PDMS压电微泵设计与实验

李　明,　刘丕浩

(长春工业大学 机电工程学院， 吉林 长春　130012)



PDMS压电微泵设计与实验

李明,刘丕浩

(长春工业大学 机电工程学院， 吉林 长春130012)

摘要：以固态聚二甲基硅氧烷(PDMS)为泵体材料,设计了压电振子的支承方式，采用双腔串联结构，由PDMS双腔串联压电泵驱动。 分别用蒸馏水、柠檬酸钠溶液、氯金酸溶液3种流体测试了PDMS压电微泵的工作性能，证明该电泵不仅能够输送低粘度液体(如水)，对于粘度较高的流体(如一些化学反应溶液)也具有较好的输送性能。

关键词：微流体反应器； PDMS； 双腔串联； 压电泵

0引言

压电微泵是一种新型往复式容积泵，它是利用压电陶瓷的逆压电效应即在电信号的作用下压电陶瓷会产生机械变形的特点来工作的[1]。微流体反应器是一种微型的流体混合反应装置。由于压电微泵驱动系统和工作元件都是由压电振子来完成的，不需要复杂的工作系统，因此可以根据需要将微泵的结构尺寸做到很小；另外压电微泵可以方便地通过调节电压和频率来精确控制其输出，精准地供给反应液体，并可根据需要对供给液体的量进行自动调控[2]；此外，压电振子有着结构简单、适频范围宽、响应快、控制好等优点，在多种不同信号的激励下可以产生多种不同的振动形态，从而为微反应器的混合提供更多可供选择的脉动混合模式，达到更为理想、高效、可控的混合效果[3]；因而使用压电微泵作为微流体反应器的驱动源较其他驱动形式有着巨大的优势。

经过国内外各机构对压电泵的研究和反复试验，已经解决了压电泵最初研究时存在的一些问题，即自吸性不好、抵抗气泡能力差、不能长期稳定工作等问题，开发了多种型号、多个尺寸、多种腔体结构的压电微泵，不仅能够输送粘度比较低的像水这样的液体，还可以输送粘度达到234.6 mPa·s的高粘度的流体。因此，选用振子直径为15 mm、双腔串联结构形式的一种压电泵作为所设计微流体反应器的驱动源。

1双腔串联压电微泵的工作原理

双腔串联压电泵的结构及工作原理如图1所示。

图1　双腔串联压电泵的结构及工作原理

双腔串联压电微泵(简称压电微泵)结构简单、零部件少，仅由2个压电振子、3个阀片、2个腔体组成，其中，阀片1是单向入口阀，阀片2是中间阀片，阀片3是出口单向阀。其工作原理是：对压电振子1、压电振子2通入相位差为180°的驱动激励信号[4]，即工作模式Ⅰ：当压电振子1向上振动的时候,压电振子2也向上振动；反之为工作模式Ⅱ：当压电振子1向下振动的时候,压电振子2也向下振动。当处于工作模式Ⅰ时，压电振子1向上振动，上腔体容积变大，上腔体内压力小于泵体外压力，单向入口阀(阀片1)打开，阀片3闭合，流体经入口进入上腔体；与此同时，压电振子2也向上振动，下腔体的容积变小，下腔体内压力大于泵体外压力，阀片3闭合，单向出口阀2打开，下腔体内的流体经出口流出；当处于工作模式Ⅱ时，压电振子1向下振动，上腔体容积变小，单向入口阀(阀片1)关闭，阀片3打开，与此同时，压电振子2也向下振动，下腔体的容积变大，单向出口阀(阀片2)关闭，流体从上腔体流入下腔体。在正弦激励下，压电振子1与压电振子2不断地同时上下振动，上下腔体的体积不断地增大和减小，如此不断循环往复，实现流体的单向流动。

2基于PDMS的压电微泵的设计制作

压电微泵的泵体材料一般是PMMA，使用精雕机加工制得[5]，由于文中需要将微泵泵体与混合流道集成在同一块PDMS基片上，其制作材料和加工工艺都与以往不同，所以有必要对基于PDMS的压电微泵的设计制作进行研究。

2.1压电振子的选择及工作特性研究

压电振子是压电泵的动力元件，文中选用的压电振子是圆形单晶片压电振子，其结构组成如图2所示。

图2　压电振子结构图

它是由压电陶瓷粘结在铜基板上组成的[6]，压电陶瓷片用的是PZT系列的P5型压电陶瓷，因为该种压电材料耦合系数高、损耗低、功率高、介电常数低，适合作为压电振子的驱动元件[7]。铜基板的作用是保护硬而脆的压电陶瓷、增大刚度、增加振子输出力。文中选用直径d=15 mm的压电振子。

