CN102213210B - 驱动-传感一体化压电晶片泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种驱动-传感一体化压电晶片泵，至少包括一个晶片型压电振子(压电晶片和金属基板粘接而成)、一个泵体、一个泵盖、一组控制流体运动方向的单向阀以及一个控制电源。其特征在于，所述压电振子中压电晶片表面的电极被分割成驱动单元和传感单元两部分，当所述驱动单元受外加电压作用发生弯曲变形时，所述传感单元压电陶瓷也发生弯曲变形并产生电能，传感单元所生成的电压信号经转换处理后用于表征压电泵的输出压力与流量。本发明优势在于：利用同一个晶片型压电振子实现驱动与传感监测两种功能，无需额外的压力及流量测量仪器即可实现压电泵输出性能的在线监测，易于获得精确的输出流量与压力。

Description

驱动-传感一体化压电晶片泵

技术领域

本发明属于微流体传输与控制领域应用的微小精密压电泵，具体涉及一种驱动-传感一体化压电晶片泵。

背景技术

作为压电驱动器的一个重要分支，压电晶片泵以其结构简单、体积小、反应快、无电磁干扰、易于操作、流量/压力可控性好等诸多优势，在医疗、化学分析、航空航天、汽车发动机及燃料电池的燃料供给、微机电液系统等方面都有广泛的应用前景，其研制开发备受世界各国学者的广泛关注。为满足不同领域的应用需求，人们提出了多种结构形式的压电晶片泵。尽管所提出压电泵的结构形式及性能差异较大，但都是利用晶片型压电振子(由基板及压电晶片粘接而成)在电场作用下产生的弯曲变形实现流体驱动的。因压电晶片泵的每个工作循环输出的流体即为压电振子变形所引起的泵腔的容积变化量，故可实现流量及压力的精确控制，尤其适用于药品控释(如中国专利200610016573.9、200610030183.7)、化学试剂配比(如中国专利200810050550.9)等方面。然而，在实际工作中压电晶片泵的输出流量及压力受工作条件的影响较大，除驱动电压和频率外，流体粘度(温度)及输出压力等变化也都会影响压电振子的变形量(即压电泵的流量)。因此，单纯地采用调节驱动电压和频率的方法尚无法获得较高的输出精度，在药品控释、化学分析以及燃料电池等要求流量及压力控制精确较高的场合还需采用流量及压力测量仪器进行实时监测，这不仅增加了使用成本，也增加了系统的体积、重量及复杂程度，严重地阻碍了压电晶片泵在微机电系统及便携类产品中的推广应用。

发明内容

为提高压电晶片泵的输出精度和可控性、降低成本、减小系统总体的体积和重量，本发明提出一种驱动-传感一体化压电晶片泵，利用同一个晶片型压电振子实现流体驱动与传感监测两种功能，无需额外的压力及流量测量仪器。

本发明的驱动-传感一体化压电晶片泵，至少包括一个晶片型压电振子(压电晶片和金属基板粘接而成)、一个泵体、一个泵盖、一组控制流体运动方向的单向阀以及一个控制电源。所述晶片型压电振子安装于泵体内部并由泵盖夹紧，所述泵体和泵盖采用螺钉连接并通过两个密封圈夹紧压电振子，所述泵体上安装有进口阀和出口阀；所述进出口阀、泵体、密封圈及压电振子共同构成泵腔，所述压电振子经导线与控制电源相连。本发明的特征在于，所述压电振子中压电晶片的表面电极被分割成两部分，一部分面积较大的是驱动单元，另一部分面积较小的是传感单元；当压电振子的驱动单元受外加电压作用产生弯曲变形时，所述传感单元也受迫弯曲并产生电能；其特征还在于，传感单元生成的电压信号经转换处理后用于表征压电泵的输出压力和流量。

当所述控制电源开启并进入稳态工作时，压电晶片的驱动单元受电压(输入电压-V₀→0→V₀)作用使压电振子向泵腔内弯曲，使所述泵腔容积减小(流体压力增加)、进口阀关闭、出口阀开启，所述泵腔内的流体经出口阀排出，此为流体排出过程；在所述流体排出过程中，压电晶片的传感单元也随压电振子向泵腔内部弯曲，且所产生的输出电压逐步增加(-V_g→0→V_g)。当控制电源的输出电压换向后(V₀→0→-V₀)，压电晶片的驱动单元使压电振子向泵腔的外部弯曲，致使所述泵腔容积增加、进口阀开启、出口阀关闭，流体由进口阀进入泵腔，此为吸入过程；在吸入过程中，压电晶片的传感单元的受力状态也相应发生变化，并使输出电压开始下降(V_g→0→-V_g)。

