微型泵和微型阀的进展

微型泵、阀及微量流体控制系统由于其广泛的应用前景，成为微型机械研究中一活跃的分支。本文着重介绍微型泵、阀的研究现状，论述微型泵、阀的结构设计，致动原理及其实现性能等。     

一种微小型电磁驱动流体控制阀的研究

介绍了一种微小型电磁驱动常闭微流体控制阀的设计和制作方法,该阀采用MEMS工艺与精密加工相结合的方法制作微型阀的核心部件--电磁致动器和阀芯,实现了微小流量控制和结构小型化,并通过实验对微型阀进行了特性测量.该阀具有工作电压小(2～3V)、功耗低、结构尺寸小(体积为3.0cm3)、流量小(0.3MPa时体积流量小于0.23mL/s)等特点.     

柔性微型阀对静电驱动振膜微泵压力性能的影响

将最小能量法与均匀压力载荷下圆薄膜大变形半解析解相结合,分析了静电驱动柔性微型阀对静电驱动振膜微泵压升性能的影响。微型阀容积的引入会导致静电驱动振膜微泵的压升出现一定程度的降低,但降低幅度远小于阀门容积对常规定排量泵的影响。微型阀的阀片以柔性薄膜为基片,因此所需的关阀电压远远低于微泵泵腔的驱动电压,从而使静电微泵和微型阀运行的可靠性得到了极大的提高。     

基于SU-8胶的新型被动式微型阀

为了在微流体控制系统中实现对流体流速的控制和流体的单向流动,借鉴人体心脏瓣膜的结构,设计了新型被动式微阀.选用SU-8作为被动式微型阀的结构材料,用ANSYS仿真了不同厚度(10,15,20 μm)的阀门膜片在不同压力作用下的挠度与应力,进而确定了合适的阀门膜片厚度.利用微细加工技术,集成加工了微型阀,并由此确定和优化了微型阀的加工工艺.用去离子水作为介质测试了微型阀的过流特性,在正向压力为11.7 kPa的压力作用下,测得A、B型被动式微阀的正向流速分别为1.66 ml/min和1.35 ml/min.对测试数据的分析表明,设计的微型阀有线性控制的潜能.以SU-8胶作为结构材料的微型阀不仅性能较好,同时具有生物兼容性,可扩展微型阀的应用范围.     

微型刀具电火花加工工艺研究

为研究采用电火花成形加工方式制造微型刀具的可能性,掌握电火花加工微型刀具的工艺规律,针对两种刀具材料进行了表面粗糙度和蚀除率的加工实验.分析了实验结果与常规情况表面粗糙度规律出现差异的原因.研究结果表明,微细电火花成形加工适用于微型刀具的制备.     

悬臂式微型压电泵的试验研究

利用压电晶片致动式压电泵的工作原理,提出一种整机采用迭片式结构,单向阀采用悬臂式薄片阀的新结构微型压电泵,设计、制作了试验样机,并对该泵的工作性能进行了较为系统的试验测试和研究。通过试验测试：该泵工作性能稳定,整机具有较高的体积功能比。该泵设计方法及制作工艺对研发适于大量生产的实用微型泵是一个有益的尝试。     

电流变技术在微型机械系统中的应用研究

介绍了电流变技术在微型机械系统中的应用，特别介绍了三通口微型电流变阀的结构特点，制造工艺，基本特性，并通过实验模型阐述了这种阀的可行性。     

微型压缩机舌簧阀的优化设计

建立了微型压缩机舌簧阀结构参数及运行转速优化设计的数学模型．采用序贯加权因子的优化方法，对模型进行求解，得到压缩机最佳工况转速和舌簧阀的最优结构参数．该模型能较好地预测压缩机性能．在确立微型压缩机工作过程模型过程中，还分别模拟了舌簧阀的两个基本不同受力假设的动力学模型，证明了所选用模型的合理性．本研究用于实际微型空压机的设计和改造时，效果令人满意．     

用于检测高速气缸精确定位的微型开关阀设计

随着现代微机械加工技术的发展,微小流量的精确控制在检测高速气缸的精确定位和速度控制等方面已经变得越来越重要。该文设计了一种静电驱动的二位二通的微型开关阀,通过数值模拟对该阀进行性能分析,得到进出口气压差为10 kPa时流过该阀的空气流量为6 mL/min,同时基于压力补偿原理提出了一种可以降低静电驱动电压的微型开关阀。     

考虑毛细流动效应的微型柱塞泵自吸性能研究

微型柱塞泵是微型液压驱动系统的核心部分。由于微型柱塞泵进出管和配流阀流道小，使得在研究微型柱塞泵自吸性能时，除了流体重力、惯性力和黏性力外，还要考虑毛细流动效应对微型柱塞泵自吸性能的影响。在对比了流体黏度、管径和浸润角等因素后，对微型柱塞泵自吸过程进行了理论分析。结果表明，微型柱塞泵自吸性能受流体重力、惯性力、黏性力和毛细流动效应共同作用影响，并且在不同管径、流体黏度和浸润角下，各种力的影响程度不同。     

