CN114008910A - 压电致动器和微流体设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压电致动器以及涉及微流体设备，诸如微型阀或微型泵。压电致动器(100)包括可挠曲的致动器膜(102)以及至少一个压电元件(104A，104B)，至少一个压电元件可操作用于根据施加到压电元件的电场进行膨胀和收缩运动(106)，其中，压电元件附接到致动器膜的一部分，以用于对膜施加机械力。根据本发明，压电元件使膜的中心区域敞开并且具有与致动器膜的轮廓不一致的外围轮廓。
Description
技术领域
本发明涉及压电致动器和微流体设备，诸如微型阀或微型泵。
背景技术
数十年来，压电膜致动器已经被用于提供精确运动、强力、和低能量性能。提出了多种配置(诸如压电单晶片致动器、压电双晶片致动器、层叠致动器等)来改善这些致动器的性能以及提高这些致动器的寿命。这些致动器中的大多数致动器采用压电材料的多层结构的形式，其中作为主动组件的压电材料安装在作为被动膜的其他材料(诸如金属、聚合物或玻璃)上。由于其固有机电特性，当施加外部电压时，压电材料中会产生应变，这会在压电材料中的应变受到被动层的限制时导致弯曲力矩。做了许多研究来改善这些致动器的性能，例如通过优化多层致动器的弯曲力矩与刚度的比率。其他人已经尝试通过以各种阵列或螺旋形状改变致动器的金属化层和电极来优化所施加的电场。
图29至图31示出了处于三种不同的操作状态的常规压电致动器10。为了研制压曲的致动器膜12，已知将膜12(还通常称为“隔膜”)夹置在两个压电环14A、14B之间，其中膜12和压电元件14A、14B具有恒定厚度的扁平结构，并且膜12具有与压电元件14A、14B的外部尺寸相同的外部尺寸(也可参见例如出版物[1]至[9])。
此外，出版物[10]公开了一种压电致动器，该压电致动器包括：压电元件，用于根据电场条件执行膨胀/收缩运动；基座，所述压电元件粘附到所述基座的至少一个表面上；以及支撑构件，用于支撑所述压电元件和所述基座，其中，所述压电元件和所述基座根据所述压电元件的膨胀/收缩运动而上下振动。所述基座通过刚性小于所述基座的振动膜连接到支撑构件。然而，该环绕膜仅是用于提供环绕支撑的被动材料，而不是引起和控制弯曲力矩和压曲力的主动膜。
此外，出版物[11]的目的是提供一种用于补偿低产生力和小位移的方法，其是现有压电弯曲致动器的缺陷。另外，该文献的目的是提供一种能够精确控制产生力和位移的压电弯曲致动器。根据一实施方式，该压电弯曲致动器包括：压电板，其包括条状的压电陶瓷；和底板，其附接到压电陶瓷的下侧并且长于压电陶瓷；以及压缩构件，其位于压电板的两个端部上并且可以平行于纵向方向压缩压电板。当压缩构件在没有电场的情况下压缩压电板的两侧时，压电板在一个方向上压曲。在存在电场的情况下压电板在另一方向上压曲。然而，压缩构件不是压电元件。
出版物[12]涉及使用非线性压曲梁的压电能量采集。一种能量采集器包括框架，该框架具有基底、固定到基底的第一侧构件、和固定到基底且与第一侧构件间隔开的第二侧构件。梁被联接在框架的第一侧构件与框架的第二侧构件之间。梁具有基体层，该基体层具有固定到框架的第一侧构件的第一端、固定到框架的第二侧构件的第二端、第一面、和与第一面相对的第二面。基体响应于振动力可弹性变形。梁还包括第一压电层，该第一压电层接合到基体层的第一面并且具有用于电连接到负载的端子，该第一压电层包括至少一个压电片。文献[12]的图1中描述的框架仅提供用于产生压曲的被动刚性支撑，而不具有应用和控制弯曲和压曲的主动作用。
