无阀压电微泵的动态特性研究

微泵作为微流控系统中的核心控制元件已成为MEMS研究的热点，现主要研究了无阀式压电微泵的工作原理及其动态工作特性。实验表明，无阀压电微泵的流速随频率呈抛物线关系变化，最佳工作频率为1250Hz。在频率固定时，微泵流速随驱动电压的升高而增加。泵膜的厚度对于微泵的性能影响很大，相同条件下，较薄的泵膜具有更高的流速，且泵膜越薄，其性能对于频率的变化越敏感。电压为50V时，微泵最大流量可达1．695μL/min。总体看来，无阀压电微泵结构简单，驱动电压较低，性能稳定可靠。     

压电微泵驱动信号及流量影响因素分析

压电微泵的泵出流量由微泵结构、压电振子特性及驱动系统驱动信号的形式决定。在机械结构及材料特性确定的条件下,压电振子的驱动信号决定着微泵输出微流量的可靠性和稳定性。在分析压电微泵驱动基理的基础上,通过Ansys对驱动压电振子有效振动的一、二阶频率进行有限元模拟分析,确定了驱动信号电压幅值、频率对微泵流量的影响。以此为基础搭建压电微泵流量测试实验平台,在相同电压和频率条件下,研究了3种不同脉冲信号（正弦波、三角波、矩形波）对输出流量的影响。通过实验对理论模型进行修正,得到了压电微泵输出流量简化模型。实验验证了所得模型在正弦波、三角波、矩形波3种不同波形驱动下最大误差不超过4%,控制范围内可靠性在99.0%以上。综合比较可知,方波脉冲信号为压电微泵最佳驱动信号。     

双腔并联式无阀压电微泵的设计及制作

为了实现微流控芯片的小型化、集成化,设计并制作了一种可定量连续输送微量液体的无阀压电微泵.该微泵采用双腔并联式结构,利用微机电系统(MEMS)技术在硅基片上制作了具有扩散口/喷口无阀结构的出入水口,采用压电双晶片作为驱动部件,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为泵膜.测试结果表明,泵膜的厚度、工作频率和电压对微泵的输出流速均有明显的影响,在频率1100 Hz及电压80 V时,双腔体并联式无阀压电微泵的最大流速为210μL/min,约为相同结构单腔体微泵流速的1.5倍.     

PZT压电薄膜无阀微泵的制备工艺及实验研究

介绍了一种基于PZT薄膜的无阀压电微泵。该微泵利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为泵膜,自制的压电圆型薄膜片作为驱动部件,采用收缩管/扩张管结构,压电圆型致动片和PDMS泵膜的组合可产生较大的泵腔体积改变。在对微泵制备工艺研究的基础上,对其性能进行了实验研究,结果表明:电压和频率对流速均有显著影响。在7.5 V1、80 Hz的正弦电压驱动下,该压电微泵的最大输出流速为2.05μL/min。该文制作的微泵具有流量稳定,驱动电压较低,性能稳定可靠和易控制等优点,可满足微流体系统的使用要求。     

隔膜式压电驱动器的制备及其在微泵中的应用

利用块材钛酸锆铅(PZT)材料的逆压电效应设计并制备了可用于微泵驱动的压电驱动器,通过5种结构模型的仿真分析确定了压电驱动器的隔膜式结构,在获取较大中心位移的同时有效提高了结构强度,增加了驱动器的适用性。工艺上通过键合、减薄、激光烧蚀及硅的湿法刻蚀工艺完成了器件的制备,施加频率10 Hz和100 Hz的交变信号测出了中心膜片位移与对应电压的关系,施加峰峰值为1 V的信号测得共振频率为70 kHz。基于制备的压电驱动器设计并制备了机械式带止回阀的微泵,经测试泵入、泵出功能正常。当对微泵外加峰峰值为30 V、频率为500 Hz的驱动电压信号时,每分钟能驱动的液体流量为55μL。该驱动器的驱动效果好,可进一步结合不同的微阀设计制备性能更加优良的微泵。     

双层泵腔压电无阀微泵结构设计与优化

面向植入式微泵在生物医疗领域的应用需求,为了提高低电压及微型化条件下微泵的输出流量,该文设计了一种双层泵腔压电无阀植入式微泵。基于压电振子的压电耦合仿真以及微泵的电-固-液三相耦合仿真,验证了双层泵腔微泵设计的有效性,并优化了结构及驱动参数。通过实验验证了耦合仿真结果的正确性,并测试了微泵的流量范围。结果表明,微泵最优设计参数：扩散角为30°,颈宽为300μm,上层泵腔高度为100μm。微泵的净流量随电压的增大而增大,且适用于低频驱动。实验结果表明,双层泵腔压电无阀微泵的输出流量是传统压电无阀微泵的5.38倍。     