新型PDMS电磁微阀动态特性仿真研究

提出一种可用于气动微流控芯片气压控制的PDMS电磁微阀。阐述了PDMS电磁微阀的工作原理与结构,给出了电磁驱动器数学模型。建立了自感系数、线圈电流、阀芯运动电压、机械运动和电磁吸力的仿真模型;建立了PDMS电磁微阀电磁力、阀膜弹性变形力与微流道内气、液作用力之间的多物理场耦合数学模型。利用MATLAB/Simulink软件建立PDMS电磁微阀阀膜形变模型、出口流量模型,并与5个电磁驱动器子模块连接。对电磁驱动器动态响应特性和PDMS电磁微阀流量动态特性进行仿真分析,给出了PDMS电磁微阀阀芯驱动力、阀芯响应特性和动态流量特性分析结果。     

基于AMESim的新型PDMS微阀动态特性仿真研究

针对一种新型的可用于气动微流控芯片气压控制的电磁致动微阀的进一步研究和应用问题,在阐述了其结构和工作原理的基础上,利用AMESim软件建立了相应的动态仿真模型,对其流量、压力动态特性进行了分析,并且给出了该种微阀和传统气动电磁阀的流量、压力动态特性的对比分析结果.该种新型的电磁致动微阀由微流控芯片的上层PDMS平膜、具有微流道的下层PDMS厚膜和电磁致动器构成,电磁致动器通过安装在阀座上的玻璃片与PDMS微流控芯片实现了集成.而且,采用这种集成化的新型微阀的控制方式相较于传统采用气动电磁阀的控制方式,具有成本低、体积小、易于与微流控芯片集成等优点.研究结果表明,采用这种新型PDMS微阀对微流控芯片进行驱动和控制可以获得较好的动态特性,并且该研究对电磁致动微阀的进一步研究和应用提供了一定的理论指导.     

基于气动微流控芯片的新型智能痕量灌溉系统动态流量特性研究

提出一种基于气动微流控芯片的新型智能痕量灌溉系统，利用气动微流控芯片片上膜阀作为控水元件,阐述了新型智能痕量灌溉系统和片上膜阀的结构设计和工作原理，建立了新型智能痕量灌溉系统和片上膜阀的物理模型。对单个片上膜阀不同气体驱动压力、不同液流驱动压力下的出口流量，以及片上膜阀不同组合时的动态流量特性进行仿真分析，给出了不同情况下智能痕量灌溉系统出口流量和出口截面流速、压力分布等特性的分析结果。利用PDMS材料和软刻蚀技术对痕量灌溉系统控水元件进行封装，并对其流量特性进行了实验研究。讨论了在液流驱动压力为10 kPa、不同气体驱动压力时和气体驱动压力为0、不同液流驱动压力时，影响痕量灌溉系统流量的几种因素，并对实验现象进行理论分析。     

喷嘴挡板式压电气动微阀阀口密封宽度对流场特性影响的分析

为了探究喷嘴挡板式压电气动微阀阀口密封宽度对阀口流动特性的影响,应用CFD技术,采用SST k-ω湍流模型,对不同密封宽度下阀口的流动特性进行了数值模拟计算。结果发现,阀口端面密封宽度对压电气动微阀阀口的流动特性有显著的影响,选取合理的阀口端面密封宽度,可降低阀口的压力损失,提升气动微阀阀口的过流能力;同时发现微阀流量-压力系数不受阀口端面密封宽度的影响。该研究为阀口设计提供了重要参考。     

产品设计中用户感知意象的思维结构

为获取产品总意象、子意象和产品构成元素之间的关系,分析了产品设计中用户感知意象的生成机制,并提出了感知意象思维结构的模型。以太阳镜外形为研究案例,采用多元自适应回归样条技术构建产品总意象与造型、色彩、材质和光影子意象的关系模型,据此应用子意象最低规则和意象值近似规则,在Matlab软件中求解四个子意象的最优组合。采用回归树技术得到各子意象与产品构成元素的关系模型,进一步地以感知意象区间为基础,求解对应于四个最优子意象的最优产品构成元素,据此得到对应于用户感知意象的最优产品构成元素组合。研究表明:在感知意象的思维结构中,产品子意象与构成元素的关系可用树结构表征,而与产品总意象之间存在复杂的映射关系。     

悬臂梁式微型阀

分析了悬臂梁微型阀的静态过流特性,得到了阀的静态压差－－流量曲线并与实验结果比较。采用悬臂梁的拓动微分方法分析了悬擘梁式型阀的动态过波特性。当阀片两介的压差随时间变化时,阀片的启闭与压差的变化之间的存在一定的相位差,有可能引漏甚至反向流动。对阀片的几何尺寸对动态过流特性的影响进行了分析。     

