一種無(wú)閥壓電微泵設(shè)計(jì)與分析

趙遠(yuǎn)方+陳正陽(yáng)

摘 要：基于擴(kuò)散口/收縮口的無(wú)閥壓電微泵，利用擴(kuò)散口/收縮口的整流特性來(lái)代替單向閥實(shí)現(xiàn)流體的泵送。在選取壓電相和基體相，并建立壓電體單元、基體實(shí)體單元。利用ANSYS軟件仿真求解，設(shè)計(jì)出微泵尺寸16mm×16mm×1.7mm，泵腔的尺寸直徑13mm，厚度0.2mm，擴(kuò)散口/收縮口大端邊長(zhǎng)0.8mm，小端邊長(zhǎng)0.52mm，長(zhǎng)0.4mm，并簡(jiǎn)述了微泵制造工藝流程。

關(guān)鍵詞：微泵；壓電；制造工藝

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0114-03

前言

無(wú)閥微泵的原理是利用擴(kuò)散口/收縮口管道流路對(duì)流體的阻力的不同形成流量的差值。如圖1（a）所示，當(dāng)壓電振子向上振動(dòng)時(shí)，泵腔體積增大，泵腔吸液，液體從收縮口/擴(kuò)散口分別吸入泵腔，但擴(kuò)散口管道對(duì)液體的阻力小于收縮口管道，相應(yīng)的從擴(kuò)散口吸入的液體也就多收縮口；如圖1（b）所示，當(dāng)壓電振子向下振動(dòng)時(shí)，泵腔體積減小，泵腔送液，收縮口/擴(kuò)散口同時(shí)將液體泵出，但擴(kuò)散口管道對(duì)液體的阻力大于收縮口管道，相應(yīng)的從收縮口泵出的液體也就多于擴(kuò)散口。所以，壓電振子在交變電流下周期性的形變帶動(dòng)泵腔的體積周期性的形變，就形成了無(wú)閥微泵的連續(xù)差量流動(dòng)。

1 參數(shù)確定

本文選取壓電陶瓷PZT-5A作為壓電相，Cu作為基體相。材料參數(shù)如表1所示。

介電常數(shù)常用相對(duì)介電常數(shù)表示，其值等于同樣電極情況下介質(zhì)電容與真空電容之比：k=，0=8.85×10-12F/m[2]。PZT-5A相對(duì)介電常數(shù)如表2所示。

PZT-5A壓電常數(shù)[3]如表3所示。

PZT-5A彈性常數(shù)[4]如表4所示。

2 模型的建立

在ANSYS選擇SOLID226作為壓電振子壓電體的單元，SOLID185作為壓電振子Cu基體的單元。建立兩個(gè)材料模型，模型一定義密度、楊氏模量、泊松比作為Cu基體的材料；模型二定義密度、相對(duì)介電常數(shù)、壓電常數(shù)、彈性常數(shù)作為壓電體的材料，直接建立壓電體與基體兩個(gè)薄的圓柱實(shí)體。

3 施加約束并求解

3.1 靜態(tài)分析

在簡(jiǎn)支撐方式時(shí)，壓電振子邊界沒(méi)有完全被約束，故只限制銅基體上下表面圓周處Z方向的自由度，而固支撐方式則是X、Y、Z方向自由度完全限制。設(shè)定壓電體半徑5mm，厚度為0.2mm；銅基體半徑為7mm，厚度為0.15mm，驅(qū)動(dòng)電壓為10V。簡(jiǎn)支如圖3所示，固支如圖4所示。

對(duì)比可知，在驅(qū)動(dòng)電壓、壓電體銅基體半徑、厚度相同條件下，簡(jiǎn)支承方式比固支撐方式壓電振子中心位移大。但由于圓形壓電振子在簡(jiǎn)支方式下，考慮其變形方式不對(duì)稱，導(dǎo)致其在激勵(lì)電壓坐下產(chǎn)生的最大位移可能不處于壓電振子中心，且在實(shí)際安裝中，簡(jiǎn)支方式安裝較難，綜合采用固支撐方式更佳。

（1）驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)壓電振子位移的影響

設(shè)壓電體半徑5mm，厚度0.2mm；銅基體半徑7mm，厚度0.15mm。在壓電體下表面施加0V電壓，壓電體上表面分別施加從10V到100V不同電壓進(jìn)行仿真。如圖5。

分析可知在一定的驅(qū)動(dòng)電壓變動(dòng)范圍內(nèi)，隨著驅(qū)動(dòng)電壓增大，壓電振子中心位移增大，且兩者之間呈線性關(guān)系。

（2）銅基體半徑大小對(duì)壓電振子位移的影響

設(shè)壓電體半徑5mm，厚度0.2mm；銅基體厚度0.15mm。在壓電體下表面施加0V電壓，在壓電體上表面施加10V電壓。從6mm到10mm分別設(shè)定銅基體的半徑進(jìn)行仿真，分析銅基體半徑對(duì)壓電振子位移的影響，求解結(jié)果如圖6。

不難看出壓電振子中心位移隨著銅基體半徑增加而增加，但不呈線性，且增量遞減。

（3）銅基體厚度對(duì)壓電振子位移的影響

設(shè)壓電體半徑5mm，厚度0.2mm；銅基體半徑7mm。在壓電體下表面施加0V電壓，在壓電體上表面施加10V電壓。從0.1mm到0.3mm分別設(shè)定銅基體厚度進(jìn)行仿真，分析銅基體厚度對(duì)壓電振子位移的影響。如圖7。

