CN105805412A - 基于pzt压电致动的双刀型闸微阀装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PZT压电致动的双刀型闸微阀装置，由上下共三层硅片键合而成，第一层硅片设有上下贯穿的电极口，第一层硅片底面设有流体上壁面凹槽，第二层硅片上设有空腔和流体通道，第三层硅片上有流体入口、流体出口和控制端口，所述流体入口、流体出口和控制端口均上下贯穿第三层硅片，所述流体通道包括入流通道和出流通道，所述空腔内设有第一悬臂梁和第二悬臂梁，所述第一悬臂梁设有第一压电致动器和第一闸门。本发明设计了三层的硅硅键合结构，通过在第二层硅片上集成致动器和流体通道，在第二层硅片上同时形成垂直硅层平面运动的闸门及平行硅层平面运动的流体，以实现高压大流量的设计需求。

Description

基于PZT压电致动的双刀型闸微阀装置

技术领域

本发明涉及微机电系统领域的硅阀。

背景技术

微型阀是微流体控制中的关键器件，在生物医疗、工业控制等领域有着重要的应用。基于MEMS技术的微型阀，具有控制精确、成本低、可批量生产、稳定性可靠性好等优点。

对微型阀的研究长期局限于传统膜片式微阀，其膜片运动方向与流体流动方向平行，通过膜片远离或靠近阀口来控制微型阀的开启或关闭。由于在致动过程中需要克服流体在膜片运动方向上的静压力，即便采用了压力平衡或阀座的优化设计，这种微型阀也只能工作在有限的压强和流量下。而在闸微阀中，闸门运动方向与流体流动方向垂直，作用于闸门上的静压力与闸微阀的致动力垂直，不会相互抵消，其致动不受流体压强和流量的影响，故能适应高压大流量的工作环境。

专利US20070090314设计并制造了单刀闸微型阀，通过集成双晶片压电执行器，形成面外刀闸控制面内流体的结构。但是双晶片压电执行器致动位移有限，且单刀闸的结构形式使致动稳定性不足，泄露量较大。

专利US7011378和专利US6523560提出了采用全硅厚度的阵列V型电热致动器的致动形式，形成硅层平面内移动的闸门控制平面外流体运动的结构。虽采用电热致动形式保证了致动位移和输出作用力，但是致动结构和闸门均处于流体腔室内，致动效果容易受到流体热传导及流体压力的影响。

发明内容

本发明所要达到的目的是提供一种基于PZT压电致动的双刀型闸微阀装置，解决刀闸微型阀致动稳定性的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：基于PZT压电致动的双刀型闸微阀装置，由上下共三层硅片键合而成，其特征在于：第一层硅片设有上下贯穿的电极口，第一层硅片底面设有流体上壁面凹槽，第二层硅片上设有空腔和流体通道，第三层硅片上有流体入口、流体出口和控制端口，所述流体入口、流体出口和控制端口均上下贯穿第三层硅片，在第一层硅片、第二层硅片与第三层硅片键合后，所述第一层硅片底面的流体上壁面凹槽、第二层硅片内空腔和流体通道以及第三层硅片上的流体入口、流体出口、控制端口一起构成供流体流动的流体腔室，所述流体通道包括入流通道和出流通道，所述空腔内设有第一悬臂梁和第二悬臂梁，所述第一悬臂梁设有第一压电致动器和第一闸门，所述第二悬臂梁设有第二压电致动器和第二闸门，入流通道一端接流体入口，另一端为受第一闸门控制的第一流体通口，出流通道一端接流体出口，另一端为受第二闸门控制的第二流体通口。

优选的，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁均为U型悬臂梁，所述U型悬臂梁包括两根侧臂梁和中间横梁，侧臂梁的一端与空腔的侧壁面连接，另一端与中间横梁相连，中间横梁底部下凸形成闸门。

优选的，所述第二层硅片的空腔为工字型，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁对称设置于工字型空腔内部，入流通道和出流通道对称设置在工字型空腔中部两侧。

优选的，所述U型悬臂梁的两根侧壁梁上集成有PZT压电致动器，同一个U型悬臂梁上的PZT压电致动器的致动电压相同，共同控制该U型悬臂梁上中间横梁的上下移动，从而控制微阀的闸门的移动，实现“双刀型”的致动形式。

本发明设计了三层的硅硅键合结构，形成内部密闭腔室，降低刀闸微阀的泄露量；在第二层硅片空腔中设置了U型悬臂致动结构，中间横梁底部下凸形成闸门，两侧臂梁上连接有压电致动器，在控制闸门垂直于硅层平面上的位移量的同时，保证了闸门致动的稳定性。通过在第二层硅片上集成致动器和流体通道，在第二层硅片上同时形成垂直硅层平面运动的闸门及平行硅层平面运动的流体，实现垂直平面运动的闸门及平行硅层平面运动的流体形式，在提升微阀的结构稳定性的同时实现了高压大流量的需求。另外，采用独立控制的思想，在闸门控制上引入控制端口，通过建立流体入口到控制端口，控制端口到流体出口的流体连通形式，实现闸微阀对外部流体的控制作用，由于闸门运动的方向与流体流动的方向垂直，即便流体的压强和流体流速增加，也不会影响闸门的致动，因此这样的结构设计可以适应高压大流量的工作环境。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是本发明的侧面剖视结构图；

