双压电驱动微泵泵膜的ANSYS仿真和结构优化分析

提出了一种新型的双压电泵膜结构,分析了泵膜小挠度弯曲形变理论。运用ANSYS软件建立了泵膜的有限元模型,并对泵膜进行了电压驱动静态分析和模态分析,通过正交试验法对泵膜结构进行了优化。分析表明,压电层厚度对膜片形变影响最大,其次依次是驱动电压、泵膜半径、电极层厚度、基层厚度;泵膜半径对膜片频率影响最大,其次依次是压电层厚度、电极层厚度、基层厚度;对泵膜结构进行优化,可以提高微泵的工作效率,研究结果为微泵的优化设计提供了依据。     

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。     

利用体块PZT制备膜片式压电微泵

利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应,设计并制备了膜片式压电微泵。通过将电能转换为机械能,实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成;微驱动器主要为液体流动提供驱动力,单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析,确定了微驱动器的设计尺寸,并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后,设计了驱动测试实验,检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明:所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70kHz,能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30Vp-p、频率为600Hz时,液体的驱动流速约为65μL/min。该微泵具有体积小,线性度好等特点。     

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。     

具有微流量检测功能的集成微流量泵驱动结构

根据我们研制成功的铝硅双金属驱动微流量泵驱动结构的特点,本文介绍了一种实现微流量泵驱动结构与微流量传感器系统集成的方法。该方法在原微流量泵双金属驱动结构的单晶硅膜上集成制作了微流量传感器。这种一体化的集成驱动结构单元同时具有驱动功能和流量检测功能,并且制作工艺简单,为进一步实现与控制电路集成的集成微流量泵系统奠定了基础。     

Ⅱ型压电超声流微泵的流动特性分析

基于声流原理设计了一种H型压电超声流微泵,分析了各种因素对微泵出口平均速度的影响.采用直接流法计算得到了微泵体内的声流速度矢量图,实现了泵体结构的优化设计.进一步研究了超声流微泵出口平均速度与声流振子的振动位移、驱动频率以及流体动力粘度之间的关系,模拟了出口背压对出口平均速度的影响.分析结果表明,在流体动力粘度较小时,所设计的H型超声流微泵具有较好的泵送性能,通过改变驱动频率和驱动电压能方便地实现微流体的驱动控制.     

基于粗糙集的微型泵信息系统研究

分析了微型泵产品的设计现状和存在的问题，针对在制定微型泵优化评价规则时缺乏信息系统的问题，研究粗糙集理论建立的微型泵信息系统。在此基础上还分析和建立了双金属热驱动微泵膜片的信息系统，并采用JAVA技术方案和SQL数据库语言对微型泵信息系统的集成平台进行了软件开发。     

一种压电式精密输液微泵的试验研究

提出了一种用于精密输液的压电驱动式微型泵,该泵在结构、原理上均有别于传统泵.在实验室中设计、制作了实验样机,同时为取得控制流体精密输送的方法与规律,自行设计、制作了专用电源.通过系统的实验测试和研究进一步验证:压电驱动式微泵性能稳定、能够实现流体的精密输送、且适于微小型化,可为研发具有实用意义的精密输液微泵提供有益借鉴.     

膜片式气体泵输出特性研究

膜片式气体泵是由橡胶泵膜片与泵腔组成的气体抽吸机构,因其结构简单、寿命长,广泛应用于空间站、载人飞船等人造环控系统。介绍了膜片泵的结构组成和工作原理,为了提高膜片泵的输出负载特性,分别对泵膜片和阀膜片进行了参数化设计,并采用物理方式对研制的膜片泵样机进行了性能测试。结果表明,膜片泵的流量和压力在测试范围内呈线性关系,其输出功率取决于偏心轴的偏心量。     

双振子压电微泵的结构设计与流量分析

该文介绍了双圆形复合振子的压电微泵的基本结构,阐述了其工作原理。应用小挠度弹性弯曲理论,推导出圆形压电复合层薄板的弹性曲面微分方程,利用有限元对压电振子的变形和谐响应进行了分析.并对振子在各种驱动电压条件下工作情况,讨论了其如何实现最大流量及流量的可调性。     

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。     

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.     

悬臂式微型压电泵的试验研究

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,单向阀采用悬臂式薄片阀的新结构微型压电泵,设计、制作了试验样机,并对该泵的工作性能进行了较为系统的试验测试和研究。通过试验测试：该泵工作性能稳定,整机具有较高的体积功能比。该泵设计方法及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。     

压电石英晶片扭转效应理论研究与验证

从各向异性弹性理论和麦克斯韦电磁理论出发,较系统地探讨了圆形压电石英晶片扭转效应理论,得出了扭转应力场与非线性极化电场分布规律,并采用有限元法求得了极化电荷电场在压电片内的分布。根据理论分析,用分割电极法有效地在压电片表面布置了检测电极,理论与试验结果均表明电极检测的极化电荷量与外转矩成线性关系,理论与试验基本符合。这些研究为新型转矩传感器与测力仪的开发奠定了必要的理论基础。     

压电微小泵的参数优化

利用ADINA软件的分析结果,对压电微泵关键参数进行了分析,针对不同的应用要求,提出了比较具体的设计建议。     

Electro-magnetically actuated valveless micropump with two flexible diaphragms

We present a parallel dynamic passive valveless micropump, which consists of three layers-valve, diaphragm and electromagnetic coil. The valve is wetly etched in a silicon wafer, the diaphragm is a polydimethyl siloxane (PDMS) film spun on a silicon wafer with embedded permanent magnet posts, and the coil is electroplated on a silicon substrate. Under the actuation of the magnetic field of the coil, the flexible diaphragm can be displaced upwards and downwards. After analyzing magnetic and mechanical characteristic of the flexible membrane and direction-dependence of the nozzle, this paper designed a micropump. And the relative length (L/d) of the micropump's nozzle is 4. A 7×7 array of permanent magnetic posts is embedded in the PDMS film. Two diaphragms work in an anti-step mode, which can relieve the liquid shock and increase the discharge of the micropump. ANSYS and Matlab are adopted to analyze the actuation effect of the coil and the flow characteristic of the micropump. Results show that when actuated under a 0.3 A, 100 Hz current, the displacement of the diaphragm is more than 30 μm, and the discharge of the micropump is about 6 μL/s.     

Study of fluid damping effects on resonant frequency of an electromagnetically actuated valveless micropump

As fluid flow effects on the actuation and dynamic response of a vibrating membrane are crucial to micropump design in drug delivery, this paper presents both a mathematical and finite-element analysis (FEA) validation of a solution to fluid damping of a valveless micropump model. To further understand the behavior of the micropump, effects of geometrical dimensions and properties of fluid on the resonant frequency are analyzed to optimize the design of the proposed micropump. The analytical and numerical solutions show that the resonant frequency decreases with the slenderness ratio of the diffuser and increases with the opening angle, high aspect ratio, and thickness ratio between the membrane and the fluid chamber depth. A specific valveless micropump model with a 6-mm diameter and 65-μm thickness polydimethylsiloxane (PDMS) composite elastic membrane was studied and analyzed when subjected to different fluids conditions. The resonant frequency of a clamped circular membrane is found to be 138.11 Hz, neglecting the fluid. For a gas fluid load, the frequency is attenuated by slightly shifting to 104.76 Hz and it is significantly reduced to 5.53 Hz when the liquid fluid is loaded. Resonant frequency remarkably shifts the flow rate of the pump; hence, frequency-dependent characteristics of both single-chamber and dual-chamber configuration micropumps were investigated. It was observed that, although the fluid capacity is doubled for the latter, the maximum flow rate was found to be around 27.73 μl/min under 0.4-A input current with an excitation frequency of 3 Hz. This is less than twice the flow rate of a single chamber of 19.61 μl/min tested under the same current but with an excitation frequency of 4.36 Hz. The proposed double-chamber model analytical solution combined with the optimization of the nozzle/diffuser design and assuming the effects of damping proved to be an effective tool in predicting micropump performance and flow rate delivery.     

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…     

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。