微机械往复式无阀泵的振动特性分析

　　1　引　言

　　微机械往复无阀泵以生物微流体驱动为主要应用目标,避免了电渗泵驱动电压高、存在进样歧视效应以及微机械有阀泵结构复杂、工作可靠性低、损伤大分子与大细胞等缺点。微机械往复无阀泵自1989年被提出[122]以来,取得了长足的发展[3210]。但是,其性能(尤其是泵压)还不能满足应用的要求。

　　微机械往复无阀泵必须在谐振状态才能达到最佳性能。为优化设计,需深入研究其动态特性,建立振动力学模型可以直接反映微泵总体动态特征。本文提出微机械往复无阀泵的二自由度振动力学模型,通过求解得出其动态特征,并在微泵的实验中加以验证。在此基础上,提出了提高泵压的设计策略。

　　2　微泵的振动力学模型

　　已见报道的微机械往复无阀泵振动力学模型见图1(a)[11],将泵腔上的振动膜片考虑成弹簧k,将异阻流道中的流体考虑成质量块m,将微流道阻尼考虑成阻尼器C。这是典型的单自由度受迫阻尼振动模型,幅频特性曲线为单峰曲线[11]。其缺点是未考虑液体压缩性即气泡的作用,未考虑泵腔外液体的作用,与实际工作状态不符。

　　本文提出图1(b)所示的二自由度振动力学模型。膜片、压电陶瓷片牢固粘接成一体,弹性变形由弹簧k1体现。流阻主要存在于异阻流道、输入输出管道中;泵腔吸入、排出液体时的总流阻相等,所以只用阻尼器C反映即可。

　　该模型的特点之一是考虑气泡,气泡滞留在泵腔内,对振动传递构成缓冲、滞后作用。气泡在较大压力、较高频率下呈现一定的弹性刚度,采用弹簧k2反映。特点之二是考虑腔外液体,由于异阻流道较大流阻的阻隔以及气泡作用,泵腔内、外液体的工作条件差异较大,不应合并为同一个质量进行考虑。为此,将膜片质量与泵腔内液体质量合并考虑为m1,而将异阻流道内、输入输出管流体质量合并设为m2。

　　3　微泵振动力学模型的分析

　　该模型具有二维自由度x1、x2,外力F=Fmaxsinωt。设c为粘滞阻力系数,系统运动方程可表达为[12]

　　可解出质量块m1、m2的振幅B1、B2。经分析对比,B1、B2随频率变化规律相同,下面仅以B1进行分析。

　　其中cC是阻尼振动系统在衰减过程中振动与不振动分界状态的临界阻力系数。

　　3.1　振动曲线的双峰特性

　　为了具体观察驱动力频率对系统振幅的影响,简化地设,观察泵腔外液体很少情况下的动态力学特性。设,给定不同q值,作出与ε的关系曲线(称为幅频特性曲线),反映阻尼对振动特性的影响[12],见图2,纵坐标无量纲。