CN108167167B - 一种复合静电和压电驱动的微型振膜压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合静电和压电驱动的微型振膜压缩机，包括：复合驱动振膜、质心块、压缩机基体、压缩机腔体、弹性止回式阀片和压缩机端盖等组成，压缩机腔体采用回转曲面型腔体，行腔函数依据振膜形变而定，保证振膜在排气结束时与腔体贴合，微型振膜压缩机工作时，先利用压电振子的快速响应，驱动振膜压缩流体并引导柔性薄膜与腔体壁面贴合，进入静电驱动效率较高的间距范围内，通过静电驱动进一步对流体进行压缩和排气，使得压缩机具有较高的容积效率。同时微型隔膜压缩机的实际结构可以是单腔体或双腔体结构。本发明微型压缩机体积小、响应速度快，复合了静电和压电驱动，因此具有较高的排气压升。

Description

一种复合静电和压电驱动的微型振膜压缩机
技术领域
本发明涉及本发明属于微流体控制技术领域，尤其涉及一种复合静电和压电驱动的微型振膜压缩机。
背景技术
微型压缩机或微泵是微流体系统中的动力源，是系统的核心部件。由于微型压缩机的微型化，使系统更加紧凑，并且具有较高的控制精度，目前已广泛应用于医药、化工、航天以及电子冷却等领域。
目前微型压缩机主要结构为容积式，一般通过驱动薄膜形变实现腔体的体积变化，产生对流体的压缩和运输。微泵的驱动方式主要包括压电驱动、静电驱动、电磁驱动、热气动驱动以及记忆合金等。从可靠性和响应速度来看，压电和静电驱动具有较好的优势。压电驱动器利用压电陶瓷的逆压电效应，在交变驱动电场下，压电陶瓷在垂直场强方向产生伸缩，通过复合弹性基层，将压电陶瓷形变量放大并转化至纵向，产生一定的驱动力或位移。静电驱动器利用腔体与薄膜电极层之间的静电力，使得薄膜产生形变，利用交替的电压驱动信号，可实现连续的吸气、压缩和排气过程。相比传统电机驱动微型压缩机，压电和静电的驱动方式具有结构简单、体积小以及效率高等特点。
目前随着冷却制冷系统的微型化发展，电子散热领域内的主动式微型制冷系统的扩大应用过程中，微型压缩机作为核心部件决定着微系统的可行性和可靠性。然而目前微型压缩机的压升能力不足，只能达到对流体进行泵送的压力水平，限制了微型压缩机在制冷或散热领域内的应用。根据目前现有微型压缩机的结构和设计思路，导致其压升水平较低主要存在两方面原因：一方面由于驱动器的驱动力不足，如薄膜压电驱动器的形变较小，克服的压力载荷也较低，对于静电驱动器，驱动薄膜压缩流体时易失稳。另一方面，压缩机容积效率较低，主要存在于薄膜压电驱动微型压缩机中，由于薄膜压电驱动器在电压信号驱动下，产生的形变函数较为复杂，明显含有高阶函数项，因此难以设计出回转曲面型腔体与压电振子相匹配，使得驱动器在排气结束时完全与腔体壁面贴合，导致微型压缩机的容积效率较低。因此，提升微型压缩机的驱动力和容积效率是提升微型压缩机压升的主要方向。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种复合静电和压电驱动的微型振膜压缩机。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是微型压缩机驱动器的驱动力不足以及压缩机容积效率较低。
为实现上述目的，本发明提供了一种复合静电和压电驱动的微型振膜压缩机，以获得更高的排气压升，并提高静电驱动稳定性，主要包括：复合驱动振膜、质心块、压缩机基体、压缩机腔体、弹性止回阀片和压缩机端盖。
进一步地，压缩机腔体依据振膜形变，采用回转曲面型腔体，保证振膜在排气结束时完全与腔体壁面贴合，从而具有较高的容积效率，压缩机腔体包括腔体表面介电层。
进一步地，复合驱动振膜包括：柔性薄膜、弹性金属片、压电陶瓷片、电极层和键合胶层，复合驱动振膜通过同步驱动电压信号驱动。
