一种用于制造微型泵的压电陶瓷片和微型气泵

摘要

一种用于制造微型泵的压电陶瓷片和微型气泵，压电陶瓷片的压电陶瓷晶体膜片经绝缘层与金属基片粘接成一体，绝缘层使压电陶瓷晶体膜片与金属基片之间形成安全的爬电距离，金属基片另一面有耐压保护层，在压电陶瓷膜片的表面设有保护层。微型气泵的上盖和下盖分别与泵体上端和下端密封固定连接，泵体上设有圆形泵腔，泵芯为压电陶瓷晶体膜片，压电陶瓷晶体膜片的金属基片经密封圈夹持，弹性固定在泵腔内，金属基片将泵体的下端封闭成工作泵腔，工作泵腔经单向阀与吸，排气管连通。本发明具有能量利用效率高，结构简单，噪音小等优点。

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种用于制造微型泵的压电陶瓷片的结构和微型气泵结构。特别是一种耐高压，变形系数大，振幅强，抗变形龟裂的压电陶瓷片的结构及使用该压电陶瓷片的微型气泵结构。

背景技术

目前，现有技术中使用的隔膜式或电磁式微型气泵，由于结构复杂，效率低，电磁震动噪音高，使用范围受到限制，特别是在人居环境下使用。如家庭观赏鱼缸增氧，家庭空气熏香发生器等使用。同时由于隔膜式或电磁式气泵结构复杂，效率低，所以现有技术的微型气泵，无法实现微型化，耗电高，浪费能源。现有技术更无法满足精密仪器设备和微小气量供给的使用需要。

随着电子技术的发展，人们采用压电技术，通过压电振子的经向震动，弯曲变形改变泵腔容积，实现连续负压吸入和加压排出的压电泵，本发明人就该技术领域申请过多项中国专利，如专利号为01128771.302114467.2和021144710.2的专利申请，但由于压电泵使用的压电陶瓷片作为压电振子，压电陶瓷片耐压强度不够，压电陶瓷片的振幅达不到使用要求，同时压电陶瓷片的压电陶瓷晶体膜片，韧性差，弹性模量小，压电陶瓷片工作时，压电陶瓷片的电陶瓷晶体膜片易出现龟裂现象，不能满足使用需要，特别是不能满足制造气泵的使用需要。

发明内容

为克服现有技术压电泵中使用的压电陶瓷片，耐压性差，压电陶瓷晶体膜片，韧性差，弹性模量小，压电陶瓷片工作时，压电陶瓷片的电陶瓷晶体膜片易出现龟裂现象，不能满足使用需要，特别是不能满足制造气泵的使用需要的技术不足，本发明提供一种耐压高，压电陶瓷晶体膜片，韧性好，弹性模量大，压电陶瓷片工作时，压电陶瓷片的压电陶瓷晶体膜片不出现龟裂现象的用于制造微型泵的压电陶瓷片的结构和使用该压电陶瓷片的微型气泵结构。

本发明解决压电陶瓷片技术问题所采取的技术方案是，一种用于制造微型气泵的压电陶瓷片，包括压电陶瓷晶体膜片和金属基片组成，电压陶瓷晶体膜片经绝缘层与金属基片粘接成一体，绝缘层使压电陶瓷晶体膜片与金属基片之间形成1～2mm的爬电距离，金属基片的另一面设有耐压保护层，在压电陶瓷膜片的表面设有抗氧化和变形保护层。压电陶瓷晶体膜片为加入硅化硅晶须的压电陶瓷晶体膜片。耐压保护层为聚四氟乙稀材料保护层。抗氧化和变形保护层为硅橡胶保护层。