Invited article: A materials investigation of a phase-change micro-valve for greenhouse gas collection and other potential applications

The deleterious consequences of climate change are well documented. Future climate treaties might mandate greenhouse gas (GHG) emissions measurement from signatories in order to verify compliance. The acquisition of atmospheric chemistry would benefit from low cost, small size/weight/power of microsystems. In this paper, we investigated several key materials science aspects of a phase-change microvalve (PCμV) technology with low power/size/weight/cost for ubiquitous GHG sampling. The novel design, based on phase-change material low-melting-point eutectic metal alloys (indium-bismuth, InBi and tin-lead, SnPb), could be actuated at temperatures as low as 72 °C. Valve manufacturing was based on standard thick and thin-film processes and solder technologies that are commonly used in industry, enabling low-cost, high-volume fabrication. Aging studies showed that it was feasible to batch fabricate the PCμVs and store them for future use, especially in the case of SnPb alloys. Hermetic sealing of the valve prototypes was demonstrated through helium leak testing, and Mil spec leak rates less than 1 × 10(-9) atm cm(3)/s were achieved. This confirms that the sample capture and analysis interval can be greatly expanded, easing the logistical burdens of ubiquitous GHG monitoring. Highly conservative and hypothetical CO(2) bias due to valve actuation at altitude in 1 cm(3) microsamplers would be significantly below 1.0 and 2.2 ppmv for heat-treated InBi and SnPb solders, respectively. The CO(2) bias from the PCμV scales well, as a doubling of sampler volume halved the bias. We estimated the shelf life of the SnPb PCμVs to be at least 2.8 years. These efforts will enable the development of low cost, low dead volume, small size/weight microsystems for monitoring GHGs and volatile organic compounds.     

Fabrication accuracy analysis of micromilling tools with complicated geometries by wire EDM

The micromilling tool is one of the key factors affecting micromilling performance. The design and fabrication of micromilling tools are still behind the increasing requirements in miniature component fabrication. How to estimate the fabrication accuracy of a newly designed micromilling tool is one of the urgent issues for micro tooling. This paper introduces an accuracy analysis method in the fabrication of micromilling tools by wire electrical discharge machining (WEDM) process. Taking two typical micro ball end mills into consideration, the micro tool fabrication process is kinematically modeled and analyzed. Analytical results show that the final fabrication accuracy has a close relationship with the designed micro tool geometry. The fabrication procedures can be arranged based on the kinematical analysis, and the final fabrication accuracy also is affected by it. The radius errors of the fabricated micro ball end mill prototype are within ±2μm, which is higher than that of commercially available similar ones. It verifies the proposed accuracy analysis method.     

飞秒激光多次聚焦在并行加工中的应用研究

飞秒激光的并行加工多是利用分光元件先分光再加工,在实际应用中,这种方法无法对加工出的平行结果进行灵活的控制。本文通过控制飞秒激光在介质中的多次聚焦,实现微光波导的并行加工,总结出影响加工的控制因素,并且对这种加工方法的机理和控制因素作了理论分析。由于不依赖分光元件,该方法对并行加工的控制相对灵活。对于飞秒激光的并行加工,该方法提出了一个值得发展的方向。     

Sequencing Mixed-model Production Systems by Modified Multi-objective Genetic Algorithms

As two independent problems,scheduling for parts fabrication line and sequencing for mixed-model assembly line have been addressed respectively by many researchers.However,these two problems should be considered simultaneously to improve the efficiency of the whole fabrication/assembly systems.By far,little research effort is devoted to sequencing problems for mixed-model fabrication/assembly systems.This paper is concerned about the sequencing problems in pull production systems which are composed of one mixed-model assembly line with limited intermediate buffers and two flexible parts fabrication flow lines with identical parallel machines and limited intermediate buffers.Two objectives are considered simultaneously:minimizing the total variation in parts consumption in the assembly line and minimizing the total makespan cost in the fabrication/assembly system.The integrated optimization framework,mathematical models and the method to construct the complete schedules for the fabrication lines according to the production sequences for the first stage in fabrication lines are presented.Since the above problems are non-deterministic polynomial-hard(NP-hard),a modified multi-objective genetic algorithm is proposed for solving the models,in which a method to generate the production sequences for the fabrication lines from the production sequences for the assembly line and a method to generate the initial population are put forward,new selection,crossover and mutation operators are designed,and Pareto ranking method and sharing function method are employed to evaluate the individuals' fitness.The feasibility and efficiency of the multi-objective genetic algorithm is shown by computational comparison with a multi-objective simulated annealing algorithm.The sequencing problems for mixed-model production systems can be solved effectively by the proposed modified multi-objective genetic algorithm.