（机械电子工程专业论文）单振子双腔并联无阀压电微泵的性能分析及仿真模拟.pdf

摘要 摘要 微电子机械系统( m e m s ) 的飞速发展令世人瞩目，而微流体控制系统作为 m e m s 技术研究的一个主要方向，已展示了其广阔的市场应用前景。微泵是微 流体控制系统的重要执行器件，是微流体控制系统发展水平的重要标志，目前 己研制出多种类型的微型泵，而其中又因无阀型微泵结构简单、装配方便等优 点，而成为近年来研究热点。 本文介绍一种单振子双腔并联无阀压电微泵的结构及其工作原理，并分析 和研究它的性能。首先根据弹性薄板小挠度弯曲理论和压电学的相关理论建立 复合双压电层压电振子理论模型，使用能量法，推导出在固支边界条件下，复 合双压电层压电振子的静态变形计算公式，以及复合双压电层压电振子的固有 频率，然后从扩散管收缩管中流体的流动状态、沿程阻力及局部阻力等流体动 力学的一些基本理论出发，阐述了无阀微泵的单向出流机理，给出扩散管收缩 管结构的整流效率、溶积效率以及流量的计算公式。 由于上述解析方程和计算公式不仅极其复杂，而且求解非常困难，因此本 文采用有限元分析方法。首先用a n s y s 软件，对复合双电层压电振子进行压电一 结构耦合分析，分析影响复合双压电层压电振子性能的几何结构参数。然后再 使用f l u e n t 软件，对扩散管收缩管结构的管内流场进行分析，得出影响扩散 管收缩管结构性能的参数，为扩散管收缩管结构的优化提供参考。 综合对单振子双腔并联无阀压电微泵泵腔各结构单元的分析结果，选择一 组优化参数建立单振子双腔并联无阀压电微泵的二维全模型，利用a n s y s 中专 门用于流固多物理场耦合分析的模块f s i ，对单振子双腔并联无阀压电微泵二维 全模型在一个工作周期内的泵送过程进行了瞬态仿真，直观地显示了各个时刻 泵腔内的流场构形和速度分布，为了更准确的分析影响单振子双腔并联无阀压 电微泵的总体性能，建立了单振子双腔并联无阀压电微泵的三维立体模型，并 对该三维模型的性能进行分析，得出复合双压电层压电振子的电压及其频率对 单振子双腔并联无阀压电微泵的影响，为无阀微泵的结构设计和参数优化提供 了直接的理论基础和实际的指导作用。 关键词双腔并联：无阀压电微泵；多物理场耦合；数值模拟； a n s y s a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gt h el a s ty e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c t r i c m e c h a n i c s s y s t e m ( m e m s ) i sr e m a r k a b l e ，b u tt h em i c r o f l u i d i cs y s t e ma sam a i nr e s e a r c h d i r e c t i o no ft h em e m s ，h a st h ew i d em a r k e ti na l lt h ef i e l d s t h em i c r o p u m pi st h e i m p o r t a n te x e c u t i v eu n i to ft h em i c r o f l u i d i cs y s t e m a n di t i sa l s ot h ei m p o r t a n t s y m b o lo ft h ed e v e l o p m e n tl e v e lo ft h em i c r o f l u i d i cs y s t e m n o w , m a n yt y p e so f t h em i c r o p u m ph a v eb e e nr e s e a r c h e d ，a n de s p e c i a l l yt h ev a l v e l e s sm i c r o p u m ph a s a t t r a c t e dm u c hm o r ea t t e n t i o n sb e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fav a l v e l e s sm i c r o p u m pw i t ha s i n g l eb i m o r p ha c u t a t o ra n dd o u b l ec h a m b e r sp a r a l l e lc o n n e c t i o na n di t ss t r u c t u r e a n da n a l y s e da n dr e s e a r c h e di t sp e r f o r m a n c e s f i r s t ，b a s e do nt h ep i e z o e l e c t r i c i t y a n dt h i np l a t ee l a s t i ct h e o r ya n dc o m b i n e dw i t ht h ee