本发明解决微型气泵技术问题所采取的技术方案是，一种微型泵，包括泵体、吸气阀、排气阀和泵芯组成，泵体部分，由上盖，泵体和下盖组成，上盖和下盖分别与泵体上端和下端密封固定连接，泵体上端设有圆形泵腔，下盖与泵体下端的空腔构成吸气腔和排气腔。泵芯为压电陶瓷晶体膜片，压电陶瓷晶体膜片和金属基片经设在泵体安装槽内的密封圈夹持，弹性固定在泵腔内，将压电陶瓷晶体膜片和金属基片泵体封闭成工作泵腔，泵体上吸气腔与工作泵腔经单向导通的吸气单向阀连同，排气腔与工作泵腔经排气单向阀连同，工作泵腔经吸气单向阀，吸气腔与吸气管连通，工作泵腔经排气单向阀，排气腔与排气管连通。吸气单向阀是由泵体上吸气孔和吸气孔盖构成，排气单向阀是泵体上排气孔和排气孔盖构成，吸气孔盖和排气孔盖分别设置在吸气孔的工作泵腔和排气孔的排气腔内的端面上，吸气孔盖和排气孔盖一端为大于吸气孔和排气孔直径的圆形，另一端为矩形的弹性片，吸气孔盖和排气孔盖圆形端设在吸气孔和排气孔上，矩形端固定在泵体上。吸气孔盖，排气口盖圆形端上设有与吸气孔，排气孔直径对应的弹性凸起。

一种微型泵，包括泵体、吸气阀、排气阀和泵芯组成，泵体部分，由两个泵盖，两个泵体组成，两个泵盖分别与两个泵体端面密封固定连接，两个泵盖与泵体端面的空腔构成吸气腔和排气腔，两个泵体上设有圆形泵腔，两个圆形泵腔对应安装，泵芯为圆形压电陶瓷晶体膜片，压电陶瓷晶体膜片的金属基片经设在泵体安装槽内的密封圈夹持，弹性固定在泵腔内，陶瓷换能片的基板将两个泵体的泵腔分成上、下两个闭成工作泵腔，泵体上吸气腔与泵腔，排气腔与泵腔经单向导通的吸气单向阀和排气单向阀连同，泵腔经吸气单向阀，吸气腔与吸气管连通，泵腔经排气单向阀，排气腔与排气管连通。吸气单向阀是由泵体上吸气孔和吸气孔盖构成，排气单向阀是泵体上排气孔和排气孔盖构成，吸气孔盖和排气孔盖分别设置在吸气孔的泵腔和排气孔的排气腔内的端面上，吸气孔盖和排气孔盖一端为大于吸气孔和排气孔直径的圆形，另一端为矩形的弹性片，吸气孔盖和排气孔盖圆形端设在吸气孔和排气孔上，矩形端固定在泵体上。吸气孔盖，排气口盖圆形端上设有与吸气孔，排气孔直径对应的弹性凸起。

本发明的有益效果是，制造微型泵的压电陶瓷片，耐压高，压电陶瓷晶体膜片，韧性好，弹性模量大，压电陶瓷片工作时，压电陶瓷片的电陶瓷晶体膜片不出现龟裂现象，性能稳定，安全可靠。

使用该压电陶瓷片的微型气泵，结构简单，体积小，效率高，噪音小，成本底，寿命长，特别适用于在人居环境下使用和满足精密仪器设备和微小气量供给的使用需要。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明

附图1为本发明压电陶瓷片结构示意图

附图2为本发明微型气泵实施例1结构示意图

附图3为本发明微型气泵实施例1吸气单向阀和排气单向阀实施例1结构示意图

附图4为本发明微型气泵实施例1吸气单向阀和排气单向阀实施例2结构示意图

附图5为附图4A向视图

附图6为本发明微型气泵实施例2结构示意图

附图7为本发明微型气泵实施例2吸气单向阀和排气单向阀实施例1结构示意图

附图8为本发明微型气泵实施例2吸气单向阀和排气单向阀实施例2结构示意图

附图9为附图8B向视图

图中101压电陶瓷晶体膜片、102绝缘层、103金属基片、104耐压保护层、105抗氧化和变形保护层、1上盖、2泵体、3下盖、4圆形泵腔、5吸气腔、6排气腔、7工作泵腔、9安装槽、10密封圈、11吸气单向阀、12排气单向阀、13吸气管、14排气管、15吸气孔、16吸气孔盖、17排气孔、18排气孔盖、19凸起、20泵盖、21泵体、22吸气腔、23排气腔、24圆形泵腔、27安装槽、28密封圈、29吸气单向阀、30排气单向阀、31吸气管、32排气管、33吸气孔、34吸气孔盖，35排气孔、36排气孔盖、37凸起

