（微电子学与固体电子学专业论文）基于mems技术的无阀压电微泵的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 微泵作为微流控分析系统的核心部件，一直是微流控领域的研究热点。为了实现微 流控芯片的小型化、集成化，迫切需要研制便于微型化、定量、无脉动、连续输送微量 流体的微泵。传统的流体泵因其体积或工作机理限制难以满足要求，随着m e m s 工艺 技术的进步，利用m e m s 技术实现微泵的微型化已经得到了迅速的发展。因此，本文 开展了利用m e m s 技术研制了一种体积小、结构简单、能连续输送流体的微型泵的研 究。 本文在分析了微泵的结构及原理的基础上，设计和制作了一种双腔并联式无阀压电 微泵。该微泵选用压电双晶片作为驱动器，比传统的压电圆片驱动力更大；采用收缩口 喷口的无阀结构，结构简单，易于制作；泵膜采用p d m s 薄膜，不易破损，成本低； 设计了推挽工作模式的双腔并联式结构，该结构减轻了液流的脉动性，同时也提高了微 泵的工作效率。利用a n s y s 软件对微泵的核心部件压电双晶片的振动模式进行了仿真 分析；利用m e m s 技术分别制作了泵体及泵膜并且使用树脂胶将它们和压电双晶片粘 在一起，最终封装成微泵；在不同的电压和频率下，使用电涡流测微计对压电双晶片的 自由端最大位移进行测量；组建了测试系统，在不同的条件下对微泵的输出流速进行了 测试，并且和同结构的单腔体微泵进行了对比实验。 测试结果表明：电压、频率、泵膜的厚度、压电双晶片的长度均对微泵的输出流速 有着明显的影响。在背压为o ，电压8 0 v ，频率为l 1 0 0 h z ，泵膜厚7 私m ，压电双晶片 长3 0 r a m 情况下，双腔并联式无阀压电微泵的流速为2 1 吮l ，大约是同结构单腔体微泵 的1 5 倍。 关键词：无阀微泵；压电；m e m s ；流速 基于m e m s 技术的无阀压电微泵的研究 s t u d yo fv a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cm i c r o p u m p b a s e do nm e m s t e c h n o l o g y a bs t r a c t m i c r o p u m pa st h ec o r ec o m p o n e n to fm i c r o f l u i d i cs y s t e mh a sb e c o m et h er e s e a r c hf o c u s i nm i c r o f l u i d i cs y s t e m sf i e l d i no r d e rt or e a l i z et h em i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o no ft h e m i c r o f l u i d i cc h i p s ，i ti su r g e n tt oi n v e s t i g a t eam i n i a t u r ev a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cm i c r o p u m p w h i c hc a nt r a n s p o r tt h em i c r of l u i dc o n t i n u o u s l y t r a d i t i o n a lp u m pc a nn o ts a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t sa c c o u n tf o ri t sv o l u m eo rl i m i t a t i o no fw o r k i n gm e c h a n i s m a st h em e m s t e c h n i q u ed e v e l o p i n g ，t h e r ei sar a p i d l yg r o w t ho na c h i e v e m e n to ft h ep u m pm i c r o m a t i o nb y u t i l i z i n gm e m st e c h n o l o g y a sar e s u l t ，t h er e s e a r c h e sw e r ec o n c e n t r a t e do nd e v e l o p i n ga s m a l ls i z ea n ds i m p l es t r u c t u r em i c r o p u m pt ot r a n s p o r tt h em i c r of l u i db yu s i n gm e m s t e c h n o l o g y b a s e do i lt h ea n a l y s i si nt h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h