基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動(dòng)微流體泵的原理、結(jié)構(gòu)及特性模擬.pdf

1、在生物工程、臨床醫(yī)學(xué)、集成電路制造和航空航天等領(lǐng)域，對(duì)可以精確定量輸送微小流量的裝置及系統(tǒng)都有迫切需求。微流體泵、微流體閥和微流量傳感器是微流體控制與輸送系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。其中，微流體泵是微流體系統(tǒng)中必不可少的組成部分，在片上芯片、藥物控釋、液體冷卻系統(tǒng)、胰島素治療系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。由于壓電驅(qū)動(dòng)器具有高分辨率、快速響應(yīng)、低功率消耗、易于控制、出力密度大以及控制精度高的特點(diǎn)，采用壓電執(zhí)行器的具有主動(dòng)控制能力的微流體泵已得到

2、深入研究。與有閥式壓電泵相比，無閥壓電泵的工作效率可以得到提高，但是因?yàn)闆]有止回閥，泵的工作壓力和截止性能都急劇下降。被動(dòng)閥壓電泵也存在閥的開啟與關(guān)閉與驅(qū)動(dòng)器之間存在相位差、響應(yīng)滯后、截止性能差等問題，也不適合對(duì)流體的精確控制。本文提出了一種基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動(dòng)微流體泵。它采用具有圓環(huán)面邊界的主動(dòng)控制微流體閥分別作為進(jìn)液閥和出液閥（作為止流閥），進(jìn)液閥和出液閥的閥腔與采用圓盤形壓電單晶執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的泵腔相連而構(gòu)成多腔體的結(jié)構(gòu)

3、。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓作用在圓盤形壓電單晶執(zhí)行器上的撓度特性，對(duì)泵腔體積變化量進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和分析。同時(shí)，根據(jù)擴(kuò)展的伯努利方程，并結(jié)合圓盤間隙流理論，對(duì)泵流量進(jìn)行了建模。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)壓電致動(dòng)微流體泵的泵流量和背壓、具有圓環(huán)面邊界的主動(dòng)控制微流體閥流量和圓盤形壓電單晶執(zhí)行器撓度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。為了使該壓電致動(dòng)微流體泵具有更好的性能，對(duì)其驅(qū)動(dòng)元件-圓盤形壓電單晶執(zhí)行器-進(jìn)行了建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴提出并

4、實(shí)現(xiàn)了一種具有圓環(huán)面邊界的主動(dòng)控制微流體閥的原理及其結(jié)構(gòu)。在閥體上的通孔和與其同軸的圓環(huán)柱體自然形成圓環(huán)面邊界。與通孔和圓環(huán)柱體同軸覆蓋在閥體上的圓盤形壓電單晶執(zhí)行器與圓環(huán)柱體形成密閉的流體腔。如果將通孔看成進(jìn)液通道并與進(jìn)液口相連，則流體腔通過出液通道與出液口相連。通過改變外部驅(qū)動(dòng)電壓可以實(shí)現(xiàn)圓盤形壓電單晶執(zhí)行器與圓環(huán)面邊界之間的間隙高度控制，達(dá)到控制主動(dòng)控制微流體閥的開啟、關(guān)閉及其開啟的程度，實(shí)現(xiàn)流量控制。⑵利用流體力學(xué)中的平行圓盤隙

5、縫流理論和擴(kuò)展的伯努利方程，結(jié)合經(jīng)典層合板理論所建立的撓度模型，建立了具有圓環(huán)面邊界的主動(dòng)控制微流體閥的主動(dòng)控制流量模型，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)在圓盤形壓電單晶執(zhí)行器上的驅(qū)動(dòng)電壓、閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)閥流量特性的影響進(jìn)行了數(shù)值仿真與分析。并加工了三種具有不同的內(nèi)、外徑組合的圓環(huán)面邊界的主動(dòng)控制微流體閥的原型，在建立的實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)其流量特性進(jìn)行了測(cè)試。⑶提出并實(shí)現(xiàn)了對(duì)圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)常用圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的尺寸約束條件，結(jié)

6、合多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化的方法，實(shí)現(xiàn)了為具有圓環(huán)面邊界的主動(dòng)控制微流體閥獲得最大間隙高度以及使基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動(dòng)微流體泵獲得最大泵腔體積變化量，從而使得圓環(huán)面邊界的主動(dòng)控制微流體閥和基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動(dòng)微流體泵獲得最大流量。⑷提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動(dòng)微流體泵的原理及其結(jié)構(gòu)。這種基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動(dòng)微流體泵采用一種具有圓環(huán)面邊界的微流體主動(dòng)控制閥構(gòu)成進(jìn)液閥和出液閥，將圓盤形壓電

7、單晶執(zhí)行器覆蓋在泵體的圓柱形沉孔的開口面構(gòu)成泵腔，在泵腔與進(jìn)液閥閥腔和出液閥閥腔之間構(gòu)建流體通道。通過改變作用于構(gòu)成主動(dòng)控制微流體閥和泵腔的圓盤形壓電單晶執(zhí)行器上的激勵(lì)電壓實(shí)現(xiàn)流量的主動(dòng)控制。⑸對(duì)基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動(dòng)微流體泵流量、背壓特性和體積變化量進(jìn)行了基本特性模擬和分析。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓作用在圓盤形壓電單晶執(zhí)行器上的撓度特性，對(duì)泵腔體積變化量進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和分析。同時(shí)，根據(jù)圓盤間隙流理論，對(duì)進(jìn)液閥流量模擬，并結(jié)合伯努利方程