图2是第二层硅片俯视剖面图。

具体实施方式

基于PZT压电致动的双刀型闸微阀装置，如图1和图2所示，由上下共三层硅片键合而成，第一层硅片1设有上下贯穿的电极口，第一层硅片底面设有流体上壁面凹槽11，第二层硅片2上设有空腔23和流体通道，第三层硅片3上有流体入口31、流体出口32和控制端口33，所述流体入口、流体出口和控制端口均上下贯穿第三层硅片，在第一层硅片、第二层硅片与第三层硅片键合后，所述第一层硅片底面的流体上壁面凹槽11、第二层硅片内空腔23和流体通道以及第三层硅片上的流体入口31、流体出口32、控制端口33一起构成供流体流动的流体腔室，所述流体通道包括入流通道21和出流通道22，所述空腔内设有第一悬臂梁41和第二悬臂梁42，所述第一悬臂梁设有第一压电致动器和第一闸门，所述第二悬臂梁设有第二压电致动器和第二闸门，入流通道一端接流体入口31，另一端为受第一闸门控制的第一流体通口211，出流通道一端接流体出口32，另一端为受第二闸门控制的第二流体通口221。

所述第一悬臂梁和第二悬臂梁均为U型悬臂梁，所述U型悬臂梁包括两根侧臂梁402和中间横梁401，侧臂梁的一端与空腔的侧壁面连接，另一端与中间横梁相连，中间横梁底部下凸形成闸门，两侧臂梁上连接有压电致动器403。所述第二层硅片的空腔为工字型，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁对称设置于工字型空腔内部，入流通道和出流通道对称设置在工字型空腔中部两侧。

当向压电致动器403施加电压时，压电致动器由于逆压电效应而发生变形，带动U型悬臂梁产生垂直于硅层平面的位移，第二层硅片空腔内第一悬臂梁和第二悬臂梁在流体腔室内运动，推动闸门对相应的流体通口处的流体的通断进行控制，以实现闸微阀对流体的控制作用。

具体来说，由于流体通道的存在，由流体入口31流入的流体经过入流通道21的导引后，在第一流体通口211处的流体流动方向平行于硅层平面；通过第二流体通口221的流体也是以平行于硅层平面的方向流入出流通道22，从流体出口32流出。这样在第一流体通口211和第二流体通口221处，闸门运动的方向与流体流动的方向垂直，即便流体的压强和流体流速增加，也不会影响闸门的致动，因此这样的结构设计可以适应高压大流量的工作环境。

当第一压电致动器上施加电压而第二压电致动器上不施加电压时，第一闸门产生垂直位移，而第二闸门无位移，从而使得第一流体通口211开启而第二流体通口221关闭；流体从流体入口31经入流通道21后流过第一流体通口211，在第二流体通口221处阻断，只有从流体入口31到控制端口33的流体相连通，故在入口压力的作用下，流体从控制端口33流出，对外部主阀实现控制作用。

当第二压电致动器上施加电压而第一压电致动器上不施加电压时，第二闸门产生垂直位移，而第一闸门无位移，第二流体通口221开启；流体从流体入口31经入流通道21后在第一流体通口211被阻断，只有从控制端口33到流体出口32的流体相连通，由于控制端口33的压强大于流体出口，故流体从控制端口33向流体出口32回流。

Claims (4)

1.基于PZT压电致动的双刀型闸微阀装置，由上下共三层硅片键合而成，其特征在于：第一层硅片设有上下贯穿的电极口，第一层硅片底面设有流体上壁面凹槽，第二层硅片上设有空腔和流体通道，第三层硅片上有流体入口、流体出口和控制端口，所述流体入口、流体出口和控制端口均上下贯穿第三层硅片，在第一层硅片、第二层硅片与第三层硅片键合后，所述第一层硅片底面的流体上壁面凹槽、第二层硅片内空腔和流体通道以及第三层硅片上的流体入口、流体出口、控制端口一起构成供流体流动的流体腔室，所述流体通道包括入流通道和出流通道，所述空腔内设有第一悬臂梁和第二悬臂梁，所述第一悬臂梁设有第一压电致动器和第一闸门，所述第二悬臂梁设有第二压电致动器和第二闸门，入流通道一端接流体入口，另一端为受第一闸门控制的第一流体通口，出流通道一端接流体出口，另一端为受第二闸门控制的第二流体通口。

2.根据权利要求1所述的基于PZT压电致动的双刀型闸微阀装置，其特征在于：所述第一悬臂梁和第二悬臂梁均为U型悬臂梁，所述U型悬臂梁包括两根侧臂梁和中间横梁，侧臂梁的一端与空腔的侧壁面连接，另一端与中间横梁相连，中间横梁底部下凸形成闸门。

3.根据权利要求2所述的基于PZT压电致动的双刀型闸微阀装置，其特征在于：所述第二层硅片的空腔为工字型，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁对称设置于工字型空腔内部，入流通道和出流通道对称设置在工字型空腔中部两侧。

4.根据权利要求2所述的基于PZT压电致动的双刀型闸微阀装置，其特征在于：所述U型悬臂梁的两根侧壁梁上集成有PZT压电致动器，同一个U型悬臂梁上的PZT压电致动器的致动电压相同，共同控制该U型悬臂梁上中间横梁的上下移动，从而控制微阀的闸门的移动，实现“双刀型”的致动形式。