进一步地，同步驱动电压信号同时对所述复合驱动振膜中的压电驱动器和静电驱动器进行驱动，配合腔体实现对气体的压缩和排气；压电驱动器的驱动范围作用于振膜外环区，静电驱动器作用于振膜内圆区域，在微型振膜压缩机排气结束时，复合驱动振膜与压缩机腔体壁面贴合，微型振膜压缩机工作时，首先外圆环部分的压电驱动器在驱动电压作用下发生弯曲形变，推动振膜向腔体壁面贴合，对流体进行压缩；与壁面贴合时的柔性薄膜所受静电驱动力较大，使柔性薄膜由边缘向中心与腔体贴合，进一步对腔体内流体进行压缩和排气；利用复合驱动器中心质心块的惯性力，有助于流体的压缩和排气，同时也使得柔性薄膜贴合腔体过程更加稳定。为减少压电驱动器周向应力以提升其形变量，可通过均匀径向分割，使环形薄膜压电驱动器分割成多个独立的悬臂式驱动器。
进一步地，微型振膜压缩机排气行程结束时，在低压比工况下，复合驱动振膜与压缩机腔体壁面贴合；在高压比工况下，复合驱动振膜与压缩机腔体壁面部分贴合。
进一步地，排气孔和进气孔分别位于压缩机腔体中心和中心点附近处，通向腔体背侧，并通过悬臂梁式弹性止回阀片实现单向排气和吸气。该悬臂梁式排气阀片和进气阀片加工于同一金属薄片或者有机材料上，为保证弹性止回阀片的平整以及避免弹性止回阀片发生塑性变形，采用线切割的方式，依据吸排气孔径大小进行加工，并安装于腔体背侧面中的沉槽中，该沉槽可通过车削加工，其深度大于弹性止回阀片厚度。在压缩机端盖中加工有与腔体背侧沉槽相配合的突台，该突台高度大于沉槽深度，以保证悬臂梁式弹性止回阀片在装配后被紧密夹持。最后，在弹性止回阀片装配之前，需要分别在压缩机腔体背面和压缩机端盖突台面上加工弹性止回阀片开启方向上的空间，可通过电火花加工分别在腔体背侧加工进气阀开启所需空间槽，在端盖突起面上加工排气阀开启所需空间槽。
进一步地，压电陶瓷片采用Z向极化，紧贴于金属基板中。
进一步地，质心块采用高密度材料，密度＞10g/cm3。
进一步地，分别在所述压电陶瓷片表面的电极层和弹性金属片中引出导线，用以接收同步驱动电压信号。
进一步地，柔性薄膜表面的所述电极层为复合金属电极层，微型振膜压缩机腔体采用导电材料加工而成，在二者之间施加同步的交变电压驱动信号，形成静电驱动。
进一步地，柔性薄膜表面电极以及引线通过溅射、电镀和刻蚀获得，具体工艺为：柔性薄膜的清洗，光刻胶固定，薄膜表面溅射电极种子层，溅射金属电极层，电镀金属防护层，刻蚀去除非电极区域的金属层。
进一步地，弹性金属片与压电陶瓷片和柔性薄膜通过粘结剂键合，其中形成的键合胶层厚度＜20μm。
优选地，粘结剂为胶水。
进一步地，压缩机基体和压缩机端盖采用硬质绝缘材料，包括聚酰亚胺、聚醚醚酮和有机玻璃。
进一步地，压缩机腔体采用导电材料，包括硅或大刚度金属材料。
进一步地，腔体表面介电层厚度＜1μm，腔体表面介电层的制备材料包括SiO2和Al2O3，通过物理气相沉积或者高温干氧氧化在腔体表面制作介电层。
进一步地，柔性薄膜弹性模量＜3GPa，厚度＜0.1mm。
进一步地，柔性薄膜的包括聚酰亚胺薄膜、PDMS薄膜和金属薄膜。
进一步地，压缩机腔体通过车削成型和机械抛光加工而成。
进一步地，采用悬臂梁式弹性止回阀片控制进气和排气，弹性止回阀片材料采用金属薄片或者有机材料，金属薄片包括铍青铜和不锈钢，有机材料包括聚酰亚胺和PDMS。
进一步地，微型振膜压缩机的实际结构可以是单腔或双腔结构。
进一步地，微型振膜压缩机各部分通过螺钉紧固连接，并通过定位销钉装配。
技术效果：
1、本发明复合了静电驱动和压电驱动，提升了微型压缩机的驱动力，并且使静电力驱动更加稳定；
2、本发明采用回转曲面型压缩腔体，提升了微型压缩机的容积效率；
3、本发明微型压缩机具有更高的排气压升和效率，其应用范围更加广泛。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的微型压缩机整机示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的微型压缩机二维结构示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的复合驱动振膜三维结构示意图；
图4是本发明的一个较佳实施例的复合驱动振膜二维结构示意图；