em i c r o p u m p ，av a l v e l e s s p i e z o e l e c t r i cm i c r o p u m pi np a r a l l e lw i t hd o u b l ec h a m b e r si sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h i sm i c r o p u m pu s e st h eb i m o r p ha st h ea c t u a t o rw h i c hh a st h em o r ed r i v i n gf o r c e ；u s i n ga d i f f u s e ra n dan o z z l eu n i tw h i c hi se a s yt of a b r i c a t e ；u t i l i z i n gp o l y - d i m e t h y l s i l o x a n e ( p d m s ) a sd i a p h r a g mw h i c hi sn o te a s yt od e s t r o ya n dh a sal o wm a n u f a c t u r ec o s t ；u s i n gs t r u c t u r e w i t hd o u b l ec h a m b e r sw h i c ha r ei np a r a l l e l ，t h es t r u c t u r ed e c r e a s e st h ep u l s a t i l ef l o wa n d i m p r o v e st h ee f f i c i e n c y n ed r i v i n gp e r f o r m a n c eo ft h ep i e z o e l e c t r i cb i m o r p hi ss i m u l a t e d b yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) s o f t w a r ea n s y s ；t h ep u m pb o d ya n dp u m pd i a p h r a g ma r c m a n u f a c t u r e db ym e m st e c h n o l o g ya n da l eg l u e dt ot h eb i m o r p h ，w h i c hc o m p o s et h e m i c r o p u m p ；t h em a xf r e ee n dd i s p l a c e m e n to ft h eb i m o r p hi sm e a s u r e db ym e a s u r e m e n t s y s t e mi nt h ed i f f e r e n tv o l t a g ea n df r e q u e n c y ；t h em e a s u r e m e n ts y s t e mi sb u i l t ，w h i c h m e a s u r e st h ef l o wr a t e so ft h em i c r o p u m pi nd i f f e r e n tc o n d i t i o n ，t h er e s u l ti sc o m p a r e dw i t h t h a to ft h em i c r o p u m pw i t ht h es i n g l ec h a m b e r t h er e s u l ts h o w st h a tt h et h i c k n e s so fm e m b r a n e ，f r e q u e n c ya n dv o l t a g ea l lh a v ea n i n f l u e n c et ot h ef l o wr a t e ，w h e nt h eb a c k p r e s s u r ei s0 , as i n ew a v eo f8 0 va n d11 0 0 h zi s a p p l i e d ，t h et h i c k n e s so fd i a p h r a g mi s7 3 a m ，t h el e n g t ho fb i m o r p hi s3 0 m m ，t h em a x i m u m f l o wr a t eo ft h ev a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cm i c r o p u m pi np a r a l l e lw i t hd o u b l ec h a m b e r sr e a c h e s t o2 1 0 d _ m i n ，w h i c hi so n ea n dah a l ft i m e sa st h em i c r o p u m pw i t ht h es a m es i n g l e c h a m b e r s t r u c t u r e k e yw o r d s ：v a l v e l e s sm i c r o p u m p ；p e i z o e l e c t r i c ；m e m s ；f l o wr a t e i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目：磐4 l 巡垫立蚴垂圭亟丝童遂逝远 作者签名 ：三叁薹五一日期- 一垒丝五年上月上e 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：盘鲤鱼太煎丕遇垂芝塑绥堕逝壑 作者签名：整日期： 2 丝五年l 月l 日 导师签名：】塑里叠 日期： 丝! 罩年l 月j l 日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 。1课题的提出 微流控芯片又称芯片实验室或微流控芯片实验室，是指在几平方厘米的芯片上构建 的生物或化学实验室。它把生物和化学领域中所涉及的反应、分离、细胞培养、分选等 基本操作单元，分别作成微量级的构件并集成到一块很小的芯片上，由微通道形成网络， 以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规生物或化学实验室的各种功能【l l 。 微流控芯片是生物芯片技术发展的最终目标。它通过微电子技术和微细加工工艺， 制作微滤器、微流量传感器、微反应器、微泵、微阀门、微电极等微型构件，将样品的 制备、生化反应、检测分析的整个过程集约化形成微型全分析系统( 以s ) 。在微全分析 系统中，无论是从样品制备到化学反应，还是化学反应到分离检测，都需要将液体样品 由前一步的处理结果输送到下一步，微泵就起着这种承前启后的作用，没有微泵就很难 实现这些功能的集成，甚至连单个功能都难以实现。如果说微全分析系统中的各个构件 相当于人体的各个器官的话，那么微通道就像血管一样将他们紧密相连，而微泵则像心 脏一样，为各个器官及时、准确地提供新鲜血液。因此，微泵的性能直接决定着微全分 析系统的功能，它制约和推动着生物芯片的发展。 2 0 世纪实9 0 年代初，瑞士的m a n z 和w i d m e r 提出了一种微机电加工技术 ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) ，它的出现为包括微泵在内的微流控分析系 统的发展应用提供了重要的基础。m e m s 主要包括微型机构、微型传感器、微型执行 器和相应的处理电路等部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的 最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。m e m s 是一种全新的必须同时考虑多 种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一 个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优 良。采用与集成电路( i c ) 类似的生成技术，可大量利用i c 生产中的成熟技术、工艺， 进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。沿着系统 及产品小型化、智能化、集成化的发展方向，可以预见：m e m s 会给人类社会带来另一 次技术革命，它将对2 1 世纪的科学技术、生产方式和人类生产质量产生深远影响，是 关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术。 自从19 8 0 年美国斯坦福大学的s m i t s 和w a l l m a r h 首次研制成功一种压电驱动、蠕 动式微机械泵以来【2 】，微泵一直是微机电系统m e m s 的重要研究对象，并得到了较广泛 的应用。为了实现微流控芯片的小型化、集成化，迫切需要研制便于微型化、定量、无 基于m e m s 技术的无阀压电微泵的研究 脉动、连续输送微量流体的微泵。传统的流体泵因其体积或工作机理限制难以满足要求， 随着m e m s 工艺技术的进步，利用m e m s 技术实现微泵的微型化已经得到了迅速的发 展。因此，利用m e m s 技术研制体积小、结构简单、能连续输送流体的微型泵是本课 题研究的出发点。 1 2 微泵的国内外研究现状 微泵的类型多种多样，依据不同的要素，有多种分类方式。根据驱动系统有无活动 的机械部件，分为有活动机械驱动部件和无活动机械驱动部件的微泵，简称机械和非机 械微泵。根据微驱动方式，分为压电致动式、气动式、热气动式以及静电致动式微泵等； 按工作过程可分为往复式、蠕动式、电气液力式以及超声波式。根据微泵中流体控制部 件的组成不同，可分为有阀和无阀微泵。