压电膜片的优化设计及在微泵中的应用

    微执行器是微机械系统(MEMS)器件中的可动部件,是最重要的组成部分。用于流体控制的微执行器主要有微泵、微阀,用于机电领域的微执行器有微马达、微位移器、微继电器、微型镊子等;用于光机电系统的微执行器有微镜,光开关。上述微执行器当前都已研制出以压电方式进行驱动的器件。压电驱动方式具有驱动力大,效率高,响应快,输入/输出为线性等优点。另外,压电驱动多是将压电片(或叠堆)直接固定在被驱动执行器上,有结构简单的优点。因此,压电驱动是MEMS微执行器驱动方式中很有发展前途的驱动技术。

    微执行器驱动元件的基本结构一般是膜片、悬臂梁、桥结构。膜片结构可作为微泵^[1]、微马达^[2]和机器人^[3]等大多数压电微执行器的驱动元件。本文对压电膜片的驱动作用进行了静态和膜态的有限元分析,并研制了压电膜片驱动的有阀微泵。

    1　压电膜片工作原理

    膜片结构压电驱动元件一般为圆形,结构如图1所示。其中,DPZT、Dj分别为压电陶瓷和基片的直径,hPZT、hj分别为压电陶瓷和基片的厚度。压电体可采用横向逆压电效应大的PZT5H材料,压电体上下表面被有电极,轴向极化。弹性基片材料为黄铜或单晶硅。如果向压电体上、下电极施加一定幅度的电压,由于横向逆压电效应在压电层内产生径向拉(或压)应变,最终导致整个压电元件弯曲,而弯曲的最大挠度大于压电体本身横向形变。当施加具有系统谐振频率的交变电压时,压电膜片产生谐振。压电膜片就是利用电控的膜片弯曲形变谐振来实现驱动作用的。

    微执行器中压电驱动元件多数是安装在芯片外,用粘接或机械夹持方法固定,此类压电元件一般是铜基压电膜片。近年来,随着压电厚膜制备技术的发展,出现了在芯片内直接制备压电厚膜的芯片内压电驱动微执行器,如采用丝网印刷压电厚膜^[4]制作的压电微泵。芯片内的压电驱动微执行器是硅基压电膜片。

    2　压电驱动元件的有限元分析

    对压电驱动结构进行有限元分析采用ANSYS7.0软件。ANSYS软件是通用有限元分析软件,适合作为MEMS器件的结构分析软件,内置压电耦合场软件包,用于压电分析的单元有Solid5和olid98两种单元。Solid5单元是一个6面8节点的耦合场单元,Solid98是4面4节点耦合场单元,采用Sol2id98单元更适于圆形膜片的模拟分析。

     已有的模拟分析表明,当DPZT/Dj约为0.7时,  驱动元件弯曲挠度最大。因此,模拟时取DPZT为8 mm,Dj为12 mm。当弹性基片为黄铜时,基片和压电体胶接,粘结层和上下电极相对于压电体和弹性基片均很薄,模拟时忽略。弹性基片为硅时,丝网印刷压电厚膜直接印刷在硅膜上。进行的模拟有静态分析以获得驱动膜片的弯曲挠度,模态分析以获得驱动膜片谐振频率。