其中，1.压缩机基体，2.压电陶瓷片，3.弹性金属片，4.电极层，5.柔性薄膜，6.质心块，7.压缩机腔体，8.腔体表面介电层，9.压缩机端盖，10.弹性止回阀片，11.排气孔，12.进气孔，13.螺钉孔，14.定位销孔。
具体实施方式
实施例
如图1、图2所示，复合压电和静电驱动微型振膜压缩机，主要包括：复合驱动振膜、压缩机基体1、压缩机腔体7、弹性止回阀片10、压缩机端盖9以及排气孔11和进气孔12，压缩机腔体7依据振膜形变，采用回转曲面型腔体，保证弹性金属片振膜在排气结束时完全与腔体壁面贴合，从而具有较高的容积效率，该腔体可通过车削成型和机械抛光加工而成，腔体表面介电层8通过物理气相沉积或者高温干氧氧化在压缩机腔体7表面制作介电层，厚度低于1μm。
压缩机基体1、压缩机腔体7和压缩机端盖9周向均匀分布有螺钉孔13和定位销孔14，方便整机装配，压缩机基体1和压缩机端盖9采用硬质绝缘材料中的有机玻璃制成。
如图3、图4所示，复合驱动振膜主要构造包括：压电陶瓷片2，弹性金属片3，电极层4，柔性薄膜5，质心块6。
实施例中整机外形尺寸为50×50×9mm，压缩机基体1和压缩机腔体7对复合驱动振膜的有效夹持直径为42mm。为减小压电陶瓷周向应力，将圆环压电驱动器径向分割成8个独立的悬臂式压电振子驱动器。复合驱动振膜结构含有压电陶瓷片2、弹性金属片3、柔性薄膜5和电极层4。通过弹性金属片3将压电陶瓷的径向形变转化成横向弯曲，同时弹性金属片3的另一侧与柔性薄膜5粘合，实现对柔性薄膜5的驱动，柔性薄膜5采用弹性模量＜3GPa，厚度＜0.1mm的聚酰亚胺薄膜，柔性薄膜5贴合压缩机腔体7后，静电驱动力起主要驱动作用，使得薄膜由边缘向中心贴合，并对流体进行压缩和排气。薄膜中心的质心块6在柔性薄膜5被拉伸形变后，利用自身惯性对流体进行压缩，同时可以稳定柔性薄膜5的贴合过程。
压电陶瓷片2、弹性金属片3和柔性薄膜5的厚度均为0.1mm。柔性薄膜5和压电陶瓷片2的一侧有厚度为1μm的电极层4，用来接入驱动电压信号。柔性薄膜5表面电极层的加工工艺为：首先将柔性薄膜5进行清洗并固定于基板上，通过溅射，在柔性薄膜5表面沉积厚度为0.1μm的种子层(Cr)；其次，进行二次溅射电极层(Cu)，沉积厚度为0.8μm，再通过光刻获得电极引线；为防止电极层被氧化，需要在其表面电镀防护层(Au)，厚度为0.1μm；最后通过化学刻蚀除去多余金属层。
回转曲面型的压缩机腔体7的母线深度为1mm，压缩机腔体7的制备通过对硅基片车削成型，机械抛光加工而成。再通过气相物理沉积，在表面形成厚度为1μm的SiO2腔体表面介电层8。
腔体中心点处和附近处分别开有孔径φ1的排气孔11和进气孔12，并且在腔体背侧开有弹性止回阀片10沉槽，用以安装悬臂梁式弹性止回阀片10。该沉槽深度大于或等于弹性止回阀片10的厚度，实施例中沉槽尺寸为16×12×0.5mm，弹性止回阀片10采用0.1mm铍青铜，通过线切割加工，将吸气阀片与排气阀片加工于同一金属片上，该弹性止回阀片10通过压缩机端盖9中的突台与阀片沉槽配合紧固。端盖突台的高度应大于等于沉槽深度，使得弹性止回阀片10得以紧固夹持，并且在进气和排气阀片对应的开启方向通过电火花加工开槽，实施例中开槽的尺寸为2.4×2×0.5mm，排气阀片对应端盖突台上开槽，进气阀片对应腔体背侧中开槽。
实施例中压缩机基体1、压缩机腔体7和压缩机端盖9均加工有螺钉孔13和定位销孔14，以便于整机装配。实施例中在圆周上均布8个螺钉，螺钉孔径为φ3，在对角处均加工有孔径同为φ3的定位销孔。
当接入交变电压信号时，复合驱动振膜上的薄膜压电驱动器发生周期性弯曲，带动振膜压缩流体，当柔性薄膜5与压缩机腔体7壁面贴合后，静电力开始驱动柔性薄膜5对流体进行进一步压缩，最终完成流体的排气过程。
微型振膜压缩机排气行程结束时，在低压比工况下，复合驱动振膜与压缩机腔体壁面贴合；在高压比工况下，复合驱动振膜与压缩机腔体壁面部分贴合。
