CN113187702B - 一种无阀压电泵及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无阀压电泵及其制作方法，涉及流体机械技术领域。该无阀压电泵包括壳体、弹性盖板、电极组件、电源组件、多个压电薄膜和多个三角板，壳体内部中空且沿长度方向的一侧设置有开口，弹性盖板封堵于开口使壳体形成泵腔，壳体的两端分别设置有入口和出口，入口和出口均与泵腔连通；多个压电薄膜均匀间隔贴附于弹性盖板的外壁；相邻两个压电薄膜的振动方向相反；电极组件贴附于泵腔的外壁且多个压电薄膜均与电极组件连接；电源组件与电极组件电连接；多个三角板均匀间隔设置于泵腔内且均与壳体连接，多个压电薄膜在三角板所在的平面的投影与多个三角板交替设置。该压电泵能提升扰流效率，提高泵送效率和泵送速度，结构简单、成本低。

Description

一种无阀压电泵及其制作方法

技术领域

本发明涉及流体机械技术领域，尤其涉及一种无阀压电泵及其制作方法。

背景技术

无阀压电泵与传统的泵相比，该泵在工作时依靠压电振子的逆压电效应将电能转换为机械能，以此作为驱动源，并将压电振子作为主动件直接将运动和力作用于工作介质，省却了从动构件。同时设计特殊的流道结构或泵腔结构来代替阀片的功能，在泵腔容积周期性变化阶段中，由于流体正反向流经这些特殊流道的流阻系数不同，从而使流体宏观上实现单向输送功能。

现有技术中的无阀压电泵，大部分是从泵腔或流道的结构设计入手，将流道设置成多种结构，例如锥形流道、类似树枝分叉式流道以及螺旋状的流道等。这样仅仅通过改变流道设置的方法来实施，其结构复杂，流体通过流道时的扰流率效果不佳，且泵送效率低，泵送速度小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无阀压电泵及其制作方法，能够提升流道内的扰流效率，提高泵送效率和泵送速度，结构紧凑简单、体积小、成本低，且可实现大批量复制。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种无阀压电泵，包括：

壳体和弹性盖板，所述壳体内部中空且沿长度方向的一侧设置有开口，所述弹性盖板封堵于所述开口使所述壳体形成泵腔，所述壳体的两端分别设置有入口和出口，所述入口和所述出口均与所述泵腔连通；

