微型主被动阀结合式压电泵的试验研究

孙静　鲁海龙

摘 要：针对如何提高微型主动阀类压电泵的输出特性的问题，提出了主被动阀结合式压电泵的研究方案，并设计制作了压电泵，进行了试验研究。试验结果表明：主被动阀相结合式压电泵最大输出流量为520ml/min，最大输出压力25kPa。

关键词：压电泵；主动阀；试验

1 引言

压电泵是根据压电材料的逆压电效应，压电振子在输入电信号下产生变形，变形使压电泵的腔体容积变化实现液体输出或者利用振子产生波动来传送液体，可实现重量轻、无噪声、结构简单、耗能低、无干扰、体积小等特性[1-4]，可利用施加频率或电压的大小控制输出微流量等等，被广泛应用在医疗/制药、化学分析、生物工程、电子器件冷却等方面[4-9]。

近年来人们研制出各种类型的压电泵，这些压电泵中被动阀压电泵其主要原理是利用液体的流动推动阀的开启，而主动阀压电泵则是通过主动方式控制阀的开和关，根据主动阀压电泵的特点，提出了主被动阀结合式的双腔串联压电泵方案，以期提高压电泵的输出性能，改善压电泵的工作能力。

2 结构与工作原理

主被动阀结合式的压电泵的结构如图1示，泵的进出口阀是主动阀，阀的开启和关闭完全是由外界驱动信号根据泵腔体积变化情况的要求来控制的。因此，进、出口阀的开启和关闭时间可以做到准确自如，这就控制了阀对于压电振子的滞后性，消除了流体在流经阀口、开启单向阀时的能量损失，有效地抑制了倒流现象。该泵是利用两个腔体串联，泵腔1的出口是泵腔2的入口，两腔之间安装一个伞形阀，即被动阀，将两腔分开，理论上两串联腔体可以提高泵是输出压力和输出流量。

双腔串联压电泵在工作时，两泵腔压电振子的电极所加驱动电信号相位差为180o，以使压电振子异步振动。该泵的一个工作循环可分为两个阶段：

（1）给进口压电振子和出口压电振子施加电信号，使进口阀打开，出口阀打开；改变泵腔的驱动电信号，使泵腔1压电振子向上弯曲，液体从入口吸入腔体1中，泵腔2压电振子向下弯曲，泵腔2中的液体从出口流出。其工作状态如图2所示。

2） 当改变主动阀的控制信号时，使进口阀关闭，出口阀关闭；给泵腔压电振子施加电信号，使泵腔1振子向下弯曲，泵腔2振子向上弯曲，腔体1体积随信号改变而减小使压力增加，泵腔2体积反而增大使压力降低，故液体从泵腔1排至泵腔2，泵腔1与泵腔2的共同作用增强了流体的单向流动，其工作状态如图3所示，这样就完成了一个工作周期。

3 试验研究

对主被动阀结合式的双腔串联泵的输出特性进行试验研究，主要测试泵的输出流量和输出压力，在不同驱动电压和工作频率下泵的输出特性。泵的输出流量和输出压力受泵用圆形

双晶片振子驱动信号及阀性能的影响。

3.1 泵用压电振子驱动信号

文章所研究的主被动阀结合的双腔串联压电泵的驱动信号为正弦波信号，即进出口阀和两泵腔振子的驱动信号均为正弦波信号。原因是正弦波信号振子响应也是正弦信号，虽然有滞后现象，但泵中的各个振子均是由正弦波信号驱动，滞后现象可以忽略。依据对泵工作工程的分析，进出口阀同时开启关闭，故用同样的驱动信号，泵腔1吸水时泵腔2排水，故泵腔1和泵腔2的驱动信号相反。给出的压电泵的驱动信号如图4所示。

3.2 泵的输出特性

文章采用定压调频的方法测试主被动阀结合式双腔串联压电泵的输出流量、输出压力。试验过程中分别给压电振子施加不同的驱动电压，观察泵的工作情况，测试了泵的输出特性。

对该泵施加不同的驱动电压，从泵的工作状况得知泵的输出特性和驱动电压呈线性关系，驱动电压越高，泵的输出流量和输出压力均呈线性增加。但由于压电振子有承载电压的极限值，故不能无限的增大驱动电压。文章所测试的结果驱动电压均低于100V。

