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)動器件，實現(xiàn)流體傳輸?shù)囊环N新型流體泵，它具有結構緊湊、響應速度快、能耗低、無電磁干擾，可根據(jù)電壓或頻率精確輸送微量流體等優(yōu)點，在化學分析、藥物輸送、微型機電以及航空航天等領域有巨大的應用價值。
　　目前對于傳統(tǒng)壓電泵的研究已經(jīng)取得了一系列的成果，國內(nèi)外開發(fā)了滿足各種要求的壓電泵。但尚未研究設計出一個能夠在輸出流量，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:一是壓電振子

2、沒有良好的機電耦合設計，無法發(fā)揮壓電材料的高能量密度的優(yōu)點;二是傳統(tǒng)的單向閥在工作中存在嚴重的滯后性，無法適應高頻工作條件;三是沒有考慮到液體的不可壓縮性，壓電泵在工作過程中，出、入水口管負載壓力大，沒有一個緩沖機構減輕壓電泵的負載。
　　針對以上問題，本文提出了帶有可壓縮腔緩沖結構及兩端固支的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、生最高的能量轉換率;兩端固支的PDMS單向閥具有優(yōu)良的高頻特性，并且無回流和泄漏現(xiàn)象;可壓縮腔緩沖結構減輕了致動器的負載，增加了泵單個周期內(nèi)的輸出流量。
　　本文設計并優(yōu)化了壓電振子的機電耦合結構，提出了長梁式和折疊振子式兩種機械結構。與長梁式振子相比，采用壓電晶片粘貼在折疊振子上作為激勵源的折疊式壓電振子，其表面應力分布更為均勻，因此，壓電晶片的利用率和能量轉換率更高。此外，多層折疊的機械結構壓縮了空間體積，使壓電泵整體結構更為

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，壓電致動器能量轉換率最高，此時，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ANSYS有限元仿真分析其工作模態(tài)、諧振頻率和應力分布，并建立了壓電振子和泵腔的動力學模型，得出了諧振頻率、模態(tài)振型、泵腔體積變化量的計算表達式。
　　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構的PDMS單向閥。從原理和實驗兩方面，

5、解釋并驗證了該閥的工作原理和性能表現(xiàn)。大量的實驗數(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，較低的開啟壓力，且靜態(tài)效率可達99.5％，為設計高性能的具有自啟動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，在一個較長的流道內(nèi)驅(qū)動大的液體負載是較困難的。本文首次提出了位于出入水口處的可壓縮腔緩沖結構，采用PDMS薄膜加工設計，具有結構簡單，易變形的特點。在壓電泵工作過程中，壓縮腔緩沖結構可有效地減輕剛性泵

6、體的負載，增加單個周期內(nèi)的輸出流量。本文把壓電泵的機械參數(shù)等效成電路參數(shù)，通過模擬電路仿真軟件分析了可壓縮腔結構對壓電泵工作性能的影響。實驗和仿真結果表明，帶有壓縮腔緩沖結構的壓電泵較無壓縮腔緩沖結構的壓電泵輸出流量提高了約20％。
　　本文制作了壓電泵樣機，采用實驗裝置測試壓電泵輸出性能。實驗結果表明:長梁式和折疊振子式壓電泵樣機均可以穩(wěn)定輸出液體。對于長梁式壓電泵，總體體積為100mm×20mm×15mm，在490 Hz、40

7、0 Vp-p的交流激勵電壓下，樣機泵輸出流量可達105ml/min，輸出背壓可達23kPa，功耗僅42mW。經(jīng)過結構優(yōu)化的折疊振子式壓電泵，總體體積為20mm×20mm×28mm，在361 Hz、120Vp-p的交流激勵電壓下，樣機泵輸出流量可達118ml/min，輸出背壓可達22.5kPa，功耗僅62mW，且在驅(qū)動電壓為361Hz、4Vp-p時，可得到穩(wěn)定的最小輸出流量160μl/min。實驗數(shù)據(jù)證明了長梁式和折疊振子式壓電泵的有效性