压电驱动器的电压信号与静电驱动器的电压信号一致，保证二者的协同驱动，实现连续的吸气压缩排气循环。本发明中微型振膜压缩机的实际结构可以是单腔结构和双腔结构。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，包括：复合驱动振膜、质心块、压缩机基体、压缩机腔体、弹性止回阀片和压缩机端盖，其中，
所述压缩机腔体为回转曲面型腔体，所述压缩机腔体包括腔体表面介电层；
所述复合驱动振膜包括：柔性薄膜、弹性金属片、压电陶瓷片、电极层和键合胶层，所述压电陶瓷片与所述弹性金属片之间设置所述键合胶层，所述弹性金属片与所述柔性薄膜之间设置所述键合胶层，所述复合驱动振膜通过同步驱动电压信号驱动；
压电驱动器包括所述弹性金属片、所述压电陶瓷片和所述电极层，静电驱动器包括所述柔性薄膜和所述压缩机腔体；
所述同步驱动电压信号同时对所述复合驱动振膜中的所述压电驱动器和所述静电驱动器进行驱动，配合所述压缩机腔体实现对气体的压缩和排气；所述压电驱动器的驱动范围作用于振膜外环区，所述静电驱动器作用于振膜内圆区域，在所述微型振膜压缩机处于排气行程时，静电力驱动所述复合驱动振膜贴向所述压缩机腔体壁面；
所述微型振膜压缩机排气行程结束时，在低压比工况下，所述复合驱动振膜与所述压缩机腔体壁面贴合；在高压比工况下，所述复合驱动振膜与所述压缩机腔体壁面部分贴合；
所述压电陶瓷片采用Z向极化，紧贴于所述弹性金属片中；
所述质心块采用高密度材料，密度＞10g/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，分别在所述压电陶瓷片表面的所述电极层和所述弹性金属片中引出导线，用以接收所述同步驱动电压信号。
3.根据权利要求1所述的一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，所述柔性薄膜表面的所述电极层为复合金属电极层，所述柔性薄膜表面的所述电极层以及引线通过溅射、电镀和刻蚀获得，所述压缩机腔体采用导电材料加工而成，在所述柔性薄膜和所述压缩机腔体之间施加同步的交变电压驱动信号，形成静电驱动。
4.根据权利要求1所述的一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，所述压缩机基体和所述压缩机端盖采用硬质绝缘材料，所述硬质绝缘材料包括聚酰亚胺、聚醚醚酮和有机玻璃，所述压缩机腔体采用导电材料，所述导电材料包括硅或金属材料。
5.根据权利要求1所述的一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，所述压缩机腔体表面介电层厚度＜1μm，所述压缩机腔体表面介电层的制备材料包括SiO2和Al2O3。
6.根据权利要求1所述的一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，所述柔性薄膜弹性模量＜3GPa，厚度＜0.1mm，所述柔性薄膜包括聚酰亚胺薄膜、PDMS薄膜和金属薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，所述压缩机腔体通过车削成型和机械抛光加工而成。
8.根据权利要求1所述的一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，采用所述弹性止回阀片控制进气和排气，所述弹性止回阀片采用具有弹性的金属薄片或者有机材料，所述金属薄片包括铍青铜和不锈钢，所述有机材料包括聚酰亚胺和PDMS。
9.根据权利要求1所述的一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，所述微型振膜压缩机的腔体结构为单腔或双腔结构。
10.根据权利要求1所述的一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，所述微型振膜压缩机腔体各部分通过螺钉紧固连接，并通过定位销钉装配。
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