在理想工作状态下，单腔泵的输出流量为[8]：

(1)

输出压力为：

(2)

理论上双腔串联压电泵的输出压力为：

(3)

双腔串联压电泵的输出流量为：

(4)

d----压电晶片直径；

t----压电晶片厚度；

U----电压；

d31----机电耦合系数；

f----工作频率。

分析上述公式可以看出，压电泵的工作性能与输入电压成正比，输出流量还受工作频率及阀片出流效率的影响。采用多腔串、并联结构是提高压电泵综合工作性能的重要途径。

2.2压电泵的结构设计及制作

传统的PMMA压电泵通常采用层叠结构，压电振子的支撑方式介于固支与简支之间，适于压电振子的一阶模态振动，振子变形量也较大。当制作PDMS微泵时，若将压电振子直接粘接在PDMS弹性体上，此时压电振子的支撑方式已近似为自由边支撑，如图3所示。

图3　自由边支撑

这种支撑方式使泵腔容积变化较小，影响压电泵的工作性能。鉴于此，压电振子的安装采用在PDMS弹性体中添加硬质垫圈的方法，将振子装配在硬质垫圈上，改善压电振子的支撑方式，从而增加腔体的变形量，以提高PDMS压电泵的工作性能。

双腔三阀式压电微泵的泵体三维结构，整个泵体长宽均不到20mm，高度也仅为6mm，如图4所示。

图4　PDMS微泵泵体结构设计图

采用模板复制法来加工PDMS泵体，制作微泵泵体的模具以及制得的PDMS泵体如图5所示。

图5　压电微泵泵体模具及制得的PDMS泵体

2.3微泵装配

文中所用驱动源属于双腔串联式的压电微泵，其输出压力和流量较单腔体压电泵和双腔并联式的都高，以满足微混合对流量和压力条件的需要。在微泵结构设计上采用迭片技术，使驱动源结构更加紧凑，减小泵的尺寸，压电微泵的三维爆炸图如图6所示。

图6　压电微泵装配爆炸图

其中，PDMS泵体上有环状的凹槽，装配时硬质垫圈嵌入凹槽中。阀片采用悬臂梁式结构，两阀片正反叠加构成单向进出口阀；阀片顶部有定位边，便于装配时对中定位。阀片、压电振子、垫圈及PDMS泵体围成的空腔即为泵腔。压电振子和阀片的装配采用粘接工艺，把阀片粘在PDMS泵体的凹槽中，将压电振子装配在垫圈中，在上层用粘胶固定密封，待粘胶固化后，焊接引线，完成压电泵的制作。

压电微泵的装配采取粘接工艺，由于零件尺寸小，整个装配过程在放大装置下精密进行，具体装配制作工艺如下：

1)对压电振子1及压电振子2进行导线焊接处理，之后将它们进行单面绝缘化处理。

2)利用激光切割机切割出所需结构尺寸的三种阀片备用。

3)制作PDMS泵体，用数控精雕机雕刻出泵体阳膜，然后制作出PDMS泵体，具体流程此处不赘述。

4)微泵整机装配，装配顺序为先阀片后振子，最后将引线布置在引线槽内，固定方法为在各零件边缘涂上适量环氧树脂胶后，用紫外灯照射使其固化。

5)微泵装配完成后对其进行初步测试，确定合格可用后进行干燥，完成压电微泵的制作。

3基于PDMS的压电微泵工作性能测试

基于PDMS的压电微泵的输出性能是否能够达标直接影响着微混合的混合质量和混合效率，很大程度上决定了微流体反应器的性能，所以对其进行工作性能测试是文中重要研究之一。

3.1实验测试方案设计

压电微泵的实验测试方案示意图如图7所示。

图7　压电微泵实验测试方案示意图

主要设备包括信号发生器、功率放大器、带标尺的支架、烧杯、量筒、塑料管、标尺、秒表等。其中,图中标示的流体有蒸馏水、氯金酸溶液和柠檬酸钠溶液3种，即实验要分别测试压电微泵泵送3种不同粘度流体的性能；具体内容为分别测试压电微泵泵送3种不同流体时在不同电压以及不同工作频率条件下的输出压力、流量。

