臺灣博碩士論文加值系統

本文利用CFDRC商業軟體作為數值分析的工具，以不對稱擋體作為流體導向的無閥門微幫浦流量分析，除了實驗數據做比對之外，另外針對不同流體的做分析。此種方法與過去不同的地方在於數值模擬沒有經過簡化，直接考慮固液耦合的現象。在給定固定電壓40伏特，藉由改變不同頻率尋找最大流量最佳化。從數值計算結果可以得知，工作流體為水的時候，type I的最大流量為10.11 ，與實驗比對後的誤差約為9.06%，type II的最大流量為157.56 ，與實驗比對後的誤差約為1.1%。影響流量最大的因素不外乎是擋體尺寸與中間腔室體積變化兩個因素。觀察工作頻率在10K赫茲以下，發現薄膜變形的影響十分微小，應該是薄膜變形的曲率速度所造成的影響，若工作頻率在10K赫茲以上，振動薄膜會出現第二模態的型式，而且在第一模態轉變成第二模態期間，薄膜的變形模態會出現一段緩衝期，雖然變形還是呈現第一模態的型式，卻出現不對稱但是連續變形的型式，也就是中心最大振幅的位置會漂移，薄膜相位也會出現延遲的現象。

We use the CFDRC software to do the research about the valveless micropump which is driven by piezoelectrical materials and utilizes asymmetric obstacles to control the flow direction. For a micropump, it is crucial to find the optimal working frequency. When the working frequency is under 10K, swirls will arise nearby the obstacles. The phenomenon will lead the flow approach the wall and also affect the net flow about the swirl’s size. At high working frequency, the fluid-solid membrane may come out a peculiar mode, which is different from the first mode and the second mode. Besides, there might be a buffer zone while the two modes change, and it will cause the center of fluid-solid membrane drifting. Meanwhile, the result shows that a phase shift lagging when the excitation force exists in the vibration response.

圖目錄 VI
表目錄 X
符號對照表 XI
第一章 導論 1
1.1前言 1
1.2文獻回顧 1
1.3研究動機 5
1.4本文研究方法與架構 5
第二章 理論基礎 7
2.1 無閥門微幫浦基本工作原理 7
2.2 基本假設 8
2.3 固體結構 9
2.3.1 壓電結構物的統御方程式 9
2.3.2 壓電結構物的本構方程式 9
2.4 流場內的統御方程式 10
2.5 對腔室上壁施加一近似壓電材料振幅之強制位移 11
2.6 邊界條件 13

第三章 數值方法 14
3.1 有限體積法 14
3.2 有限差分法 17
3.3 收斂標準 17
3.4 CFDRC軟體介紹 18
3.4.1 前言 18
3.4.2 建立格點 18
3.4.3 物理性質 19

第四章 模擬結果與討論 20
4.1 壓電片與玻璃在氣態中厚度變化的結果比較 20
4.1.1 氣態中的模擬與其他數值軟體的比較驗證 20
4.1.2 自然頻率的模態分析 21
4.2 擋體式無閥門微幫浦流量分析 23
4.2.1 低頻流量分析 24
4.2.2 高頻振動薄膜模態分析 26
4.2.3 壓力分析 27
4.3 給定薄膜位移的數值模擬結果 28


第五章 結論與未來展望 30
5.1 結論 30
5.2 未來展望 31
參考文獻 33
附錄 74

1.Anderson, H., van der Wijngaart, W., Nilsson, P., Enoksson, P. & Stemme, G., “A valve-less diffuser micropump for microfluidic analytical systems,” Sensors and Actuators B., Vol. 72, pp.259-265, 2001.
2.Fan, B., Song, G., and Hussain F., “Simulation of a piezoelectrically actuated valveless micropump,” Smart Mater. Struct., Vol.14, pp.400-405, 2005.
3.Feng, Y., Zhou, Z., and Wang, G., “A fluid-solid coupling modal analysis of piezoelectrically actuated microjet and the frequency design of nozzles layout,” SPIE, Vol. 5718, pp.243-253, 2005.
4.Gerlach, T., Schuenemann, and M., Wurmus, H., “A new micropump principle of the reciprocating type using pryramidic micro flow channel as passive valves,” Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 5, pp. 199-201, 1995.
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7.Olsson, A., Stemme, and G., Stemme, E., “A valve-less planar fluid pump with two pump chambers,” Sensor and Actuators, Vol. 46-47, pp.549-556, 1995.
8.Olsson, A., Stemme, and G., Stemme, E., “A valves-less planar pump isotropically etched in silicon,” J. Micromech. Microeng., Vol. 46-47, pp.549-556, 1996.
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10.Olsson, A., Stemme, G., and Stemme, E., “Numerical design study of the valveless diffuser pump using a lumped-mass model,” J. Micromech. Microeng., Vol. 9, pp. 34-44, 1999.
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12.Pan, L. S., Ng, T. Y., Wu, X. H., and Lee, H. P., “Analysis of valveless micropumps with inertial effects,” J. Micromech. Microeng., Vol. 13, pp.390-399, 2003.
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14.楊政穎,林俊達,李雨, ”A valve-less micro-pump on asymmetric obstacles,”第七屆奈米工程暨微系統技術研討會論文集, 330-333, 2003.
15.CFDRC V2004 User Manuals
16.涂智凱, ”新式無閥門微型幫浦之開發,” 國立台灣大學應用力學所碩士論文，2004.
17.羅卓錚, ”擋體式無閥門微幫浦之數值模擬,” 國立台灣大學應用力學所碩士論文，2004.
18.吳咨亨, ”無閥門壓電微幫浦與為混合器之整合設計,”國立台灣大學應用力學所碩士論文，2005.
19.田明偉, ”微流道中以不對稱擋體作為流場導向的研究,“國立台灣大學應用力學所碩士論文，2005.
20.陳蓉珊, “壓電層板之靜態與動態分析,” 國立台灣大學應用力學所碩士論文，2006.