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南京然創精密機械有限公司

Nan Jing Ran Chuang Precision Machinery Co.,Ltd

壓電雙晶片驅動的壓電微泵的研究

2014年08月29日

 摘 要:介紹了一種基于MEMS技術的壓電微泵。該微泵利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為泵膜,利用雙面濕法腐蝕形成被動閥,并利用壓電雙晶片作為驅動部件。對壓電雙晶片的理論變形量和壓電微泵的泵腔變化量、泵腔壓縮比進行了理論分析,并對其輸出流量進行了測試。在100 V、20 Hz的方波驅動下,該壓電微泵的最大輸出流量為317μL/min。結果顯示該壓電微泵的制作工藝簡單,具有良好的流體驅動性能。

    微流體控制系統因其尺寸小,功耗低,控制精度高,響應速度快等特點而受到人們的廣泛青睞,已成為MEMS研究領域中的一個重要分支。微泵是構成微流體系統的重要部件。由于微泵能精確控制流量,它在微量化學分析與檢測、微量流體配給、打印機噴墨陣列、集成電子元件的冷卻、燃料微量注射等領域有著廣闊的應用前景[1]。機械式微泵的驅動方式很多,其中包括壓電微泵、靜電微泵、電磁微泵、熱氣動微泵、形狀記憶合金微泵及雙金屬微泵等。非機械式微泵是目前的一個研究熱點,它利用熱、化學、聲、磁或電動力來實現對液體的驅動,包括電滲流體驅動微泵、電液致動微泵、磁流體動力泵、重力驅動微泵及表面張力微泵等。同其他驅動方式的微泵相比,壓電微泵具有結構簡單,體積小,質量輕,耗能低,無噪聲及無電磁干擾等優點,且可通過施加不同電壓或頻率來控制輸出流量,因此,壓電微泵具有廣闊的應用前景。已有許多國家的研究人員在進行壓電微泵的研制和開發[2]。目前,壓電微泵[3–6]大多采用壓電圓片作為驅動器,硅薄膜作為泵膜,這樣的結構的硅彈性模量大(190 GPa),變形量小;且壓電圓片的形變量小,驅動力有限。因此,為了獲得較大的壓縮比進而提高微泵的性能,很多學者利用硅自停止腐蝕工藝制作厚度僅10μm的硅薄膜作為泵膜,但硅泵膜的加工成本高,且極易破裂,從而使得微泵的加工費用昂貴同時難于獲得較高的成品率。

    1 壓電微泵的結構與工作原理

    本文作者利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)的厚膜作泵膜,與傳統的硅泵膜相比,PDMS泵膜具有的以下優點:

    (1) PDMS薄膜彈性模量為0.75 MPa,因而在壓電雙晶片的驅動下,可忽略其彈性模量的影響,認為壓電雙晶片自由端的最大位移即為泵膜的最大位移。

    (2)另外由于可制成幾百微米的厚膜,且PDMS良好的延伸性,封裝及粘貼驅動器時都不易損壞,因此降低了封裝難度,提高了成品率和使用壽命,且降低了加工成本。

    圖1為壓電微泵的基本結構。向壓電雙晶片施加方波信號時,壓電雙晶片在電場的作用下發生周期性彎曲變形,進而驅動PDMS泵膜改變腔體的容積。當壓電雙晶片帶動泵膜向上移動時,泵腔體積增大,腔內流體的壓強減小,使入口閥打開,同時出口閥關閉,流體在壓差的作用下流入泵腔;相反,當壓電雙晶片帶動泵膜向下移動時,泵腔內壓強增大,使入口閥關閉,同時出口閥打開,流體在壓差的作用下從出口流出,由此實現流體介質的單向驅動。

 

    圖1中所示的兩個被動閥片單元是通過雙面濕法腐蝕工藝制成。泵腔單元的制作:首先在硅片正面旋涂一層厚約100μm的PDMS膜并烘干,然后從背面利用濕法腐蝕技術將硅片減薄至約200μm,最后利用刻蝕技術將硅片刻穿形成直徑約? mm的圓孔作為泵腔。

    1.1 壓電雙晶片的變形分析

    壓電雙晶片是由兩片壓電片和一片導電金屬箔片組成,其間以導電膠粘結,構成一端夾持、另一端自由的懸臂梁形式。圖2為壓電雙晶片在外加電壓下的變形情況。設壓電雙晶片長為l、寬w、厚h,且假定lmw,lmh,忽略金屬片和粘結層的影響

 當外加電壓V時,由于壓電材料的逆壓電效應,壓電陶瓷片將產生變形。由于上片的極化方向與電場E相反,而下片的極化方向與E相同,從而導致上片伸長、下片收縮,造成壓電雙晶片向下彎曲。外加電壓如圖2所示的極性時,上片的壓電方程可簡化為[7]

 

