CN103016296B - 基于合成射流的压电微泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于合成射流的压电微泵，包括泵进口、泵出口、上泵体、上腔体、喷口、下泵体、下腔体、振动膜片和压电致动器，泵进口和泵出口位于泵的最上端，上泵体下部是上腔体，泵进口和泵出口通过上腔体与喷口相连通，下泵体位于上腔体的下方，喷口将上、下腔体连通，振动膜片粘结于下泵体下表面，压电致动器通过粘结剂（导电环氧树脂）粘结在振动膜片下表面中央。其特点是：将合成射流技术成功应用到微泵领域中，得到一种大流量，能够实现连续出流的压电式微泵，该微泵结构简单，操作方便，无电磁干扰，能耗低；所述的合成射流致动器为压电式，可获得较大喷口速度,成本低,振动频率范围宽。

Description

基于合成射流的压电微泵

技术领域

本发明属于微流体传输与控制、微机械技术领域，特指基于压电式合成射流微泵。

背景技术

微流控系统在生命科学和化学分析领域具有巨大的市场，基于微流控技术的基因芯片和生物芯片已广泛应用于DNA测序、病理基因分析、药物反应分析。在微流控系统中，微泵是驱动流体克服阻力产生流动的执行器件，是实现微流控系统的前提和基础，微泵的性能将直接影响到微流控分析系统的整体性能，也是决定微流控技术发展水平的关键因素；微泵的种类很多，根据工作原理的不同，可将其分为机械式和非机械式，机械式微泵利用活动部件来控制流体的输运，主要包括旋转式、膜片振动式、蠕动式和鱼尾式；非机械式微泵中没有活动部件，而是利用热、化学、声、磁、电动力等实现对流体的驱动，主要包括电液力驱动式、曲面波动驱动式、磁液力驱动式、连续浸润式、气泡驱动式以及其他新型驱动方式，由于非机械式微泵产生的泵压很小, 结构复杂, 工作时需要比较苛刻的条件,因此这类泵目前离应用还有较大的距离，在机械式微泵中为了在形成有效泵送的同时实现流动方向控制, 一般需要阀门，阀门的出现使得泵的响应速度变慢, 工作效率降低, 同时可动阀片材料的疲劳、失效和性能不稳定都会影响微泵的寿命，另外, 大多数有阀微泵在泵出冲程仍有部分流体回流, 使泵送流量减少。

E. Stemme和G. Stemme提出了一种新型无阀机械式微泵, 它利用扩散/收缩管来实现对流体的整流, 完成单向输运，后来的学者对其也进行了大量的研究，但是这种微泵不能连续输出流体，流量小，脉动大；清华大学罗小兵等提出了一种新型合成射流无阀微泵, 该微泵利用合成射流形成原理来实现流动方向控制, 工作频率高, 但是其模型过于简单，数值模拟中影响因素考虑不够全面使结果与真实流动情况差距较大，只是在理论上初步证明了这种泵的可行性；国防科技大学罗振兵等人设计了一种带过滤网的合成射流基无阀微泵，通过改变激励器振动膜振动幅值以及相应调节分流板位置可以实现流量调节功能,但是其结构复杂，加工困难，结构尺寸较大，实际意义上为一种小型泵。

在总结不同微泵的性能并进行对比的基础上，同时兼顾考虑微泵需要一种响应速度快、可靠性高、结构简单的驱动方式，本专利将合成射流技术与压电驱动相结合，设计发明了一种结构简单，成本低，流量高且可连续出流，性能稳定的微泵结构。

合成射流器可采用压电、静电或电磁等驱动方式使其弹性膜片产生上下振动，引起腔体体积周期性变化，从而将外界流体不断地通过喷口吸入和排出泵腔，无需额外的质量注入就可形成合成式射流，并可通过改变驱动电参数来实现对合成射流流场的有效控制。国内外学者针对其机理、实现及应用等方面开展了大量的研究，其结构也得到了很大的优化；文献专利号为“200710018045.1压电式合成射流器及其制作方法”中详细介绍了一种合成射流致动器的加工方法；本发明将合成射流这一流动形态应用到了压电微泵领域，在充分研究其流场特征的基础上，找到了关键参数间的相互关系，通过合理放置泵进口和泵出口，达到了连续泵送的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压电式合成射流微泵，与现有压电式微泵相比，本发明具有结构简单，制造成本低，可连续出流，流量较高且易控制，能耗低等诸多优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于合成射流的压电微泵，包括上泵体、上腔体、喷口、下泵体、下腔体、振动膜片和压电致动器，在上泵体上加工出泵进口和泵出口，上泵体和下泵体由上到下键合在一起，上泵体下方是上腔体，下泵体下方是下腔体，泵进口和泵出口通过上腔体与喷口相连通，喷口将上、下腔体相连通，振动膜片粘结于下泵体下表面，压电致动器通过粘结剂粘结在振动膜片下表面中央。

将合成射流技术成功的应用到微泵领域，发明出结构简单，加工成本低，流量大，易于实现微型化的压电微泵，并且解决了常规无阀压电泵不易连续出流的难题；所述泵进口、泵出口、上泵体、上腔体、下腔体、下泵体、喷口、振动膜片及压电致动器的截面形状均为圆形。