3.2基于PDMS压电微泵的工作性能测试

集成在微流体反应器中的压电微泵在工作中泵送的是化学反应溶液，对于不同粘度的流体驱动源的工作性能是不同的，所以不仅仅需要测试基于PDMS的压电微泵输送水的性能，也要测试其对粘度不同的化学反应溶液的工作能力。文中测试了压电微泵输送柠檬酸钠溶液和氯金酸溶液的工作性能。实验用柠檬酸钠溶液和氯金酸溶液浓度分别为1.5mg/kg和1mg/kg，温度为室温。

压电微泵输出流量、输出压力与电压之间的关系特性曲线如图8和图9所示。

图8　压电微泵泵送不同流体的输出流量—电压特性曲线

图9　压电微泵泵送不同流体的输出压力—电压特性曲线

压电微泵输出流量、输出压力与工作频率的关系特性曲线如图10和图11所示。

图10　压电微泵泵送不同流体的输出流量—频率特性曲线

图11　压电微泵泵送不同流体的输出压力—频率特性曲线

由此可得出结论：自制基于PDMS的压电微泵具有良好的工作性能，其不仅能够输送像水这样粘度比较低的液体，对于粘度较高的流体(如一些化学反应溶液)也有较好的输送性能。

分析特性曲线可知，柠檬酸钠和水粘度比较接近，两种流体的工作特性曲线基本一致；3种流体的输出流量和输出压力都随着输入电压的增大而增大，但氯金酸溶液的输出流量较低；随着频率的增大，3种流体的输出流量和输出压力都先增大后减小，其输出压力相差不大，但氯金酸溶液的输出流量明显低于其他两种低粘度流体，且其最佳流量工作频率和最佳压力工作频率都有所降低。

4结语

介绍了作为微流体反应器驱动源的压电微泵工作原理及其设计制作以及工作性能测试。为了将驱动源集成在微反应器内，文中用固态PDMS制作泵体，然后分别用蒸馏水、柠檬酸钠溶液、氯金酸溶液3种流体测试了基于PDMS压电微泵的工作性能，证明了其具有良好的工作性能，不仅能够输送像水这样粘度比较低的流体，对于粘度较高的流体(如一些化学反应溶液)也有较好的输送性能，并得出结论：

1)3种流体的输出流量和输出压力都随着输入电压的增大而增大，柠檬酸钠溶液和水溶液曲线基本一致，氯金酸溶液输出流量较二者较低。

2)随着频率的增大，3种流体的输出流量和输出压力都先增大后减小，其输出压力相差不大，但氯金酸溶液的输出流量明显低于其他两种低粘度流体。

3)氯金酸溶液的最佳流量工作频率和最佳压力工作频率都有所降低，但并不是过于明显。

参考文献：

[1]程光明,刘国君,杨志刚,等.一种利用迭片结构构造的微型压电泵[J].压电与声光，2006,28(2)：243-245.

[2]贺林，纪秀，郑文.新型金属阀在小型压电泵中的应用[J].压电与声光，2011,33(1)：72-76.

[3]韦丽君,尹晓鹏,张铁鑫.微构件的热注射近净成型控制[J].长春工业大学学报:自然科学版，2014,35(3)：261-265.

[4]曹炳鑫，张建辉，陈道根，等.半球缺阻流体无阀压电泵流场分析[J].压电与声光，2014,36(4)：515-518.

[5]吴越，杨志刚，刘勇，等.压电振子对压电泵极限输出压力的影响[J].西安交通大学学报，2013，47(4)：73-78.

[6]程光明，何丽鹏，曾平，等.单晶片主动式放大阀片压电泵的设计与实验研究[J].压电与声光,2010,32(4)：578-582.

[7]赵天，杨志刚，刘建芳，等.利用压电微泵驱动和脉动混合可控合成金纳米粒子[J].光学精密工程，2014，22(4)：904-910.

PDMS micro piezoelectric pump design and experiments

LI Ming,LIU Pihao

(School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Abstract：With solid Polydimethylsiloxane (PDMS) as pump body material, we design the PZT actuator's support mode, dual-chamber tandem and PDMS double cavity pressure pump. Three kinds of fluid such as Distilled water, Na-Citrate liquor and chloroauric acid liquor are used to test the PDMS micro piezoelectric pump performance. The results show that the pump can transport not only low viscosity liquid like water but high viscosity fluid like some chemical reaction liquor as well.

Key words：microfluidic reactor; PDMS; dual-chamber tandem; piezoelectric micro-pump.

收稿日期：2016-02-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375207)

作者简介：李明(1969-)，男，汉族，吉林松原人，长春工业大学副教授，硕士，主要从事计算机辅助设计方向研究,E-mail:lim@ccut.edu.cn.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.2.01

中图分类号：TP 394.1； TH 691.9

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2016)02-0105-05