經(jīng)過(guò)求解可得出壓電振子中心位移隨著銅基體厚度增加而遞減，但兩者之間關(guān)系不呈線性，且減量遞減。

3.2 模態(tài)分析

設(shè)壓電體半徑5mm，厚度0.2mm；銅基體半徑7mm，厚度0.1mm，驅(qū)動(dòng)電壓為10V（根據(jù)上述分析取較優(yōu)數(shù)據(jù)）固支撐方式。建立Modal分析類型，設(shè)定十階振動(dòng)頻率，起始頻率為0，終止頻率為60Hz。如圖8。

由數(shù)據(jù)仿真可知，壓電振子處于1階振型和6階時(shí)，其最大振型發(fā)生在壓電振子中心處，而其余階振型的最大振型均發(fā)生壓電振子邊緣處。對(duì)比1階和6階振型可得，壓電振子在6階振型時(shí)，其變形方向有正向和反向變形，而1階振型則只有正向變形，又因壓電陶瓷與銅的耦合的壓電振子是以Z軸對(duì)稱的，有兩階頻率相同是因?yàn)橐粋€(gè)是XOZ面的彎曲，一個(gè)是YOZ面的彎曲，所以兩階頻率值大致相同。因此，壓電振子處于1階變形時(shí)，其振型效果最佳。

3.3 諧響應(yīng)分析

采用Full法（完全法），利用ANSYS對(duì)壓電振子進(jìn)行協(xié)響應(yīng)分析，由模態(tài)分析可知電振子共振頻率為8.17Hz，則設(shè)定諧響應(yīng)分析激勵(lì)頻率范圍為7.5Hz到8.5Hz。取壓電振子中心點(diǎn)得到如圖9，可以看出最大位移正好處于8.17Hz處附近。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造

由仿真可知，銅基體半徑越大越好，但在半徑增大同時(shí)，泵體半徑也增大，泵體體積也會(huì)增大，因壓電振子振動(dòng)而改變的體積與泵體總體積之比減小，泵送效率也減小，所以銅基體半徑應(yīng)取適中。取壓電體半徑5mm，厚度0.2mm，銅基體半徑為7mm，厚度0.1mm，并采用環(huán)氧樹(shù)脂粘合。為保證泵送效率，泵腔半徑則應(yīng)相近，暫定泵腔直徑13mm，厚度0.2mm，收縮口/擴(kuò)散口大端邊長(zhǎng)0.8mm，小端邊長(zhǎng)0.52mm，長(zhǎng)0.4mm。上泵體厚0.5mm，邊長(zhǎng)16mm，挖空一個(gè)深0.4mm，邊長(zhǎng)15mm的長(zhǎng)方體用于放壓電振子。下泵體邊長(zhǎng)16mm，厚0.6mm，在據(jù)中心等距離與擴(kuò)散口/收縮口對(duì)應(yīng)處挖一個(gè)直徑為2mm的圓形孔作為出水口和入水口。三維模型如圖10所示。

因銅基體與液體直接接觸，在銅基體下表面涂一層環(huán)氧樹(shù)脂作為絕緣層，綜合彈性性能與加工性能選擇QSn4-3錫青銅，牌號(hào)為GB/T 13808-1992。每部分之間均采用環(huán)氧樹(shù)脂粘接，環(huán)氧樹(shù)脂粘接劑可承受最大拉伸強(qiáng)度40MPa最大剪切強(qiáng)度28MPa，小于銅和PZT-5的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，可知整個(gè)微泵結(jié)構(gòu)中在外加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，在壓電振子處有最大應(yīng)力。

在制作微泵時(shí)，壓電振子的制作需要稀鹽酸對(duì)銅進(jìn)行預(yù)先處理，除掉銅表面附著的氧化銅，再用環(huán)氧樹(shù)脂將銅和PZT-5A粘接。上泵體、下泵體與泵腔均使用玻璃作為材料，加工處需要用弱酸腐蝕出。

制作擴(kuò)散口/收縮口是整個(gè)過(guò)程最復(fù)雜與精密的一部分，需要運(yùn)用到微機(jī)電加工制作，選用材料為硅，具體制作過(guò)程為清洗、氧化、甩膠、光刻顯影、去氧化硅開(kāi)窗口、去膠、腐蝕、去氧化層。清洗是為除去硅晶體便面的污染物，并增強(qiáng)表面的粘附性以及保證氧化層的致密性；氧化是為了在硅晶體表面生成一層致密的二氧化硅，作為腐蝕制作擴(kuò)散口/收縮口時(shí)的保護(hù)膜；光刻顯影是為了在表面生成了二氧化硅薄膜上將掩膜版上的圖形完全對(duì)應(yīng)的刻蝕出來(lái)，作為腐蝕錐形管的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用ANSYS求解壓電體、基體在不同尺寸下對(duì)壓電振子的影響，在其他條件不變時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓增大壓電振子中心位移增大，銅基體半徑增大壓電振子中心位移增大，銅基體厚度壓電振子增大中心位移減小。并對(duì)泵體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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