具体实施方式

参看附图1，本发明压电陶瓷片结构示意图，压电陶瓷片也称作压电振子，压电陶瓷片由压电陶瓷晶体膜片和金属基片组成。压电陶瓷片是压电微型气泵的驱动器件，压电陶瓷复合体技术、介电常数、介质损耗、弹性常数、机械品质、压电性压电常数与压电方程、机电耦合系数、频率常数以及压电振子的等效电路，决定压电陶瓷片在压电微型气泵的工作性能，在一定程度上，上述有关参数，取决于压电陶瓷片的结构及制作工艺方法。通常情况下电压越高，压电陶瓷片的变形系数越大，振幅越强，功率越大，然而现有技术使用的压电陶瓷片结构，均不能在高压情况下工作，否则容易产生变形过大而造成陶瓷晶体膜片断裂致损。利用电子变频技术改变压压电陶瓷片工作频率，可相对提高压电泵的工作性能，但其附着粘帖在金属基上的陶瓷晶体膜片在高频振动下极易产生疲劳和发热现象，导致压电陶瓷晶体膜片损坏。因此要提高压电微型气泵的工作性能，从根本上讲首先是要解决压电陶瓷片的结构和制作工艺。

本发明的压电陶瓷片结构是采用：在电陶瓷晶体膜片(101)上增设抗氧化和变形保护层(105)，在金属基片(103)上增设耐压保护层(104)，由绝缘层(102)使压电陶瓷晶体膜片(101)与金属基片(103)之间形成1-2mm的爬电距离的办法解决上述技术问题，电压陶瓷晶体膜片(101)经绝缘层(102)与金属基片(103)粘接成一体，绝缘层(102)使压电陶瓷晶体膜片(101)与金属基片(103)之间形成1-2mm的爬电距离，金属基片(103)的另一面设有耐压保护层(104)，在压电陶瓷膜片(101)的表面设有抗氧化和变形保护层(105)。耐压保护层(104)采用聚四氟乙稀材料保护层。耐压保护层(104)，经检测可保证压电陶瓷片在高于100℃时，耐压达到15000V以上。抗氧化和变形保护层(105)为硅橡胶保护层。抗氧化和变形保护层(105)弹性模量增高，对压电陶瓷片工作变形过程起到保护作用，陶瓷晶体膜片(101)表面抗氧化能力增强，压电陶瓷晶体膜片(101)与金属基片(103)之间形成1-2mm的爬电压距离，保证压电陶瓷片安全工作。

为进一步改善压电陶瓷晶体膜片(101)材料力学性能，压电陶瓷晶体膜片(101)为加入硅化硅晶须的压电陶瓷晶体膜片。由于碳化硅晶须是一种直径为微米级的、具有很好比强度和弹性模量的单晶体，能有效提高金属基以及陶瓷基复合材料的力学强度，因此制作的压电陶瓷晶体膜片(101)可长时间工作，并取得压电陶瓷晶体膜片(101)弯曲变形大且不易出现破裂至损的满意效果。

参看附图2、附图3、附图4、附图5、本发明微型气泵实施例1，微型气泵，泵体部分，由上盖(1)，泵体(2)和下盖(3)组成，上盖(1)和下盖(3)分别与泵体(2)上端和下端密封固定连接，泵体(2)上端设有圆形泵腔(4)，下盖(3)与泵体(2)下端的空腔构成吸气腔(5)和排气腔(6)，泵芯为压电陶瓷晶体膜片(101)，压电陶瓷晶体膜片(101)的金属基片(103)经设在泵体(2)安装槽(9)内的密封圈(10)夹持，弹性固定在泵腔(4)内，压电陶瓷晶体膜片(101)的金属基片(103)将泵体(4)封闭成工作泵腔(7)，泵体(2)上吸气腔(5)与工作泵腔(7)经单向导通的吸气单向阀(11)连同，排气腔(6)与工作泵腔(7)经排气单向阀(12)连同，工作泵腔(7)经吸气单向阀(11)，吸气腔(5)与吸气管(13)连通，工作泵腔(7)经排气单向阀(12)，排气腔(6)与排气管(14)连通。密封圈(10)对金属基片(103)的夹持，在保证密封的情况下，尽可能减小对金属基片(103)振动的机械阻力，以提高微型气泵的效率。