泵进口与泵出口间的圆心距为上泵体半径的3/4，这样，既可有效避免进出口流动间的相互影响又能实现输出流量最大化，泵出口、上泵体、喷口、下泵体、压电致动器、振动膜片的中心线在竖直方向上共线。

该微泵主要技术指标为：喷口直径                                                为0.1mm-2mm，上腔体的高度与喷口6的直径比值范围为：，下腔体8的直径与喷口6的直径比值 50，喷口深度与喷口直径比值2 6，其余部件尺寸可按常规技术手段选取；在该技术指标范围内，该微泵能够实现连续出流，且泵送流量较大。

本发明的有益效果是：结合合成射流技术发明出了一种结构简单，制造成本低，可连续出流，流量较高且易控制，能耗低，性能稳定的压电微泵结构；在驱动频率为100Hz，驱动电压为100时，流量可达约24ml/min，与扩散收缩管无阀压电微泵进行对比发现，该泵的流量大概为同尺度同条件下后者的100余倍；同时，与其他压电式微泵相比，合成射流所形成的漩涡对对流体的卷吸作用使得该结构微泵在获得同等性能指标时所需的能耗显著下降。

附图说明

  图1为本发明的结构示意图；

  图2是图1的俯视图；

图3为该发明吸入过程工作原理图；

图4为该发明排出过程工作原理图；

图中：1-泵进口，2-泵出口，3-上泵体，4-上腔体，5-下泵体，6-喷口，7-压电致动器，8-下腔体，9-振动膜片。

具体实施方式

参照图1、图2所示，本发明包括泵进口1、泵出口2、上泵体3、上腔体4、喷口6、下泵体5、下腔体8、振动膜片9和压电致动器7，泵进口1和泵出口2位于泵的最上端，上泵体3下部是上腔体4，泵进口1和泵出口2通过上腔体4与喷口6相连通，下泵体5位于上腔体4的下方，喷口6将上腔体4和下腔体8连通，振动膜片9粘结于下泵体5的下表面，压电致动器7通过粘结剂（导电环氧树脂）粘结在振动膜片9的下表面中央。

上腔体4、下腔体8、泵进口1、泵出口2可由深反应等离子刻蚀工艺加工而成，上泵体3和下泵体5由键合工艺结合，振动膜片9为黄铜（或其他弹性材料），可与下泵体5键合或胶合，压电致动器7是驱动元件，采用正弦交流电压，振动模式采用径向伸缩振动，所用的压电材料是PZT压电陶瓷，可应用溶胶-凝胶工艺沉积在振动膜片上。

泵进口1、泵出口2、上泵体3、上腔体4、下腔体8、下泵体5、喷口6、振动膜片9及压电致动器7的截面形状均为圆形，泵进口1与泵出口2间的圆心距为上泵体半径的3/4，泵出口2、上泵体3、喷口6、下泵体5、压电致动器7、振动膜片9的中心线在竖直方向上共线。

该微泵主要技术指标为：喷口6直径为0.1mm-2mm，上腔体4的高度与喷口6的直径比值范围为：，下腔体8的直径与喷口6的直径比值 50，喷口深度与喷口直径比值2 6。

参照图3、图4所示，本发明工作时，压电陶瓷片在周期性变化的电压信号作用下发生逆压电效应，腔体底面振动膜片9随之产生周期性上下振动；排出过程时，振动膜片9向上振动，在喷口6上部边缘处，流体受到强烈的剪切作用，进而产生流动分离形成漩涡对，由此产生的漩涡对卷吸周围的大量流体向泵出口2移动，同时会有大量的流体由泵进口1被吸入到上腔体4中；在吸入过程中，振动膜片9向下振动，此时的漩涡对已远离喷口6不受其吸入过程的影响，排出过程产生的漩涡对顺利地通过泵出口2流出，泵进口1在漩涡对的卷吸下一直有流体流入；根据合成射流的原理，流体在这种吸入和排出交替进行的过程中，形成一列向泵出口2迁移的漩涡对，漩涡一经形成，就会以自诱导速度向泵出口2迁移，从而形成连续的输出。

Claims (4)

1.基于合成射流的压电微泵，包括上泵体、上腔体、喷口、下泵体、下腔体、振动膜片和压电致动器，在上泵体上加工出泵进口和泵出口，上泵体和下泵体由上到下键合在一起，上泵体下方是上腔体，下泵体下方是下腔体，泵进口和泵出口通过上腔体与喷口相连通，喷口将上、下腔体相连通，振动膜片粘结于下泵体下表面，压电致动器通过粘结剂粘结在振动膜片下表面中央，其特征在于：喷口直径                                                为0.1mm-2mm，上腔体的高度与喷口的直径比值范围为：，下腔体的直径与喷口的直径比值 50，喷口深度与喷口直径比值2 6。

2.如权利要求1所述的基于合成射流的压电微泵，其特征在于：泵进口与泵出口间的圆心距为上泵体半径的3/4。

3.如权利要求1所述的基于合成射流的压电微泵，其特征在于：所述泵进口、泵出口、上泵体、上腔体、下腔体、下泵体、喷口、振动膜片及压电致动器的截面形状均为圆形。

4.如权利要求1所述的基于合成射流的压电微泵，其特征在于：泵出口、上泵体、喷口、下泵体、压电致动器、振动膜片的中心线在竖直方向上共线。