用于微型阀的磁性双稳态系统作用力研究

杨博淙，王伯雄，张 金，罗秀芝

（清华大学精密仪器与机械学系精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084）

0 引言

微型阀是微流体器件的重要组成部分，也是微流体通断和流向控制的重要元器件［1，2］。经过二十几年的发展，其应用范围不断扩大，从打印喷头到生物化学分析系统，从工业气动控制到微型致动系统，很多领域都可以见到微型阀的身影［3～5］。微型阀可分为常开阀、常闭阀和双稳态阀，其中，双稳态阀能够在不需要外来致动力的情况下维持开阀状态或者闭阀状态，仅仅在改变微型阀开闭状态时需要外加致动力，因此，对于降低微型阀功耗具有特殊意义。本文提出一种基于两块环形永磁体和一片软磁片的磁性双稳态系统，对其能够提供的流体密封力通过有限元方法进行研究，并完成了实验验证。

1 结构设计

如图1所示，在两块同轴布置的相同大小的环形永磁体之间布置一软磁片。将永磁体和密封膜固定在壳体中。当软磁片处于下方稳态位置时，它在磁场力作用下紧压在导力钉上，导力钉进一步压迫在密封膜上使其变形从而密封住流体通道。而此时，上部的流体通道是连通的。以一定的致动方式推动软磁片向上方移动。软磁片在经过两环形永磁体的中间平面位置后，会在磁力系统作用下自动进入到上方稳态位置，从而密封住上方流道。此时，下方流道被打开。软磁片在环形永磁体的吸引下能够获得磁场力的大小将决定磁性系统能够提供多大的力作用于密封流体通道。

图1 磁性双稳态系统应用在微型阀中Fig 1 Application of magnetic bistable system in microvalve

2 磁场力分析

环形永磁体选用一种外径、内径和高度依次为3，1，2 mm的产品。它的材料型号为钕铁硼N45，磁化方向为轴向，剩磁Br为1.37T，矫顽力Hc为860kA/m。它的外表面采用镀金覆盖作为保护层。对两种软磁片材料进行分析，分别是钢和坡莫合金。它们是两种常用的软磁材料，其中，钢的初始磁导率比坡莫合金小很多，但是饱和磁感应强度达到3.2 T以上;坡莫合金的初始磁导率非常大（最大值达到80000），然而饱和磁感应强度小于0.8 T。

由于软磁片的磁导率与永磁体钕铁硼的磁导率不同，表现出较强的非线性，磁场力计算难以得到解析解，故采用有限元分析的方法对磁场力进行求解。由于永磁体和软磁片都是轴对称结构，故可将三维计算模型简化为二维轴对称计算模型。

2.1 单永磁体情况

对软磁片在单块永磁体作用下的受力进行分析。假设软磁片厚度d为100 μm，与永磁体之间的距离t为25 μm，分析软磁片半径与其所受磁场力之间的关系。如图2中的数据点所示，无论是钢材料软磁片还是坡莫合金材料软磁片，当软磁片的半径r略大于永磁体外半径10%左右时，其受到的磁场力即可基本达到峰值。当软磁片的半径小于永磁体内半径1 mm时，其受到的磁场力小于受力峰值的10%。当软磁片的半径处于永磁体内半径与外半径之间时，由于在那部分区域里磁感应强度基本上是均匀的，所以，其受力与其面积也就是半径的平方呈现出线性关系。由于坡莫合金材料的饱和磁感应强度远远小于钢材料，所以，它的受力也要小于钢材料很多。在随后的分析当中，将软磁片的半径假设为3.3 mm。

图2 磁场力随软磁片半径r的变化Fig 2 Magnetic force change with the radius of the soft magnet

2.2 双永磁体情况

如图3所示，当永磁体的数量由一块增加到两块，除了软磁片厚度t和软磁片与永磁体之间的距离d之外，需要增加一个参数g来表示两块永磁体之间的距离。永磁体有2种布置方式:一种是两块永磁体相吸布置，如图3（b）所示;另一种是两块永磁体相斥布置，如图3（c）所示。当永磁体相吸布置时，两块永磁体之间的磁通密度，亦即磁场能会增加;反之，磁通密度，亦即磁场能会减弱。