多个压电薄膜，多个所述压电薄膜均匀间隔贴附于所述弹性盖板的外壁；相邻两个所述压电薄膜的振动方向相反；

电极组件，所述电极组件贴附于所述泵腔的外壁且多个所述压电薄膜均与所述电极组件连接；

电源组件，所述电源组件与所述电极组件电连接。

多个三角板，多个所述三角板均匀间隔设置于所述泵腔内且均与所述壳体连接，多个所述压电薄膜在所述三角板所在的平面的投影与多个所述三角板交替设置。

可选地，所述压电薄膜由柔性的压电材料制成。

可选地，所述电极组件包括第一电极和第二电极，相邻的两个所述压电薄膜分别与所述第一电极和所述第二电极相连接。

可选地，所述电源组件包括第一电源和第二电源，所述第一电极和所述第二电极分别与所述第一电源和所述第二电源电连接；所述第一电源和所述第二电源均为交流电源。

可选地，所述泵腔的截面为矩形，所述三角板的截面为等腰三角形，所述三角板的底边沿所述泵腔的宽度方向延伸且所述三角板的中线与所述泵腔宽度方向的中心线重合。

可选地，所述三角板的其中一个底角的顶点沿所述泵腔的宽度方向距离所述泵腔侧壁的距离为所述三角板的底边长度的0.4倍。

可选地，所述三角板的顶点和与其相邻的所述三角板的底边之间的距离为所述三角板的底边长度的1.8倍。

可选地，所述三角板的高为所述三角板的底边长度的两倍。

可选地，所述压电薄膜为矩形且沿所述泵腔的宽度方向延伸。

一种无阀压电泵的制作方法，用于制作上述的无阀压电泵，包括以下步骤：

S1、将硅片进行光刻、显现和刻蚀后形成所述壳体和多个所述三角板；

S2、在多个所述三角板远离所述壳体的上表面镀铬Cr后镀金Au；

S3、将所述弹性盖板通过键合或粘结工艺与所述壳体和多个所述三角板连接；

S4、在所述弹性盖板远离所述三角板的表面镀绝缘层；

S5、在所述绝缘层的上表面生成压电薄膜层；

S6、对所述压电薄膜层进行刻蚀处理以形成多个所述压电薄膜；

S7、将所述电极组件固定于所述绝缘层上，并将多个所述压电薄膜均与所述电极组件连接；

S8、将所述电极组件与所述电源组件电连接。

本发明的有益效果：本发明提供的无阀压电泵，包括壳体和弹性盖板，壳体内部中空设置，且与弹性盖板能够形成泵腔，泵腔的两端连通有入口和出口，用于流体的进出；弹性盖板的外壁上贴附有多个压电薄膜，当压电薄膜通电后能够将电能转换为机械能，从而能够使压电薄膜振动起来，进而能够带动弹性盖板振动变形以改变泵腔的体积。由于相邻两个压电薄膜的振动方向相反，当压电薄膜周期运动时，会引起泵腔内压力的周期变化，导致泵腔内外流体作吸入与排出流动，流体会反复流经泵腔内的三角板，由于三角板相邻坡面的倾角不同，将对流体产生不同的能耗。这样在三角板和压电薄膜振动的配合下，流体在宏观上将实现单向流动，同时能够提升流道内的扰流效率；相邻两个压电薄膜的振动方向相反，使得在有限的体积内实现较大的可变体积和较大的压缩比，能够提高泵送效率和泵送速度，且该无阀压电泵结构紧凑简单、体积小、成本低，可实现大批量复制。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无阀压电泵的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的无阀压电泵的部分结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是本发明实施例提供的无阀压电泵的制作方法的主要步骤流程图。

图中：

1-壳体；2-压电薄膜；3-三角板；4-弹性盖板；5-电极组件；51-第一电极；52-第二电极。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，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。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。

如图1-图3所示，该无阀压电泵包括壳体1、弹性盖板4、电极组件5、电源组件、多个压电薄膜2和多个三角板3，其中壳体1内部中空且沿长度方向的一侧设置有开口，弹性盖板4封堵于开口使壳体1形成泵腔，壳体1的两端分别设置有入口和出口，入口和出口均与泵腔连通；多个压电薄膜2均匀间隔贴附于弹性盖板4的外壁；相邻两个压电薄膜2的振动方向相反；电极组件5贴附于泵腔的外壁且多个压电薄膜2均与电极组件5连接；电源组件与电极组件5电连接；多个三角板3均匀间隔设置于泵腔内且均与壳体1连接，多个压电薄膜2在三角板3所在的平面的投影与多个三角板3交替设置。可以理解的是，该无阀压电泵的壳体1内部中空设置，且与弹性盖板4能够形成泵腔，泵腔的两端连通有入口和出口，用于流体的进出；弹性盖板4的外壁上贴附有多个压电薄膜2，当压电薄膜2通电后能够将电能转换为机械能，从而能够使压电薄膜2振动起来，进而能够带动弹性盖板4振动变形以改变泵腔的体积。由于相邻两个压电薄膜2的振动方向相反，当压电薄膜2周期运动时，会引起泵腔内压力的周期变化，导致泵腔内外流体作吸入与排出流动，流体会反复流经泵腔内的三角板3，由于三角板3相邻坡面的倾角不同，将对流体产生不同的能耗。这样在三角板3和压电薄膜2振动的配合下，流体在宏观上将实现单向流动，同时能够提升流道内的扰流效率；相邻两个压电薄膜2的振动方向相反，使得在有限的体积内实现较大的可变体积和较大的压缩比，能够提高泵送效率和泵送速度，且该无阀压电泵结构紧凑简单、体积小、成本低，可实现大批量复制。

可选地，压电薄膜2由柔性的压电材料制成。具体地，压电材料为锆钛酸铅。可以理解的是，锆钛酸铅是一种无机化合物，也称为PZT，PZT是目前电致伸缩执行器的主要材料，且PZT的成本低，使用广泛。在其他实施例中，压电材料也可以使用pvdf等其他新型材料。