n e r g ym e t h o d ，f o r m u l a sf o rt h e c a l c u l a t i o no ft h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h es t a t i cf e x i b i l i t yi ni n v a r i a b l ee l e c t r i c f i e l dw e r ed e d u c e df o rt h eb o u n d a r yc o n d i t i o no ft h er i g i ds u p p o r t e dp l a t e d t h e n ， b a s e do nt h eb a s i st h e o r yo ff l u i dm e c h a n i c si n c l u d i n gt h ef l o wc o n d i t i o na n dt h e f l o wr e s i s t a n c e ，t h et h e s i se x p l a i n e dt h eu n i f l o wm e c h a n i s m ，a n di l l u m i n a t e st h e f o r m u l a so ft h ec o m m u t a t i o n e f j f i c i e n c ya n d t h ev o l u m e e f f i c i e n c y o ft h e d i f f u s e r n o z z l ep i p es t r u c t u r e ， h o w e v e r , t h ef o r m u l a sa n de q u a t i o n sa r en o to n l yc o m p l i c a t e d ，。b u ta l s o d i m c u l tt or e s o l v e t h e r e f o r e ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) m e t h o dw a su s e d t os i m u l a t et h em i c r o p u m p sp e r f o r m a n c e si nt h et h e s i s t h ef e as o f t w a r ea n s y s w a su s e dt oa n a l y s et h ep i z e o e l e c t r i c s s t r u c t u r ec o u p l eo ft h ea c u t a t o ri no r d e rt o o b t a i nt h ea c u t a t o r s g e o m e t r yp a r a m e t e r s w h i c hi n f l u e n c et h ea c u t o r s p e r f o r m a n c e s ，a n dt h ec f d s o f t w a r ef l u e n tw a su s e dt oa n a l y s et h ei n t e r i o rf l o w f i e l do ft h ed i f f u s e r n o z z l ep i p e s y n t h e t i z i n gt h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h em i c r o p u m p ss t r u c t u r e ，ag r o u po f o p t i m i z e dp a r a m e t e r sw e r es e l e c t e dt od e s i g nav a l e l e s sm i c r o p u m p sm o d e la n dt h e a n s y s f s lw a su l t i l i z e dt os i m u l a t et h ew o r kp r o c e s so ft h ev a l e l e s sm i c r o p u m p w i t has i n g l eb i m o r p ha c u t a t o ra n dd o u b l ec h a m b e r sp a r a l l e lc o n n e c t i o nd u r i n ga c y c l e t oe x a c t l yc o n t r o lt h eo u t p u tf l o wo ft h ev a l v e l e s sm i c r o p u m p ，e m p h a s i z e d a n a l y s e sh o wt h ev o l t a g e sa m p l i t u d ea n dt h ef