最后，出版物[13]公开了一种压电微型泵，其中，泵室被隔膜分隔。压电元件设置在隔膜的后表面上，隔膜通过压电元件的弯曲变形而变形以改变泵室的体积并且在泵室中运输流体。提供了用于支撑压电元件的后表面的支撑构件，使得支撑构件抑制隔膜的外围部分在相反方向上弯曲。因此，支撑构件防止压电元件浮动。相应地，在泵室的体积改变时，可以可靠地传输压电元件的移位，由此提高流体运输性能。然而，文献[13]的图8中示出的构件1d描述了阻止件(支撑构件)，而不是主动压电构件。
还有压电陶瓷的多个固有方面似乎也限制它们的需要大的挠曲的应用。一个固有方面是这些材料的天然刚度，这些材料通常是刚度水平为几十GPa(与铝的刚度范围相同)的陶瓷的形式。因此，压电本身极大地促成了致动器的不期望的抗弯刚度，并由此导致减小了整个结构产生的挠曲。此外，大的刚度对应于即使在小的应变下也在材料中产生大的应力，在此构成这些材料的第二个固有特性，该特性使得实现大的挠曲很有挑战并且是这些材料的易碎性质。换句话说，即使在压电材料的抗弯刚度较高的情况下一种配置可以实现大的挠曲，也会由于这些材料的易碎性质而不能达到超过百分之几十的应变。
发明内容
因此，仍然需要改进的压电致动概念，其将压曲力与弯曲力矩相结合，从而得到压电致动器的较高的挠曲和提高的寿命。
该目的通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利实施方式是从属权利要求的主题。
本发明基于以下发现：如果膜和压电元件不具有相同的轮廓，则通过结合弯曲力和压曲力，以及实现在挠曲和力/压力能力方面的较高的性能，能够开发出具有较好的控制的致动器。反而，膜的尺寸小于或大于压电元件的尺寸(在以下描述中有时也称为“压电式元件”)。
有利地，根据本发明，致动器被设计成使得在操作中可以在致动器膜的两个挠曲方向上结合压曲力和弯曲力。换句话说，除了弯曲力，在挠曲的两个方向上还可以产生压缩力。
特别地，根据本发明的压电致动器包括可挠曲的致动器膜以及至少一个压电元件，所述至少一个压电元件可操作用于根据施加到所述压电元件的电场进行膨胀和收缩运动，其中，所述压电元件附接到所述致动器膜的一部分，以用于对所述膜施加机械力，并且其中，所述压电元件使所述膜的中心区域敞开并且具有与所述致动器膜的轮廓不一致的外围轮廓。
首先，膜的直径可以小于压电元件的外径。特别地，所述压电元件可以包括至少一个环形平面板，所述至少一个环形平面板附接到所述膜以利用所述压电元件的环形内部区域覆盖所述膜的环形外围区域。
可以以能量分析方法更容易地解释较小的膜尺寸的优势。压电材料的能量引起致动器的变形能量和由致动器完成的外功(诸如使液体移动)。因此，如果膜具有较大的面积(诸如参考文献[1]-[10]中的膜)，则变形能量在较大面积的膜(整个膜)以及相应的粘合剂的压缩和变形中消耗，粘合剂将应力从压电环传递到膜。通过设置较小的膜面积，变形能量被更有效地用于膜的可接近区域，从而得到更大的挠曲并实现更多的外功。因此，由于膜的完成实际机械功的最重要的区域是在压电区段内部的区域，由此理想地将膜尺寸减小到仅为该区域能够显著提高性能，还能降低材料成本。
