基于悬臂梁阀的微型压电泵的实验研究

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,单向阀采用悬臂梁式薄片阀的新结构微型压电泵,设计、制作了实验样机,并对该泵的工作性能进行了较为系统的实验测试和研究,并提出了利用多腔体串联结构提高压电泵性能的优化设计方案。通过实验测试:该泵工作性能稳定,整机具有较高的体积功能比(样机尺寸:15 mm×1.8 mm;50 V正弦信号输入,80 Hz条件下,最大输出压力22 kPa,流量达到3.6 m l/m in)。该泵的设计方法及所用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。     

微型压电泵系统的设计研究

提出了一种整机采用迭片式结构,单向阀采用悬臂梁式薄片阀的新结构微型压电泵,设计、制作了实验用样机泵,设计了正弦信号发生器电路,将产生的正弦信号经过电压放大和功率放大后,作为该泵的电源驱动,通过对该泵的工作性能进行较为系统的实验测试和研究,提出了利用多腔体串联结构提高压电泵性能的优化设计方案。实验测试表明,该泵工作性能稳定(样机尺寸:Φ15 mm×1.8 mm;50 V正弦信号输入,80 Hz条件下,最大输出压力22 kPa,流量达到3.6 ml/min)。该泵的设计方法及所用制作工艺可用于研发大量生产的实用微型泵。     

微型压电泵的实验研究

提出一种由压电晶片驱动的新结构微型泵,选用悬臂梁式单向阀,并采用迭片技术。在实验室中设计、制作了实验样机,其中重要件如泵体和金属单向阀片均通过精密机械加工工艺制作而成。通过系统的实验测试和研究得出了许多有益的实验结果:工作性能稳定,整机具有较高的体积功能比(样机尺寸:Φ15mm×1.8mm;50V正弦信号输入,80H z条件下,流量达到3.6mL/m in,最大输出压力22kPa;微泵的自身泵送频率fsp达到12.4)。同时也提出了利用多腔体串联结构提高压电泵性能的优化设计方案。设计方法及所用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。     

双腔体压电泵设计方法研究

由于自吸性差、对气泡敏感等原因,单腔体压电泵在应用中受到限制,采用多腔体结构是提高压电泵性能的有效途径。通过分析腔体容积与压力变化过程得出：双腔体串联压电泵只能采用串联驱动方式而不能采用并联驱动方式,双腔体并联压电泵只能采用并联驱动方式而不能采用串联驱动方式。制作双腔并联、串联压电泵样机进行测试：串联压电泵在驱动电压200VAC,频率152Hz时,输出流量达到最大为1150ml/min,并联泵在驱动电压140VAC,频率220Hz时,输出流量达到最大为640ml/min;因此多腔泵采用腔体串联结构能提高压电泵的工作效率,提高泵的工作性能。     

双腔体压电泵的设计

由于自吸性差、对气泡敏感等原因,单腔体压电泵在应用中受到限制,而多腔体结构是提高压电泵性能的有效途径.通过分析腔体容积与压力变化过程得出:双腔体串联压电泵只能采用串联驱动方式而不能采用并联驱动方式,双腔体并联压电泵只能采用并联驱动方式而不能采用串联驱动方式.制作双腔串联、并联压电泵样机并进行测试可以得出:串联压电泵在驱动电压200 V,频率152 Hz时,输出流量达到最大为1 150 ml/min;并联泵在压电驱动电压140 V,频率220 Hz时,输出流量达到最大为640 ml/min;因此多腔泵采用腔体串联结构能提高压电泵的工作效率,提高泵的工作性能.     

一种新型单腔双振子压电泵的结构设计和性能试验

为优化单腔双振子压电泵的结构,提高输出性能,设计了一种新型结构的单腔双振子压电泵。将新设计结构同前期设计结构进行了比较,并对两种结构的试验样机进行了输出流量测试。试验显示,新结构的输出流量是前期结构输出流量的2倍,最大流量可达800mL/min。将新结构加工了不同腔体初始容积样机,得到了压缩比对泵输出性能的影响。试验发现,当腔体高度为1.2mm,工作时的压缩比为1/46,此时单腔双振子压电泵整体输出效果最好。分析了单腔双振子压电输送液体和气体时工作特点,得到泵输送液体介质时最佳工作频率点远远低于输送气体介质。     

压电泵用截止阀设计与性能测试

为设计出适用于压电泵的被动截止阀,对压电泵用阀的设计要求和阀的工作条件进行了理论分析与阐述,并应用上述理论分别设计了悬臂梁阀、轮式平板阀和伞形橡胶阀等三种不同的结构压电泵用阀。理论分析了三种阀的静态过流特性,确定了各种结构尺寸因素对阀工作性能的影响。建立了测试被动截止阀性能的试验方法,并对所设计的三种阀的最小开启压力和静态过流能力进行了试验测试。试验结果表明,所设计的三种阀在0.2 kPa工作压力时都已开启工作,在静态过流能力上橡胶伞形橡胶阀与轮式平板阀比较接近,悬臂梁阀最差。将三种阀安装在结构相同的压电泵中,测试了安装三种阀泵的输出能力,结果显示,安装伞形橡胶阀压电泵的输出流量最大,轮式平板阀次之,悬臂梁阀最差。     