r e q u e n c ya f f e c ti t so u t p u tf l o w t h e r e s u l t so ft h i st h e s i sp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rs t r u c t u r a ld e s i g na n dp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o no fv a l v e l e s sm i c r o p u m pa n dh a v ep r a c t i c a b l er e f e r e n c ev a l u e k e y w o r dd o u b l ec h a m b e r sp a r a l l e lc o n n e c t i o n ；v a l v e l e s sm i c r o p u m p ； m u l t i p h y s i c sf i e l dc o u p l e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a n s y s i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其它个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学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、缩印或其它 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 论期：出，9 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 微机电系统概述 微机电系统( m e m s ，m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) ，有人称为微机械、 微系统，指微型化的器件或器件的组合，是利用微加工技术制作微型结构，将 电子功能与机械、光学以及其他功能相结合的集成系统，使之能在极小的空间 内达到智能化、集成化。微机电系统是一门多学科交叉的新兴学科，它涉及电 子工程、材料工程、机械工程、信息工程，物理学、化学、光学以及生物等多 种工程技术和学科。可以实现信息获取、信息处理以及执行功能的集成化。其 基本特点是体积小、质量轻、功耗低、成本低、功能强。所采用的微加工工艺 是集成电路( i c ) i 艺的延伸而又不同于集成电路工艺，其区别在于：由于微机 电系统结构件的性能差异大，形状各异，微加工工艺需要制作的纵向高度远大 于普通i c 工艺所能达到的纵向高度。由于微机电系统所采用的材料己从硅发展 到玻璃、石英还有有机聚合物等，因此微加工工艺可分为硅微加工工艺和非硅 微加工工艺。硅微加工工艺又分为体硅微加工工艺和表面硅微加工工艺，具体 包括光刻、蚀刻( 干法蚀刻和湿法蚀刻) 、掺杂技术、薄膜生成技术( 真空蒸镀、 溅射、脉冲激光淀积、化学气相淀积和电镀) 、牺牲层技术、l i g a 技术、模塑 法、热压法、激光烧蚀法和软光刻等。微机电系统可以应用于航空航无、生物 医学、微流控制、信息科学、微光学技术、微机器人、微探头和显微技术以及 环境监测等方面。已市场化的m e m s 产品有打印机喷嘴、压力传感器、开关、 加速度计( 惯性器件) 、投影仪设备等。微机电系统将对人们生活和国民经济带 来深远的影响1 1 - 2 j 。 1 2 微流体控制系统概述 微流体控制系统是一种可进行微量液体输运、流体方向控制的微机电系统， 如微型化学反应器、微量药剂传送与计量、微型推进系统、喷墨嘴、射流元件 以及气体与液体的色谱分析。2 0 世纪9 0 年代初m a n z 和w i n d m e r 【3 】提出的微全分 析系统( 1 at a s ) ，以微机电技术为基础，通过生物化学设备的微型化与集成化， 最大限度的把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到一块芯 1 山东大学硕士学位论文 片上，也被称为芯片实验室( l o c ，l a b 0 1 1 - a c h i p ) 。微全分析系统中当前最活跃 的领域和发展最前沿的是微流控芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p s ) ，它最集中地体现了将 分析实验室的功能转移到芯片上的思想。c g j s c h a b m u e l l e r 报道【4 】的微流体控 制系统如图1 1 所示，采用键合技术将各种流体功能部件与基板键合在一起，该 系统可以应用于化学反应、药剂传送和粒子分析方面。微流控芯片在分析仪器 微型化、集成化和便携化方面的巨大潜力为其在生物医学、高通量药物合成筛 选、农作物的优选优育、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物战剂的 侦检和天体生物学研究等众多领域的应用提供了厂阔的前景。 图卜1 键合在一块板子上的微流体系统 微流控芯片是通过微加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、 微检测元件、窗口和连接器等功能元器件像集成电路一样，将它们集成在芯片 材料( 基片) 上的微全分析系统，可以完成多种分析功能，如采样、稀释、加试 剂、反应、分离、检测等【5 1 。 微流体驱动技术是微流体控制的前提和基础。微泵是微流控系统中的驱动 部件，它为整个系统提供动力以驱动流体在系统中按要求流动，它是微流体系 统发展水平的重要标志，因而微泵的研究成为微流体系统研究中最为活跃的一 个分支。 1 3 微泵技术国内外发展概况 微泵是利用流体力学原理将电能、热能、机械能等转化为流体动能的一种 新型流体传输部件，是微流体控制系统中的重要执行器件。在泵体结构设计方 面，国内外已经研制出多种满足不同需要的新型泵，主要有采用扩散收缩管的 无阀微泵、双向流动泵，双腔室的微泵、蠕动泵等【6 】。按照驱动的方式，微泵 又有压电驱动式【7 1 、热驱动式【引、静电驱动式0 1 、电磁驱动式1 1 1 、双金属驱动 第1 章绪论 微泵和形状记忆合金驱动式 “j 。下面将分别根据驱动方式的不同，介绍几种目 前比较常用的微泵。 1 压电驱动微泵 压电驱动器有压电片式和压 电块式两种，其原理是基于晶体的 压电特性来驱动薄膜振动的。早期 的压电泵大多数属于单向阀式的 压电薄膜泵，这种有阀压电微泵主 要是有泵体、压电驱动器( 也叫压 电振子) 和两个单向阀构成，结构 如图1 - 2 所示 ”i ，其工作过程就是 通过对压电片施加电压使振动膜 熊 图i 2 有阀压电微泵的结构示意图 向下变形，泵腔内的压力升高，入口阀关闭，出口阀打开，使液体从出口流出； 反之压电片断电振膜回复，泵腔压力下降，入口阀打开，出口阀关闭，液体 从入口进入泵腔。r l i n n e m a n i ”1 、m i c h a e lk o c h l ”i 、h e l e n e a n d e r s s o n ”l 和国 内的贾建援等【”埘这种有阀单腔室的微泵进行了理论分析以及试验研究。 有阀压电泵的性能不仪与压电振子的结构形式、工作参数有关，同时也受 腔体数量及其连接方式的影响。1 9 8 0 年，s t a n d f o r d 大学的w a l l m a r k 和s m i t s 研制 出的第一台微泵【”l ，如图1 3 所示该泵为三阀压电式蠕动微泵。瑞典皇家工学 院仪表实验室的a n d e r so l s s o n 等i ”1 究表明两个腔体交叉工作比两个腔体同步 的效率高两倍，且输出脉动小，工作频率低，其结构如图1 4 所示。在国内阚君 武等也对泵腔串联的压电微泵进行了研究，得出此时的微泵的最大输出流量和 压力也都优于单腔泵。 图l 一31 9 8 0 年研制出的第一台微泵 山东大学硕士学位论文 扩赣管摄确曩片 孔 图l - 4a o l s s o n 等人研制的双腔室无阀微泵 有阀压电微泵的结构相对来说比较复杂，在加工工艺和集成上都存在一定 难度，因此人们开始研制无阀压电微泵，利用管道的特殊结构或者流体的粘度 特性等实现流体的单向流动。1 9 9 2 年，德国的r i c h t e r 等人首次提出在微泵的设 计中采用无法微泵的机构设想【2 0 1 ；1 9 9 3 年，瑞典的e s t e m m e 等人成功的采用扩 张管收缩管结构制作了微泵；如图1 5 所示【2 1 啦】，扩张管收缩管的形状为锥形， 倾角小于2 0 度。在国内的谢海波，傅新等也对这种无阀压电微泵进行了一定的 研究。 图1 - 5 第一台扩张管收缩管无阀微泵 2 静电驱动微型泵 静电驱动是微驱动的一种有效方式。静电驱动微泵的制作工艺与i c i 艺的 兼容性好，但电极间距一般较小，驱动电压较高，不利于应用。图1 - 6 所示为第 一台研制成功的静电驱动微泵【2 3 2 4 1 ，而且也是第一次在微泵的设计中采用了硅 的垂直分层机构。 a c e u a t a o ne h a m - x b e r p u p0 a n p h t a g m 图l 一6 膜片式静电驱动微泵 3电磁致动的微泵 如果给一个线圈通以交变的电流，则线圈周围就会产生交变的磁场。将其 与永久磁铁相作用，就可以产生吸引排斥交替的往复运动以此来驱动微泵的 薄膜振动，使薄膜工作。 图1 7 所示是bs e b a s t i a n 等例人研究的电磁驱动微泵的示意图。清华大学 1 9 9 9 年研制成功的电磁驱动微泵【“i ，阀体由四层结构组成，最上层为电磁平面 线圈构成的电磁驱动器基底材料为铁镍合金，二、三两层为硅基材料的泵的 腔体和阀体所采用的阀为动态被动阀，经湿法腐蚀工艺加工而成，最底层为 封装用的玻璃以及进液口和出液口。经测试，流动频率特性显示最佳驱动频率 为1 2 5 h z ，流量可以达到00 5ul s 。 图1 7 电磁驱动微泉幽1 8 热气驱动的蠕动微泵 4 热气驱动微泉 热气驱动微型泵利用气体腔内气体的膨胀和收缩来驱动膜片。如图l 一8 所示 为一种热气驱动的蠕动微泵m 2 ，其驱动部分由一个充满空气的密封腔组成， 山东大学硕士学位论文 内部一个波浪形铝丝作为加热电阻，电压施加到加热电阻上致使密封腔内空气 的温度升高，于是密封腔内压力升高，使泵膜向下运动，导致泵腔内压力升高， 流体从泵中排出。随后电压断开，电阻冷却并导致腔内空气温度的降低，膜片 又恢复原形，腔内的压力降低，流体又从入口进入腔体。热驱动微泵的制作工 艺与i c t 艺兼容性好，但驱动电压低，同时驱动频率较低，限制了输出流量和 背压。 5 双金属驱动微泵 图1 - 9 为1 9 9 9 年清华大学研 制的铝硅双金属驱动集成微型 泵系统结构图【2 9 】。该系统由3 层 硅片组成，其中硅片1 为微泵的 驱动膜片，其上集成有微流量传 感器以及信号放大电路。图形相 伺的两层硅片2 和3 构成入口和 口墨一援 毽：氧化建多最硅金属锓 出口阀门，阀门由悬臂梁阀片和图1 - 9 集成铝硅双金属驱动微型泵结构截面图 通孔组合而成。驱动膜片和阀门间的密闭空腔称为泵室。由于铝、硅材料的热 膨胀系数的差异，当给微泵施加连续的方波电压时，驱动膜片将有节律地往复 运动，泵室内压力交替变化，流体则不断从入口吸入、从出口排出，这样就实 现了流体的定向输运。研制的集成微型泵系统外形尺寸为6 m m x 6 m m x l m m 。微 泵在0 5 h z 时达到最大流量4 4l - tl m i n ，同时达到最大输出背压力10 k p a 。这种阀 的优点在于所用制作工艺及材料均与标准i c 平面工艺兼容，为进一步为实现与 控制电路集成的集成微流量泵系统奠 定了基础。 6 形态记忆合金驱动微泵 形态记忆合金通常是由t i n i 合金 构成。利用材料母相在超过一定温度的 情况冷却产生马氏相变，经加热至一定 进口出q 温度后又转变为母相( 称为逆相变) 的图1 1 0 形状记忆合金驱动微泵 特性，使其具有形状记忆效应。微泵中 - 6 - 第1 章绪论 通常使用的t i n i 合金膜片作为驱动器如图1 1 0 所示。国外w l b e n a r d f 3 0 1 等人都 对形状记忆合金热驱动泵的进行了一定的研究，这种驱动方式的优点是能使膜 片获得较大压力和较长的行程，但是其缺点是难以精确控制位移量。 随着对微泵越来越深入的研究，除了以上介绍的常见驱动方式，还又很多 新型的驱动方式，如电渗驱动式【3 2 1 、连续浸润式 3 3 1 、磁液力驱动式删和气泡驱 动式【3 5 1 、电液力驱动式【3 6 1 、曲面波驱动式3 7 】等。 1 4 无阀压电微泵的应用 无阀压电微泵将传统泵的驱动源部分、传动部分以及泵体三者合为一体， 可实现结构简单、体积小、重量轻、能耗低、无噪声、无电磁干扰，可根据施 加电压或者频率可知输出微小流量。尽管它的发明和发展不至w j 2 0 年的历史，但 在航空航天、机器人、汽车、医疗器械、生物基因工程、微型机械等领域里得 到了成功的应用3 8 棚1 。目前，随着国外对无阀压电微泵研究的深入，其性能也 不断得到提高。但是，无阀压电微泵离真正的商品化和产业化还有相当大的距 离，目前基本上处于实验研究阶段。从现有的资料来看，无阀压电微泵今后的 发展方向是结构微型化、工艺过程简单化、不断降低成本、达到精确控制流量、 提高工作效率和流量等。近几年，随着微机电系统( m e m s ) 和微；o n - v 技术的 飞速发展，无阀压电微泵的应用技术领域不断拓宽，主要应用在4 0 4 3 】： 1 各种微型机械电子系统的液体冷却系统。这一点是基于压电微泵结构简 单，容易微型化而且不受电磁干扰等特点出发的。日本在这一方面发展 的较快，n e c 已经开发出实际应用于笔记本电脑水冷系统的压电微泵。 2 航空航天器、航天飞机、太空探测器等上的燃料供给或者液体输送装置。 二十一世纪，航空航天器、太空探测器将是世界各国大力发展的领域， 这些高科技利于将需要工作稳定、能精确控制流量高性能的燃料供给或 流体输送装置。 3 医疗器械和生物工程中的微量液体输送。目前在可植入的药物输入装置 如胰岛素注射中和生物工作中，压电微泵技术的应用十分广泛，在糖尿 病、帕金森综合症和癌症等的治疗中优点十分明显。 4 化工机械及分析中的微量液体输送。在精密化工液体输送中，需要动态 山东大学硕士学位论文 精确控制输送化学试剂的装置，压电微泵也是很好的选择方式之一。 近年来，无阀压电微泵在需要小流量、精确控制、连续输出的微全分析系 统( m i n i t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m ，t , t t a s ) 具有突出的优势，是微流量控制 系统的核心部件之一。随着微细加工技术的不断进步，将微通道、微泵、微阀、 微储液器、微电极、微检测元件等功能元件，像集成电路一样集成在芯片材料 上实现“芯片实验室 ( l a b o n a c h i p ，l o c ) 已经成为可能【4 3 4 5 1 。无阀压电微 泵的研究已经成为微全分析系统发展水平的重要标志，但目前其大多作为微流 控芯片的外部功能部件，所以将无阀微泵集成到微流控芯片上是微全分析系统 发展的必然趋势。 1 5 本文研究内容 无阀微泵经过将近2 0 年的发展，已经取得了很多有价值的研究成果。