一种无阀压电微泵设计与分析

赵远方+陈正阳

摘 要：基于扩散口/收缩口的无阀压电微泵，利用扩散口/收缩口的整流特性来代替单向阀实现流体的泵送。在选取压电相和基体相，并建立压电体单元、基体实体单元。利用ANSYS软件仿真求解，设计出微泵尺寸16mm×16mm×1.7mm，泵腔的尺寸直径13mm，厚度0.2mm，扩散口/收缩口大端边长0.8mm，小端边长0.52mm，长0.4mm，并简述了微泵制造工艺流程。

关键词：微泵；压电；制造工艺

中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0114-03

前言

无阀微泵的原理是利用扩散口/收缩口管道流路对流体的阻力的不同形成流量的差值。如图1（a）所示，当压电振子向上振动时，泵腔体积增大，泵腔吸液，液体从收缩口/扩散口分别吸入泵腔，但扩散口管道对液体的阻力小于收缩口管道，相应的从扩散口吸入的液体也就多收缩口；如图1（b）所示，当压电振子向下振动时，泵腔体积减小，泵腔送液，收缩口/扩散口同时将液体泵出，但扩散口管道对液体的阻力大于收缩口管道，相应的从收缩口泵出的液体也就多于扩散口。所以，压电振子在交变电流下周期性的形变带动泵腔的体积周期性的形变，就形成了无阀微泵的连续差量流动。

1 参数确定

本文选取压电陶瓷PZT-5A作为压电相，Cu作为基体相。材料参数如表1所示。

介电常数常用相对介电常数表示，其值等于同样电极情况下介质电容与真空电容之比：k=，0=8.85×10-12F/m[2]。PZT-5A相对介电常数如表2所示。

PZT-5A压电常数[3]如表3所示。

PZT-5A弹性常数[4]如表4所示。

2 模型的建立

在ANSYS选择SOLID226作为压电振子压电体的单元，SOLID185作为压电振子Cu基体的单元。建立两个材料模型，模型一定义密度、楊氏模量、泊松比作为Cu基体的材料；模型二定义密度、相对介电常数、压电常数、弹性常数作为压电体的材料，直接建立压电体与基体两个薄的圆柱实体。

3 施加约束并求解

3.1 静态分析

在简支撑方式时，压电振子边界没有完全被约束，故只限制铜基体上下表面圆周处Z方向的自由度，而固支撑方式则是X、Y、Z方向自由度完全限制。设定压电体半径5mm，厚度为0.2mm；铜基体半径为7mm，厚度为0.15mm，驱动电压为10V。简支如图3所示，固支如图4所示。

对比可知，在驱动电压、压电体铜基体半径、厚度相同条件下，简支承方式比固支撑方式压电振子中心位移大。但由于圆形压电振子在简支方式下，考虑其变形方式不对称，导致其在激励电压坐下产生的最大位移可能不处于压电振子中心，且在实际安装中，简支方式安装较难，综合采用固支撑方式更佳。

（1）驱动电压对压电振子位移的影响

设压电体半径5mm，厚度0.2mm；铜基体半径7mm，厚度0.15mm。在压电体下表面施加0V电压，压电体上表面分别施加从10V到100V不同电压进行仿真。如图5。

分析可知在一定的驱动电压变动范围内，随着驱动电压增大，压电振子中心位移增大，且两者之间呈线性关系。

（2）铜基体半径大小对压电振子位移的影响

设压电体半径5mm，厚度0.2mm；铜基体厚度0.15mm。在压电体下表面施加0V电压，在压电体上表面施加10V电压。从6mm到10mm分别设定铜基体的半径进行仿真，分析铜基体半径对压电振子位移的影响，求解结果如图6。

不难看出压电振子中心位移随着铜基体半径增加而增加，但不呈线性，且增量递减。

（3）铜基体厚度对压电振子位移的影响

设压电体半径5mm，厚度0.2mm；铜基体半径7mm。在压电体下表面施加0V电压，在压电体上表面施加10V电压。从0.1mm到0.3mm分别设定铜基体厚度进行仿真，分析铜基体厚度对压电振子位移的影响。如图7。