下面根据有无微阀的分类对微泵进行介绍。 ( 1 ) 有阀型微泵 有阀型微泵一般由一个腔体、一个泵膜、两个阀门和一个致动器组成，利用腔体容 积的周期性变化和单向阀门进行工作。根据驱动薄膜振动的方式不同，有阀微泵可以分 为压电驱动微泵、静电驱动微泵和热气动力驱动微泵等。 压电驱动微泵 压电驱动微泵是最早研究的微泵，它采用压电晶体和金属电极制作活动部件，利用 压电晶体的压电效应产生形变，这个形变就是使微泵振膜形变的驱动力。当给压电片施 加一个交流方波信号，它就会产生周期性的形变，致使驱动微泵的振动膜往复运动，从 而驱动整个泵工作。早在1 9 7 8 年，日本学者蹲崎哲二就提出来一种压电微泵【3 1 ，它的主 要部件为一个可双向弯曲的压电振子和一对机械式的单向阀，由两者的动作配合实现对 流体的连续定向输送，其结构如图1 1 。 c h e c kv a l v e s 浏 闲影 隅三忑愚 p u m pb o c b r p i e z od i a d 虹a g m 图i 1 压电驱动微泵 f i g 1 1 p i e z o e l e c t r i cm i c r o p u m p 大连理工大学硕士学位论文 1 9 8 8 年，一直从事微泵研究的荷兰t w e m e 大学，报道了一种压电片驱动的被动式 阀门泵【4 】，在i o o v 、i h z 的方波驱动下最高可获得8 1 t l m i n 的流量。为了得到功率更大 的微泵，东京工学院的j u n g - h op a r k 等人从泵结构入手，研制了一种大流量的微泵【5 】。 这种微泵在1 0 0 v 、2 k h z 的方波驱动下，可获得8 0 m l m i n 的最大流量，最高输出压力 为0 3 2 m p a ，最高输出功率达到0 8 m w 。 压电驱动微泵具有结构简单、体积小、耗能低、重量轻等优点，通过改变电压和频 率来控制流量，因此拥有广阔的前景。 静电驱动微泵 静电驱动微泵是利用静电力使泵膜振动产生形变原理的微泵。图1 。2 是z e n g e r l e 【6 】等 人提出的一种垂直静电微泵，泵体是一个四层的片形层叠结构，隔膜电极与固定电极之 间以绝缘层间隔。利用一个薄的电极泵膜与一个固定的对电极问的静电作用产生驱动 力，通过给电容器的两个电极加压和电容器放电来使泵膜上下移动控制阀的开关。静电 驱动微泵可以产生较大的驱动力和位移，但是需要很高的电压。 a c b a a i = o n 馥a m b e r列m pd i a p h r a g m 图1 2 静电驱动微泵 f i g 1 2 e l e c t r o s t a t i cm i c r o p u m p 热气动力驱动微泵 热气动力驱动微泵是利用加热产生的气体膨胀力作为致动力。o kc h a nj e o n g 7 等人 提出一种热气动力微泵，微泵由三个蠕动式腔体组成，腔体中玻璃板上装有微加热器， 出入口与腔体间由微通道连接。通过控制加热电阻和自然冷却，使气体膨胀收缩进而使 弹性隔膜形变。在两侧单向阀的配合下，循环进行泵液和吸液操作，就可以形成同一方 向的连续流动。如图1 3 所示。 基于m e m s 技术的无阀压电微泵的研究 h e a t e re l e c b o d e 州1 h 2 | t 3 ) d 1w a t e r 图1 3 热气动力驱动微泵 f i g 1 3t h e r m o p n e u m a t i cm i c r o p u m p 热气驱动微泵需要的电压比较低，泵的体积更容易实现小型化。但是，由于频率难 以提高，因而流量不可能很大，一般用于低驱动电压和低功耗的场合。 双金属驱动微泵 双金属驱动的基本原理是以双金属( 通常为两种结合在一起且具有不同热膨胀系数 的金属组成) 材料制作活动部件，在受热时，因不同金属具有不同的热膨胀系数，导致 材料在受热后发生形变，提供致动力。图1 4 所示为清华大学精仪系研制的双层结构双金 属热驱动微泵【8 】，双金属采用铝膜和单晶硅膜( 两者的导热系数差别较大) ，驱动电压 为1 6 v ，驱动频率为9 h z 时，输出流量为4 3 刖m i n 。 图1 4 双金属热驱动微泵 f i g 1 4 t h e 咖a lm i c r o p u m p 采用双金属驱动的方式具有效率高、输出功率大，结构简单、体积小、成本低、制 作工艺与i c 兼容，易于集成等特点。但工作频率较低，限制了输出流量和背压。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y s ，s m a ) 驱动微泵 形状记忆合金驱动是利用形状记忆合金的形状随温度变化产生形变，带动活动部件 产生位移，提供致动力。m a k i n o 9 】制出一种产生百千帕泵压偏置的t i - n i 微泵，t i - n i 薄 膜的初始形变是通过键合在t i n 滞0 动器上的密封玻璃帽内的压力产生。在2 0 0 k p 下，中 心位移9 5 岬，1 0 0 k p 时的泵速可达4 8 m v m i n 。它是由s m a 制动器和被动阀组成的，室温 下给腔体施加偏置力时，薄膜发生形变；薄膜被加热时，又恢复了平直的形状，其工作 原理如图1 5 所示。 