替选地，膜的尺寸可以大于压电元件的尺寸。膜的这种超过压电元件的尺寸的延伸可以用于安装和支撑目的，从而产生与安装和支撑区域限于压电尺寸内的情况相比更长的力臂，因此能够实现更大的挠曲。特别地，所述压电元件包括至少一个环形平面板，所述至少一个环形平面板附接到所述膜并且具有比所述膜的外径小的外径。
在本发明的上下文中，“环形”意味着围绕空心的结构，该结构具有闭合或部分中断的区域，该区域具有内部轮廓和外部轮廓。特别地，环形不限于圆形轮廓，而是也包括任何任意轮廓，例如椭圆形、矩形、或不规则形状。此外，应当注意的是，在膜的平面中，膜和压电元件都不需要是对称的。压电元件的内部轮廓和外部轮廓也不必关于彼此具有中心相似性。
此外，所述压电元件可以包括第一环形平面板和第二环形平面板，所述第一环形平面板和所述第二环形平面板的外径和/或内径彼此不同，其中，所述第一环形平面板和所述第二环形平面板附接到所述膜的相对的外围表面。这种配置产生不对称力。
为了在两个压电元件中产生不对称力，可以考虑多种方法。除了向两个压电元件施加不对称的电压这一比较明显的方法，压电元件的尺寸也可以彼此不同以进一步朝向所期望的方向着重产生不对称。在压电元件中的一者中产生比另一者更多的径向收缩除了产生压曲力之外还产生净弯曲力矩，这是由于由较大的压电环产生的较高的力与到中轴线的距离的乘积导致的。
为了在两个压电环中产生不对称力，其厚度可以变化，因为通过改变厚度可以使压电环产生的力变化，换句话说，第一环形平面板和第二环形平面板可以具有不同的厚度。这是由于两种效应。一种效应是由于根据施加的电压产生的电场改变，第二种效应是由于压电环的应力能力根据厚度而变化。将相同的电场施加到两个压电区段，在厚度较大的压电元件中产生较大的力，并因此得到的弯曲力矩与净压曲力一起产生。
也可以通过仅在膜的一侧上设置压电环来实现这种不对称。与上述配置相比，该配置由于缺少相对的压电环的相对性而导致更明显的弯曲力矩。然而，这种布置的第一个缺陷是减小了压曲力。另一个缺陷是降低弯曲控制，因为在该配置中，弯曲力矩限于由压曲力(或在它们被激活以在与向内压曲方向相反的方向上移动时，为压电环的张力)产生的弯曲力矩，鉴于这些力以距该结构的中轴线一距离而被施加。应当注意的是，该特定截面不限于圆形致动器。相同的构思可以用于其他形状，诸如矩形和椭圆形或者甚至能够产生相同的压曲效应的不规则或任意形式。
有利地，膜可以包括分别由不同材料制成的多个区段，或者甚至空区域。例如，可以在中心部分中设置具有高刚度(杨氏模量)的材料(以具有较高的力和压力能力)，而在外侧部分中使用另一种更柔性的材料。这允许应用更柔性的边界条件并因此在安装和支撑的位置处得到非零斜率，这导致最终挠曲更高。此外，所述第一环形平面板和所述第二环形平面板之间的空隙至少部分由优选柔性的间隔件材料填充。
间隔件材料也可以具有环形形状，其通过一个或多个径向延伸的腹板连接到膜。这种布置具有以下优势：间隔件可以更容易地对准和组装。间隔件和膜可以由相同材料切割而成，以减少制造和组装步骤。
根据本发明的另一有利实施方式，所述压电元件包括至少一个环形平面板，所述至少一个环形平面板在所述膜的外圆周端面处邻接地附接到所述膜。换句话说，两个基本上平面的压曲压电元件可以由单个零件替代(例如，在圆形截面的情况下，两个压电环可以由一个压电管替代)，这对该结构仅施加张紧或压缩(压曲)，因此放大了由可以位于膜的中心部分的弯曲压电元件产生的挠曲和力。
