带有可压缩腔和两端固支阀的谐振式压电泵的研究

摘要

压电泵是利用压电晶体作为驱动器件，实现流体传输的一种新型流体泵，它具有结构紧凑、响应速度快、能耗低、无电磁干扰，可根据电压或频率精确输送微量流体等优点，在化学分析、药物输送、微型机电以及航空航天等领域有巨大的应用价值。
　　目前对于传统压电泵的研究已经取得了一系列的成果，国内外开发了满足各种要求的压电泵。但尚未研究设计出一个能够在输出流量，输出背压及输出精度等方面均具有良好表现的高性能压电泵。主要限制原因可归纳为三点:一是压电振子没有良好的机电耦合设计，无法发挥压电材料的高能量密度的优点;二是传统的单向阀在工作中存在严重的滞后性，无法适应高频工作条件;三是没有考虑到液体的不可压缩性，压电泵在工作过程中，出、入水口管负载压力大，没有一个缓冲机构减轻压电泵的负载。
　　针对以上问题，本文提出了带有可压缩腔缓冲结构及两端固支的PDMS(polydimethylsiloxane)单向阀的新型谐振式压电泵。谐振式压电振子具有良好的机电耦合特性，在系统谐振频率处，可产生最高的能量转换率;两端固支的PDMS单向阀具有优良的高频特性，并且无回流和泄漏现象;可压缩腔缓冲结构减轻了致动器的负载，增加了泵单个周期内的输出流量。
　　本文设计并优化了压电振子的机电耦合结构，提出了长梁式和折叠振子式两种机械结构。与长梁式振子相比，采用压电晶片粘贴在折叠振子上作为激励源的折叠式压电振子，其表面应力分布更为均匀，因此，压电晶片的利用率和能量转换率更高。此外，多层折叠的机械结构压缩了空间体积，使压电泵整体结构更为紧凑。压电晶片和金属振子组成的压电振子与泵体部分构成了谐振型压电泵，在压电泵系统的谐振频率处，压电致动器能量转换率最高，此时，压电泵可获得最佳的输出性能。本文建立了完整的压电振子模型，通过ANSYS有限元仿真分析其工作模态、谐振频率和应力分布，并建立了压电振子和泵腔的动力学模型，得出了谐振频率、模态振型、泵腔体积变化量的计算表达式。
　　单向阀是压电泵的重要元件，本文提出了一种新型两端固支结构的PDMS单向阀。从原理和实验两方面，解释并验证了该阀的工作原理和性能表现。大量的实验数据证明该类型单向阀具有优良的高频特性，良好的反向截止特性，较低的开启压力，且静态效率可达99.5％，为设计高性能的具有自启动能力的压电泵提供了重要保证。
　　考虑到液体的不可压缩特性，在一个较长的流道内驱动大的液体负载是较困难的。本文首次提出了位于出入水口处的可压缩腔缓冲结构，采用PDMS薄膜加工设计，具有结构简单，易变形的特点。在压电泵工作过程中，压缩腔缓冲结构可有效地减轻刚性泵体的负载，增加单个周期内的输出流量。本文把压电泵的机械参数等效成电路参数，通过模拟电路仿真软件分析了可压缩腔结构对压电泵工作性能的影响。实验和仿真结果表明，带有压缩腔缓冲结构的压电泵较无压缩腔缓冲结构的压电泵输出流量提高了约20％。
　　本文制作了压电泵样机，采用实验装置测试压电泵输出性能。实验结果表明:长梁式和折叠振子式压电泵样机均可以稳定输出液体。对于长梁式压电泵，总体体积为100mm×20mm×15mm，在490 Hz、400 Vp-p的交流激励电压下，样机泵输出流量可达105ml/min，输出背压可达23kPa，功耗仅42mW。经过结构优化的折叠振子式压电泵，总体体积为20mm×20mm×28mm，在361 Hz、120Vp-p的交流激励电压下，样机泵输出流量可达118ml/min，输出背压可达22.5kPa，功耗仅62mW，且在驱动电压为361Hz、4Vp-p时，可得到稳定的最小输出流量160μl/min。实验数据证明了长梁式和折叠振子式压电泵的有效性，并且输出流量及背压与驱动电压有良好的线性关系，从而可通过改变驱动电压精确控制压电泵的流量。
　　本文所设计的带有可压缩腔缓冲结构及两端固支的PDMS单向阀的新型谐振式压电泵具有高输出流量及背压、高效率、高精度、低功耗、结构紧凑的优点，并且具有良好的自启动能力，未来有望应用于燃料电池，水冷系统，药物输送等领域。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 压电泵的研究现状

1．2．1 压电泵的分类

1．2．2 压电泵的国外研究现状

1．2．3 压电泵的国内研究现状

1．3 压电泵的应用与发展

1．3．1 压电泵在医疗领域的应用

1．3．2 压电泵在燃料电池领域的应用

1．3．3 压电泵在CPU芯片液体冷却系统中的应用

1．4 本文的研究意义与主要工作

第2章 谐振型压电泵的整体设计

2．1 压电振子的设计与原理

2．1．1 长梁式压电振子的设计与原理

2．1．2 折叠式压电振子的设计与原理

2．2 单向阀的设计与原理

2．2．1 两端固支的PDMS单向阀的设计与原理

2．2．2 两端固支的PDMS单向阀的静态特性

2．3 可压缩腔的设计与原理

2．3．1 可压缩腔的设计与原理

2．3．2 可压缩腔的等效电路参数

2．4 本章小结

第3章 谐振型压电泵的试验研究

3．1 长梁式压电泵的试验研究

3．1．1 长梁式压电泵的结构

3．1．2 样机的性能测试

3．2 折叠式压电泵的试验研究

3．2．1 折叠式压电泵的结构

3．2．2 样机的性能测试

3．3 本章小结

第4章 总结与展望

4．1 研究结论

4．2 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果