图5是在压电泵工作电压在70V和90V时得到的频率-流量特性曲线。从曲线走向看，变化规律基本相同。驱动频率从60Hz开始流量快速地呈线性增加，频率增加到100Hz时流量达到最大值，当频率超过110Hz流量又开始下降，分析原因是因为驱动频率越高时，压电振子振动的幅值减小，阀口开启小，腔体体积减小，故泵的流量随之降低。可知，该双腔串联泵在工作频率约为100Hz时输出流量达到最大，驱动电压90V时压电泵最大泵水量可达到520ml/min，该频率为其输出流量的最佳工作频率。

图6是在压电泵工作电压在70V和90V时得到的频率-压力特性曲线。由图可知，两条曲线的走势基本相同，双腔串联泵的输出压力-频率曲线有波峰和波谷，初始测量的频率为60Hz，压力曲线处于波谷位置，说明此时压电泵的输出压力最小。随着驱动频率的增加，输出压力随之增大，当驱动频率达到110Hz左右时，两条曲线的输出压力基本都达到最大值，驱动电压90V时最大输出压力可达到25kPa，这说明压电泵的输出压力和流量具有相似的频率特性，工作状态都有最佳的工作频率。不同的是，随着频率继续增加，输出压力反而下降，曲线再次出现波谷，但此时输出压力并不是最小值。频率再增加，压力又继续升高，当频率达到约200Hz左右时候，压力又达到最大值，说明双腔串联泵的压力-频率特性曲线至少有两个最佳工作频率。工作过程中可以通过改变驱动频率的大小调整压电泵的输出压力，为实际应用提供条件。

4 结束语

4.1 主被动阀结合式双腔串联压电泵输出压力和输出流量均随驱动电压的升高而增大，基本呈线性关系。

4.2 主被动阀结合的双腔串联压电泵有最佳工作频率点，在最佳输出频率点输出流量和输出压力达到最大。最大输出流量为520ml/min，最大输出压力为25kPa。

4.3 试验所测得的结果对压电泵的研究有指导意义，并为提高主动控制泵的输出流量和输出压力提供了一种新的方法。

参考文献endprint

[1]阚君武，杨志刚，程光明等.压电泵的研究与发展[J].光学精密工程，2002，10（6）：619-625.

[2]赵爱玲，张海峰，王丙军.一种旋转压电陶瓷驱动器的设计和研究[J].机械设计与制造，2012，7（7）：30-31

[3]Jin-Ho Kim a， C.J. Kang b，Yong-Sang Kima.Adisposable polydimethylsiloxane-based diffuser micropump actuated by piezoelectric-disc[J].Microelectronic Engineering，2004，71：119～124.

[4]Ma Bin， Liu Sheng， Gan Zhiyn.A PZT insulin pump integrated with a silicon microneedle array for transdermal drug delivery [J].Microfluidics and Nanofluidics，2006，2（5）：417-423.

[5]Kan Junwu， Yang Zhigang， Peng Taijiang， et al.Design and test of a high-performance piezoelectric micropump for drug delivery[J].Sensors and Actuators，2005，121（1）：156-161.

[6]曾平，程光明，刘九龙，等.集成式计算机芯片水冷系统的研究[J].西安交通大学学报，2005，39（11） ：1207-1210.

[7]Heffington， Samuel N， Glezer Ari.Orientation-independent atomization heat transfer cell for thermal management of microelectronics [J].Advances in Electronic Packaging，2003，2：635-640.

[8]Zhang Tao， Wang Qing-Ming.Valveless piezoelectric micropump for fuel delivery in direct methanol fuel cell （DMFC） devices [J].Journal of Power Sources，2005，140（1）：72-80.

[9]Ederer， P.Raetsch， W. Schullerus， et al.Piezoelectrically driven micropump for on-demand fuel-drop generation in an automobile heater with continuously adjustable power output[J].Sensors and Actuators A，1997，62：752-755.

[10]孙静.主被动阀结合的双腔串联式压电泵的设计及试验研究[D].长春：吉林大学，2009：40-51.

