CN111255667B - 一种低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器，用于解决低轨卫星电子设备散热与燃料精准控制的问题，包括PCB泵体和压电单晶执行器，所述PCB泵体由PCB加工制得，所述压电单晶执行器包括压电陶瓷和铜基片，所述压电陶瓷粘接在所述铜基片上方；所述PCB泵体中间向下设置有沉孔，所述铜基片焊接在所述PCB泵体上，所述PCB泵体的沉孔与所述铜基片构成泵腔，所述PCB泵体具有进液口和出液口，所述进液口和出液口与所述泵腔连通，所述泵腔的下底面倾斜设置，所述进液口在竖直方向上的高度高于出液口。本压电致动微驱动器，降低其与微流控系统其它部件集成的难度，使得微驱动器直接作用于微流道，提高微驱动器的控制能力与系统的集成程度。
Description
技术领域
本发明涉及微流体机械技术领域，尤其涉及一种低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器。
背景技术
微驱动器作为低轨卫星微流控系统的一个动力部件，起着控制微流道内流体流动和流向的作用，进而达到控制推进系统和液冷系统性能的能力。
目前，微流控系统的驱动方式普遍采用外置微驱动器进行驱动，需要外置驱动微驱动器的电源线和输送冷却剂的管路，使得整个系统的集成度较低，而且管路中存在较大的压力损失，造成微驱动器的驱动力和控制能力降低，无法适用于低轨卫星微流控系统。为了解决这些问题，国内外学者主要对微驱动器的驱动方式、加工工艺与结构设计进行研究。根据微驱动器的驱动方式，分为压电驱动式、静电驱动式、电磁驱动式以及热气动驱动式等。基于逆压电效应的压电致动微驱动器不仅具有以微升为单位驱动液体的能力，而且具有结构简单、驱动力大与电磁干扰弱的优点，压电致动微驱动器适合与微流控系统其它部件实现集成化。一些学者为了减小微驱动器的体积，开始研究微驱动器的加工工艺，分为硅加工技术、玻璃和石英加工以及高分子聚合物加工工艺。尽管以硅和高分子聚合物构成的微驱动器的体积比金属加工的微驱动器的体积小，但液冷系统仍需要配置管路，且难与微流控系统其它部件实现集成化，未解决微驱动器控制能力弱与集成度低的问题。中国发明专利申请200810069378.1提出一种具有主动精确控制能力的微驱动器，能达到极低的流量和极高的控制精度，但并未讨论微驱动器的加工工艺和集成方法。
到目前为止，各国学者在微驱动器如何与微流控其它部件实现集成的方面上未提出一个有效的方案，微驱动器在系统中仍存在控制能力弱与集成程度低的问题。因此，需要在微驱动器的结构与集成原理做出新的突破。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本专利申请所要解决的技术问题是：如何提供一种低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器，降低其与微流控系统其它部件集成的难度，使得微驱动器直接作用于微流道，提高微驱动器的控制能力与系统的集成程度。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器，包括PCB泵体和压电单晶执行器，所述PCB泵体由PCB加工制得，所述压电单晶执行器包括压电陶瓷和铜基片，所述压电陶瓷粘接在所述铜基片上方；所述PCB泵体中间向下设置有沉孔，所述铜基片焊接在所述PCB泵体上，所述PCB泵体的沉孔与所述铜基片构成泵腔，所述PCB泵体具有进液口和出液口，所述进液口和出液口与所述泵腔连通，所述泵腔的下底面倾斜设置，所述进液口在竖直方向上的高度高于出液口。
进一步的，所述PCB泵体的上端固定安装有焊盘，所述铜基片与所述焊盘通过锡层焊接。
进一步的，所述压电单晶执行器为圆盘形。
进一步的，所述泵腔以及进液口、出液口均呈圆柱形，所述进液口和出液口分别设置在所述泵腔相对的两侧。
进一步的，所述压电单晶执行器的负极与系统电源电连接，所述压电陶瓷的表面通过铜导线与所述系统单元的正极电连接。
进一步的，所述压电单晶执行器的电压信号为正弦信号或余弦信号。
综上所述，铜基片与焊盘通过锡层焊接，构成铜层-锡层-焊盘的固支边结构，且锡层具有导电性，使得压电单晶执行器的负极与系统电源电连接，压电陶瓷表面通过铜导线与系统电源的正极电连接。
集成于PCB上的压电致动微驱动器的驱动方式采用具有一定频率的正弦信号或余弦信号，作用于圆盘形压电单晶执行器，当电压幅值逐渐增大时，压电单机执行器向上弯曲，泵腔内压强小于外界压强，液体同时从进出液口吸入泵腔，但由于从进液口流向泵腔的路径截面逐渐增大，致使流体阻力越来越小，而从出液口流向泵腔的路径截面逐渐减小，致使流体阻力越来越大，使得进液口的流量大于出液口的流量，此时微驱动器处于泵入状态。当电压幅值逐渐减小时，压电单机执行器向下弯曲，泵腔内压强大于外界压强，液体从泵腔泵出到进出液口，但由于从泵腔流向进液口的路径截面逐渐减小，致使流体阻力越来越大，而从泵腔流向出液口的路径截面逐渐增大，致使流体阻力越来越小，使得进液口的流量小于出液口的流量，此时微驱动器处于泵出状态。通过施加周期性的信号，压电致动微驱动器实现流体从进液口-泵腔-出液口方向单向且连续地流动。通过改变电压信号幅值来控制微驱动器的流量。
本发明具有下述优点：
1.本发明的压电致动微驱动器由压电单晶执行器焊接于PCB泵体而成，其具有结构简单、体积小和完全兼容PCB工艺的优点，适宜于集成于PCB上。
2.本发明的压电致动微驱动器的PCB泵体上的基板可以集成驱动电源和传感器等电路，易与微流控系统其它部件实现集成化，提高了微流控系统的集成程度。
