電磁驅(qū)動微泵的設(shè)計與仿真

蘇毅濤，魏正，冀夢豪，苗曉丹

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海，201620）

0 引言

我國的微泵近些年主要的技術(shù)研究和科學(xué)研究方向是：在能夠保證對泵送過程中，液體的控制器和電流的控制系統(tǒng)能夠進行精確地自動控制，且能保證在泵送過程中，液體工作反應(yīng)迅速的條件情況下能夠進一步大大降低液體工作在泵送過程中的控制器和電流，簡化其制作的程序和工藝，提升了全自動化微泵實際工作的效率和可靠性。所以能夠設(shè)計一種全自動化的泵體結(jié)構(gòu)和制造工藝更加簡單的控制系統(tǒng)是目前科研所需要的，不僅能大大減少泵體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，還能減輕其工藝操作過程的時間和人力成本實行批量化生產(chǎn)，從而大大提高了目前我國全自動化微泵的實際工作的可靠性。

1 電磁驅(qū)動微泵的設(shè)計與研究

1.1 電磁驅(qū)動微泵的研究意義

微泵作為微機電系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件 ，在流體領(lǐng)域中主要是實現(xiàn)控制液體流速和微流量的作用。隨著微泵的不斷發(fā)展和深入的技術(shù)研究，它的實際應(yīng)用和技術(shù)研究正朝著對微型化和智能化的方向作進一步的發(fā)展。微型的電磁泵由于其形體的小巧，即使安裝方便，但其特殊的結(jié)構(gòu)和使用體積也很大程度地限制了它在實際應(yīng)用中所需要輸出的壓力和流量不高。目前微泵被廣泛應(yīng)用于工業(yè)的飲水機、清洗機、醫(yī)用的沖牙器、各類食品的計量泵、噴霧加濕器、過濾器增壓機、換熱器等。因此能夠設(shè)計一種全自動化的泵體結(jié)構(gòu)并且簡化制造工藝，不僅能大大減少泵體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，還能減輕其工藝操作過程的時間和人力成本，以實現(xiàn)大批量的投入使用。

國外對微型往復(fù)式電磁驅(qū)動微泵的研究已經(jīng)取得了突破性成果，此處的項目有很多，其中比較典型的成果主要包括有： Yamahata 等于2004 年研制了一種基于聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA) 的無閥電磁式微泵[1]。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，該泵由兩個擴散元件和一個聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜組成，泵的膜上有由NdFeB磁粉制成的集成復(fù)合磁體，大行程膜片偏轉(zhuǎn)（200 lm）是通過電磁體的外部驅(qū)動獲得的。同時他們對磁動力和微型泵的流量進行了詳細(xì)分析。通過計算可以達到400 l / min的流量和高達12 Mbar的背壓泵送。此泵非常好地實現(xiàn)了微泵對于微流量的控制，但是集成復(fù)合磁體附于膜上的工藝存在一定復(fù)雜性。

圖1 結(jié)構(gòu)原理

而在我國國內(nèi)目前比較典型的是，我國張震等研究了一種基于永磁鐵的管狀柱塞式的激勵電磁線圈的驅(qū)動微泵[2]。

其實體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 管狀柱塞式的電磁線圈的驅(qū)動微泵

利用激勵電磁線圈產(chǎn)生的電磁場，進而根據(jù)產(chǎn)生的電磁場對于存有永磁鐵的管狀柱塞產(chǎn)生電磁力，在電磁力的泵腔內(nèi)往復(fù)運動的作用下，永磁鐵的管狀柱塞在驅(qū)動單向閥的泵腔內(nèi)進行了往復(fù)運動，永磁鐵柱塞的電磁力在泵腔內(nèi)進行了往復(fù)運動，從而帶動微泵內(nèi)所有液體往復(fù)運動。液體的單向閥通過電磁力帶動單向閥的定向運動和整流的往復(fù)運動作用，從而使單向閥實現(xiàn)了電磁力的泵送。

所以，能夠設(shè)計一種全自動化的泵體結(jié)構(gòu)和制造工藝更加簡單的微泵系統(tǒng)是非常必要的，大大減少泵體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度簡化工藝的同時，減輕其工藝操作過程的時間和人力成本，從而大大提高了目前我國全自動化微泵的實際工作的可靠性。

1.2 電磁驅(qū)動微泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

1.2.1 微泵的閥口結(jié)構(gòu)設(shè)計

電磁驅(qū)動微泵依據(jù)閥口有無可分為有閥式和無閥式結(jié)構(gòu)，無閥式電磁驅(qū)動微泵一般可以通過收縮擴散管來很好地控制在泵腔內(nèi)液體流動的速度和壓力。而有閥式微泵的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，薄膜依舊是受電磁力作用，在泵體內(nèi)部發(fā)生彈性形變而上下振動，從而使泵體內(nèi)部產(chǎn)生一定的壓力差，讓整個閥門自動地打開，使流體開始均勻地在泵內(nèi)流通，這種有閥式的電磁驅(qū)動微泵其主要的特點之一就是在于其穩(wěn)定性比其他無閥式的微泵要高，且無回流現(xiàn)象；除此之外擁有閥口更便于觀測閥口兩端壓力以及流量的變化，并可檢測得閥口處產(chǎn)生的閾值[3]。

由于本文所涉及的電磁驅(qū)動微泵需要在一定流量的作用下保證穩(wěn)定的工作，并且在整個工作過程當(dāng)中也需要不定時地整個泵體進行流量的觀測，綜上分析，泵體選擇有閥式得更為符合設(shè)計要求。

1.2.2 泵體微閥的選擇

本文設(shè)計的電磁驅(qū)動微泵的泵體選擇有閥式的。微型閥是微流體控制中的重要核心部件。

由于微泵的驅(qū)動結(jié)構(gòu)較小，因此本文設(shè)計中主要是采用被動型的微閥。被動型的微閥主要是用作止回閥，在被動型微閥中有兩種選擇，一種為薄膜型微閥，另一種為懸臂梁式微型閥。對于薄膜型微閥而言，微閥只能順著壓力的方向左右打開，類似于光電二極管的壓力傳動特性。懸臂梁式微型閥相對于薄膜型微閥，由于其結(jié)構(gòu)簡單，易于進行安裝和加工。

根據(jù)上述微閥的結(jié)構(gòu)分析，對于普通的薄膜式微閥而言，其在產(chǎn)生較大的流量和溫度變化時，容易影響泵體的正常運行，且本文在泵體表面已采用薄膜設(shè)計以改變泵體容積，如果微閥仍舊是薄膜構(gòu)成的，則容易在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)薄膜振動頻率的限制。而懸臂梁閥能夠有效防止回流現(xiàn)象以保持穩(wěn)定的狀態(tài)，除此之外，在選擇的泵體接近閥口的最小壓力這方面也較為靈活。綜上分許最終本文設(shè)計微閥采用懸臂梁式微閥。因為聚合物成本低，物理性能好，并且具有良好的生物兼容性，應(yīng)用范圍廣；而SU-8膠相對于其他材料具有開啟壓力小，反向泄露小，楊氏模量和彈性常數(shù)都很低，響應(yīng)時間短且容易加工的特點，因此選用SU-8膠作為懸臂梁式微閥的結(jié)構(gòu)材料[4]。

圖3 懸臂梁閥結(jié)構(gòu)

1.2.3 薄膜的選擇

本文中的電磁驅(qū)動微泵中薄膜的材料選擇主要是集中在二氧化硅和一些聚合物之類的材料。

對于二氧化硅而言，它的彈性模量比較高，且硅薄膜制造工藝復(fù)雜，壽命短且容易受到破壞，尤其是在本結(jié)構(gòu)中，薄膜是與永磁體相黏合的，若薄膜的厚度過小便會十分容易導(dǎo)致膜開裂然后與永磁鐵分離，另外制作硅薄膜的成本也較高。

從聚合物的角度而言，泵膜材料可以采用PDMS的薄膜材料來制作泵膜，其抗張強度最高為5.5N/mm2，延伸率最高可達350%，彈性模量為0.75MPa，因此PDMS對比于硅膠等其他薄膜復(fù)合材料，在相同的溫度條件下，具有更大的擴張位移。而且PDMS的復(fù)合材料封裝和加工制作工藝簡單，具有較長的工作使用壽命，具有相對優(yōu)秀的物理傳動特性。

因此綜上分析，本文設(shè)計中采用PDMS材料所制的薄膜，置于泵體與懸臂梁閥相對一處的表面，通過此薄膜彈性變形改變泵體的容積以產(chǎn)生凈流量。薄膜如圖4所示。

圖4 薄膜

1.2.4 永磁體的選擇

永磁體作為微型泵中的驅(qū)動元件，主要分為合金永磁材料與鐵氧體永磁材料。

合金永磁材料中實際運用較為廣泛的有鋁鎳鈷、釹鐵硼等。其中鋁鎳鈷永磁材料的主要特點是剩磁密度較高，矯頑力較低。因此在使用過程中需嚴(yán)格禁止其與任何鐵器接觸，以免造成局部不可逆退磁。同時，由于鋁鎳鈷永磁體溫度系數(shù)小，其因溫度變化產(chǎn)生的永磁體退磁也較小。但該材料硬而脆，可加工性能較差。

而鐵氧體永磁材料是一種非金屬永磁材料，其優(yōu)點為：原料來源豐富，價格低廉，耐氧化，耐腐蝕；矯頑力較大；制造工藝較為簡單；密度小，質(zhì)量輕。其缺點是剩磁密度較低，溫度系數(shù)大，易碎。

由于此處泵體結(jié)構(gòu)中，薄膜所受到的形變力是由永磁體引起的，才使其發(fā)生彈性變形，綜合分析，考慮到磁體使用的環(huán)境、成本以及制造工藝的復(fù)雜性，最終本文設(shè)計中采用鐵氧體永磁材料作為泵體的驅(qū)動永磁體，并用道康寧DC184光學(xué)膠PDMS聚二甲基硅氧灌封實驗專用膠將磁體固定于薄膜內(nèi)側(cè)中央。

通過確定泵體的閥口、薄膜、永磁鐵以后，泵體的大致結(jié)構(gòu)初步成型，如圖5所示。在微泵的底部安裝有兩個懸臂梁閥，一個控制單向進水，另一個控制單向出水并附有接管口。

圖5 泵體結(jié)構(gòu)示意圖

2 電磁驅(qū)動微泵的理論分析

2.1 磁場強度的分析與計算

本文所設(shè)計的微泵主要是依靠通電線圈繞組產(chǎn)生的磁場與膜上的永磁體之間的電磁力來實現(xiàn)的。而線圈繞組所產(chǎn)生的磁場強度受多方面因素影響，接下來則是分析這些要素與磁場強度之間的關(guān)系。

想要研究磁場強度的影響因素，那么可以從磁場強度的計算公式入手。

圖6 線圈產(chǎn)生的磁場

圖7 多線圈產(chǎn)生的磁場

由上圖所建立的坐標(biāo)系，計算出該理想m層螺線管在P處的磁場強度BZ：

式中，影響螺線管所產(chǎn)生的磁場大小的參數(shù)，有螺線管的長度l、內(nèi)徑d、外徑D，螺線圈密度Nd以及電流I。本文所用螺線管數(shù)據(jù)見表1。

表1 螺線管各項參數(shù)

2.2 電磁力的計算

由通電螺線管產(chǎn)生的磁場與永磁體相互作用產(chǎn)生的電磁力作為微泵的驅(qū)動力，直接影響膜的形變改變腔體容積而影響液體的泵送量。

在x軸方向上的磁場力F計算公式可寫成：

薄膜（直徑D=34mm）所受到的壓強可簡化成：

通過對于磁場強度的影響因素，電磁力以及薄膜形變進行理論分析得出計算公式，為之后的測試打下基礎(chǔ)。

3 電磁驅(qū)動微泵的測試

微泵整個物理模型較為復(fù)雜，涉及三種物理場的耦合，難以建立模型，因此首先進行物理模型的簡化。

微閥泵出時，內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)

泵出時內(nèi)部腔體入口關(guān)閉，出口打開，薄膜上磁鐵在電磁場的作用下帶動薄膜朝腔體內(nèi)部變形運動，壓迫液體從出口處流出。因為流固耦合難以實現(xiàn)，所以將此物理過程簡化成薄膜均勻受力，均勻變形的情形。電磁場可以近似看成均勻場，根據(jù)電流大小及線圈參數(shù)可以計算出電磁場的大小，據(jù)此再根據(jù)磁鐵參數(shù)計算出薄膜所受力的大小，也就求出了腔內(nèi)液體所受壓力的大小。知道了這些就可以進行下一步的仿真工作了。

對內(nèi)部腔體進行網(wǎng)格劃分及腔體外表面的命名，網(wǎng)格劃分如圖9所示。

圖9 網(wǎng)絡(luò)劃分圖

接下來進行邊界層、流體物理性質(zhì)的設(shè)置，將出口處的壓力設(shè)置為零，在電壓大小為5V時計算得到薄膜對內(nèi)腔的平均壓力為1696Pa。設(shè)置完成后如圖10所示。

圖10 設(shè)置結(jié)果圖

之后便可以進行計算求解了。仿真結(jié)果如圖11，圖12，圖13所示。

圖11 腔體內(nèi)各處壓強圖

圖12 矢量圖

圖13 跡線圖

在出口處的通量計算結(jié)果：0.0457kg/s。

通過對單片機進行編程，控制其輸出，即可控制微閥線圈電壓大小，電流的方向以及頻率。電壓改變時微閥腔體內(nèi)部所受壓強也隨之改變，據(jù)此便可實現(xiàn)對微閥流量的控制。在不同電壓下微閥輸出流量見表2。

表2 電壓大小與流量數(shù)據(jù)

電壓大小與流量的折線圖見圖14。

圖14 電壓大小與流量折線圖

根據(jù)模型3D打印實物見圖15（為方便實物實驗，將模型比例進行了放大，線圈因疫情未能采購，暫用發(fā)光二極管代替）。

圖15 實物圖

4 結(jié)束語

4.1 設(shè)計電磁驅(qū)動微泵的創(chuàng)新點

結(jié)構(gòu)新穎簡單，易于制作。本文所采用的結(jié)構(gòu)是在低端安裝兩反向懸臂梁閥以實現(xiàn)進出水的止回，通過頂端薄膜的在磁場中的振動改變泵體內(nèi)外壓實現(xiàn)液體的流動。

4.2 主要結(jié)論

本文基于電磁場理論和微機電系統(tǒng)技術(shù)，通過分析對比國內(nèi)外的微泵的研究現(xiàn)狀，以及用理論計算及分析的方法設(shè)計了微泵的結(jié)構(gòu)以及尺寸，并用去離子水作為測試時的流體進行實驗測試。

本文通過對比國內(nèi)外的微泵技術(shù)以及對于微泵結(jié)構(gòu)及材料的分析與選擇，所設(shè)計的電磁驅(qū)動微泵采用懸臂梁閥口以及附著磁體式的薄膜，在滿足微泵控制微流量功能的前提下實現(xiàn)低成本，結(jié)構(gòu)簡單，易于制作。

4.3 未來展望

理想化的全自動化微泵控制系統(tǒng)除了能精確控制微流量之外，應(yīng)該簡化制作并降低成本，實現(xiàn)批量生產(chǎn)以及大批量投入使用。例如同樣的功能可以采用更加簡單的結(jié)構(gòu)去實行。

此外，實驗中制作電磁驅(qū)動微泵的工藝步驟要在實踐的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化與完善的，后續(xù)工作中要注意簡化工藝步驟，降低成本，提高工藝水平和探索新工藝。