PDMS薄膜閥壓電泵設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

鄭夢羚，姜海洋，黃梓良，馬 龍

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

壓電泵是一種利用壓電材料作為驅(qū)動(dòng)器件并實(shí)現(xiàn)流體傳輸?shù)男滦捅谩Ｋ哂薪Y(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、耗能低、無電磁干擾，可根據(jù)電壓或頻率精確傳送微量流體等優(yōu)點(diǎn)[1]?？蓱?yīng)用領(lǐng)域如下：醫(yī)療機(jī)械、生物工程、化學(xué)分析、小部件清洗、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給、航空航天[2-4]。根據(jù)結(jié)構(gòu)，壓電泵可分為有閥泵和無閥泵兩種。有閥泵通過壓電振子和單向閥的相互配合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)流體的定向輸送，無閥泵通過進(jìn)出口的幾何形狀實(shí)現(xiàn)流體的定向輸送[1-2]。由于材料的不同，單向閥性能不一，其中硅膠材料具有成本低廉、材料較柔軟、生物兼容性良好等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文提出懸臂梁結(jié)構(gòu)單向閥，并對使用了懸臂梁和簡支梁兩種結(jié)構(gòu)薄膜閥壓電泵的性能進(jìn)行了對比分析，總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)的薄膜閥對泵性能的影響。

1 泵的原理

如圖1(a)所示，在壓電振子使壓電泵容積增大時(shí)，進(jìn)水閥片打開，出水閥片關(guān)閉，入水口出的緩沖膜向上變形，緩沖膜中的液體能迅速注入泵腔體，同理，當(dāng)壓電振子使泵容積減小時(shí)，如圖1(b)所示，進(jìn)水閥關(guān)閉，出水閥打開，出水口的緩沖膜向下變形，使液體迅速流出到出水口的可壓縮腔內(nèi)，由于可壓縮腔的存在，減輕了泵工作過程中壓電振子和出入水口的負(fù)載。

(a)泵吸水過程

(b) 泵出水過程

2 泵的制作

壓電泵主要由五個(gè)部分組成：單向閥、泵腔體、流動(dòng)通道、可壓縮空間和壓電振子，如圖2所示。泵體尺寸為20mm×20mm×10mm，泵帶有5個(gè)單向閥，每個(gè)閥包括一個(gè)直徑為1mm的圓孔和一個(gè)尺寸為3mm×2mm的方孔，在兩個(gè)PMMA板中間放置厚度為0.1mm的硅膠膜，沿方孔割C字型組成懸臂梁式單向閥，如圖3(a)所示，將硅膠膜左右割開組成兩端固支閥，如圖3(b)所示。壓電振子是泵的核心部件，實(shí)驗(yàn)用到三種尺寸的振子，振子1諧振頻率為586.7 Hz，振子2諧振頻率為768.8 Hz,振子3諧振頻率1153.8 Hz。將三個(gè)尺寸的矩形壓電片(PZT-4)用環(huán)氧膠(DP460)粘貼在三個(gè)不同尺寸的梁(錳鋼)中間節(jié)點(diǎn)位置而制成。

圖2PDMS薄膜單向閥壓電泵爆炸圖

(1)PMMA緩沖空間；(2)、(5)PDMS薄膜；(3)PMMA進(jìn)出水口道；(4)、(6)PMMA進(jìn)出口閥座板； (7)、(9)PMMA泵腔板 ；(8)、(9)橡膠膜 ；(10)亞克力圓柱 ；(11)長梁式振子 ；(12)壓電片。

3 閥的靜態(tài)過流量分析

通過圓形縫隙的流量為[4]:

(1)

其中：C為流量系數(shù),S為過流面積，△P為閥片兩側(cè)的壓差,ρ為液體密度。近似取S=2πrymax(r為圓孔的半徑，ymax為PDMS薄膜閥片的最大變形)

對于懸臂梁：

(2)

對于兩端固支閥：

(3)

式(2)中:E為閥片的楊氏模量，B為閥片寬度，l為閥片的長度，h為閥片厚度，由式(2)、(3)知在相同的力的作用及相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，懸臂梁閥的瞬時(shí)流量比兩端固支閥的更大。

4 閥的基頻理論分析

根據(jù)振動(dòng)力學(xué)[5]可以得到懸臂梁閥的一階頻率為:

(4)

PDMS薄膜的彈性模量E=870kPa,h=0.1mm,ρ=30kg/m3，計(jì)算得到懸臂梁PDMS薄膜閥的一階頻率為306 Hz。

兩端固支閥的一階頻率為:

1(5)

同理可以計(jì)算得到兩端固支PDMS薄膜閥的一階頻率為858 Hz。

由基頻理論分析可以看出兩端固支PDMS薄膜閥更適合工作在高頻下，而懸臂梁PDMS薄膜閥適合工作在中低頻下。

5 實(shí)驗(yàn)研究

泵的開啟壓力和頻率特性是衡量閥工作質(zhì)量的重要指標(biāo)，通過測試泵的開啟壓力和頻率特性來測試出兩種PDMS薄膜單向閥壓電泵的性能。

5.1 開啟壓力

測試開啟壓力裝置如圖4所示，通過調(diào)整容器的高度來改變加在閥上的壓力。測試結(jié)果如圖5所示。兩端固支PDMS薄膜單向閥開啟壓力為0.2 kPa,而懸臂梁的PDMS薄膜單向閥開啟壓力為0.1 kPa?？梢钥闯?，兩端固支PDMS薄膜單向閥最大截止壓力為2 kPa，而懸臂梁PDMS薄膜單向閥的反向截止壓力為0.3 kPa，兩端固支PDMS薄膜單向閥展現(xiàn)出更好的反向截止性，而懸臂梁PDMS薄膜單向閥流通性能更好，通過式(6)[1]計(jì)算出閥效率為：

(6)

其中R+、R-分別為正向流阻，反向流阻，因此得到固支PDMS薄膜單向閥的效率為0.932，而懸臂梁的PDMS薄膜單向閥效率為0.975，可知，在靜態(tài)下懸臂梁結(jié)構(gòu)PDMS薄膜單向閥效率相對較高。

圖4 閥開啟壓力測試裝置圖

圖5 兩種PDMS薄膜閥不同壓差下正向流通和反向截止測圖

5.2 頻率特性

實(shí)驗(yàn)在相同電壓560V下，用振子1-3對兩種泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究不同頻率對兩種泵輸出流量的影響。頻率-流量關(guān)系如圖6-圖8所示。在諧振頻率下，泵輸出流量達(dá)到峰值，越遠(yuǎn)離諧振頻率，流量越小。在振子1和在振子2的驅(qū)動(dòng)下，懸臂梁PDMS薄膜閥壓電泵的輸出效果要好于兩端固支PDMS薄膜閥壓電泵的，而在振子3的驅(qū)動(dòng)下，情況則相反，兩端固支PDMS薄膜閥壓電泵的輸出效果要好于懸臂梁PDMS薄膜閥壓電泵的，體現(xiàn)了兩端固支PDMS薄膜閥具有優(yōu)良的高頻性能。

圖6 振子1對應(yīng)的兩PDMS 閥泵頻率—流量關(guān)系

圖7 振子2對應(yīng)的兩PDMS閥泵頻率-流量關(guān)系

圖8 振子3對應(yīng)的兩PDMS閥泵頻率-流量關(guān)系

6 結(jié) 論

本文通過對懸臂梁PDMS薄膜和多層亞克力制作的壓電泵的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)研究對比懸臂梁PDMS薄膜閥壓電泵與兩端固支的PDMS薄膜閥壓電泵得出以下結(jié)論：

(1) 兩種PDMS薄膜泵的開啟壓力都很小，兩端固支的PDMS薄膜閥的反向截止性能優(yōu)于懸臂梁的PDMS薄膜閥，但是正向流通性能懸臂梁的PDMS薄膜閥較好。

(2)將兩種PDMS薄膜結(jié)構(gòu)的閥安裝在具有相同結(jié)構(gòu)的壓電泵上做流量測對比實(shí)驗(yàn)，安裝了懸臂梁的PDMS薄膜閥的壓電泵在中低頻下輸出性能優(yōu)于兩端固的PDMS薄膜閥壓電泵，在高頻下則相反，高頻率超過懸臂梁閥固有頻率，而兩端固支閥的固有頻率比懸臂梁閥的要高，兩端固支的PDMS薄膜閥壓電泵輸出性能更好。