g l a s s 争 e v a c u a u o n p 啪撕叼 u p p u m p t n o 译p 啪p 哦 图1 5 形状记忆合金薄膜驱动微泵 f i g 1 - 5 s m a m l c r o p u m p 形状记忆合金驱动微泵产生的压力大，驱动电压低，但是频率比较低，位移量也较 难控制。 电磁驱动微泵 电磁动力驱动也是使用较多的驱动类型，它是利用永磁材料与电磁线圈间的相互吸 引或排斥作用产生致动力。如果给一个线圈通以交变的电流，线圈周围就会产生交变的 磁场，将其与永磁体相作用，就可以产生吸引一排斥交替的往复运动，以此驱动微泵的 振膜振动使微泵工作。b o h ms e b a s t i a n 采用了这种结构的电磁驱动裂1 0 j ，如图1 6 所示。 电磁制动器由磁铁和线圈组成，当线圈中有电流通过时，就在线圈中产生向上或向下的 l o r e n z 力，驱动磁铁上下振动。泵的功耗为0 5 w ，零背压下，水的流速可达2 1 m l m i n ， 气体的流速为4 0m l m i n 。 基于m e m s 技术的无阀压电微泵的研究 ， f 出m a g n 社4 图1 6 电磁驱动微泵 f i g 1 6e l e c t r o m a g n e t i cm i c r o p u m p 这种微泵的结构和驱动原理简单，成本低廉，比较具有实用性。但是，利用微加工 技术制作线圈的技术复杂，微泵的体积较大。 ( 2 ) 无阀型微泵 尽管有阀型微泵的工作原理较简单，易于控制，制造工艺比较成熟，但是整个泵体 中存在阀片等机械可动部件，必然受到加工工艺和加工精度的限制，不利于微型化的发 展，而且由于阀片的频繁开关，泵体的可靠性和使用寿命也不高。相比之下，无阀型微 泵由于其结构相对简单，制造工艺要求不高，尤其是无阀型微泵通常利用了流体在微尺 度下的一些特点【l ，因而有着独特的发展优势。下面介绍几种典型的无阀微泵。 收缩扩张型微泵 收缩扩张型微泵是一种比较典型的无阀微泵，结构如图1 7 所示。它以收缩和扩张 的不同形状通道代替了单向阀，利用流道不对称所引起的压力损失的不对称性实现流体 的泵送，但这类泵的反向止流性能较差。 1 9 9 3 年，瑞典c h a l m e r s t 业大学计算机工程系的e r i ks t e m m e ，首次提出利用收缩管 扩张管制作无阀压电泵【1 2 1 ，采用精密加工技术在铜片上做出微泵，微泵尺寸只有几厘 米，扩散口喷嘴的形状为锥形，可用来输送液体和气体。1 9 9 8 年，a n d e r so l s s o n 等人又 提出了用热塑料复制法制作无阀扩散收缩式微泵【l 引，这种方法可以用两种方式实现： 用热模压印浮雕图案及喷射模塑法。该方法以塑料为主要材料，降低了无阀微泵的制作 成本，也有利于无阀微泵的批量生产。2 0 0 1 年，n a m t r u n gn g u y e n 等人提出一种用p c b 衬底和加工铜片组成的压电无阀微泵【1 4 】，p c b 板的使用降低了制作成本，便于加工。2 0 0 3 6 一 大连理工大学硕士学位论文 年s h u n i c h i h a v a 删z u 等人设计出一种可以双向流动的压电无阀微泵，通过在硅上加 工出特殊的结构，控制电压波形来改变流体的方向。2 0 0 7 g ，y i h - l i nc h c n g 等人提出了 一种三维的压电无阀微泵f “】，包括三个水平入口通道和一个垂直出口通道，使用聚台物 材料并采用s d m 技术工艺制作而成，为三维泵的研制提供了种思路。 趸 横五 秉自模式 r 、j ，7 1 厂 f 二 “一目 i j卜引 i ：1 口 图17 收缩护张型微泵 f i g 17d i f f u s e r n o z z l ev a l v e l e s s m i c r o p u m p 口 无活动部件阀的微泵 无活动部件阀微泵是根据流体力学原理设计的特殊构造型通道系统，起到阀的限流 作用，其结构如图l8 , n 示。1 9 2 0 年，美国发明n n i k o l at e s l a 最先发明了这种结构的阀 门。进入9 0 年代，美国华盛顿大学的f o s t e r 教授等人把它用在微流体器件上i l “，其工作 原理与扩散泵类似，同样是利用流向变化在两阀中产生流阻的变化，继而依靠流体流过 两阀的净效应达到使液流单向连续流动的目的。这种微泵的最大特点是可以直接传输微 粒能度高的流体，而不会出现堵塞现象。 弧詈 图18 无活动部件阀微泵 f i g 18 n om o v i n gp a r tv a l v em i c r o p u m p 基于m e m s 技术的无阍压电微泵的研究 电流体动力微泵 电流体动力微泵( e l e c t r o h y d r o d y n a m i c ，e h d ) 是通过给所传输的液体施加电压，利 用所产生的电场与液体中感应电荷之间的相互作用来传输液体。此类微泵驱动的对象 限制于具有很低电导率的介电流体。