PZT压电薄膜无阀微泵

　　0　引言

　　微泵作为微流体系统的重要执行部件,成为微流体发展的重要标志。微泵可以分为有阀泵和无阀泵。有阀泵由于具有可动部件,不可避免地存在一些缺点。如被动阀片的疲劳破坏,大大降低了微泵系统的性能和可靠性;对于某些液体易发生阻塞等,限制了其在微流体系统领域的应用[1]。与有阀微泵相比,无阀微泵没有阀门,结构简单、可靠性和频率高、成本低、更易于加工和装配等,所以应用前景极其广泛。

　　无阀微泵的研究始于20世纪90年代初。1992年德国Richter等首次提出在微泵设计中采用无阀结构的设想[2]。1993年瑞典Chalmers工业大学的Erik Stemme首次利用收缩管和扩张管结构制作了无阀压电泵[3],引起了各国学者的广泛重视。目前对无阀微泵的研究工作主要有理论分析,实验研究,数值计算三种方法。2002年Ulmann等基于动量方程建立了无阀压电微泵的等效模型。但是,由于微流体内部流动特性复杂,压电材料非线性等原因,很难得到精确解析解[4]。瑞典AndersOlsson制作了双腔室微泵,利用实物对微泵进行研究,取得了不少研究成果。但是实验研究成本较高[5]。在以往的大多数文献中,人们对微泵的研究基本上都是将单纯的扩张管元件提取出来,分析微泵的扩张管/收缩管的流动特性[6]。但是,得到微泵的输出特性不够准确。

　　本文利用水热合成法制备的压电薄膜振子作为微泵驱动部件, PDMS构成弹性泵膜,采用收缩管/扩张管结构,通过微加工工艺制备了结构简单、体积小、重量轻的振膜式压电微泵,并对其进行了数值和实验研究。利用ansys 10版本的MFX -ANSYS/CFX技术,完整地考虑了结构和流场之间的相互影响,实现了对无阀微泵的多物理场分析,研究了无阀微泵的流体动态特性。从提高流量的角度出发,对微泵在流固耦合下的锥形角,扩散管最小宽度和长度,以及泵腔的深度进行了大量的数值计算,得到优化的参数。

　　1　微泵的工作原理与理论分析

　　无阀微泵的工作原理是基于收缩管和扩张管对流体的阻力不同而实现差量流动。其结构原理如图1所示。当压电膜片向下振动时,给腔体内液体施加压力。由于收缩管/扩散管的压力降不同,引起流量不同,此时,Qd>Qn。微泵处于“泵模式”。当压电膜片向上振动时,给腔体内产生负压,收缩管/扩散管的压力分布恰恰相反,此时,Qd <Qn。微泵处于“供给模式”。所以,当泵腔体积连续变化时,就产生了连续的差量流动。

　　根据流体力学局部损失理论,流体在微流道中流动时会产生能量损失。因此,在扩散方向和收缩方向的压力差分别为: