基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動微流體泵的原理、結構及特性模擬.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、在生物工程、臨床醫(yī)學、集成電路制造和航空航天等領域,對可以精確定量輸送微小流量的裝置及系統(tǒng)都有迫切需求。微流體泵、微流體閥和微流量傳感器是微流體控制與輸送系統(tǒng)中的關鍵部件。其中,微流體泵是微流體系統(tǒng)中必不可少的組成部分,在片上芯片、藥物控釋、液體冷卻系統(tǒng)、胰島素治療系統(tǒng)等應用領域具有巨大的應用前景。由于壓電驅動器具有高分辨率、快速響應、低功率消耗、易于控制、出力密度大以及控制精度高的特點,采用壓電執(zhí)行器的具有主動控制能力的微流體泵已得到

2、深入研究。與有閥式壓電泵相比,無閥壓電泵的工作效率可以得到提高,但是因為沒有止回閥,泵的工作壓力和截止性能都急劇下降。被動閥壓電泵也存在閥的開啟與關閉與驅動器之間存在相位差、響應滯后、截止性能差等問題,也不適合對流體的精確控制。本文提出了一種基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動微流體泵。它采用具有圓環(huán)面邊界的主動控制微流體閥分別作為進液閥和出液閥(作為止流閥),進液閥和出液閥的閥腔與采用圓盤形壓電單晶執(zhí)行器驅動的泵腔相連而構成多腔體的結構

3、。根據(jù)驅動電壓作用在圓盤形壓電單晶執(zhí)行器上的撓度特性,對泵腔體積變化量進行了數(shù)學建模和分析。同時,根據(jù)擴展的伯努利方程,并結合圓盤間隙流理論,對泵流量進行了建模。在此基礎上,構建了實驗系統(tǒng),對壓電致動微流體泵的泵流量和背壓、具有圓環(huán)面邊界的主動控制微流體閥流量和圓盤形壓電單晶執(zhí)行器撓度進行了實驗測試。為了使該壓電致動微流體泵具有更好的性能,對其驅動元件-圓盤形壓電單晶執(zhí)行器-進行了建模和優(yōu)化設計。
  本研究主要內容包括:⑴提出并

4、實現(xiàn)了一種具有圓環(huán)面邊界的主動控制微流體閥的原理及其結構。在閥體上的通孔和與其同軸的圓環(huán)柱體自然形成圓環(huán)面邊界。與通孔和圓環(huán)柱體同軸覆蓋在閥體上的圓盤形壓電單晶執(zhí)行器與圓環(huán)柱體形成密閉的流體腔。如果將通孔看成進液通道并與進液口相連,則流體腔通過出液通道與出液口相連。通過改變外部驅動電壓可以實現(xiàn)圓盤形壓電單晶執(zhí)行器與圓環(huán)面邊界之間的間隙高度控制,達到控制主動控制微流體閥的開啟、關閉及其開啟的程度,實現(xiàn)流量控制。⑵利用流體力學中的平行圓盤隙

5、縫流理論和擴展的伯努利方程,結合經(jīng)典層合板理論所建立的撓度模型,建立了具有圓環(huán)面邊界的主動控制微流體閥的主動控制流量模型,根據(jù)建立的數(shù)學模型,對在圓盤形壓電單晶執(zhí)行器上的驅動電壓、閥的結構參數(shù)對閥流量特性的影響進行了數(shù)值仿真與分析。并加工了三種具有不同的內、外徑組合的圓環(huán)面邊界的主動控制微流體閥的原型,在建立的實驗裝置上對其流量特性進行了測試。⑶提出并實現(xiàn)了對圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的結構優(yōu)化。根據(jù)常用圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的尺寸約束條件,結

6、合多目標參數(shù)優(yōu)化的方法,實現(xiàn)了為具有圓環(huán)面邊界的主動控制微流體閥獲得最大間隙高度以及使基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動微流體泵獲得最大泵腔體積變化量,從而使得圓環(huán)面邊界的主動控制微流體閥和基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動微流體泵獲得最大流量。⑷提出并實現(xiàn)了一種基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動微流體泵的原理及其結構。這種基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動微流體泵采用一種具有圓環(huán)面邊界的微流體主動控制閥構成進液閥和出液閥,將圓盤形壓電

7、單晶執(zhí)行器覆蓋在泵體的圓柱形沉孔的開口面構成泵腔,在泵腔與進液閥閥腔和出液閥閥腔之間構建流體通道。通過改變作用于構成主動控制微流體閥和泵腔的圓盤形壓電單晶執(zhí)行器上的激勵電壓實現(xiàn)流量的主動控制。⑸對基于圓盤形壓電單晶執(zhí)行器的壓電致動微流體泵流量、背壓特性和體積變化量進行了基本特性模擬和分析。根據(jù)驅動電壓作用在圓盤形壓電單晶執(zhí)行器上的撓度特性,對泵腔體積變化量進行了數(shù)學建模和分析。同時,根據(jù)圓盤間隙流理論,對進液閥流量模擬,并結合伯努利方程

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