l u n g - j i e hy a n g i s 等人研制了一种电流体驱动式的 微泵，上层采用中间刻有药液流动沟道的硅结构，下层采用溅射了氧化锢锡和金的叉指 状电极的玻璃结构制作，氧化锢锡和金的叉指状电极的一端都浸入在药液沟道中，当有 直流电通过时，药液中的电荷就会在电场的作用下使药液流动。当施 j i l 6 1 v 的直流电压 时，测得酒精的流量是3 5 6 n v m i n ，其结构如图1 9 所示。此类微泵原理上直接以c f - h n 电 场作为流体流动的驱动力，实际上是利用电泳力的作用拖动整个流体的流动，属于无阀 无活动部件微泵。其优点是茅结构简单徽加工工艺要求不高，成本较低；缺点是对液 流的介电性质要求较为苛刻，难以用于常见的液流驱动，应用局限性较大i 唧。 t “ j 1 图19 电流体动力微泵 f i g 19 e l e c t r o h r d r o d y r m m i cm i c r o p u m p 相变型热驱动微泵 热驱动微泵是利用流体的热特性来驱动流体的流动。图1 1 0 为一种相变型热驱动微 泵【2 0 1 ，它是利用微细通道中流体热惯性小这一特点，通过进行循环周期性加热使管内流 体发生相变而实现泵送。对于内径2 0 0 p a r t 的微泵，最大泵送流量可达3 3 p l m i n ，最大泵 压大干2 0 k p a 。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 0 相变型热驱动微泵 f i g 1 10 p h a s et r a n s f o r m a t i o nt y p em i e r o p u m p 1 3 本文的主要工作 从上述微泵的研究进展来看，有阀型微泵往往基于机械驱动，原理简单，制造工艺 成熟，易于控制，是目前应用的主流。但是，其活动阀门在工作中易疲劳磨损，使用寿 命较低，相应速度相对较慢。无阀型微泵则常常利用流体在微尺下的新特性，原理比较 新颖，更适于微型化，具有较大的发展前景，其缺点是单向性能差，反向止流性能不好。 在驱动器的研究中，压电驱动微泵具有结构简单、体积小、耗能低、重量轻、噪声小， 无电磁干扰等优点，工作时通过改变电压和频率来控制流量，因此拥有广阔的前景。 本文在较全面分析国内外微泵研究的进展及不同微泵具有的优缺点情况下，针对微 流控芯片的特定应用要求，提出了双腔并联式无阀压电微泵的研究课题。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 对微泵中的部件压电双晶片进行仿真，研究影响压电双晶片振动性能的主要 因素。 ( 2 ) 利用m e m s 技术制作本文设计的无阀压电微泵，并将制作好的部件进行组 合封装。 ( 3 ) 设计并组建微泵测试系统，在不同的条件下对无阀压电微泵的流速进行测试， 并将双腔体无阀微泵与单腔体无阀微泵的性能效率进行对比。 基于m e m s 技术的无阀压电微泵的研究 2 无阀微泵的工作原理及其运行模式 2 1 无阀微泵的工作原理 压电驱动的无阀微泵的基本结构如图2 1 所示。该微泵无活动阀门，采用对流体流 动具有独特性质的一对扩散口喷口代替了活动阀门。扩散口为一发散口，其横截面积在 流体流动方向上是逐渐扩大的通道。扩散口的反方向称为喷口，是收敛口，其横截面积 在流体流动方向上是逐渐缩小的通道。扩散口和喷口是无阀微泵的核心部分【2 1 1 。 腔体容积增大 入口 腔体容积减小 出口 扩散日 喷口喷口扩散口 ( a ) 供液模式( b ) 泵液模式 图2 1 无阀微泵的作用原理 f i g 2 1w o r k i n gp r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r es c h e m a t i co ft h ev a l v e l e s sm i c r o p u m p 图2 1 表明了无阀微泵的作用原理，它是基于扩散口和喷口的整流特性设计的，在 小扩散角时( o _ 5 0 ) 时，扩散口方向上的流速大于喷1 3 方向的流速。微泵一个循环包括“供 液模式”和“泵液模式 。在供模状态，膜片向上弯曲，泵室体积增大，如图2 k a ) 所 示，此时入口充当扩散口，出口充当喷1 3 ，导致从入口流进泵室的流量q l 大于从出口流 进泵室的流量q o 。在泵模状态，膜片向下弯曲，如图2 1 ( b ) 所示，泵室体积缩小，此时 出口充当扩散口，入1 3 充当喷口，导致从出口流出的流量q o 大于从入1 3 流出泵室的流量 q l 。微泵经过一个工作循环，必有一定的净流量靠泵室的振动膜片制动，从入口到达出 口输出，这就是无阀微泵的作用原理。 2 2 无阀微泵的运行模式 在无阀压电微泵的运行模式中，扩散口喷口是核心结构，它的整流性能对微泵的性 能至关重要。压电双晶片是微泵的核心部件，起到驱动微泵工作的作用，在一定电压、 频率下，产生变形的大小直接影响压电微泵能否正常工作以及输出性能。因此，对两者 的分析显的尤为重要，有助于优化微泵的工作性能。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 1 扩散口喷口流体分析 以小扩散角( 0 = - 5 。) 