但是， 我们可以发现目前研究的无阀压电微泵主要集中在单腔室的无阀压电微泵，这 种微泵最大的缺点就是，不能使泵腔中的流体连续的输出，只能以脉动的方式 输出，这种输出方式，不仅要求微泵具有很高的频率响应特性，同时这种脉动 输出对微泵的泵体的冲击很大，这些都严重的影响了微泵的输出特性。为解决 这个问题，其中一种有效的方式就是采用多腔微泵，从压电微泵的结构改进上 来说，多腔室的微泵将是今后压电微泵的发展方向。基于此原因，a o l s s o n 首 次提出了双腔室的微泵，在此基础上，本文设计一种单压电阵子同时驱动两个 泵腔的双腔并联微泵。具体研究内容如下： 1 设计本文所要分析的单振子双腔并联无阀压电微泵的基本结构，并阐述 这种微泵的工作原理。 2 利用a n s y s 中压电一结构耦合的功能，对压电振子进行有限元分析， 得到压电振子的性能，为压电振子的优化提供重要的依据。 3 利用f l u e n t ，对扩张管收缩管的进行数值模拟，得到扩张管的结构 对其性能的影响。以往在研究扩张管的性能时，都是单独的把它独立出 来研究，本文在分析时，将其与微泵的整体的结构结合在一起进行分析， 这也更能真实反映这种扩张管的性能。 4 模拟无阀微泵全模型，采用多物理场耦合的功能，即在压电一结构耦合 第1 章绪论 的基础上继续使用压电振子一流体耦合的功能，模拟分析压电振子的激 励电压幅值和电压频率对单振子双腔并联无阀压电微泵全模型输出的 控制。 量：茎苎茎茎圣些茎塞重! 皇量塞茎 第2 章单振子双腔并联无阀压电徽泵 2 1 引言 目前，微泵的研究大部分都是集中在单腔结构上，而单腔微泵必然使得泵 腔中的流体以脉动方式输出，而且需要很高的频率，这对微泵的频率响应特性 要求很高。因此为改善微泵中流体脉动输出方式降低微泵频率响应特性，本 文设计了一种双腔并联微泵单振子双腔并联无阀压电微泵。本节简单介绍 了单振子双腔并联无阀微泵各组成部分的基本结构，以及这种微泵的工作原理。 2 2 单擐子双腔并联无门压电徽泵的基本结构 本文设计的单振子双腔并联无阀压电微泵是容积式微泵，主要是由两个驱 动腔层和一个双压电层压电振子组成，如图2 1 所示。 图2 - ! 单振子双腔并联无阔压电镀泵结构示意图 上下两个驱动腔的结构是相同的，主要包括泵腔、扩散管，收缩管和缓冲腔， 其中缓冲腔是通过扩管收缩管连通的。而扩散管，收缩管就是压电微泵中流体的 出口和进口，在此将扩散管定义为沿流体流动方向微管道截面积逐渐增大的微 管路收缩管定义为沿流体流动方向微管道截面积逐渐减小的为管路。而双压 电层压电振子的是由两块压电片，中间夹有一层单晶硅薄膜所构成。在进行数 省銮馨耋誊鳘兰銮 值模拟时，分析微泵整个流场以及它与压电振子的耦合性能，图2 - 2 就是微泵 内部流场的有限元模型，具体的分析方法和内容将在后续章节详细介绍。 w_ 咐蠹j 盟 幽2 - 2 单振子双腔并联无阀压电徽泵的内部流场的有限元模型 2 3 无阀压电徽泵的工作原理 2 3 1 单腔无阀压电微泵的工作原理 无阀压电微泵的工作原理是基于收缩管扩张管对流体阻力不同而形成差 量流动的，如图2 3 所示。当压电阵子向上振动时，泵腔体积增大，液体从收缩 管扩张管中同时流入泵腔，但是扩张管对流体的阻力小于收缩管对流体的阻 力，从扩张管中流入泵腔的液体比从收缩管中流入液体多；当压电阵子向下振 动时，泵腔体积减小，液体从收缩管扩张管中同时流出泵腔，此时与向上振动 时相比，扩张管收缩管的功能刚好相反印扩张管变为收缩管，而收缩管变为 扩张管，那么由于扩张管的阻力比收缩管要小，所以从扩张管流出的液体要比 从收缩管中流出的液体要多，这样就可以实现流体动态的单向流动。 鑫鼎裂孽茗辜 2 , 3 2 单擐子双腔并联无一压电徽泵的工作原理 第2 章单振子双腔并联无阀压电微泵 压电振子，在交流电压的作用下，导致振动膜片产生径向收缩、伸展变形，从 而引起微泵泵腔的体积变化，同时基于扩散管收缩管因结构的不对称导致对流 体阻力的不同，以及扩散管收缩管的压力损失不同的原理，得出在压力差相同 的情况下，流过扩散管收缩管的流体流量是不同的，从而实现流体宏观上的单 向流动【4 6 】。+ 人口 口 日 、，= = = = = 彳 ；f _ = ：? 、： 口口 l o ( a ) 压电振子向下运动 ( b ) 压电振子向上运动 图2 4 单振子双腔并联压电微泵工作过程示意图 当压电振子在正弦交流电压的激励下，那么它会以相同的频率发生变形， 同时引起泵腔体积也以相同的频率发生变化，图2 4 就是在单振子双腔无阀压 电微泵的工作过程的示意图。当振子如图2 4 ( a ) 所示，向下运动，此时下腔 容积处于被压缩的过程，则下腔需要向外泵出流体，即下腔处于泵出过程，而 此时上腔容积处于增大过程，则上腔会吸入流体，即上腔处于吸入过程：当振 子如图2 - 4 ( b ) 所示，向上运动，此时上下腔的工作情况与图( a ) 刚好相反。 根据上面的分析可以看出，当只有一个泵腔时，那么在一个周期内，微泵 中的流体处于泵出和吸入交替的过程，即微泵中的流体以脉动的方式输出；而 当两个泵腔并联时，如果上腔是吸入状态，那么下腔必然是泵出状态，同理， 当下腔是吸入状态时，那么上腔处于泵出状态。这样在任何时刻微泵上、下泵 腔总有个处于泵出状态，从而实现微泵中的流体连续输出。 