中铁芯、复位弹簧、阻尼系数，m 为限位块；x 、 戈、j 分别为铁芯行程( 弹簧形变) 、铁芯速度、铁芯加速度；e 为弹簧形变力，e 为 粘性阻尼力，f 为电磁力。 【电磁铁竖直安装回复过程产生撞击】 图2 2 所示为电磁铁作动器竖直安装、回复过程产生撞击的动力学模型。 8 硕l 论文 以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统实验研究 图2 2 竖直安装电磁铁作动器动力学模型图 电磁铁作动器运动方程推导过程如下： 以平衡位置为坐标原点，在下落过程中作用在铁芯上的力有： ( 1 )弹簧形变力方向指向平衡位置d ，大小与偏离平衡位置的距离成j 下比。 c = 一舡 ( 2 1 ) ( 2 ) 粘性阻尼力，方向与速度方向相反，大小与速度成正比。 铁芯的运动微分方程为： 乃= q = 而 m 2 = 一i j b c c 文 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 将上式两端除以脚，并令：= 三，6 = ，f o 。为固有角( 圆) 频率，称6 为阻 m z m 尼系数。代入式( 2 3 ) 可整理得： 5 1 + 7 6 2 + o 略x = 0 ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 是一个二阶齐次常系数线性微分方程，其解可以设为：x = e 一，代入微分 方程( 2 4 ) 中，并消去公因子e 玎，得本征方程： 该方程的两个根为： ，2 + 2 6 ，+ ；= o ：_ 6 + 厢，眨：- 6 一厢 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 9 2 以电磁铁为作动器的微流体数，化驱动系统原理分析硕士论文 因此方程( 2 4 ) 的通解为： x = q e l + c 2 e 叫( c l 和c 2 为积分常数) ( 2 7 ) 根据能量守恒定律，若铁芯行程越大，即下落高度越大，式( 2 7 ) 中x 振幅越大， 在撞击时铁芯的动能越大，相同的撞击时间内，撞击产生的脉冲惯性力越大，从而可以 通过改变铁芯运动行程，改变撞击产生的脉冲惯性力。 【电磁铁作动器水平安装吸合过程产生撞击】 图2 3 水平安装电磁铁作动器动力学模型图 由图2 3 所示，作用在物块上的力有弹簧形变力c 、粘性阻尼力圪和电磁力f 。 若选取平衡位置d 为坐标原点，坐标轴水平向右，则各力在坐标轴上的投影为： c = 一缸，e = 一西， f = ho f 竺 ， z 疗= l ，2 ，3 ( 丁为矩形波激励信号周期) ( 2 8 ) 0 竺， 以， 建立铁芯运动微分方程： ，城= 一h c 莺+ f ( 2 9 ) 将上式两端除以m ，并令：2 ：鱼，2 8 ：三，f ：一f ，代入式( 2 9 ) 整理得： ，竹m ，行 戈+ 2 6 主+ ；工= 厂 ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 是二阶线性常系数非齐次微分方程，其解由两部分组成：x = j c l + x 2 ，其 中对应于方程( 2 4 ) 的齐次方程的通解与式( 2 7 ) 相同即： l o 硕士论文 以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统实验研究 x = c l e v + c 2 e 掣( c l 和c 2 为积分常数) 其中x 2 为方程( 2 1 0 ) 的特解： 而= 哥f ( 2 1 1 ) 于是得方程( 2 1 0 ) 的通解为： 弘c l e q t + c 2 = 电磁力越大，铁芯运动时加速度越大，电磁铁通电时间相同，撞击行程一定时，铁 芯在撞击前的速度越大，动能越大，根据能量守恒定律，撞击产生的脉冲惯性力越大。 电磁力尸与线圈中电流有关，改变电磁铁两端驱动电压，可以改变电磁力，从而可以 改变撞击产生的脉冲惯性力。 2 3 电磁铁作动器驱动控制电路设计 为了能实现电磁铁线圈两端电源自动通断电，从而控制电磁铁铁芯往复运动，本文 设计了基于单片机的电磁铁作动器驱动控制电路。 系统中驱动控制电路有体积小、功耗小、价格低廉以及控制功能强的要求，单片机 作为微控制器具有功能强大、应用电路成熟、软件编写环境简单、价格低廉等特点能满 足电路设计要求，电路设计中选用单片机进行控制。 整个驱动电路采用单片机最小系统实现预想功能，通过单片机发送矩形波信号控制 电磁铁电路的通断，通过改变矩形波周期来控制电磁铁动作频率，频率选择由拨码开关 实现。