单腔体无阀微泵为对象进行理论分析【2 2 ，2 3 】。众所周知，实际流体 都有粘性，它在管路流动中必然造成能量损失，通常用压力损失系数亏表示。通过扩散 口和喷口的压力降分别为： 锄：笔芋和瓴：华六 ( 2 1 ) 二 z 式中，各符号表示的物理意义注明在图2 2 上。 扩散口 i +a 只l 习臣夏至 釜釜量丑：东= 曩置薯熏誊童量 j 三4 ：；篓兰量置焉摩董 ：美! 广：零： - lo 一一一一一一一一一一一 立三塞l墓：兰： 喷嘴 i + a p i i 图2 2 扩散n 喷口结构图 f i g 2 2 c o n s t r u c t i o n a ls c h e m a t i co fd i f f u s e r n o z z l e 其中，p 为流体密度；和分别为扩散口和喷口最窄截面处的流体速度；岛和岛 分别为扩散口和喷口的压力损失系数。对于几何尺寸一定的扩散口和喷口，芎几乎为常 数。 通过扩散口和喷1 3 的体积流量分别为： q 叫= 以和q y 一= 4 ， ( 2 2 ) 式中以为扩散口最窄处的横截面积；以为喷口最窄处的横截面积。 将式( 2 1 ) 代入( 2 2 ) ，可得： 眠一j 时1 札，= 4 ；时 仁3 ， 用相同的结构作扩散口和喷口，将得到相同的最窄处横截面积： a = 4 d = a n( 2 4 ) 基于m e m s 技术的无阀压电微泵的研究 在采用同样的扩散口和喷口的条件下，它们入口和出口的压力扔和p o 与腔内的压 力p 。相比，可以忽略不计。在扩散口和喷1 3 方向的体积流量可表示为： q v , d - - 1 c 和q v ，：三1 利，= 1 ( 彭) i( 彘) _ l 式中，c = 么( 2 见p ) _ 无阀微泵的腔体体积变化为： 圪= 圪s i nw t = 圪s i n2 万夕 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中，圪为无阀微泵的腔体体积变化的幅度；厂为无阀微泵的工作频率。由此得出腔体 中净流量变化为： 厂、 办，一鲰，。：c l + l ：v x c , o c o s 纠 ( 2 7 ) l ( 磊) -( 己) jj 式中，q v ，i 为通过入口流入腔体的流量；q v ，o 为由出口流出腔体的流量。 张谳舯腓懒欺，峨v 圪i o l = 搿从撒帅如猷祧腑 流量分别为： g y ，：一v , c o c o sc o t g y ，。：g 矿，d ：j 三t ( 2 8 ) 1 + _ 了( 岛) - ( 己) _ 从而得到容腔的净流量为： ， 、 q v , i - q v , o = c 1 - - - t + bl ：圪国c 。s 耐 ( 2 9 ) l ( 石) -( ) i j c = 鲁 t + 1 ( 乞) -( 磊) - ( 2 1 0 ) 大连理工大学硕士学位论文 供液模式状态，出口流量为： 将式( 2 1 0 ) 代入( 2 11 ) 得： ，v x c o c o s c o t 乳一2 一丁 ，+ 时 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 对于泵液模式状态，容腔体积减小，车 l 时( 小扩散角0 = 5 。) ，无阀微泵的出流方向定义 为大端喷流；当鼍n b f ) 。如图2 9 所示，将压电双晶片的一端固定，另一端自由，构 成悬臂梁模式，上下两个压电片极化方向相同，并以并联方式接入电源。当在厚度方向 施加一外加电场时，由于压电材料的逆压电效应，极化方向与电场方向相同的压电片会 沿着长度方向缩短，而极化与电场方向相反的压电片会沿着长度方向伸长，由于双晶片 粘接在一起，中间层受到相互约束，因此，整个压电双晶梁就会沿厚度方向发生弯曲变 形。 图2 9 压电双晶片原理图 f i g 2 9 s c h e m eo ft h ep i e z o e l e c t r i cb i m o r p h 由于金属薄片极薄，分析时可忽略其厚度，则上片的压电方程为： 掣= 甲- 4 。e ( 2 1 7 ) 一硝= d 3 。巧u 一e( 2 1 8 ) 式中下标1 、2 、3 分别代表x 、y 、z 轴方向；为恒定电场下的弹性柔顺系数；矗 为恒定应力下的介电常数；吃。为压电常数；哗、甲分别为x 方向的应变和应力；易、 硝分别为z 方向的电场和电位移，上标u 代表上片。下片的压电方程为： 辞= 5 # 甲+ 吨。毛 ( 2 1 9 ) 聪- - 4 ，石工+ 岛 ( 2 2 0 ) 式中上标三代表下片。由于上片中的电场与z 方向相反，而下片中的电场与z 方向 相同，所以上片中的电场b 为负，下片中电场局为正。 大连理工大学硕士学位论文 用一、产表示压电双晶片在电场作用下发生变形时上下压电片的作用力，用、 必表示弯矩。因两片压电片完全相同，所以在大小相等、方向相反的电场作用下受力 大小相等，即f u = b - l = f 。另外根据连续性条件，上下压电片在粘合处的应变应当相等， 可得： 等+ 筹喝马= 一等一筹喝易 当发生整体形变时，上下两个压电片的曲率相等。 