2 4 本章小结 本章简要介绍了单振子双腔并联无阀压电微泵的基本结构及单振子压电微 泵的基本工作原理，为后续详细分析单振子双腔并联无阀压电微泵的性能奠定 基础。 第3 章复合双压电层压电振子的性能分析 第3 章复合双压电层压电振子的性能分析 3 1 引言 复合双压电层压电振子是双腔并联单振子无阀压电微泵的驱动器，它承载 着将电能转换为机械能的重要作用。压电振子的工作能力，将决定压电微泵能 否正常工作以及输出能力的高低。复合双压电层压电振子它是由上下两层圆形 压电陶瓷片和中间层单晶硅薄膜，以及粘接在各压电陶瓷片上下表面上的电极 组成。当向复合压电振子的压电陶瓷片上的电极施加一定幅值的电压时，由于 逆压电效应，在压电层内就会产生径向的拉应变或者压应变，最终导致整个压 电复合层薄板产生弯曲变形，如果施加的电压是具有谐振频率的交流电压，那 么复合压电振子也会以同样的频率发生谐振。本章是根据弹性薄板小挠度弯曲 理论和压电学的相关理论，建立复合双压电层压电振子理论模型，使用能量法 推导出在固支边界条件下，复合双压电层压电振子的静态变形计算公式，以及 复合双压电层压电振子的固有频率，同时运用a n s y s 对它进行有限元分析与 仿真，通过对仿真的结果进行分析，优化影响复合双压电层压电振子性能的几 何结构参数。 3 2 压电驱动 3 2 1 压电效应 对于没有对称中心的晶体，当沿某一方向对其施加机械力时，晶体会发生 变形从而导致正负电荷重心不重合，电矩发生变化，晶体表面产生正负电荷( 即 呈现出一定的电位) ，该表面电荷密度与外力成正比。这种因机械力的作用，引 起晶体表面带电的效应，称之为压电效应，也叫正压电效应。反之，将压电晶 体置于外电场中，在电场的作用下，引起晶体内部正负电荷重心的移位并导致 晶体发生变形，这种现象则称为逆压电效应。 山东大学硕士学位论文 l j ( a ) 具有压电效应的品体( 劬不具有压电效应舫晶体 图3 - 1 压电效应产生的原理 晶体的压电效应如图3 1 所示。图3 1 ( a ) 是具有压电效应的晶体示意图， 这些晶体不受外力作用时，正负电荷的重心重合，单位体积的电矩( 即极化强 度) 等于零，晶体对外不呈现极性；而在外力作用下晶体变形时，正负电荷的 重心发生分离，这时单位体积的电矩不再等于零，晶体表现出极性。图3 1 ( b ) 是不具有压电效应的晶体示意图，这些晶体由于具有中心对称的结构，无论外 力如何作用，晶体正负电荷的重心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压 电效应。 在晶体3 2 种对称点群中，有2 0 种晶体具有压电性。压电晶体中有1 0 种点 群的晶体是极性晶体或者热释电晶体。这1 0 种点群的极性晶体，在外电场作用 下能够改变电偶极矩方向的晶体是铁电晶体，铁电晶体都具有压电性。 早期应用的压电材料是压电单晶体( p i e z o e l e c t r i cs i n g l ec r y s t a l ，其中首先 是石英晶体) ，随后一系列的人造水溶性晶体，如罗谢耳盐，磷酸二氢铵等，这 些压电晶体的发展、应用和数据在c a d y 和m a s o n 等人的书中得到了全面的总 结【5 0 斟1 。i r e 公布的一系列的压电晶体标准在术语的统一和测量的标准化方面 起了重要作用。在早期应用的压电材料中，除石英晶体还在广泛应用外，其他 已不常应用了。压电陶瓷的出现开辟了压电材料的广阔前景，也使压电理论发 展和实际应用提高到了一个新的高度。i r e 又针对这种高耦合材料的发布了测 量标准，给出了推荐的定义和测量方法。后来，i e c ( 国际电工委员会) 对i r e 的标准进行了修订，并使其更适合压电陶瓷材料。压电陶瓷是当今最常用的压 电材料，本文要分析的复合压双压电层压电振子所采用的压电材料也属于压电 陶瓷中的一种。 鼹一露j 甏一、毽q 第3 章复合双压电层压电振子的性能分析 3 2 2 压电驱动器类型 压电驱动器作为微泵的驱动单元种类多、结构各异。传统的压电驱动器按 照其结构形式有积层状和膜片状两种。其中膜片状的压电驱动器，即压电薄膜 驱动器，包括单压电片驱动器和双压电片驱动器。下面将介绍几种常见的压电 驱动器 1 ) 双压电型驱动器 压电材料存在着变位小、驱动电压高的缺点，因此常制成双压电型驱动元 件。其基本结构如图3 2 所示，以金属弹性板为中心电极，两边贴合两层压电 材料，并分为串联型和并联型两种。 巾d 屯 1 ) 并联飘 b ) 串联型 图3 - 2 双电压型驱动器基本结构 当上述的驱动器加上电源信号时，一层材料伸长，另一层发生收缩，从而 发生与施加的电源波形相应得弯曲变形。悬臂梁型双压电晶片驱动器所需的驱 动电压低而在顶端产生的位移大( 可达数百微米) 。1 9 9 8 年，清华大学发表的 应用该类驱动器做的硅微泵【5 6 1 ，在1 0 0 v 、2 0 0 h z 时微泵的流量达到3 6 5t x1 m i n ， 最大背压为2 3 8 k p a 。 2 ) 积层压电驱动器 与双压电型相比，积层压电驱动器在位移量、驱动力、能量转换效率、刚 度和稳定性等方面都优越得多。过去采用压电材料夹上金属薄板的机械积层方 法制造积层压电驱动元件，其结果是元件的体积大，驱动的电压还是比较高。 