图3 双稳态磁性系统有限元分析Fig 3 Finite element analysis of the magnetic bistable system

图4显示的是当软磁片半径r为3.3 mm，软磁片与上部永磁体距离d为25μm，两块永磁体距离g为1.0mm时，钢材料软磁片和坡莫合金材料软磁片在不同磁场环境下受到的磁场力随其厚度t变化的数据图。通过观察可以发现，无论是钢材料软磁片还是坡莫合金材料软磁片，比较它们在不同情况与不同厚度下所受磁场力大小，恒有

选择100 μm作为软磁片的厚度，这个厚度既能够保证软磁片具有一定的强度，不易发生弯曲变形，又能够提供大于1 N的磁场力，还不至于因过厚造成材料浪费。对于双稳态磁性系统而言，两块永磁体之间的距离g对软磁片所受磁场力的影响有待研究。当距离g过大，会增加软磁片在永磁体之间运动的时间，影响阀门的开闭响应速度;当距离g过小，会对加工精度提出比较高的要求，不利于降低制造成本。

图4 不同情况下的磁场力比较Fig 4 Comparison of magnetic force in different situations

如图5中的数据点所示，当软磁片半径r为3.3mm，厚度t为100 μm，与上部永磁体距离d为25 μm时，随着两块永磁体之间的距离g增大，软磁片的受力呈现出先显著增大，达到峰值后缓慢回落，并不断趋近如同只有单永磁体作用时受力大小的形态。磁场力峰值比单永磁体作用下的磁场力增加约30%，钢材料和坡莫合金材料软磁片的峰值受力约为3.2，1.5 N。可以选择1 mm作为永磁体间距g的参考值，尽管此时软磁片的受力不是最大的，但是仍然较单永磁体作用时的受力大15%以上，且对于微型阀的加工精度要求不高。

图5 磁场力随距离g的变化Fig 5 Magnetic force change with the distance g between the two magnets

3 实验验证

对有限元分析的结果进行实验验证，将图1中的壳体向四周延伸并挖出空腔，在软磁片与永磁体之间用一定厚度的膜片隔离并将膜片固定在壳体边沿上。采用气压源向空腔中通入高压气。当气压达到一定程度，会推动膜片和软磁片离开紧压环形永磁体的状态。此时的压强乘以驱动膜的面积可认定为软磁片所受磁场力的大小。膜片的半径是9 mm，除去软磁片压紧在永磁体的面积（半径为3 mm），气压的有效作用面积约为226 mm2。

测量结果和有限元分析结果列在表1和表2当中。由于膜片的实际厚度是75 μm，所以，有限元分析结果较d=25 μm情况下偏低。通过比较可以发现，实验结果比有限元分析结果略大，这是由于部分气压力需要用来克服驱动膜在变形时边沿产生的张力。

表1 单永磁体情况下有限元分析与实验结果比较Tab 1 Comparison of simulation and experiment when one magnet acts on the soft magnet

在双稳态磁性系统作用下，以坡莫合金软磁片为例，若入口压强作用半径为0.5 mm，理论密封压强如式（1）所示，远远大于工业气动控制所要求的4 bar。

表2 双永磁体情况下有限元分析与实验结果比较Tab 2 Comparison of simulation and experiment when two magnets act on the soft magnet

4 结论

本文提出了一种可降低微型阀功耗的磁性双稳态系统，并对软磁片在单块或者双块永磁体作用下的磁场力进行了有限元分析。分析结果显示:为了获得较大的磁场力，软磁片的半径应该比永磁体的半径大10%左右。软磁片在永磁体相吸放置情况下受到的磁场力大于相斥放置情况下的磁场力。当两块永磁体以相吸放置的形式同轴作用于软磁片时，两块永磁体的距离会对软磁片受到的磁场力产生重要影响，磁场力峰值可以比单块磁体作用时增加约30%。通过实验验证了有限元分析结果，软磁片在永磁体作用下提供的磁场力能够满足微型阀气动控制需要。

［1］肖丽君，陈 翔，汪 鹏，等.流体系统中微阀的研究现状［J］.微纳电子技术，2009，46（2）:91 －98.

［2］Kwang W O，Chong H A.A review of microvalves［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2006，16:13 －39.

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［4］Yager P，Edwards T，Fu E，et al.Microfluidic diagnostic technologies for global public health［J］.Nature，2006，442:412 －418.

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