可选地，电极组件5包括第一电极51和第二电极52，相邻的两个压电薄膜2分别与第一电极51和第二电极52连接。具体地，第一电极51与振动方向相同的压电薄膜2顶部的电极层相连，第二电极52与另外多个振动方向相同的压电薄膜2顶部的电极层相连，至于第一电极51和第二电极52的具体结构和工作原理均已为现有技术，在此不再进行赘述。

可选地，电源组件包括第一电源和第二电源，第一电极51和第二电极52分别与第一电源和第二电源电连接，第一电源和第二电源均为交流电源。可以理解的是，第一电源和第二电源提供相反方向的电压，从而使分别与第一电极51和第二电极52连接的相邻的两个压电薄膜2产生相反方向的振动。交流电源为压电薄膜2提供周期性的变化电压，压电薄膜2会产生周期性变形从而使弹性盖板4发生变形，由此使得泵腔的容积实现周期性的变化。本实施例中，电源组件设置于泵腔的外部，具体设置位置在此不做限定，且在图中未示出。在其他实施例中，电源组件的设置位置可根据实际情况适应性选择。

具体地，多个三角板3均与壳体1一体成型。可以理解的是，一体成型设置能够保证三角板3和壳体1之间的连接的可靠性，从而能够避免三角板3在泵腔中的位置发生变化，影响该无阀压电泵的使用效果。在其他实施例中，三角板3和壳体1之间也可以设置为分体结构。

本实施例中，压电薄膜2为矩形且沿泵腔的宽度方向延伸。至于压电薄膜2的具体尺寸在此不作限定，可根据实际使用需求适应性选取。在其他实施例中，压电薄膜2的形状也可以为正方形等其他形状。

可选地，泵腔的截面为矩形，三角板3的截面为等腰三角形，三角板3的底边沿泵腔的宽度方向延伸且三角板3的中线与泵腔宽度方向的中心线重合。具体地，压电薄膜2在三角板3所在平面的投影距离相邻的两个三角板3的距离相等。压电薄膜2相对于泵腔宽度方向的中心线对称。至于三角板3的具体尺寸以及压电薄膜2的投影距离相邻的两个三角板3的距离在此均不做限定，可根据实际使用需求适应性设置。

本实施例中，压电薄膜2和三角板3均为四个。在其他实施例中，可根据实际使用情况适应性增减压电薄膜2和三角板3的数量。

本实施例中，如图1所示，当图中由a至b方向上的第一个和第三个压电薄膜2向下方运动时，泵腔容积变小，腔内压力升高，流体经两侧流道由a至b排出泵腔；当第二个和第四个压电薄膜2向上方运动时，泵腔容积变大，腔内压力降低，流体经两侧流道由右向左进入泵腔。在其他实施例中，也可以使第一个和第三个压电薄膜2向上方运动，第二个和第四个压电薄膜2向下方运动。本实施例中，由于压电薄膜2工作时的位移很小，因此，压电薄膜2的振动可近似看作为活塞运动。

具体地，由于三角板3呈周期性分布，且整个结构是对称的，因此在进行流体流经三角板3压强损失分析时，可取三角板3的上半部分作为分析单元。由于压电泵中流动的流体为振荡流，其流阻受到泵的结构尺寸、压电振子频率以及入射流角度等多种因素的影响，目前通常使用充分发展流替代进行定性分析。至于具体的分析过程已为现有技术，在此不再进行赘述。经过分析后能够得出相邻两个压电薄膜2向相反方向振动时能够实现流体的单向流动。

可选地，三角板3的其中一个底角的顶点沿泵腔的宽度方向距离泵腔侧壁的距离为三角板3的底边长度的0.4倍。可以理解的是，通过考虑三角板3下尖端到腔体的距离和三角板3的底边长度(图3中的H和W)，分析微流道腔体尺寸对气流的影响。通过分析，能够得到在H/W＝0.4，0.8，1.2，2.4的尺寸下，都可实现流体的单向流动，最终本实施例中确定H/W＝0.4。至于具体的分析方法已为现有技术，在此不再进行赘述。在其他实施例中，H/W的数值也可以为上述数值中的其他数值。

可选地，三角板3的顶点和与其相邻的三角板3的底边之间的距离为三角板3的底边长度的1.8倍。可以理解的是，通过考虑相邻两个三角板3之间的间隔(图3中的D)对泵速的影响，分析得到在D/W＝0.4，0.8，1.4，1.8，2.4的情况下，都能够实现流体的单向流动，最终本实施例中确定D/W＝1.8。至于具体的分析方法已为现有技术，在此不再进行赘述。在其他实施例中，D/W的数值也可以为上述数值中的其他数值。