3.本发明的压电致动微驱动器采用压电驱动方式，具有较高的输出压强和流量。
4.本发明的压电致动微驱动器经过PCB电装工艺焊接而成，构成的腔室与流道密封性好，且电子元件不与液体直接接触，无漏液导致的电子元件失效问题。
附图说明：
图1是本发明低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器的结构图；
图2是图1中PCB泵体的俯视图；
图3是图1的泵入状态图；
图4是图1的泵出状态图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1～图4，一种低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器，包括PCB泵体1和压电单晶执行器，所述PCB泵体1由PCB加工制得，所述压电单晶执行器包括压电陶瓷2和铜基片3，所述压电陶瓷2粘接在所述铜基片3上方；所述PCB泵体1中间向下设置有沉孔，所述铜基片3焊接在所述PCB泵体1上，所述PCB泵体1的沉孔与所述铜基片3构成泵腔4，所述PCB泵体1具有进液口5和出液口6，所述进液口5和出液口6与所述泵腔4连通，所述泵腔4的下底面倾斜设置，所述进液口5在竖直方向上的高度高于出液口6；所述PCB泵体1的上端固定安装有焊盘7，所述铜基片3与所述焊盘7通过锡层焊接；所述压电单晶执行器为圆盘形；所述泵腔4以及进液口5、出液口6均呈圆柱形，所述进液口5和出液口6分别设置在所述泵腔4相对的两侧；所述压电单晶执行器的负极与系统电源电连接，所述压电陶瓷2的表面通过铜导线与所述系统单元的正极电连接；所述压电单晶执行器的电压信号为正弦信号或余弦信号。
这样，铜基片与焊盘通过锡层焊接，构成铜层-锡层-焊盘的固支边结构，且锡层具有导电性，使得压电单晶执行器的负极与系统电源电连接，压电陶瓷表面通过铜导线与系统电源的正极电连接。
集成于PCB上的压电致动微驱动器的驱动方式采用具有一定频率的正弦信号或余弦信号，作用于圆盘形压电单晶执行器；在不施加电压或施加直流电压时，压电单晶执行器挠度无变化，泵腔内的压强与外界压强相等，微驱动器不工作。因此，集成于PCB上的压电致动微驱动器是常闭型压电致动微驱动器，使其具有良好的止流特性。
集成于PCB上的压电致动微驱动器是靠驱动圆盘形压电单晶执行器的有序动作实现流体的自注入、泵入和泵出。流体通过进液口流入泵腔，最终于出液口流出，始终在PCB泵体内流动。
当电压幅值逐渐增大时，压电单机执行器向上弯曲，泵腔内压强小于外界压强，液体同时从进出液口吸入泵腔，但由于从进液口流向泵腔的路径截面逐渐增大，致使流体阻力越来越小，而从出液口流向泵腔的路径截面逐渐减小，致使流体阻力越来越大，使得进液口的流量大于出液口的流量，此时微驱动器处于泵入状态。当电压幅值逐渐减小时，压电单机执行器向下弯曲，泵腔内压强大于外界压强，液体从泵腔泵出到进出液口，但由于从泵腔流向进液口的路径截面逐渐减小，致使流体阻力越来越大，而从泵腔流向出液口的路径截面逐渐增大，致使流体阻力越来越小，使得进液口的流量小于出液口的流量，此时微驱动器处于泵出状态。通过施加周期性的信号，压电致动微驱动器实现流体从进液口-泵腔-出液口方向单向且连续地流动。通过改变电压信号幅值来控制微驱动器的流量。采用铜基片，不仅具有较大的变形，还可以采用PCB焊接工艺进行焊接。
具体的，所述压电单晶执行器的电压信号为周期性信号，进一步的，可以为余弦信号、正弦信号、方波矩形波信号等，均属于本专利申请要求保护的范围。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器，其特征在于，包括PCB泵体和压电单晶执行器，所述PCB泵体由PCB加工制得，所述压电单晶执行器包括压电陶瓷和铜基片，所述压电陶瓷粘接在所述铜基片上方；所述PCB泵体中间向下设置有沉孔，所述铜基片焊接在所述PCB泵体上，所述PCB泵体的沉孔与所述铜基片构成泵腔，所述PCB泵体具有进液口和出液口，所述进液口和出液口与所述泵腔连通，所述泵腔的下底面倾斜设置，所述进液口在竖直方向上的高度高于出液口。
2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器，其特征在于，所述PCB泵体的上端固定安装有焊盘，所述铜基片与所述焊盘通过锡层焊接。
3.根据权利要求1所述的一种低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器，其特征在于，所述压电单晶执行器为圆盘形。
4.根据权利要求1所述的一种低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器，其特征在于，所述泵腔以及进液口、出液口均呈圆柱形，所述进液口和出液口分别设置在所述泵腔相对的两侧。
5.根据权利要求1所述的一种低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器，其特征在于，所述压电单晶执行器的负极与系统电源电连接，所述压电陶瓷的表面通过铜导线与所述系统单元的正极电连接。
6.根据权利要求1所述的一种低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器，其特征在于，所述压电单晶执行器的电压信号为正弦信号或余弦信号。
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