经过求解可得出压电振子中心位移随着铜基体厚度增加而递减，但两者之间关系不呈线性，且减量递减。

3.2 模态分析

设压电体半径5mm，厚度0.2mm；铜基体半径7mm，厚度0.1mm，驱动电压为10V（根据上述分析取较优数据）固支撑方式。建立Modal分析类型，设定十阶振动频率，起始频率为0，终止频率为60Hz。如图8。

由数据仿真可知，压电振子处于1阶振型和6阶时，其最大振型发生在压电振子中心处，而其余阶振型的最大振型均发生压电振子边缘处。对比1阶和6阶振型可得，压电振子在6阶振型时，其变形方向有正向和反向变形，而1阶振型则只有正向变形，又因压电陶瓷与铜的耦合的压电振子是以Z轴对称的，有两阶频率相同是因为一个是XOZ面的弯曲，一个是YOZ面的弯曲，所以两阶频率值大致相同。因此，压电振子处于1阶变形时，其振型效果最佳。

3.3 谐响应分析

采用Full法（完全法），利用ANSYS对压电振子进行协响应分析，由模态分析可知电振子共振频率为8.17Hz，则设定谐响应分析激励频率范围为7.5Hz到8.5Hz。取压电振子中心点得到如图9，可以看出最大位移正好处于8.17Hz处附近。

4 结构设计及制造

由仿真可知，铜基体半径越大越好，但在半径增大同时，泵体半径也增大，泵体体积也会增大，因压电振子振动而改变的体积与泵体总体积之比减小，泵送效率也减小，所以铜基体半径应取适中。取压电体半径5mm，厚度0.2mm，铜基体半径为7mm，厚度0.1mm，并采用环氧树脂粘合。为保证泵送效率，泵腔半径则应相近，暂定泵腔直径13mm，厚度0.2mm，收缩口/扩散口大端边长0.8mm，小端边长0.52mm，长0.4mm。上泵体厚0.5mm，边长16mm，挖空一个深0.4mm，边长15mm的长方体用于放压电振子。下泵体边长16mm，厚0.6mm，在据中心等距离与扩散口/收缩口对应处挖一个直径为2mm的圆形孔作为出水口和入水口。三维模型如图10所示。

因铜基体与液体直接接触，在铜基体下表面涂一层环氧树脂作为绝缘层，综合弹性性能与加工性能选择QSn4-3锡青铜，牌号为GB/T 13808-1992。每部分之间均采用环氧树脂粘接，环氧树脂粘接剂可承受最大拉伸强度40MPa最大剪切强度28MPa，小于铜和PZT-5的拉伸强度和屈服强度，可知整个微泵结构中在外加驱动电压时，在压电振子处有最大应力。

在制作微泵时，压电振子的制作需要稀盐酸对铜进行预先处理，除掉铜表面附著的氧化铜，再用环氧树脂将铜和PZT-5A粘接。上泵体、下泵体与泵腔均使用玻璃作为材料，加工处需要用弱酸腐蚀出。

制作扩散口/收缩口是整个过程最复杂与精密的一部分，需要运用到微机电加工制作，选用材料为硅，具体制作过程为清洗、氧化、甩胶、光刻显影、去氧化硅开窗口、去胶、腐蚀、去氧化层。清洗是为除去硅晶体便面的污染物，并增强表面的粘附性以及保证氧化层的致密性；氧化是为了在硅晶体表面生成一层致密的二氧化硅，作为腐蚀制作扩散口/收缩口时的保护膜；光刻显影是为了在表面生成了二氧化硅薄膜上将掩膜版上的图形完全对应的刻蚀出来，作为腐蚀锥形管的基础。

5 结束语

利用ANSYS求解压电体、基体在不同尺寸下对压电振子的影响，在其他条件不变时，驱动电压增大压电振子中心位移增大，铜基体半径增大压电振子中心位移增大，铜基体厚度压电振子增大中心位移减小。并对泵体进行结构优化设计。

参考文献：

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