PDMS薄膜阀压电泵设计及实验研究

郑梦羚，姜海洋，黄梓良，马 龙

(合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009)

压电泵是一种利用压电材料作为驱动器件并实现流体传输的新型泵。它具有结构紧凑、响应速度快、耗能低、无电磁干扰，可根据电压或频率精确传送微量流体等优点[1]。可应用领域如下：医疗机械、生物工程、化学分析、小部件清洗、汽车发动机燃料供给、航空航天[2-4]。根据结构，压电泵可分为有阀泵和无阀泵两种。有阀泵通过压电振子和单向阀的相互配合动作实现流体的定向输送，无阀泵通过进出口的几何形状实现流体的定向输送[1-2]。由于材料的不同，单向阀性能不一，其中硅胶材料具有成本低廉、材料较柔软、生物兼容性良好等优点。因此，本文提出悬臂梁结构单向阀，并对使用了悬臂梁和简支梁两种结构薄膜阀压电泵的性能进行了对比分析，总结了不同结构的薄膜阀对泵性能的影响。

1 泵的原理

如图1(a)所示，在压电振子使压电泵容积增大时，进水阀片打开，出水阀片关闭，入水口出的缓冲膜向上变形，缓冲膜中的液体能迅速注入泵腔体，同理，当压电振子使泵容积减小时，如图1(b)所示，进水阀关闭，出水阀打开，出水口的缓冲膜向下变形，使液体迅速流出到出水口的可压缩腔内，由于可压缩腔的存在，减轻了泵工作过程中压电振子和出入水口的负载。

(a)泵吸水过程

(b) 泵出水过程

2 泵的制作

压电泵主要由五个部分组成：单向阀、泵腔体、流动通道、可压缩空间和压电振子，如图2所示。泵体尺寸为20mm×20mm×10mm，泵带有5个单向阀，每个阀包括一个直径为1mm的圆孔和一个尺寸为3mm×2mm的方孔，在两个PMMA板中间放置厚度为0.1mm的硅胶膜，沿方孔割C字型组成悬臂梁式单向阀，如图3(a)所示，将硅胶膜左右割开组成两端固支阀，如图3(b)所示。压电振子是泵的核心部件，实验用到三种尺寸的振子，振子1谐振频率为586.7 Hz，振子2谐振频率为768.8 Hz,振子3谐振频率1153.8 Hz。将三个尺寸的矩形压电片(PZT-4)用环氧胶(DP460)粘贴在三个不同尺寸的梁(锰钢)中间节点位置而制成。

图2PDMS薄膜单向阀压电泵爆炸图

(1)PMMA缓冲空间；(2)、(5)PDMS薄膜；(3)PMMA进出水口道；(4)、(6)PMMA进出口阀座板； (7)、(9)PMMA泵腔板 ；(8)、(9)橡胶膜 ；(10)亚克力圆柱 ；(11)长梁式振子 ；(12)压电片。

3 阀的静态过流量分析

通过圆形缝隙的流量为[4]:

(1)

其中：C为流量系数,S为过流面积，△P为阀片两侧的压差,ρ为液体密度。近似取S=2πrymax(r为圆孔的半径，ymax为PDMS薄膜阀片的最大变形)

对于悬臂梁：

(2)

对于两端固支阀：

(3)

式(2)中:E为阀片的杨氏模量，B为阀片宽度，l为阀片的长度，h为阀片厚度，由式(2)、(3)知在相同的力的作用及相同的结构参数下，悬臂梁阀的瞬时流量比两端固支阀的更大。

4 阀的基频理论分析

根据振动力学[5]可以得到悬臂梁阀的一阶频率为:

(4)

PDMS薄膜的弹性模量E=870kPa,h=0.1mm,ρ=30kg/m3，计算得到悬臂梁PDMS薄膜阀的一阶频率为306 Hz。

两端固支阀的一阶频率为:

1(5)

同理可以计算得到两端固支PDMS薄膜阀的一阶频率为858 Hz。

由基频理论分析可以看出两端固支PDMS薄膜阀更适合工作在高频下，而悬臂梁PDMS薄膜阀适合工作在中低频下。

5 实验研究

泵的开启压力和频率特性是衡量阀工作质量的重要指标，通过测试泵的开启压力和频率特性来测试出两种PDMS薄膜单向阀压电泵的性能。

5.1 开启压力

测试开启压力装置如图4所示，通过调整容器的高度来改变加在阀上的压力。测试结果如图5所示。两端固支PDMS薄膜单向阀开启压力为0.2 kPa,而悬臂梁的PDMS薄膜单向阀开启压力为0.1 kPa。可以看出，两端固支PDMS薄膜单向阀最大截止压力为2 kPa，而悬臂梁PDMS薄膜单向阀的反向截止压力为0.3 kPa，两端固支PDMS薄膜单向阀展现出更好的反向截止性，而悬臂梁PDMS薄膜单向阀流通性能更好，通过式(6)[1]计算出阀效率为：

(6)

其中R+、R-分别为正向流阻，反向流阻，因此得到固支PDMS薄膜单向阀的效率为0.932，而悬臂梁的PDMS薄膜单向阀效率为0.975，可知，在静态下悬臂梁结构PDMS薄膜单向阀效率相对较高。

图4 阀开启压力测试装置图

图5 两种PDMS薄膜阀不同压差下正向流通和反向截止测图

5.2 频率特性

实验在相同电压560V下，用振子1-3对两种泵进行实验，研究不同频率对两种泵输出流量的影响。频率-流量关系如图6-图8所示。在谐振频率下，泵输出流量达到峰值，越远离谐振频率，流量越小。在振子1和在振子2的驱动下，悬臂梁PDMS薄膜阀压电泵的输出效果要好于两端固支PDMS薄膜阀压电泵的，而在振子3的驱动下，情况则相反，两端固支PDMS薄膜阀压电泵的输出效果要好于悬臂梁PDMS薄膜阀压电泵的，体现了两端固支PDMS薄膜阀具有优良的高频性能。

图6 振子1对应的两PDMS 阀泵频率—流量关系

图7 振子2对应的两PDMS阀泵频率-流量关系

图8 振子3对应的两PDMS阀泵频率-流量关系

6 结 论

本文通过对悬臂梁PDMS薄膜和多层亚克力制作的压电泵的设计，实验研究对比悬臂梁PDMS薄膜阀压电泵与两端固支的PDMS薄膜阀压电泵得出以下结论：

(1) 两种PDMS薄膜泵的开启压力都很小，两端固支的PDMS薄膜阀的反向截止性能优于悬臂梁的PDMS薄膜阀，但是正向流通性能悬臂梁的PDMS薄膜阀较好。

(2)将两种PDMS薄膜结构的阀安装在具有相同结构的压电泵上做流量测对比实验，安装了悬臂梁的PDMS薄膜阀的压电泵在中低频下输出性能优于两端固的PDMS薄膜阀压电泵，在高频下则相反，高频率超过悬臂梁阀固有频率，而两端固支阀的固有频率比悬臂梁阀的要高，两端固支的PDMS薄膜阀压电泵输出性能更好。