工作时，压电陶瓷晶体膜片(101)和金属基片(103)通电，压电陶瓷晶体膜片(101)带动金属基片(103)上、下振动，泵腔(4)的工作泵腔(7)容积增大时，排气单向阀(12)关闭，外部空气经吸气管(13)，吸气腔(5)，吸气单向阀(11)，进入工作泵腔(7)，实现微型气泵的吸气过程。工作泵腔(7)容积减少时，工作泵腔(7)内的空气压力增大，吸气单向阀(11)关闭，压力空气经排气单向阀(12)，排气腔(6)，排气管(14)排出，完成微型气泵全部工作过程。随着压电陶瓷晶体膜片(101)带动金属基片(103)连续上、下振动，微型气泵即可连续工作。

本发明微型气泵实施例1的吸气单向阀(11)和排气单向阀(12)可采用下面结构实现，吸气单向阀(11)是由泵体(2)上吸气孔(15)和吸气孔盖(16)构成，排气单向阀(12)是泵体(2)上排气孔(17)和排气孔盖(18)构成，吸气孔盖(16)和排气孔盖(18)分别设置在吸气孔(15)的工作泵腔(7)和排气孔(17)的排气腔(6)内的端面上，吸气孔盖(16)和排气孔盖(18)一端为大于吸气孔(15)和排气孔(17)直径的圆形，另一端为矩形的弹性金属片，吸气孔盖(16)和圆形端设在吸气孔(15)和排气孔(17)上，矩形端固定在泵体(3)上。吸气孔盖(16)，排气口盖(18)圆形端上设有与吸气孔(15)，排气孔(17)直径对应的非金属弹性材料凸起(19)。靠吸气孔盖(16)、排气孔盖(18)的弹性变形实现吸气单向阀(11)和排气单向阀(12)的开启或关闭。凸起(19)增加吸气孔盖(16)，排气孔盖(18)与吸气孔(15)、排气孔(17)的密封性。

参看附图6、附图7、附图8、附图9、本发明微型气泵实施例2，为提高微型气泵的效率，本发明设计微型气泵实施例2，微型气泵实施例2的泵体部分，由上，下两个泵盖(20)，上，下两个泵体(21)组成，上，下两个泵盖(20)分别与上，下两个泵体(21)端面密封固定连接，上，下两个泵盖(20)与上，下两个泵体(21)端面的空腔构成两个吸气腔(22)和两个排气腔(23)，泵体(21)上设有圆形泵腔(24)，两个圆形泵腔(24)对应安装，泵芯为圆形压电陶瓷晶体膜片(101)，压电陶瓷晶体膜片(101)的金属基片(103)经设在泵体(21)安装槽(27)内的密封圈(28)夹持，弹性固定在泵腔(24)内，压电陶瓷晶体膜片(101)的金属基片(103)将两个泵体(21)的泵腔(24)分成上、下两个闭成工作泵腔，泵体(21)上吸气腔(22)与泵腔(24)，排气腔(23)与泵腔(24)经单向导通的吸气单向阀(29)和排气单向阀(30)连通，泵腔(24)经吸气单向阀(29)，吸气腔(22)与吸气管(31)连通，泵腔(24)经排气单向阀(30)，排气腔(23)与排气管(32)连通。

工作时，压电陶瓷晶体膜片(101)和金属基片(103)通电，压电陶瓷晶体膜片(101)带动金属基片(103)上、下振动，使上、下俩形泵腔(24)，一个容积增大，一个容积减小，当压电陶瓷晶体膜片(101)向上振动，上泵腔(24)容积减小，上泵腔(24)内的空气压力增大，上吸气单向阀(29)关闭，压力空气压经上排气单向阀(30)，上排气腔(23)，上排气管(32)排出，同时下泵腔(24)容积增大，外部空气经下吸气管(31)，下吸气腔(22)吸入下泵腔(24)，陶瓷晶体膜片(101)带动金属基片(103)上、下振动，使上、下俩形泵腔(24)，连续不断工作，完成微型气泵全部工作过程。

本发明微型气泵实施例2的吸气单向阀(29)和排气单向阀(30)的结构和工作原理与微型气泵实施例1相同。

本发明微型气泵具有压电陶瓷片能量利用效率高，结构简单，噪音小等优点。