众所周知，在频率及驱动电压确定时，压电泵输出流量和输出压力之间呈较好的线性关系：输出压力为零时压电振子变形量(泵腔容积变化量或流量)最大，所对应传感单元输出的电压也最大；相反，输出压力最大时，压电振子变形量(泵腔容积变化量或流量)最小，所对应的传感单元输出的电压也最小。因此，本发明采用压电晶片传感单元的输出电压来表征压电泵的输出压力及流量。对于给定的输入电压V₀及频率f，本发明中压电泵的输出压力P和流量Q由压电晶片传感单元的输出电压V_g表示，即：

$P=\frac{2{\mathrm{\η}}_P{h}_p}{3R^2}[\frac{{6d}_{31}\mathrm{\α\λ}(1+\mathrm{\α})E_p}{(1-{\mathrm{\ν}}_p)(1+\mathrm{\α\λ})}{V}_0-\frac{3{(1-{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\λ})}^2-4(1+\mathrm{\α\λ})(1+{\mathrm{\α}}^3\mathrm{\λ})}{\mathrm{\α\λ}(1+\mathrm{\α})g_{31}}{V}_g]$

$Q=\frac{{\mathrm{\η}}_Q\mathrm{f\π}{R}^4}{12h_p^2}[\frac{(1+\mathrm{\α\λ})(1-{\mathrm{\ν}}_p)(7+{\mathrm{\ν}}_P)}{\mathrm{\α\λ}(1+\mathrm{\α})g_{31}{E}_p}{V}_g-\frac{{6d}_{31}\mathrm{\α\λ}(1+\mathrm{\α})(1+{\mathrm{\ν}}_p)}{3{(1-{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\λ})}^2-4(1+\mathrm{\α\λ})(1+{\mathrm{\α}}^3\mathrm{\λ})}{V}_0]$

其中，R为泵腔半径，α＝h_m/h_p，h_m、h_p分别为基板和陶瓷的厚度，d₃₁、g₃₁为压电常数，

E_m、E_p分别为金属及压电陶瓷材料的杨氏模量，ν_m、ν_p分别为金属及陶瓷材料的泊松比，η_P、η_Q分别为对应输出压力及流量的传感器标定系数。

本发明特点及优势在于：利用同一个晶片型压电振子实现驱动与传感监测两种功能，无需额外的压力及流量测量仪器即可实现压电泵输出性能的在线监测，易于获得精确的输出流量与压力。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中驱动-传感一体化压电晶片泵的结构及其剖面示意图

图2是本发明一个较佳实施例中两叠片压电振子电极分割及与控制电源的连接方式示意图

图3是本发明一个较佳实施例中驱动-传感一体化压电晶片泵的排程及吸程结构示意图

图4是本发明一个较佳实施例中压电振子驱动单元输入电压及传感单元输出电压波形图

具体实施方式

如图1所示，晶片型压电振子1安装于泵体2的内部，并通过泵盖3夹紧；所述泵体2和泵盖3通过螺钉4连接，泵体2和泵盖3通过密封圈5夹紧压电振子；所述泵体2上安装有进口阀7和出口阀8；压电振子1、泵体2、密封圈5、进口阀7和出口阀8共同构成泵腔6。

如图1、图2所示，晶片型压电振子1由压电晶片10和金属基板11粘接而成；所述压电晶片10表面的电极被分割成驱动单元101和传感单元102，所述驱动单元101和传感单元102分别通过导线组92和导线组91与控制电源9相连。

如图3、图4所示，当所述控制电源9开启并进入稳态工作时，压电晶片10的驱动单元101受电压(输入电压-V₀→0→V₀)作用使压电振子1向泵腔6的内弯曲，进而使所述泵腔6的容积减小(流体压力增加)、进口阀7关闭、出口阀8开启，所述泵腔6内的流体经出口阀8排出，此为流体排出过程；在所述流体排出过程中，压电晶片10的传感单元102也随同压电振子1向泵腔6内部弯曲，且其所输出电压逐步增加(-V_g→0→V_g)。当控制电源9的输出电压换向后(V₀→0→-V₀)，压电晶片10的驱动单元101使压电振子1向泵腔6的外部弯曲，致使所述泵腔6容积增加、进口阀7开启、出口阀8关闭，流体由进口阀7进入，此为吸入过程；进入吸入过程后，压电晶片10的传感单元102的受力状态发生变化，并使输出电压开始下降(V_g→0→-V_g)。

