帶有可壓縮腔和兩端固支閥的諧振式壓電泵的研究.pdf

1、壓電泵是利用壓電晶體作為驅(qū)動(dòng)器件，實(shí)現(xiàn)流體傳輸?shù)囊环N新型流體泵，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、能耗低、無(wú)電磁干擾，可根據(jù)電壓或頻率精確輸送微量流體等優(yōu)點(diǎn)，在化學(xué)分析、藥物輸送、微型機(jī)電以及航空航天等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用價(jià)值。
　　目前對(duì)于傳統(tǒng)壓電泵的研究已經(jīng)取得了一系列的成果，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了滿足各種要求的壓電泵。但尚未研究設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠在輸出流量，輸出背壓及輸出精度等方面均具有良好表現(xiàn)的高性能壓電泵。主要限制原因可歸納為三點(diǎn):一是壓電振子

2、沒(méi)有良好的機(jī)電耦合設(shè)計(jì)，無(wú)法發(fā)揮壓電材料的高能量密度的優(yōu)點(diǎn);二是傳統(tǒng)的單向閥在工作中存在嚴(yán)重的滯后性，無(wú)法適應(yīng)高頻工作條件;三是沒(méi)有考慮到液體的不可壓縮性，壓電泵在工作過(guò)程中，出、入水口管負(fù)載壓力大，沒(méi)有一個(gè)緩沖機(jī)構(gòu)減輕壓電泵的負(fù)載。
　　針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了帶有可壓縮腔緩沖結(jié)構(gòu)及兩端固支的PDMS(polydimethylsiloxane)單向閥的新型諧振式壓電泵。諧振式壓電振子具有良好的機(jī)電耦合特性，在系統(tǒng)諧振頻率處，可產(chǎn)

3、生最高的能量轉(zhuǎn)換率;兩端固支的PDMS單向閥具有優(yōu)良的高頻特性，并且無(wú)回流和泄漏現(xiàn)象;可壓縮腔緩沖結(jié)構(gòu)減輕了致動(dòng)器的負(fù)載，增加了泵單個(gè)周期內(nèi)的輸出流量。
　　本文設(shè)計(jì)并優(yōu)化了壓電振子的機(jī)電耦合結(jié)構(gòu)，提出了長(zhǎng)梁式和折疊振子式兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)。與長(zhǎng)梁式振子相比，采用壓電晶片粘貼在折疊振子上作為激勵(lì)源的折疊式壓電振子，其表面應(yīng)力分布更為均勻，因此，壓電晶片的利用率和能量轉(zhuǎn)換率更高。此外，多層折疊的機(jī)械結(jié)構(gòu)壓縮了空間體積，使壓電泵整體結(jié)構(gòu)更為

4、緊湊。壓電晶片和金屬振子組成的壓電振子與泵體部分構(gòu)成了諧振型壓電泵，在壓電泵系統(tǒng)的諧振頻率處，壓電致動(dòng)器能量轉(zhuǎn)換率最高，此時(shí)，壓電泵可獲得最佳的輸出性能。本文建立了完整的壓電振子模型，通過(guò)ANSYS有限元仿真分析其工作模態(tài)、諧振頻率和應(yīng)力分布，并建立了壓電振子和泵腔的動(dòng)力學(xué)模型，得出了諧振頻率、模態(tài)振型、泵腔體積變化量的計(jì)算表達(dá)式。
　　單向閥是壓電泵的重要元件，本文提出了一種新型兩端固支結(jié)構(gòu)的PDMS單向閥。從原理和實(shí)驗(yàn)兩方面，

5、解釋并驗(yàn)證了該閥的工作原理和性能表現(xiàn)。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明該類型單向閥具有優(yōu)良的高頻特性，良好的反向截止特性，較低的開(kāi)啟壓力，且靜態(tài)效率可達(dá)99.5％，為設(shè)計(jì)高性能的具有自啟動(dòng)能力的壓電泵提供了重要保證。
　　考慮到液體的不可壓縮特性，在一個(gè)較長(zhǎng)的流道內(nèi)驅(qū)動(dòng)大的液體負(fù)載是較困難的。本文首次提出了位于出入水口處的可壓縮腔緩沖結(jié)構(gòu)，采用PDMS薄膜加工設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易變形的特點(diǎn)。在壓電泵工作過(guò)程中，壓縮腔緩沖結(jié)構(gòu)可有效地減輕剛性泵

6、體的負(fù)載，增加單個(gè)周期內(nèi)的輸出流量。本文把壓電泵的機(jī)械參數(shù)等效成電路參數(shù)，通過(guò)模擬電路仿真軟件分析了可壓縮腔結(jié)構(gòu)對(duì)壓電泵工作性能的影響。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，帶有壓縮腔緩沖結(jié)構(gòu)的壓電泵較無(wú)壓縮腔緩沖結(jié)構(gòu)的壓電泵輸出流量提高了約20％。
　　本文制作了壓電泵樣機(jī)，采用實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試壓電泵輸出性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:長(zhǎng)梁式和折疊振子式壓電泵樣機(jī)均可以穩(wěn)定輸出液體。對(duì)于長(zhǎng)梁式壓電泵，總體體積為100mm×20mm×15mm，在490 Hz、40

7、0 Vp-p的交流激勵(lì)電壓下，樣機(jī)泵輸出流量可達(dá)105ml/min，輸出背壓可達(dá)23kPa，功耗僅42mW。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的折疊振子式壓電泵，總體體積為20mm×20mm×28mm，在361 Hz、120Vp-p的交流激勵(lì)電壓下，樣機(jī)泵輸出流量可達(dá)118ml/min，輸出背壓可達(dá)22.5kPa，功耗僅62mW，且在驅(qū)動(dòng)電壓為361Hz、4Vp-p時(shí)，可得到穩(wěn)定的最小輸出流量160μl/min。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了長(zhǎng)梁式和折疊振子式壓電泵的有效性