控制电路简单、成本低，且通过自制的i s p 下载电路可以非常简单地将程序下载 到单片机中实现程序修改，硬件调试十分便捷。如图2 4 所示为驱动控制电路的原理图， 如图2 5 为驱动控制电路的实物图。 a t 8 9 s 5 1 型单片机是一款低功耗，高性能的8 位c m o s 单片机，片内含4 kb y t e s 的可系统编程的f l a s h 只读程序存储器，器件采用a t m e l 公司高密度、非易失性存储技 术生产，兼容标准8 0 5 1 指令系统及引脚。片内集成了f l a s h 程序存储器，既可在线编 程也可用传统方法编程。a t m e l 型单片机可在工业温度范围( 4 5 斗8 5 ) 内用4 0 5 5 v 的电压工作。此款芯片功能强大，价位低廉，性价比高，满足驱动控制电路中的要求4 9 1 。 = 疗 丁一2 丁 一 一 0 r 一2 2 o 旦懈 + v 窄 q q + + q q 2 以电碰铁为作动器的微滥体数字化驱动系统最理分析 硕论文 论文中选用a t 9 9 s 5 1 型单片机进行电路设计。 驱动电路采用大功率场效应晶体管i r f 8 4 0 ，其电流输出足够驱动电磁铁动作。 i r f 8 4 0 的漏极电流i d 和栅源电压v g s 具有很好的线性关系，将栅极与a t 8 9 s 5 1 型单片 机p i3 口相连，将i r f 8 4 0 的漏极与电磁铁相连。1 r f 8 4 0 实际是一个开关电路，当p 13 口送出信号为低电平时，i r f 8 4 0 截止，电磁铁两端断电，铁芯在弹簧形变力作用下， 回到初始位置；当p i3 口送出信号为高电平时，i r f 8 4 0 导通，电磁铁两端导通，铁芯 吸舍。 hr i i f _ 幽2 4 电磁铁作动器驱动控制电路原理图 图2 5 电磁铁作动器驱动控制电路实物凹 控制电路中用p l 口柬控制驱动电磁铁电路，p l 口是一个8 位、准双向的i o 口， 拨码开关与p 10 ，p i i ，p 1 2 口相连，用于选择电磁铁撞击频率，p 1 3 为输出口。部分 1 2 硕j ：论文以电磁铁为作动器的微流体数7 化驱动系统实验研究 程序如下： m a i n ：c l rp 1 3 j n bp 1 0 l o o p l l c a l ld e l a y 盯、j bp 1 1 l o o p 2 l c a l ld e l a y 州bp 1 2 l o o p 4 l c a l ld e l a y a j m pm a 烈 l 0 0 p 1 ：c l rp 1 3 l c a l ld e l a y l c a l ld e l a y l c a l ld e l a y l c a l ld e l a - y s e t bp 1 3 l c a l ld e l a - y s j m f pm a i n 2 4 本章小结 ；平时保持电磁铁处于关断状态 ；判断p 1 o 是否为低电平 ：判断p 1 1 是否为低电平 ；判断p 1 2 是否为低电平 ；若无按键按下，则回主程序循环 ；输出为低电平，1 h z ；延时 ；输出为高电平 ；延时 ( 1 ) 基于微流体数字化技术中微流体脉冲影响法原理，选择电磁铁为作动器，电磁铁 撞击限位块产生脉冲惯性力。 ( 2 ) 建立了电磁铁作动器在竖直、水平两个方向上的动力学模型，得出了两种情况下 电磁铁作动器动力学方程，通过改变电磁铁铁芯运动行程、电磁铁产生的电磁力 能改变撞击产生的脉冲惯性力大小，为实验研究提供基础。 ( 3 ) 设计了电磁铁作动器驱动控制电路，采用单片机系统发送矩形波控制晶体管导通 截止，实现了电磁铁铁芯往复运动的自动控制，改变矩形波周期实现了撞击频率 可调。 1 3 3 以电磁铁为作动嚣的微流体敦字化驱动系统实验研究倾1 论文 3 以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统实验研究 3 1 以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统 根据22 节中动力学模型图搭建了以电磁铁为作动器的微流体数字化驱动系统， 供液体微喷射和粉体输送实验研究用。驱动系统由电磁铁驱动控制电路、电磁铁作动器、 限位块、实验器件、三维移动工作台等组成。图3 1 为驱动系统结构图，图3 2 为驱动 系统实物图。图32 ( a ) 为液体微喷射中所用，