式中 下標1、2、3分別代表x、y、z方向; sE11為恒定電場下的彈性柔順系數;εT33為恒定應力下的介電常數;d31為壓電常數;SU1、TU1分別為x方向的應變和應力;E3、DU3分別為z方向的電場和電位移,上標U代表上片。下片的壓電方程可簡化為

 

式中上標L代表下片。壓電片內部電場與外加電壓的關系為

  E3=V/h               (3)

    由于上片中的電場與z方向相反,而下片中的電場與z方向相同,所以上片中的電場E3為負,下片中電場E3為正。

    用FU、FL表示壓電雙晶片在電場作用下發生變形時上下壓電片的作用力,用MU、ML表示彎矩。因兩片壓電片完全相同,所以在大小相等、方向相反的電場作用下受力大小相等,即FU=FL=F。另外根據連續性條件,上下壓電片在粘合處的應變應當相等,由此可得

由式(12)可知,雙晶片的材料特性、外形特征及外加電壓決定了雙晶片端部的位移。選擇d31較大的壓電陶瓷構成壓電雙晶片,提高外加電壓都可以提高自由端的位移量。但壓電陶瓷的耐壓極限決定了電壓的提高程度有限。另外,通過控制雙晶片的尺寸可得到較大的位移量,即減小壓電陶瓷層的厚度和增加壓電雙晶片的長度。

    1.2 泵腔體積改變

    壓電雙晶片自由端的位移量越大,PDMS泵膜產生的變形越大,從而泵腔體積的變化量越大。如果不考慮泵腔內的氣體壓縮,且假定壓電雙晶片與泵膜的中心點發生點接觸,則可認為PDMS泵膜在雙晶片作用下產生一圓錐體形狀改變,本文所采用的泵腔近似為圓柱形,則泵膜一次變形產生的泵腔體積改變為

 

    ε是衡量微泵性能的一個重要參數,ε越大,說明微泵驅動流體的能力越強。由文獻[3]可知,腔體ε≥0.075時,微泵具有較強的抗氣泡干擾能力和一定的自吸能力。本文使用的壓電雙晶片的具體參數為:d31=190 pC/N,Vmax=100 V,l=20 mm,h=0.3 mm,泵腔高度H為200μm,如果忽略進出口處的流體體積,由式(16)可求得該壓電微泵的腔體的ε=0.106,滿足自吸性和抗氣泡干擾的要求。另外,如果設驅動頻率為f,還可由式(13)得出壓電微泵理論流量的近似表示為

 

    2 實驗結果與討論

    以自來水作為流體對圖1所示的壓電微泵進行測試。其中壓電雙晶片長20 mm,泵腔高度為200μm。利用0~100 V、脈寬比為1:1的方波信號作為驅動信號,對不同驅動電壓和頻率下的流量進行了測量,測量結果如圖3、4所示。由圖3可看出,隨外加電壓的升高,流量隨之提高。這是由于低電壓時,壓電雙晶片的變形量較小,泵腔的變化也較小;而高電壓下,壓電雙晶片的變形量和泵腔容積的變化量均隨之提高。因此提高方波信號的電壓可得大流量。但電壓的提高受到壓電陶瓷耐壓極限的限制。由圖4可看出,當頻率較低時,流量隨頻率的增加而增加,而當頻率進一步升高時,流量隨頻率的增加而減小。最佳工作頻率約為20 Hz。當電壓為100 V、頻率為20 Hz時,測得最大流量為317μL/min。這一最佳工作頻率與泵膜諧振頻率和被動閥片諧振頻率均密切相關[3]。

 

    3 結束語

    本文提出了一種基于MEMS技術的壓電微泵,對壓電雙晶片、泵膜變形量和泵腔壓縮比進行了理論分析,并對其輸出流量進行了實驗測量。壓電雙晶片和PDMS泵膜的組合可產生較大的泵腔體積改變和壓縮比,降低了加工成本并提高了成品率。實驗測得輸出流量隨驅動電壓的升高而增加,在100 V電壓、20 Hz的方波驅動下,得到的最大流量為317μL/min。 

來源:南京然創精密機械有限公司
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公司簡介

南京然創精密機械有限公司是壓電驅動控制器、壓電驅動元件、壓電送料器、壓電泵、自動化生產設備等產品專業生產加工的公司,擁有完整、科學的質量管理體系。公司是由國內知名壓電控制及驅動領域專家吉林大學博士生導師楊志剛教授創立,公司現有12人規模的開發團隊均為碩士研究生及以上學歷,其中博士五名,分屬機械、電子、通訊工程專業。主要研究領域為壓電泵、壓電振動給料器、壓電精密定位器、超聲懸浮軸承及壓電能量收集裝置等,多次承擔國家863與自然科學基金項目,是國內最專業的壓電驅動器研究中心之一。
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