在上述实施例压电泵的排程与吸程中，压电泵的瞬时输出压力、流量以及传感单元102的输出电压都是由压电振子1的弯曲变形状态所确定的。此外，当驱动电源9的输出频率及驱动电压确定时，压电泵输出流量和输出压力之间呈较好的线性关系：泵的输出压力为零时，压电振子1的变形量(即，泵腔容积变化量或流量)最大，所对应传感单元102输出的电压也最大；相反，泵的输出压力最大时，压电振子1的变形量最小，随对应的传感单元102输出的电压也最小。因此，本发明采用传感单元102的输出电压来表征压电泵的输出压力和流量。对于给定的输入电压V₀及频率f，本发明中压电泵的输出压力P和流量Q由压电振子1的传感单元102的输出电压V_g表示，即：

$P=\frac{{2\mathrm{\η}}_P{h}_p}{3R^2}[\frac{{6d}_{31}\mathrm{\α\λ}(1+\mathrm{\α})E_p}{(1-{\mathrm{\ν}}_p)(1+\mathrm{\α\λ})}{V}_0-\frac{3{(1-{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\λ})}^2-4(1+\mathrm{\α\λ})(1+{\mathrm{\α}}^3\mathrm{\λ})}{\mathrm{\α\λ}(1+\mathrm{\α})g_{31}}{V}_g]$

$Q=\frac{{\mathrm{\η}}_Q\mathrm{f\π}{R}^4}{12h_p^2}[\frac{(1+\mathrm{\α\λ})(1-{\mathrm{\ν}}_p)(7+{\mathrm{\ν}}_p)}{\mathrm{\α\λ}(1+\mathrm{\α})g_{31}{E}_p}{V}_g-\frac{{6d}_{31}\mathrm{\α\λ}(1+\mathrm{\α})(1+{\mathrm{\ν}}_p)}{3{(1-{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\λ})}^2-4(1+\mathrm{\α\λ})(1+{\mathrm{\α}}^3\mathrm{\λ})}{V}_0]$

其中，R为泵腔半径，α＝h_m/h_p，h_m、h_p分别为基板和陶瓷的厚度，d₃₁、g₃₁为压电常数，

E_m、E_p分别为金属及压电陶瓷材料的杨氏模量，ν_m、ν_p分别为金属及陶瓷材料的泊松比，η_P、η_Q分别为对应输出压力及流量的传感器标定系数。

Claims (4)

1.驱动-传感一体化压电晶片泵，至少包括一个由压电晶片和金属基板粘接而成的晶片型压电振子、一个泵体、一个泵盖、一组控制流体运动方向的单向阀以及一个控制电源；其特征在于：所述压电振子中压电晶片表面的电极被分割成驱动单元和传感单元两部分，当所述压电振子的驱动单元受外加电压作用发生弯曲变形时，所述传感单元压电陶瓷也发生弯曲变形并产生电能，传感单元生成的电压信号经转换处理后用于表征压电泵的输出压力与流量。

2.根据权利要求1所述的驱动-传感一体化压电晶片泵，其特征在于，压电泵的输出压力P和流量Q由压电振子的传感单元的输出电压V_g表示，即：

$P=\frac{{2\mathrm{\η}}_P{h}_p}{{3R}^2}[\frac{{6d}_{31}\mathrm{\α\λ}(1+\mathrm{\α})E_p}{(1-v_p)(1+\mathrm{\α\λ})}{V}_0-\frac{3{(1-{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\λ})}^2-4(1+\mathrm{\α\λ})(1+{\mathrm{\α}}^3\mathrm{\λ})}{\mathrm{\α\λ}(1+\mathrm{\α})g_{31}}{V}_g]$

$Q=\frac{{\mathrm{\η}}_Q\mathrm{f\π}{R}^4}{{12h}_p^2}[\frac{(1+\mathrm{\α\λ})(1-v_p)(7+v_p)}{\mathrm{\α\λ}(1+\mathrm{\α})g_{31}{E}_p}{V}_g-\frac{6d_{31}\mathrm{\α\λ}(1+\mathrm{\α})(1+v_p)}{3{(1-{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\λ})}^2-4(1+\mathrm{\α\λ})(1+{\mathrm{\α}}^3\mathrm{\λ})}{V}_0]$

其中，R为泵腔半径，α＝h_m/h_p，h_m、h_p分别为基板和陶瓷的厚度，d₃₁、g₃₁为压电常数，E_m、E_p分别为金属及压电陶瓷材料的杨氏模量，v_m、v_p分别为金属及陶瓷材料的泊松比，η_P、η_Q分别为对应输出压力及流量的传感器标定系数，V₀为压电振子的驱动电压。

3.根据权利要求1所述的驱动-传感一体化压电晶片泵，其特征在于，晶片型压电振子为金属基板两侧粘接压电陶瓷构成。

4.根据权利要求1、权利要求3所述的驱动-传感一体化压电晶片泵，其特征在于，驱动单元和传感单元为粘接于金属基板两侧的整体压电晶片。

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