无阀微泵的结构设计及实验研究

    微机电系统(MEMS)具有微型化,能耗低和集成度高等优势,其应用已扩展至汽车工业、生物医学、航天、军事等各个领域。微流体器件^[1-3]作 为微机电系统的重要分支在药物输送、燃料喷射、细胞分离、电子元件冷却、微量化学分析及微小型卫星推进等方面的广泛应用。微泵[4]是微流体器件的代表产 物,可实现流体输送、流体测量、流体混合、流体的浓缩和分离,对微分子操作具有重要作用,因此实用而灵活的微器件设计制作技术研究意义重大,也一直是微系 统领域的重点研究对象。本文介绍了一种压电驱动式微泵,具有结构简单,易操作的特点,且微泵制作未借助MEMS加工工艺,所以成本低,适于大批量生产。

    1　微泵的结构设计及制作

    压电微泵^[5]采取压电驱动形式,利用压电陶瓷的逆压电效应,在陶瓷两极加交变电压,陶瓷片会带动振动膜产生交替性 形变使腔内体积变化而实现泵送液体的目的。一般的阀式微泵结构较复杂,加工和集成难度较大,且阀片结构易疲劳和磨损,长期可靠性不高。而无阀式微泵 [6-8]利用管道的特殊结构或流体的黏度等特性实现,结构简单,性能可靠稳定,加工费用低,具有较好的实际应用前景。

    本文设计的无阀式微泵(18 mm×18 mm×3 mm)采取压电陶瓷片(5 mm×8 mm×1 mm)作为驱动器,薄玻璃片(0.13~0.15 mm)作为振动膜,有机玻璃(18 mm×18 mm×1 mm)作为腔体基体,为了达到增大流量的目的,腔体设置两个液体入口。

    采用线切割的工艺方法将有机玻璃制作成iV、部 分,并根据入口尺寸要求合理布置在基体上,上层设置玻璃片振膜,振膜、腔体、基体间用环氧树脂胶粘结。压电陶瓷与振膜间采用导电胶连接,并在振膜上侧引出 一段导电胶作为陶瓷一端电极。为了消除微泵的结构及外界对压电陶瓷的消振作用,将微泵基体粘结在钢制块上。由于微泵的制作没有借助微加工工艺,所以微泵的 出入口尺寸以及收缩/扩散角角度可在线切割过程中任意选择,腔体尺寸及出入口个数均可根据需求选择制作。微泵结构如图1所示。

    2　有限元仿真

    微泵传输液体是通过腔体内体积的交替变化实现的,当驱动力的频率与换能器的固有频率一致时达到共振状态,换能器的振幅达到最大,此时微泵的工作效率最高。 本文中运用ANSYS软件对压电换能器做模态分析得到其固有频率。微泵建立的ANSYS模型及划分网格如图2所示,仿真结果如表1所示。压电换能器前4阶 振型图,如图3所示。

    采用的振动膜为玻璃(杨氏模量为7.3×10¹⁰,泊松比为0.17),且厚度为0.13~0.15 mm,故固有频率较高。由图3可知,第1阶振动可使腔体体积变化最大,而其他阶振动时腔内会产生相互抵消的体积元,1阶振型是微泵动作的最佳振型,故确定微泵的最佳工作频率为51.245 kHz。