轴向出流的单腔压电泵结构设计与性能研究

为提高压电泵的输出性能,设计了一种新型轴向出流的单腔有阀压电泵。泵体结构主要由3部分构成,即固定压电振子的上盖、带有腔体结构和被动截止阀的中间体及起压紧和密封作用的下盖。轴向出流的单腔压电泵的结构是将进口阀安装在圆柱形腔体的中心位置,保证进口管的轴线与压电振子垂直,出口阀安装在泵腔外,通过导流槽与泵腔连接,形成轴向进出流方式。将轴向出流的单腔压电泵和早期设计的侧向出流压电泵进行输出性能测试,试验发现,在低频工作阶段,侧向出流的单腔压电泵输出效果要略高于轴向出流,在高频工作阶段,后者要高于前者,而在整个40~400 Hz测试范围内,后者输出的液体压力都要高于前者。     

不同容积比的双腔串联压电泵测试分析

为提高双腔串联压电泵的输出性能,对泵的进口腔与出口腔的容积比进行了优化设计。分别设计了容积比为1.9、1.5、1.3三种串联压电泵样机,并对样机进行了试验测试。试验结果显示,采用增加容积比的方式可以提高双腔串联压电泵的输出流量,但不能提高其输出压力;对每个不同腔体容积比的双腔串联压电泵在异步驱动和同步驱动下进行了输出性能测试,测试结果显示,当输送气体时,两种驱动方式均有很好的流量输出,且输出结果比较接近,但仅有异相驱动时才能输出液体。分析结果为提高双腔串联压电泵的输出性能提供了很好的依据。     

双腔串联两阀与三阀压电泵的性能研究

研究了双腔串联两阀压电泵与三阀压电泵的输出性能,分析了这两种泵的结构和工作原理,理论分析得出:三阀泵输出性能优于两阀泵。设计制作了两阀泵与三阀泵实验样机,并通过实验测试证明了理论分析的正确性。分别对两阀泵和三阀泵进口腔和出口腔独立工作时流量输出进行了实验测试,并把进口腔和出口腔独立工作时输出流量相加之和,与两腔一起交叉工作时进行了比较。实验测试表明:两阀泵和三阀泵样机在200 V交流驱动电压下,最大输出流量分别 为972 ml/min和1 035 ml/min,最大输出压力分别为28.7 kPa和40 kPa,最大自吸高度分别为0.41 m和0.43 m水柱高。     

Performance of a serial-connection multi-chamber piezoelectric micropump

1Introduction Micropumpsaretheessentialcomponentsin micro fluidicsystemwhichhasemergedasa popularareaofresearchwiththedevelopmentof micro electro mechanicalsystem(MEMS).Sinceoneoftheearlypiezoelectricmicropumps forinsulindeliverywasfabricatedin1978,more andmoreeffortshavebeenmadeintheresearch ofmicropumps[1].Duetotheirpreciselycon trolledflowrate,micropumpspresentpromising applicationsinanalyticalchemistry,medical treatment,pharmacy,bioengineering,fuel drop generatorforautomobileheater,etc.A…     

Simulation and optimization of a piezoelectric micropump for medical applications

We designed a valveless micropump excited by a piezoelectric actuator for medical applications. The complete electric–fluid–solid coupling model is built upon using ANSYS software (Canonsburg, PA) to investigate the behaviors of the micropump. The effects of the geometrical dimensions on the micropump characteristics and its efficiency are analyzed. The simulation results show that there is an optimal thickness of the piezoelectric layer to obtain a large pump flow, and that this optimal thickness is affected by the material and the thickness of the pump membrane. To enhance the performance of the micropump, some important diffuser parameters, such as the diffuser length, the diffuser angle, and the neck width, should be optimized. However, the variations of the diffuser’s geometrical dimensions do not affect the optimal thickness of the piezoelectric layer.     

基于MEMS的压电微泵建模与优化

以压电驱动的无阀微泵为研究对象,根据扩张管/收缩管的压力损失系数和连续方程,建立了无阀微泵的理论模型。利用有限元分析软件,建立了无阀微泵有限元模型,进行了耦合场仿真分析。模拟并分析了不同边界条件下驱动电压、电压频率、泵膜厚度、压电薄膜厚度和压电材料对无阀微泵输出特性的影响。仿真结果显示,无阀微泵具有很好的整流特性,并且驱动电压越大,输出特性越好。在局部固定边界条件下,当压电薄膜上施加电场强度为500 V/mm的驱动电压时,存在最优的压电薄膜厚度,使得微泵的输出流量最大。研究结果为无阀微泵的优化设计提供了依据。     

新型压电无阀微泵效率分析及试验研究

提出了一种用于无阀压电微泵的新型效率模型,根据传统扩张/收缩管型结构设计出侧面带有环形面积新型锯齿型带锥度和无锥度两种微流道.用CFD软件对传统扩张/收缩型微流道及新型锯齿型微流道进行了三维流动模拟,绘制出几种微流道特性曲线,并用新型效率模型计算了三种微流道在两种限制条件(最大流量零压力头和最大压力头零流量)下的稳态效率,并进行了分析比较,结果表明由于结构改变,锯齿型微流道最大流量和压力损失实现了预期的变化,并且带锥度锯齿型微流道微泵稳态效率均大于标准扩张/收缩型微流道及无锥度锯齿型微流道微泵.最后制作出含有标准扩张/收缩及带锥度锯齿型微流道结构微泵,并对其进行试验,结果证明由于环形面积和锥度存在,带锥度锯齿形微流道微泵性能明显优于传统扩张/收缩型微泵.     

压电驱动微泵泵膜振动有限元分析

以压电驱动微泵泵膜为研究对象,分析了压电复合泵膜膜片的弹性曲面微分方程,建立了泵膜膜片有限元数值模拟的模型,对泵模膜态进行了计算和分析,模拟并分析了驱动电压、泵膜压电层半径与泵膜单晶硅层半径之比、单晶硅层厚度、压电层厚度对泵膜位移的影响。所作研究为压电驱动微泵的优化设计提供了理论依据。     

Piezoelectric diffuser/nozzle micropump with double pump chambers

To eliminate check valve fatigue and valve clogging, diffuser/nozzle elements are used for flow rectification in a valveless diffuser/nozzle micropump instead of valves. However, the application of this type of micropump is restricted because of its pulsating or periodic flow and low pump flux. In this paper, a diffuser/nozzle Si/Glass micropump with two pump chambers by IC and MEMS technology is designed. The fabrication process requires only one mask and one etch step, so that the fabrication has the advantages of low cost, short processing period, and facilitation of miniaturization. The pump is equipped with a glass cover board so as to conveniently observe the flow status. Pump-chambers and diffuser elements are fabricated by the anisotropic KOH-etch technique on the silicone substrate, and the convex corner is designed to compensate for an anisotropic etch. The driving force of the micropump is produced by the PZT piezoelectric actuator. The pump performance with both actuators actuated in anti-or same-phase mode is also researched. The result indicates that the micropump achieves great performance with the actuators working at anti-phase. This may be because the liquid flows steadily, pulse phenomenon is very weak, and the optimal working frequency, pump back pressure, and flow rate are both double that of the pump driven in same-phase.     

Piezoelectric diffuser/nozzle micropump with double pump chambers

To eliminate check valve fatigue and valve clogging, diffuser/nozzle elements are used for flow rectification in a valveless diffuser/nozzle micropump instead of valves. However, the application of this type of micropump is restricted because of its pulsating or periodic flow and low pump flux. In this paper, a diffuser/nozzle Si/Glass micropump with two pump chambers by IC and MEMS technology is designed. The fabrication process requires only one mask and one etch step, so that the fabrication has the advantages of low cost, short processing period, and facilitation of miniaturization. The pump is equipped with a glass cover board so as to conveniently observe the flow status. Pump-chambers and diffuser elements are fabricated by the anisotropic KOH-etch technique on the silicone substrate, and the convex corner is designed to compensate for an anisotropic etch. The driving force of the micropump is produced by the PZT piezoelectric actuator. The pump performance with both actuators actuated in anti- or same-phase mode is also researched. The result indicates that the micropump achieves great performance with the actuators working at anti-phase. This may be because the liquid flows steadily, pulse phenomenon is very weak, and the optimal working frequency, pump back pressure, and flow rate are both double that of the pump driven in same-phase.     

无阀压电微流体泵工作特性与结构参数

根据平面无阀压电微流体泵的结构特点,采用厚度平均的浅水模型和有限元法,得到微流体泵液体－振动片耦合方程。耦合方程的模态分析给出硅片一阶模态自然频率和振型,以及硅片振幅－频率关系。在模态分析之后,加入压电力考察振动片响应、微泵流动特征和微泵流量。同时研究微泵结构参数(微泵压电片半径、扩散管长度、最小宽度、扩散张角)对微流体泵液—固耦合系统的自然频率、振动片振幅和微泵流量的影响,得出对微流体泵优化设计有重要意义的结果。     

负压驱动蠕动微型泵的研究进展

基于负压驱动原理研制了一种结构简单的蠕动微型泵。微型泵由3层聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料,构成气路层、驱动薄膜层和流路层,其全部结构均采用激光器加工制作而成,并通过表面等离子体氧化处理技术实现了各PDMS层之间的键合封装。该微型泵具有流速高、回流低、气泡耐受能力强,以及不伤害传送介质的特点。尤为重要的是,连接负压源的气路层通过PDMS薄膜能有效去除流路中的气泡,这是处理复杂流体样品时所期望的。通过对比前期微型泵的气路通道的流阻、常闭微阀的个数、负压压力和驱动频率等各项参数,获得了其性能参数。在50kPa负压和30Hz驱动频率的条件下,获得的最佳流速为600μL/min,这一流速参数可与正压气动型蠕动泵的流动性能相媲美。