压电微喷辅助液滴的多物理场耦合与实验

范增华,荣伟彬,王乐锋,孙立宁

(1.山东理工大学机械工程学院,255049,山东淄博;2.哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,150080,哈尔滨)



压电微喷辅助液滴的多物理场耦合与实验

范增华1,2,荣伟彬2,王乐锋2,孙立宁2

(1.山东理工大学机械工程学院,255049,山东淄博;2.哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,150080,哈尔滨)

针对微对象辅助释放的操作液滴需求,基于压电驱动的方法进行辅助液滴的分配控制,设计了压电微喷分配器,利用单脉冲压电激励实现非接触式分配,分析了单液滴的形成条件。基于多物理场法,建立压电微喷液滴的多物理场耦合模型,包括压电设备、流固耦合、层流和两相流模型,以此模拟液滴的形成进程,并分析影响液滴形成能力的因素。在构建的微操作系统平台上进行实验分析,结果表明,分配液滴的体积随着驱动电压的幅值和脉冲宽度的增大而增大,较大的参数值利于单液滴形成,与仿真结果分析一致。通过对控制参数的复合调节,所设计的分配器可分配3.5 nL的最小液滴,满足微对象辅助释放的操作液滴要求。直径为200 μm的锡球和聚苯乙烯微球的辅助释放任务的实施,验证了所提出的方法和研制工具的有效性。

微操作;压电驱动;微喷;液滴;多物理场

微机电系统的发展促使操作构件日益微型化,质量轻、黏附力大的特性对微对象的可靠、无损操作提出了更高要求。微对象凸显的尺寸效应使黏着力相对于重力起到主导作用,拾取后的微对象易黏附在操作工具的末端,不能单依靠自身的重力而脱落[1-3],需借助外源作用力打破黏着平衡,实现释放。……