用于检测高速气缸精确定位的微型开关阀设计

　　1　引言

　　目前有关微型机械的理论研究和实际应用,日益为世界的科研人员所重视,微元件的研究已经成为一个炙手可热的研究方向。由于实际应用的需求,有关微元件如微型阀、微型泵、微型传感器等的商品化也开始成为人们关注的焦点[1]。随着微机械技术加工的发展,一些设计新颖的微型开关阀相继研制成功。它不仅可替代现有的部分阀门元件,而且由微型开关阀等微元件组成的微量流体控制系统在检测高速气缸的精确定位和速度控制等方面也有着现实和潜在的应用价值。

　　微型开关阀是微流量控制系统中最常用,同时也是最重要的一类微流量控制器件。它起着控制流体通断,调节流体流量的重要作用。微型开关阀具有许多独特的特点,如尺寸微型化,从而导致响应时间短,功耗低,呆滞容限小,抗疲劳特性好,有利于实用化;生产批量化,可重复性高,生产成本大大降低;易于与其他器件集成,形成各种集成系统。

　　微型开关阀主要可以分为两类:一类是主动式微型开关阀,另一类是被动式微型开关阀。主动式微型开关阀本身具有驱动单元,阀的通、断和开启程度通过驱动单元受驱动信号的直接控制,可以单独用于气/液体的微流量控制和压力的控制,而被动式微型开关阀的通、断和开启程度与入口、出口压力高低直接相关。主动式微型开关阀依驱动方式的不同,主要包括电磁驱动[2],静电驱动[3],双金属驱动[1]和形状记忆合金驱动[4]等微型开关阀。这些微型开关阀主要应用于自动控制,汽车工业和医疗等领域。

　　2　工作原理

　　本文设计一种静电驱动的二位二通微型开关阀,其结构见图1a。图1a中,1为进气口所在的阀底座,件2为下电极所在的绝缘层,件3为上电极所在的可动膜片,件4为出气口所在的阀盖板,件5为密封圈。微型开关阀的工作原理如下:阀为常开式,当上下电极不通电时,膜片保持原始位置不动,空气由进口流过阀体到出口,阀处于开启状态。当上下电极通电后,由于静电力作用,膜片向下弯曲,进口被封闭,空气流动被截止,阀处于关闭状态。即通过调节静电力与气压差之间的力平衡实现微型开关阀膜片的动作,从而实现微型开关阀的开启及关闭功能。

　　3　数值模拟和结构优化

　　参考图1a的结构,对微型开关阀的膜片进行了数值模拟,进而得到流量、外加的静电电压与微型开关阀进出口气压差之间的关系。

　　3.1　问题描述

　　如图2所示,在上下两极板之间加以电压U,下板的变形可忽略(较厚),上板(实际上是一片很薄的金属膜)两端固支,在其上表面和下表面受均布载荷,在静电场的作用下,会向下弯曲变形,最后与上下表面压力以及自身变形产生的应力达到平衡。求解的问题是:在给定进出口气压差的情况下,要加多大的电压,才能使上板能向下弯曲到堵住下板的进气口。