1m u 1m l 一= 一= 一= 一 r e ir le i 由力矩平衡得： 2 m = f h ( 2 2 2 ) 由式( 2 2 1 ) 和式( 2 2 2 ) 及= 1 e ，= 百w h 3 可得： f = t d n e 3 w h e ( 2 2 3 ) 因为悬臂梁挠度曲线的近似微分方程为： m = 毋”= t d 3 1 e 3 w h 2 e ( 2 2 4 ) 方程的解为： y = 掣 。( 2 2 5 )= t ，一u z ) ) 当_ x = ，e 3 = m 可得压电双晶片自由端的位移为： 垃= 1 3 d 3 y r l 2 ( 2 2 6 ) 式中v 是施加的电压，是压电双晶片的长度，h 是压电双晶片的厚度。 由式( 2 2 6 ) 可知，压电双晶片自由端的位移大小与自身的材料特性如l 、长度z 、厚 度h 有关。要想增大压电双晶片的自由端的位移，可以选择砖l 较大的压电片，可以增 加外加电压的大小，也可以通过改变压电双晶片的外部尺寸，即增加长度及减小厚度。 基于m e m s 技术的无阀压电微泵的研究 3无阀微泵的计算机仿真 3 1 双腔并联式无阀压电微泵的设计 本文设计的无阀压电微泵具有两个腔体，腔体间采用并联方式连接，其结构如图3 1 所示。微泵的主要组成部分包括：压电双晶片，p d m s 泵膜，泵体，基板等。每个微泵 的泵体分别由泵腔、出入水口、p d m s 泵膜组成。出入水口分别由锥形结构的扩散1 3 1 喷口构成，它们与基板上的两个出入水管相连通；泵膜的尺寸为1 0 m m 1 0 m m ，泵腔 是直径为6 m m 的圆柱体。 i l 压电片 - - - - 7 硅匦圈p d i i s 匠劲基板 图3 1 无阀压电微泵的结构 f i g 3 1 s t r u c t u r es c h e m a t i co ft h ev a l v e l e s sm i c r o p u m p 由于微泵的出入水e l 是利用硅的各向异性腐蚀技术制作而成，可形成与( 1 0 0 ) 面成 5 4 7 4 0 的锥角，得到扩散角约为7 0 0 ( 第二章图2 3 所示) ，微泵出流方向为小端喷流， 即喷口方向流量大于扩散口方向流量。 其工作过程为：对压电双晶片施加交流信号，由于压电效应，压电片会产生弯曲形 变，从而带动p d m s 泵膜做周期性运动。泵膜向上振动时，如图3 2 ( a ) 所示，上泵腔的 体积减小，入口为扩散口作用，出口为喷口作用，喷口( 出口) 流量大于扩散口( 入口) 的流量，净流量方向为出口方向，上泵体处于泵出液体状态。此时，下泵腔体积增大， 入口为喷口作用，出口为扩散口作用，喷口( 入口) 流量大于扩散口( 出口) 的流量， 净流量方向为入口方向，下泵体处于泵进液体状态。最终，总的液体流动方向是从下泵 体的入口流进，上泵体的出口流出。反之，当压电片向下振动时，如图3 2 ( b ) 所示，上 大连理工大学硕士学位论文 泵体处于泵进液体状态，下泵体处于泵出液体状态，总的液体流动方向是从上泵体的入 口流进，下泵体的出口流出。 入口 出口 入口出口 入口 出口 入口 出日 ( a ) 向上振动 t b ) 向下振动 图3 2 微泵的工作过程 f i g 3 2w o r k i n gp r o c e s so f t h em i e r o p u m p 从双腔并联式无阀微泵的工作过程来看，在一个振动周期中：前半周期一个腔体吸 水，同时另一个腔体泵水；后半周期一个腔体泵水，同时另一个腔体吸水，因此它有二 次吸液、二次泵液。而单腔无阀微泵在一个振动周期中只有一次吸液、一次泵液。由此 可知，在理论上双腔并联式无阀微泵的效率更高。 3 2 压电双晶片的仿真分析 有限元分析法是2 0 世纪5 0 年代兴起的在连续体力学领域穆l 如飞机结构的静力 和动力特性的分析中应用的一种有效的数值分析方法。与此同时，有限元法的通用 计算机程序作为有限元研究的一个重要组成部分，也随着电子计算机的飞速发展而迅速 发展起来。到2 0 世纪7 0 年代初期，大型通用的有限元分析软件出现了，这些大型、通 用的有限元软件功能强大，计算可靠，工作效率高，因而逐步成为结构分析中的强有力 的工具。近2 0 多年来，各国相继开发了很多通用程序系统，应用领域也从结构分析领 域扩展到各种物理场的分析，从线性分析扩展到非线性分析，从单一场的分析扩展到若 干个场的耦合分析。目前应用广泛的通用有限元分析程序中，美国a n s y s 公司开发的 大型通用有限元分析程序a n s y s ，是一个适用于微机平台的大型有限元分析系统，它 功能强大，适用领域非常广泛p 。 a n s y s 是一个广泛应用于机械制造、电子技术、航空航天、汽车交通、土木工程、 生物医学等众多领域，集结构、热、流体、电磁、声学于一体的以有限元分析为基础的 基于m e m s 技术的无阀压电微泵的研究 大型通用c a e 软件。该软件可以在大多数计算机及操作系统( 如w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 等) 中运行。从p c 到工作站，直到巨型计