目前采用与陶瓷电容器相同的制造方法来生产积层压电元件，其结果是体积减 小、驱动电压低输出压力大。 3 ) 压电薄膜驱动器 由于压电陶瓷本身脆而硬，所产生的位移或力很小，因而一般不把压电陶 瓷本身作为驱动器直接使用，通常是把压电陶瓷与某种弹性体连接在一起共同 构成振动体，将这种振动体称为复合压电驱动器( 复合压电振子) 。 1 7 山东大学硕士学位论文 压电振子是压电驱动器的核心部件，起着将电能转换为机械能的作用。某 一几何尺寸的振子在特定条件下，其用以完成机械能和电能相互转换的振动方 式多种多样，通常把这种振动方式称为振动模态。此外，各振动模态之间还存 在相互影响或耦合作用。因此在设计压电振子时，除了选择合适的陶瓷材料外， 还要选择合适的振子及其振动模态【5 8 】。 根据压电陶瓷极化方向、电场方向和几何参数的不同，复合压电振子有五 种主要的振动模式，即：径向伸缩振动、长度伸缩振动、轴向伸缩振动、厚度 伸缩振动和厚度切变。一个压电振子可同时具有多个振动模式，不同振动模式 间存在一定的耦合【5 引。 表3 1 通过实例给出了以上几种压电驱动器特性的比较【6 0 】，由于几何尺寸 以及工作环境的不同，从而很难比较哪种压电驱动器的性能更好，本文拟采用 径向伸缩振动模式，它的结构如图3 - 4 所示，它是在单晶硅薄膜上下表面各粘 接一层压电陶瓷。 3 - 1 各种压电驱动器特性净”1 第3 章复合双压电层压电振子的性能分析 压蚋鼍 埘晨 图3 - 4 复合双压电层压电振子 3 3 复合双压电层压电振子性能的理论分析 压电振子驱动性能是反映压电微泵性能的最重要因素，而反映压电振子驱 动性能最直接的表现就是压电振子在一定电压驱动下的变形量，即压电振子的 挠度。本节将采用能量法，具体分析压电振子的挠度变化，从而推导出压电振 子挠度计算公式，以及压电振子的振动特性。 3 3 1 复合双压电层压电振子的静态挠度分析 复合双压电层压电振子结构尺寸如图3 5 所示，取z = 0 的平面与单晶硅的 中面重合。对于轴对称圆柱体结构选取柱坐标比较方便，同时满足k i r c h h o l f 薄板理论的三个基本假设。根据弹性力学的轴对称薄圆板的小挠度问题，以及 压电复合板的结构形式，做如下假设和定义5 7 】： 1 复合双压电层压电振子满足轴对称薄板的基本定义； 2 压电片牢固粘结在金属板上，不考虑粘和剂的影响； 3 在粘接处应力分量与应变分量是连续的； 4 压电片具有相同的横观各向同性，极化方向垂直于板面： 5 压电陶瓷中电场强度沿厚度方向是均匀的。 jl r 3 r p z 七1 凡 卜、 ll ll - 一 il 图3 5 复合双压电层压电振子的机构尺寸示意及坐标系 山东大学硕士学位论文 能量法，人们常称之为瑞莱一李滋法，简称李滋法。李滋法在数学上，即 是泛函求极值变分问题。它是利用系统最小总势能原理或者最小余能原理， 求解力学问题的一种近似方法。 最小势能原理指出：在所有满足连续和位移边界条件的所有可能位移场中， 实际存在的位移应该使系统的总势能取最小值，总势能是系统的应变能和外力 势能之和 6 1 1 。 根据最小势能原理，轴对称复合双压电层压电振子总势能泛函i 可以表示 为，= 互其中是复合结构的总的形变势能，丁是动能，魄是夕1 , ) 5 1 1 激励电 压的电能。如果要从最小总势能原理出发，首先设定挠度函数w ，它可以表示 为某一选定的函数序列w 历线性组合，可以令w = ( m = o ，l ，2 ，) 。 所 根据最小势能原理的要求，w 用必须满足复合压电振子的位移边界条件的连 续函数。而c 朋是待定系数。总势能i 是挠度及其导数的泛函，由于挠度函数v v 己选定了w 州于是总势能又是待定系数c 小的函数。总势能极小的必要条件，要求 ( 3 1 ) 根据能量法的原理可以求出复合双压电层压电振子的静态挠度公式： 1 ) 单晶硅的几何方程和物理方程 6 2 1 ( 1 ) 用挠度表示的几何方程 a 2 w 一z 矿 z 伽 岛一7 石 q 单晶硅沿半径方向的应变，岛是单晶硅环向的应变。 ( 2 ) 用挠度表示的物理方程 q = 一禹( 窘+ 等警 = 一尚( “拿七刳 q 单晶硅沿半径方向的应力，o - o 单晶硅环向的应力。 2 ) 压电层的几何方程和压电本构方程 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 第3 覃复合双压电层压电振子的性能分析 ( 1 ) 用挠度表示的几何方程 - 屹挚( 3 - 4 ) 品= 一三掣 s l 是压电片的径向应变，& 是压电片的环向应变。 ( 2 ) 压电本构方程f 6 3 1 设在上下两个圆面上加电极，并沿z 轴极化，则g 型压电本构方程可简化为 墨= 五+ 瓦+ 9 3 。d 3 岛= 五+ s i d l 瓦+ 9 3 t d 3 ( 3 - 5 ) 毛= - 9 3 。五- 9 3 。互+ 麒岛 将方程组( 3 - 5 ) 转换为物理方程，同时用挠度表示得 正= 一南( 害+ 竺r 蚴a r ) 一希苗岛 乙= 一南卜等+ 剖一朽b 。石 铲一希与( 害+ 导詈 佤岛 t l 是压电片的径向应力，t 是压电片的环向应力，d 3 是压电片上下圆面的 电位移，0 是压电膜片的泊松