作者简介：孙静（1981-），女，讲师，研究方向为微量泵的设计与研究。endprint

[1]阚君武，杨志刚，程光明等.压电泵的研究与发展[J].光学精密工程，2002，10（6）：619-625.

[2]赵爱玲，张海峰，王丙军.一种旋转压电陶瓷驱动器的设计和研究[J].机械设计与制造，2012，7（7）：30-31

[3]Jin-Ho Kim a， C.J. Kang b，Yong-Sang Kima.Adisposable polydimethylsiloxane-based diffuser micropump actuated by piezoelectric-disc[J].Microelectronic Engineering，2004，71：119～124.

[4]Ma Bin， Liu Sheng， Gan Zhiyn.A PZT insulin pump integrated with a silicon microneedle array for transdermal drug delivery [J].Microfluidics and Nanofluidics，2006，2（5）：417-423.

[5]Kan Junwu， Yang Zhigang， Peng Taijiang， et al.Design and test of a high-performance piezoelectric micropump for drug delivery[J].Sensors and Actuators，2005，121（1）：156-161.

[6]曾平，程光明，刘九龙，等.集成式计算机芯片水冷系统的研究[J].西安交通大学学报，2005，39（11） ：1207-1210.

[7]Heffington， Samuel N， Glezer Ari.Orientation-independent atomization heat transfer cell for thermal management of microelectronics [J].Advances in Electronic Packaging，2003，2：635-640.

[8]Zhang Tao， Wang Qing-Ming.Valveless piezoelectric micropump for fuel delivery in direct methanol fuel cell （DMFC） devices [J].Journal of Power Sources，2005，140（1）：72-80.

[9]Ederer， P.Raetsch， W. Schullerus， et al.Piezoelectrically driven micropump for on-demand fuel-drop generation in an automobile heater with continuously adjustable power output[J].Sensors and Actuators A，1997，62：752-755.

[10]孙静.主被动阀结合的双腔串联式压电泵的设计及试验研究[D].长春：吉林大学，2009：40-51.

作者简介：孙静（1981-），女，讲师，研究方向为微量泵的设计与研究。endprint

[1]阚君武，杨志刚，程光明等.压电泵的研究与发展[J].光学精密工程，2002，10（6）：619-625.

[2]赵爱玲，张海峰，王丙军.一种旋转压电陶瓷驱动器的设计和研究[J].机械设计与制造，2012，7（7）：30-31

[3]Jin-Ho Kim a， C.J. Kang b，Yong-Sang Kima.Adisposable polydimethylsiloxane-based diffuser micropump actuated by piezoelectric-disc[J].Microelectronic Engineering，2004，71：119～124.

[4]Ma Bin， Liu Sheng， Gan Zhiyn.A PZT insulin pump integrated with a silicon microneedle array for transdermal drug delivery [J].Microfluidics and Nanofluidics，2006，2（5）：417-423.

[5]Kan Junwu， Yang Zhigang， Peng Taijiang， et al.Design and test of a high-performance piezoelectric micropump for drug delivery[J].Sensors and Actuators，2005，121（1）：156-161.

[6]曾平，程光明，刘九龙，等.集成式计算机芯片水冷系统的研究[J].西安交通大学学报，2005，39（11） ：1207-1210.

[7]Heffington， Samuel N， Glezer Ari.Orientation-independent atomization heat transfer cell for thermal management of microelectronics [J].Advances in Electronic Packaging，2003，2：635-640.

[8]Zhang Tao， Wang Qing-Ming.Valveless piezoelectric micropump for fuel delivery in direct methanol fuel cell （DMFC） devices [J].Journal of Power Sources，2005，140（1）：72-80.

[9]Ederer， P.Raetsch， W. Schullerus， et al.Piezoelectrically driven micropump for on-demand fuel-drop generation in an automobile heater with continuously adjustable power output[J].Sensors and Actuators A，1997，62：752-755.

[10]孙静.主被动阀结合的双腔串联式压电泵的设计及试验研究[D].长春：吉林大学，2009：40-51.

作者简介：孙静（1981-），女，讲师，研究方向为微量泵的设计与研究。endprint