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正弦波激励过程中无阀压电微泵流量的研究

作者:第一论文网 更新时间:2015年10月30日 10:03:34

张 卓,田 勇,关炎芳,李 祥

(河南工业大学机电工程学院,河南 郑州 450007)

摘 要:介绍了无阀压电微泵的概念和微泵的研究背景,指出无阀压电微泵是通过在压电陶瓷驱动器上通入规律性变化的电流来使其产生规律性振动从而产生连续流动的微泵,针对无阀压电微泵的特性,设计了一种PDMS-玻璃-PDMS的无阀压电微泵结构。通过实验数据分析结果可知:在同一电压下,无阀压电微泵的流量随频率的增加而呈抛物型形状,在频率为300 Hz的情形下达到最大流量;无论电压如何变化,无阀压电微泵的流量随频率的变化规律明显;在其他条件相同的情况下,无阀压电微泵的流量和电压之间存在一定的关系。

关键词:微泵;微电子机械系统;MEMS;聚二甲基硅氧烷;PDMS;流量测试;频率

中图分类号:TP21;TH703 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2017.08.088

微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)是近年来迅速发展的一门学科,在化工应用、医疗事业、生物科学工程和机械工程等领域都有着很大的发展前途。微泵作为重要的执行原件,如今已经成为MEMS学科的研究热点。无阀压电微泵是通过在压电陶瓷驱动器上通入规律性变化的电流来使其产生规律性振动,从而产生连续流动的微泵。笔者主要研究讨论基于MEMS技术的无阀压电微泵在正弦波驱动信号激励过程中流量的变化[1]。

1 微泵的研究背景

微泵是利用流体力学原理将电能、热能、机械能等转化成流体动能的一种新型流体传输部件,是MEMS中重要的执行器件。近年来,微泵研究已经成为热门,涌现出各种各样的微泵。按照其结构,可以将微泵分为机械式微泵和非机械式微泵两种;按照其泵内有无配流阀门部件,又可以将微泵分为有阀微泵和无阀微泵两种。机械式微泵的主流是振动膜式微泵,主要是依靠驱动元件的振动来带动泵腔膜发生形变,引起泵腔室内容积的变化,继而引起压力的变化,形成驱动力,从而实现液体的定向输送。根据驱动方式的差异,机械式微泵可分为压电驱动式、静电驱动式、热驱动式、双金属驱动式、电磁式驱动式、形状记忆合金式等多种多样的微泵。

微泵的研究始于20世纪80年代初,美国学者SMITS Jan于1980年最早研究出蠕动式微泵,主要用于胰岛素注射,从而减轻和缓解了糖尿病病人的病痛。随后,研究人员展开了大量相关工作。1999年,清华大学研制成功的电磁驱动微泵,阀体由4层结构组成,经湿法腐蚀工艺加工而成,最底层为封装用的玻璃以及进液口和出液口,最佳驱动频率为125 Hz,但其动态响应较慢且结构尺寸较大。2005年,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所提出一种以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)作为驱动膜的无阀微泵结构。

压电微泵以压电类材料作为动力执行组件,利用压电材料的逆压电效应,把实验室中的电能转化为实验所需要的机械能,从而实现驱动的目的。压电微泵作为一种新型流体泵,将传统泵的驱动源部分、传动部分、泵体部分合为一体,极大地优化了泵的设计结构和组成方式,结构简单、质量小、体积小、能耗低、无电磁干扰、无噪声,可消除运动部件结构的复杂配合、机械故障、化学破坏,具有极好的安全性。可以通过单独改变施加的电压或频率来实现对输出流量的改变。

2 正弦波激励过程中无阀压电微泵流量实验

2.1 无阀微泵的实验原理

无阀微泵的基本部件包含扩张管/收缩管及其连接的有振动薄膜的腔体,扩张管是横截面面积在流体流动方向上逐渐扩大的流体通道,收缩管是横截面面积在流体流动方向上逐渐缩小的流体通道,扩张管/收缩管不对称地置于泵腔的两侧,通过驱动膜片发生形变引起腔体体积的交替变化来驱动流体流动[2]。无阀微泵由出口/入口,收缩管/扩张管泵腔和震动薄膜组成,图1为无阀微泵的基本结构示意图。

无阀微泵的一个完整的工作周期主要由“吸入模式”和“泵出模式”两部分组成,以下分别予以介绍。

1)无阀微泵的“吸入模式”见图2。当薄膜向上振动时,微泵腔内体积增大,腔内压力小于外界大气压,从而产生吸力,进入“吸入模式”。此时,左右端口同时向泵内供给,由于流道不对称,产生的结果是左端流进量大于右端流进量。