压电双晶片驱动的压电微泵的研究

介绍了一种基于MEMS技术的压电微泵。该微泵利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为泵膜,利用双面湿法腐蚀形成被动阀,并利用压电双晶片作为驱动部件。对压电双晶片的理论变形量和压电微泵的泵腔变化量、泵腔压缩比进行了理论分析,并对其输出流量进行了测试。在100 V、20 Hz的方波驱动下,该压电微泵的最大输出流量为317μL/min。结果显示该压电微泵的制作工艺简单,具有良好的流体驱动性能。     

压电微流量阀驱动电源的研究

研究了一种低纹波输出的压电陶瓷驱动电源,实现对压电驱动微流量阀的输出微流量的控制.利用单片机控制数字频率合成芯片来产生各种函数信号,研究了高低压稳压电路、小信号放大处理及功率放大电路,控制信号经滤波、放大及稳压等处理后,函数信号形成高压输出,驱动压电陶瓷,对微流量阀阀芯位移进行驱动,从而实现对微流量阀输出微流量的精密控制.通过对该电源输出特性的试验研究,结果表明,该电源具有良好的输入输出线性特性及低纹波特性,其线性度拟合相对误差仅为84 mV,高压输出纹波电压低于10 mV,这对提高微流量阀输出微流量的控制精度具有重要意义.     

压电膜片的优化设计及在微泵中的应用

压电驱动是微机械系统(MEMS)微执行器最有发展前途的驱动方式之一。该文采用ANSYS有限元软件对压电膜片结构参数和在微执行器上的装配方法进行了优化设计,得到PZT/Si,PZT/Cu压电膜片结构的优化数据,将其应用于有阀微泵的研制。经测试,微泵压电驱动效果与仿真结果一致,微泵背压可达836 Pa,流量达1.4 mL/min。     

形状记忆合金薄膜驱动微泵的动态特性

一种用形状记忆合金薄膜驱动的新型微泵已经研制成功。为了进一步提高微泵性能，研究了微泵在不同驱动条件下的动态特性。结果表明，随着驱动电流和频率的增加，驱动膜有一个最大的位移植。占空比对最大位移的影响在有无流体情况下是不同的。微泵的流量不仅仅由驱动膜的位移决定，它还与驱动频率有关。在给定的频率下，位移越大，输出流量也越大。动态驱动过程中NiTi电阻的变化表明，形状记忆合金薄膜的马氏体←→奥氏体相转变是不完全的。     

基于声表面波技术实现微流体数字化

微流体的数字化是压电微流控芯片进行微流分析的前提,提出了采用声表面波(SAW)实现微流体数 字化的方法.在128°YX-LiNbO3基片上研制了中心频率为27.7 MHz的叉指换能器,在压电基片上方固定一细针,它经由Teflon软管与注射泵相连,注射泵提供恒定流量的微流体到达细针孔端并聚集,当聚集的微流体高度达到细针孔端与压电基片间距时,叉指换能器激发的声表面波驱动微流体实现微流体数字化.提出了计算细针孔端与压电基片间距的方法和微流体实现数字化的条件.以水为实验对象进行数字化实验,结果表明,声表面波作用下能实现微流体数字化,为压电微流控芯片提供了一种新的微流体引入方法.     

一种无阀压电微泵的研究

介绍了一种适用于微流体系统的无阀微泵。该微泵利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为泵膜,利用硅各向异性腐蚀形成扩散口/喷口结构,并利用压电双晶片作为驱动部件。该微泵的制作工艺简单,使用寿命长,具有良好的液体驱动性能。对于使用15 mm长的压电双晶片作为驱动器的压电无阀微泵,在100 V6、0 Hz、占空比为1的方波驱动下,最大流速可达151μL/min。     

压电致动微雾化器的压电-固-液耦合特性分析

针对微雾化器存在的多能域能量耦合问题,建立了压电微雾化器的固-液-声耦合模型,对其耦合特性进行了数值计算,并着重分析了液体层厚度对耦合性的影响,得到了液体层厚度对系统的结构振动、声压力波特性的影响规律.结果表明,由于液体层与固体的耦合作用,压电振子振动的同时,喷孔膜也产生振动,并且两者间存在相位关系;液体层的厚度直接影响结构的耦合性、谐振频率大小及背膜与喷孔膜的相位差,并且存在最佳的设计参数,当液体层厚度为500 μm时,谐振频率最大约是38 kHz,此时,可产生较大的声压力波及较大的流量.微雾化器设计时只考虑压电振子的振幅是不全面的,必须同时考虑喷孔膜的振动及与背膜的相位关系,新的设计原则可为微雾化器的优化设计提供指导依据.     

