微型主被動閥結(jié)合式壓電泵的試驗(yàn)研究

孫靜　魯海龍

摘 要：針對如何提高微型主動閥類壓電泵的輸出特性的問題，提出了主被動閥結(jié)合式壓電泵的研究方案，并設(shè)計(jì)制作了壓電泵，進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：主被動閥相結(jié)合式壓電泵最大輸出流量為520ml/min，最大輸出壓力25kPa。

關(guān)鍵詞：壓電泵；主動閥；試驗(yàn)

1 引言

壓電泵是根據(jù)壓電材料的逆壓電效應(yīng)，壓電振子在輸入電信號下產(chǎn)生變形，變形使壓電泵的腔體容積變化實(shí)現(xiàn)液體輸出或者利用振子產(chǎn)生波動來傳送液體，可實(shí)現(xiàn)重量輕、無噪聲、結(jié)構(gòu)簡單、耗能低、無干擾、體積小等特性[1-4]，可利用施加頻率或電壓的大小控制輸出微流量等等，被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療/制藥、化學(xué)分析、生物工程、電子器件冷卻等方面[4-9]。

近年來人們研制出各種類型的壓電泵，這些壓電泵中被動閥壓電泵其主要原理是利用液體的流動推動閥的開啟，而主動閥壓電泵則是通過主動方式控制閥的開和關(guān)，根據(jù)主動閥壓電泵的特點(diǎn)，提出了主被動閥結(jié)合式的雙腔串聯(lián)壓電泵方案，以期提高壓電泵的輸出性能，改善壓電泵的工作能力。

2 結(jié)構(gòu)與工作原理

主被動閥結(jié)合式的壓電泵的結(jié)構(gòu)如圖1示，泵的進(jìn)出口閥是主動閥，閥的開啟和關(guān)閉完全是由外界驅(qū)動信號根據(jù)泵腔體積變化情況的要求來控制的。因此，進(jìn)、出口閥的開啟和關(guān)閉時(shí)間可以做到準(zhǔn)確自如，這就控制了閥對于壓電振子的滯后性，消除了流體在流經(jīng)閥口、開啟單向閥時(shí)的能量損失，有效地抑制了倒流現(xiàn)象。該泵是利用兩個(gè)腔體串聯(lián)，泵腔1的出口是泵腔2的入口，兩腔之間安裝一個(gè)傘形閥，即被動閥，將兩腔分開，理論上兩串聯(lián)腔體可以提高泵是輸出壓力和輸出流量。

雙腔串聯(lián)壓電泵在工作時(shí)，兩泵腔壓電振子的電極所加驅(qū)動電信號相位差為180o，以使壓電振子異步振動。該泵的一個(gè)工作循環(huán)可分為兩個(gè)階段：

（1）給進(jìn)口壓電振子和出口壓電振子施加電信號，使進(jìn)口閥打開，出口閥打開；改變泵腔的驅(qū)動電信號，使泵腔1壓電振子向上彎曲，液體從入口吸入腔體1中，泵腔2壓電振子向下彎曲，泵腔2中的液體從出口流出。其工作狀態(tài)如圖2所示。

2） 當(dāng)改變主動閥的控制信號時(shí)，使進(jìn)口閥關(guān)閉，出口閥關(guān)閉；給泵腔壓電振子施加電信號，使泵腔1振子向下彎曲，泵腔2振子向上彎曲，腔體1體積隨信號改變而減小使壓力增加，泵腔2體積反而增大使壓力降低，故液體從泵腔1排至泵腔2，泵腔1與泵腔2的共同作用增強(qiáng)了流體的單向流動，其工作狀態(tài)如圖3所示，這樣就完成了一個(gè)工作周期。

3 試驗(yàn)研究

對主被動閥結(jié)合式的雙腔串聯(lián)泵的輸出特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要測試泵的輸出流量和輸出壓力，在不同驅(qū)動電壓和工作頻率下泵的輸出特性。泵的輸出流量和輸出壓力受泵用圓形

雙晶片振子驅(qū)動信號及閥性能的影響。

3.1 泵用壓電振子驅(qū)動信號

文章所研究的主被動閥結(jié)合的雙腔串聯(lián)壓電泵的驅(qū)動信號為正弦波信號，即進(jìn)出口閥和兩泵腔振子的驅(qū)動信號均為正弦波信號。原因是正弦波信號振子響應(yīng)也是正弦信號，雖然有滯后現(xiàn)象，但泵中的各個(gè)振子均是由正弦波信號驅(qū)動，滯后現(xiàn)象可以忽略。依據(jù)對泵工作工程的分析，進(jìn)出口閥同時(shí)開啟關(guān)閉，故用同樣的驅(qū)動信號，泵腔1吸水時(shí)泵腔2排水，故泵腔1和泵腔2的驅(qū)動信號相反。給出的壓電泵的驅(qū)動信號如圖4所示。