可选地，三角板3的高为三角板3的底边长度的两倍。可以理解的是，通过仿真分析三角板3的底边尺寸(图3中的W)及其高(图3中的L)对泵速的影响。在流道内流体种类不变，压电薄膜2分布在两个三角板3中间且面积不变时，对三角板3的底边尺寸分两种情况进行讨论：当三角板3的高L不变时，分析W/L＝0，0.25，0.5，1，2，3的情况。当W/L＝0时，微流道中不存在三角板3，只有一个平行于腔体的面，这时不能实现流体的单向流动；当W/L>0时，微流道中形成三角板3，都可以实现流体的单向流动，最终本实施例中确定W/L＝0.5。当三角板3的底边长W不变时，分析L/W＝0，0.1，0.35，0.5，0.8，2的情况。当L/W＝0时，流道中不存在三角板3，只有一个垂直于腔体的面，这时不能实现流体的单向流动；当L/W>0时，微流道中形成三角板3，都可以实现单向流动，最终本实施例中确定L/W＝2，且在第一种情况W/L＝0.5时得到的泵速与第二种情况下L/W＝2下的泵速相同。至于上述分析的具体过程和原理均已为现有技术，在此不再进行赘述。在其他实施例中，L/W的数值也可以根据实际情况适应性调整。

如图4所示，本实施例中还提供了一种无阀压电泵的制作方法，用于制作上述的无阀压电泵，包括以下步骤：

S1、将硅片进行光刻、显现和刻蚀后形成壳体1和多个三角板3。

可以理解的是，将整个硅片进行光刻、显现和刻蚀后最终形成壳体1和四个三角板3的结构形式，操作简单方便且能够保证三角板3和壳体1一体成型。至于具体的光刻、显现和刻蚀的操作设备和操作方法均已为现有技术，在此不再进行赘述。

S2、在多个三角板3远离壳体1的上表面镀铬Cr后镀金Au。

具体地，在四个三角板3远离壳体1的上表面镀铬Cr后镀金Au，然后进行图像化，从而保证镀层的稳定性，通过镀层也能够保证三角板3上表面的结构稳定性。至于具体的镀铬和镀金的方法均已为现有技术，在此不再进行赘述。

S3、将弹性盖板4通过键合或粘结工艺与壳体1和多个三角板3连接。

可以理解的是，当三角板3的上表面处理完成后，将弹性盖板4与壳体1和三角板3连接以形成泵腔；且三角板3上表面的镀层能够避免三角板3与弹性盖板4直接接触，提高了三角板3的使用效果。至于键合或粘结的具体方法和设备均已为现有技术，在此不再进行赘述。本实施例中，弹性盖板4也由硅片制成。在其他实施例中，弹性盖板4也可以采用其他材质，也可以通过其他方法与壳体1和三角板3连接。

S4、在弹性盖板4远离三角板3的表面镀绝缘层。

具体地，首先在弹性盖板4的上表面溅射金属钛(Ti)膜，经快速热退火后在硅材质的弹性盖板4上形成氧化钛和二氧化硅薄膜组成的绝缘层，绝缘层能够起到弹性盖板4的上表面的绝缘的目的。至于上述操作的具体过程和方法均已为现有技术，在此不再进行赘述。在其他实施例中，也可以通过其他方法形成绝缘层。

S5、在绝缘层的上表面生成压电薄膜层。

具体地，首先在绝缘层上表面溅射铂(Pt)层，这一层Pt作为压电薄膜2的底部电极层，且步骤S4中生成的氧化钛也能够起到黏附Pt层的作用，从而保证Pt层的固定效果；然后在Pt层上表面铺设PZT薄膜层，最后在PZT薄膜层上方溅射另一层Pt层，这一层Pt作为顶部的电极层，形成整个的压电薄膜层。至于上述过程的所使用的设备及方法均已为现有技术，在此不再进行赘述。

S6、对压电薄膜层进行刻蚀处理以形成多个压电薄膜2。

本实施例中，使用IBE刻蚀直至刻蚀至到弹性盖板4的绝缘层停止，刻蚀出四个压电薄膜2的形状和尺寸。至于上述具体的刻蚀的方法已为现有技术，在此不再进行赘述。在其他实施例中，也可以采用其他刻蚀方法和设备。