压电陶瓷驱动器三角波频率特性

给出了三角波驱动信号下d31悬臂梁式驱动器的工作特性和频率特性。由于三角波包含了许多频率为基频奇数倍的谐波分量,当某一信号的谐波频率接近驱动器的共振频率时,该频率的三角波就会引起驱动器的谐振。因此,可以通过采用对扫描反馈电压的波形进行快速傅里叶分析法(FFT)来获得压电陶瓷驱动器的共振频率,而且,可以获得避开驱动器谐振点的驱动器设计原则,即:fr<0.6fk。此外,本试验压电陶瓷驱动器输出波形的延迟和非线性度与其驱动三角波频率的关系为:随频率增加,延迟不断增大;频率较低时,非线性度很大,而且随频率增大而增大,当频率在80～120Hz时,非线性度出现极大值,此后,非线性度随频率增大而减小。     

基于MC34063控制的压电陶瓷泵电源研制

针对应用于输出电压较小(12～18 V)的燃料电池系统中压电陶瓷泵的驱动问题,在建立压电陶瓷泵的数学模型的基础上提出并研发了一种新的压电陶瓷泵驱动电源.该电源采用MC34063控制芯片控制Boost变换器升压和全桥变换器功率放大,给压电陶瓷泵提供±150 V方波电压,并使陶瓷泵工作在很宽的频率范围(10～100 Hz).对一压电陶瓷泵的特性实验的研究表明此新型驱动电源输出精度高,响应速度较快,驱动能力强.     

微量试剂分配压电叠堆泵的设计与实验

设计、研制了进行微量、快速、精确试剂分配的压电叠堆泵,研究了压电叠堆泵的结构及工作原理,利用解析法和有限元仿真分析法对泵膜、位移放大机构的静态、动态特性进行了分析和研究,并研究了关键参数对泵性能的影响.对样机进行实验研究,研究了压电叠堆泵的输出流量、压力分别同加载电压及频率的关系,并测试了压电叠堆泵和试剂泵的输出流量的重复精度和精度.实验结果表明,该文研制的压电叠堆泵能满足微量、快速、精确的试剂分配的要求.     

基于PDMS的压电驱动式系列微型泵

为进一步拓展压电微泵的应用领域,以利于更好地将其集成于微流控芯片中,该文对以固态聚二甲基硅氧烷(PDMS)为泵体材料的压电微泵开展相关实验研究。通过合理设计压电振子的支承方式、阀片结构以及采用两腔串、并联结构等措施以提高压电微泵的工作性能。分别以PDMS和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为泵体材料设计制作了单腔微泵、双腔串、并联微泵,并对其工作性能进行对比性实验测试。实验证明,构造具有较好工作性能的PDMS压电微泵具有可行性,在电压90 V,频率80 Hz的情况下,PDMS双腔串联泵的输出流量达到21mL/min,输出压力达到10kPa。但与PMMA为泵体材料的压电微泵相比,PDMS压电微泵在流量、压力方面仍有近30%的差距。     

压电驱动膜片式微型气泵

提出一种结构新颖的压电驱动膜片式微型气泵，对其输出流量、膜片的振幅等参数进行了理论分析，在此基础上设计、制作了微型气泵样机，并进行了测试实验。这种气泵在结构上充分利用了双压电梁端部位移大的优点，并利用两根双压电梁将膜片悬起，增加了容积变化率和输出流量，并具有结构简单，功耗低，厚度小，无电磁噪音，可靠性高等优点，在微型电子器件的冷却、微型燃料电池换气等方面显示出良好的应用前景。根据实验，微型气泵的一阶固有频率约为120Hz，在谐振状态下，当驱动电压为50V时，其输出流量为192mL／min，功耗小于23mW。     

无阀微泵的结构设计及实验研究

介绍了一种可用于微流体操作的压电驱动式无阀微泵,设计了微泵结构并制作了样机.采用ANSYS软件进行有限元分析得到微泵的最佳工作频率.搭建了实验系统并做了相关实验,得到了微泵输出流量与驱动频率及电压的关系曲线.实验结果表明,无阀微泵具有结构简单,造价低和传输稳定等优点,适用于微流体操作.     

两腔压电泵结构与特性

介绍了两个压电振子所构成的两腔串联和两腔并联压电泵的结构及工作原理,分析了两个压电振子驱动方式(同步工作和交叉工作)对两种结构压电泵输出性能的影响规律。制作了两腔串联和两腔并联压电泵的试验样机,分别测试了两个腔体同步工作和交叉工作状态下压电泵的输出能力,并与理论分析的结果进行了对比。理论和试验两方面的研究结果表明,在相同驱动电压和频率条件下,两个腔体交叉工作时压电泵的输出能力较好,其中并联泵的流量最大,为单个腔体流量的2倍;而串联泵的流量串联泵压力最大,是单个腔体输出压力的2倍,同时其流量也有大幅度提高,约为单个腔体流量的1.4倍。