2)无阀微泵的“泵出模式”见图3。与“吸入模式”相反,当薄膜向下振动时,泵腔体积减小,腔内压力大于外界大气压,从而产生推力,进入“泵出模式”。此时,左右流道同时向外泵出,由于流道不对称,产生的结果是左端泵出量小于右端泵出量。

在此种结构的驱动下,扩张方向的流量会始终大于收缩方向的流量。在实际工作过程中,便能实现液体的定向输送[3]。

2.2 无阀压电微泵封装

图4为无阀压电微泵整体结构示意图。按照从上到下的顺序,无阀压电微泵的泵体由4个部分组成:最上层是上层PDMS薄膜,薄膜上面连接了进口管和出口管,在制作过程中用模具硅胶和固化剂按一定比例混合后在金属模具上浇筑而成;第二层是黏结在一起的玻璃,内部用玻璃湿法腐蚀工艺刻蚀出微流道;第三层是压电陶瓷驱动器,该部分是无阀压电微泵的动力元件,通电后将电能转化为机械能;最下层是下层PDMS薄膜,制作方法与上层PDMS薄膜相同,该薄膜的金属模具中间开了一个孔,孔的直径略大于压电陶瓷驱动器,主要起固定无阀压电微泵的作用,直径稍大是为了避免阻碍压电陶瓷驱动器的振动[4]。

2.3 实验仪器与实验材料

主要实验仪器:无阀压电微泵、分析天平、真空干燥箱、函数发生器(型号为RIGOL,DG1022)、示波器(型号为DS1102E)、电压放大器、计时器。主要实验材料:PDMS、蒸馏水、医用注射软管。

2.4 实验装置平台搭建

第90页图5为无阀压电微泵测量系统实验装置示意图,展现了实验仪器的布置方案。此次实验主要通过信号发生器发出正弦波驱动信号,通过示波器显示所发出信号的电压(峰-峰值)、频率等参数。通过自制的功率放大器将正弦波驱动信号放大,将放大过的信号加载到压电陶瓷驱动器上,驱动压电陶瓷驱动器上下振动,进而使微泵腔体的容积发生变化,由于流道不对称布置,形成压力差,使无阀压电微泵中的液体定向流动。

2.5 实验参数确定

此次实验中的主要参数有电压和频率,采用控

制变量法进行测量。在保证安全的条件下,首先 选取较低的90 V电压进行测试,随后选取110 V和130 V的电压进行测量。频率选取方法如下:从0 Hz开始,每间隔50 Hz选取一个频率点,直到无阀压电微泵没有流量的截止频率点[5-6]。

2.6 实验步骤与实验数据分析

无阀压电微泵实际测量的实验步骤如下:首先,向无阀压电微泵内注水,在注水时要特别注意注水压力的控制,采用进出口管道高度差产生压力差使水缓慢流入的方式进行注水。如果遇到漏水的情况,应该停止测量,重新封装无阀压电微泵。然后,按照每个频率点测量3次、每次测量1 min的方式进行测量,求平均值。最后,采集实验数据,用MATLAB编写实验数据分析程序。根据实验数据,作无阀压电微泵的频率-流量图,见图6。

通过实验数据分析结果可知:采用控制变量法在同一电压正弦波驱动信号激励过程中,无 阀压电微泵的流量随频率的增加而呈抛物型形状,在频率为300 Hz情形下达到最大流量。在电压为90 V、频率为300 Hz的正弦波驱动信号激励时,最大流量为2.8 mL/s;在电压为110 V、频率为 300 Hz正弦波驱动信号激励时,最大流量为3.9 mL/s;在电压为130 V、频率为300 Hz正弦波驱动信号激励时,最大流量为4.9 mL/s。

3 结论

通过对无阀压电微泵在正弦波驱动信号激励过程中的流量测试结果进行整理分析,可以得到以下结论。

1)通过实验,验证了无阀压电微泵具有流量可控的优势。在正弦波驱动信号的激励过程中,无论电压如何变化,无阀压电微泵的流量随频率的变化规律明显。

2)在样机制作、实验的过程中所采用的技术及方法可为其他微机电、微流体实验提供借鉴思路。在正弦波驱动信号的激励过程中,其他条件相同的情况下,无阀压电微泵的流量和电压之间存在一定的关系。