S7、将电极组件5固定于绝缘层上，并将多个压电薄膜2均与电极组件5电连接。

具体地，将第一电极51和第二电极52设置在压电薄膜2在宽度方向的两侧，并将压电薄膜2的顶部电极层与第一电极51或第二电极52连接。在其他实施例中，第一电极51和第二电极52的具体位置不作限定，可根据实际情况是适应选取。

S8、将电极组件5与电源组件电连接。

具体地，将第一电极51和第二电极52通过导线分别与第一电源和第二电源电连接。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无阀压电泵，其特征在于，包括：

壳体（1）和弹性盖板（4），所述壳体（1）内部中空且沿长度方向的一侧设置有开口，所述弹性盖板（4）封堵于所述开口使所述壳体（1）形成泵腔，所述壳体（1）的两端分别设置有入口和出口，所述入口和所述出口均与所述泵腔连通；

多个压电薄膜（2），多个所述压电薄膜（2）均匀间隔贴附于所述弹性盖板（4）的外壁；相邻两个所述压电薄膜（2）的振动方向相反；

电极组件（5），所述电极组件（5）贴附于所述泵腔的外壁且多个所述压电薄膜（2）均与所述电极组件（5）连接；

电源组件，所述电源组件与所述电极组件（5）电连接；

多个三角板（3），多个所述三角板（3）均匀间隔设置于所述泵腔内且均与所述壳体（1）连接，多个所述压电薄膜（2）在所述三角板（3）所在的平面的投影与多个所述三角板（3）交替设置。

2.根据权利要求1所述的无阀压电泵，其特征在于，所述压电薄膜（2）由柔性的压电材料制成。

3.根据权利要求1所述的无阀压电泵，其特征在于，所述电极组件（5）包括第一电极（51）和第二电极（52），相邻的两个所述压电薄膜（2）分别与所述第一电极（51）和所述第二电极（52）连接。

4.根据权利要求3所述的无阀压电泵，其特征在于，所述电源组件包括第一电源和第二电源，所述第一电极（51）和所述第二电极（52）分别与所述第一电源和所述第二电源电连接；所述第一电源和所述第二电源均为交流电源。

5.根据权利要求1所述的无阀压电泵，其特征在于，所述泵腔的截面为矩形，所述三角板（3）的截面为等腰三角形，所述等腰三角形的底边沿所述泵腔的宽度方向延伸且所述等腰三角形的中线与所述泵腔宽度方向的中心线重合。

6.根据权利要求5所述的无阀压电泵，其特征在于，所述等腰三角形的其中一个底角的顶点沿所述泵腔的宽度方向距离所述泵腔侧壁的距离为所述等腰三角形的底边长度的0.4倍。

7.根据权利要求5所述的无阀压电泵，其特征在于，所述等腰三角形顶角的顶点和与其相邻的所述等腰三角形的底边之间的距离为所述等腰三角形的底边长度的1.8倍。

8.根据权利要求5所述的无阀压电泵，其特征在于，所述等腰三角形的高为所述等腰三角形的底边长度的两倍。

9.根据权利要求1所述的无阀压电泵，其特征在于，所述压电薄膜（2）为矩形且沿所述泵腔的宽度方向延伸。

10.一种无阀压电泵的制作方法，其特征在于，用于制作权利要求1-9任一项所述的无阀压电泵，包括以下步骤：

S1、将硅片进行光刻、显现和刻蚀后形成所述壳体（1）和多个所述三角板（3）；

S2、在多个所述三角板（3）远离所述壳体（1）的上表面镀铬Cr后镀金Au；

S3、将所述弹性盖板（4）通过键合或粘结工艺与所述壳体（1）和多个所述三角板（3）连接；

S4、在所述弹性盖板（4）远离所述三角板（3）的表面镀绝缘层；

S5、在所述绝缘层的上表面生成压电薄膜层；

S6、对所述压电薄膜层进行刻蚀处理以形成多个所述压电薄膜（2）；

S7、将所述电极组件（5）固定于所述绝缘层上，并将多个所述压电薄膜（2）均与所述电极组件（5）连接；

S8、将所述电极组件（5）与所述电源组件（6）电连接。

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