3.2 泵的輸出特性

文章采用定壓調(diào)頻的方法測試主被動閥結(jié)合式雙腔串聯(lián)壓電泵的輸出流量、輸出壓力。試驗(yàn)過程中分別給壓電振子施加不同的驅(qū)動電壓，觀察泵的工作情況，測試了泵的輸出特性。

對該泵施加不同的驅(qū)動電壓，從泵的工作狀況得知泵的輸出特性和驅(qū)動電壓呈線性關(guān)系，驅(qū)動電壓越高，泵的輸出流量和輸出壓力均呈線性增加。但由于壓電振子有承載電壓的極限值，故不能無限的增大驅(qū)動電壓。文章所測試的結(jié)果驅(qū)動電壓均低于100V。

圖5是在壓電泵工作電壓在70V和90V時(shí)得到的頻率-流量特性曲線。從曲線走向看，變化規(guī)律基本相同。驅(qū)動頻率從60Hz開始流量快速地呈線性增加，頻率增加到100Hz時(shí)流量達(dá)到最大值，當(dāng)頻率超過110Hz流量又開始下降，分析原因是因?yàn)轵?qū)動頻率越高時(shí)，壓電振子振動的幅值減小，閥口開啟小，腔體體積減小，故泵的流量隨之降低?？芍?，該雙腔串聯(lián)泵在工作頻率約為100Hz時(shí)輸出流量達(dá)到最大，驅(qū)動電壓90V時(shí)壓電泵最大泵水量可達(dá)到520ml/min，該頻率為其輸出流量的最佳工作頻率。

圖6是在壓電泵工作電壓在70V和90V時(shí)得到的頻率-壓力特性曲線。由圖可知，兩條曲線的走勢基本相同，雙腔串聯(lián)泵的輸出壓力-頻率曲線有波峰和波谷，初始測量的頻率為60Hz，壓力曲線處于波谷位置，說明此時(shí)壓電泵的輸出壓力最小。隨著驅(qū)動頻率的增加，輸出壓力隨之增大，當(dāng)驅(qū)動頻率達(dá)到110Hz左右時(shí)，兩條曲線的輸出壓力基本都達(dá)到最大值，驅(qū)動電壓90V時(shí)最大輸出壓力可達(dá)到25kPa，這說明壓電泵的輸出壓力和流量具有相似的頻率特性，工作狀態(tài)都有最佳的工作頻率。不同的是，隨著頻率繼續(xù)增加，輸出壓力反而下降，曲線再次出現(xiàn)波谷，但此時(shí)輸出壓力并不是最小值。頻率再增加，壓力又繼續(xù)升高，當(dāng)頻率達(dá)到約200Hz左右時(shí)候，壓力又達(dá)到最大值，說明雙腔串聯(lián)泵的壓力-頻率特性曲線至少有兩個(gè)最佳工作頻率。工作過程中可以通過改變驅(qū)動頻率的大小調(diào)整壓電泵的輸出壓力，為實(shí)際應(yīng)用提供條件。

4 結(jié)束語

4.1 主被動閥結(jié)合式雙腔串聯(lián)壓電泵輸出壓力和輸出流量均隨驅(qū)動電壓的升高而增大，基本呈線性關(guān)系。

4.2 主被動閥結(jié)合的雙腔串聯(lián)壓電泵有最佳工作頻率點(diǎn)，在最佳輸出頻率點(diǎn)輸出流量和輸出壓力達(dá)到最大。最大輸出流量為520ml/min，最大輸出壓力為25kPa。

4.3 試驗(yàn)所測得的結(jié)果對壓電泵的研究有指導(dǎo)意義，并為提高主動控制泵的輸出流量和輸出壓力提供了一種新的方法。

參考文獻(xiàn)endprint

[1]闞君武，楊志剛，程光明等.壓電泵的研究與發(fā)展[J].光學(xué)精密工程，2002，10（6）：619-625.

[2]趙愛玲，張海峰，王丙軍.一種旋轉(zhuǎn)壓電陶瓷驅(qū)動器的設(shè)計(jì)和研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，7（7）：30-31

[3]Jin-Ho Kim a， C.J. Kang b，Yong-Sang Kima.Adisposable polydimethylsiloxane-based diffuser micropump actuated by piezoelectric-disc[J].Microelectronic Engineering，2004，71：119～124.

[4]Ma Bin， Liu Sheng， Gan Zhiyn.A PZT insulin pump integrated with a silicon microneedle array for transdermal drug delivery [J].Microfluidics and Nanofluidics，2006，2（5）：417-423.

[5]Kan Junwu， Yang Zhigang， Peng Taijiang， et al.Design and test of a high-performance piezoelectric micropump for drug delivery[J].Sensors and Actuators，2005，121（1）：156-161.

[6]曾平，程光明，劉九龍，等.集成式計(jì)算機(jī)芯片水冷系統(tǒng)的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39（11） ：1207-1210.

[7]Heffington， Samuel N， Glezer Ari.Orientation-independent atomization heat transfer cell for thermal management of microelectronics [J].Advances in Electronic Packaging，2003，2：635-640.

[8]Zhang Tao， Wang Qing-Ming.Valveless piezoelectric micropump for fuel delivery in direct methanol fuel cell （DMFC） devices [J].Journal of Power Sources，2005，140（1）：72-80.

[9]Ederer， P.Raetsch， W. Schullerus， et al.Piezoelectrically driven micropump for on-demand fuel-drop generation in an automobile heater with continuously adjustable power output[J].Sensors and Actuators A，1997，62：752-755.

[10]孫靜.主被動閥結(jié)合的雙腔串聯(lián)式壓電泵的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2009：40-51.

作者簡介：孫靜（1981-），女，講師，研究方向?yàn)槲⒘勘玫脑O(shè)計(jì)與研究。endprint

[1]闞君武，楊志剛，程光明等.壓電泵的研究與發(fā)展[J].光學(xué)精密工程，2002，10（6）：619-625.

[2]趙愛玲，張海峰，王丙軍.一種旋轉(zhuǎn)壓電陶瓷驅(qū)動器的設(shè)計(jì)和研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，7（7）：30-31

[3]Jin-Ho Kim a， C.J. Kang b，Yong-Sang Kima.Adisposable polydimethylsiloxane-based diffuser micropump actuated by piezoelectric-disc[J].Microelectronic Engineering，2004，71：119～124.

[4]Ma Bin， Liu Sheng， Gan Zhiyn.A PZT insulin pump integrated with a silicon microneedle array for transdermal drug delivery [J].Microfluidics and Nanofluidics，2006，2（5）：417-423.

[5]Kan Junwu， Yang Zhigang， Peng Taijiang， et al.Design and test of a high-performance piezoelectric micropump for drug delivery[J].Sensors and Actuators，2005，121（1）：156-161.

[6]曾平，程光明，劉九龍，等.集成式計(jì)算機(jī)芯片水冷系統(tǒng)的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39（11） ：1207-1210.

[7]Heffington， Samuel N， Glezer Ari.Orientation-independent atomization heat transfer cell for thermal management of microelectronics [J].Advances in Electronic Packaging，2003，2：635-640.

[8]Zhang Tao， Wang Qing-Ming.Valveless piezoelectric micropump for fuel delivery in direct methanol fuel cell （DMFC） devices [J].Journal of Power Sources，2005，140（1）：72-80.

[9]Ederer， P.Raetsch， W. Schullerus， et al.Piezoelectrically driven micropump for on-demand fuel-drop generation in an automobile heater with continuously adjustable power output[J].Sensors and Actuators A，1997，62：752-755.

[10]孫靜.主被動閥結(jié)合的雙腔串聯(lián)式壓電泵的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2009：40-51.

作者簡介：孫靜（1981-），女，講師，研究方向?yàn)槲⒘勘玫脑O(shè)計(jì)與研究。endprint

[1]闞君武，楊志剛，程光明等.壓電泵的研究與發(fā)展[J].光學(xué)精密工程，2002，10（6）：619-625.

[2]趙愛玲，張海峰，王丙軍.一種旋轉(zhuǎn)壓電陶瓷驅(qū)動器的設(shè)計(jì)和研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，7（7）：30-31

[3]Jin-Ho Kim a， C.J. Kang b，Yong-Sang Kima.Adisposable polydimethylsiloxane-based diffuser micropump actuated by piezoelectric-disc[J].Microelectronic Engineering，2004，71：119～124.

[4]Ma Bin， Liu Sheng， Gan Zhiyn.A PZT insulin pump integrated with a silicon microneedle array for transdermal drug delivery [J].Microfluidics and Nanofluidics，2006，2（5）：417-423.

[5]Kan Junwu， Yang Zhigang， Peng Taijiang， et al.Design and test of a high-performance piezoelectric micropump for drug delivery[J].Sensors and Actuators，2005，121（1）：156-161.

[6]曾平，程光明，劉九龍，等.集成式計(jì)算機(jī)芯片水冷系統(tǒng)的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39（11） ：1207-1210.

[7]Heffington， Samuel N， Glezer Ari.Orientation-independent atomization heat transfer cell for thermal management of microelectronics [J].Advances in Electronic Packaging，2003，2：635-640.

[8]Zhang Tao， Wang Qing-Ming.Valveless piezoelectric micropump for fuel delivery in direct methanol fuel cell （DMFC） devices [J].Journal of Power Sources，2005，140（1）：72-80.

[9]Ederer， P.Raetsch， W. Schullerus， et al.Piezoelectrically driven micropump for on-demand fuel-drop generation in an automobile heater with continuously adjustable power output[J].Sensors and Actuators A，1997，62：752-755.

[10]孫靜.主被動閥結(jié)合的雙腔串聯(lián)式壓電泵的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2009：40-51.

作者簡介：孫靜（1981-），女，講師，研究方向?yàn)槲⒘勘玫脑O(shè)計(jì)與研究。endprint