当压电元件附接到膜的外圆周端面的仅一部分时，该压曲压电元件(诸如管)关于膜的中轴线不对称地放置，并因此在膜中产生压曲与弯曲力矩的结合。
此外，所述膜可以包括具有材料改性的区域，使得所述膜在所述压电元件没有对所述膜施加力的情况下具有预定的挠曲形状。根据本发明的一有利实施方式，可以通过对膜的材料应用局部改变(诸如对表面进行激光处理)来产生膜中的预压曲，这可以引起各种范围的物理或化学变化，诸如热膨胀、氧化、材料/合金相变等。这导致不同的效应，诸如材料中的局部体积变化、鼓出、或集中预应力，这些效应于是引起预应力/预应变状态，该状态也可以导致膜中的预压曲。可以通过各种激光作用参数(例如脉冲速率、频率、功率等)、几何参数(目标的位置、图案、重复数量等)、热参数和其他参数来改变/调节预压曲的量。
此外，所述膜的厚度可以沿着所述膜的径向方向变化，和/或所述膜可以包括由不同材料制造的区域。
为了提供机械支撑，压电元件还可以包括用于机械固定膜的支撑元件。
根据一有利实施方式，压电致动器还可以包括至少一个弯曲压电元件，所述至少一个弯曲压电元件在所述膜的中心区域中附接到所述膜，以用于对所述膜施加弯曲力矩。可以在膜的中心部分中添加这种弯曲压电元件，以结合“传统弯曲配置”与压曲方法。由“弯曲压电元件”施加(通过膨胀或收缩)的额外的弯曲力矩将提高致动器的力和压力承载能力。
弯曲压电元件还可以通过提供朝向所期望的方向控制致动器(通过收缩或膨胀)所需的弯曲力矩而不再需要双压曲压电元件配置。来自该侧的压曲力然后恰好放大力和挠曲的效应。
可以存在多个弯曲压电元件与一个或多个压曲压电元件例如在膜的不同位置处相结合，以形成更复杂的形状，或者在膜的两侧相结合以产生更大的弯曲力矩。在这种情况下可以增大弯曲力矩，这例如简化了比例阀的流量控制，特别是因为当膜接近于其中间(初始)位置时减小了压曲的分叉。
为了安装致动器膜，有利地，可以设置柔性支撑部件。这种取代膜的固定夹紧件的柔性安装件能够得到膜的外围区域中的非零斜率。这产生膜的更高的最终挠曲。例如，一对弹性的O形环可以用于支撑膜。然而，也可以使用其他合适的柔性安装部件。
本发明还涉及包括根据本发明的压电致动器的微流体设备。例如，所述微流体设备可以是微型阀，该微型阀具有至少两个流体端口和阀座，所述阀座围绕所述端口中的一个端口设置并且从该端口朝向所述膜突出，使得可挠曲的所述膜可操作用于分别通过变成与所述阀座接触和离开所述阀座来关闭和打开流体路径。本发明还提供可作为微型泵操作的微流体设备，其中移动致动器将流体从所述端口中的至少一个端口推出。
此外，可以在膜与阀座之间设置至少一层可压缩、优选弹性的密封层。该层用于密封目的并且可以附接到阀座的表面或附接到膜的表面或附接到二者的表面。例如，层压的硅树脂层可以用作密封层。
然而，所有对微型泵应用和微型阀应用的引用都仅仅是为了阐明对性能进行调节的优势，而不是将应用限制到这些领域。其他应用可以是自适应光学(诸如自适应透镜和自适应反射镜)、精确移动、MEMS声学(诸如麦克风和扬声器)等。
本申请中所使用的“刚性”意味着坚硬的、不易弯曲的，即刚性结构不适于在该结构的正常使用中变形。
本申请中所使用的“柔性”意味着非坚硬的、非刚性的，即该材料可以进行弹性变形，只要该材料没有进入塑性区域就可以恢复其原始形状。
本申请中所使用的“可伸缩的”意味着有弹力的，即可以以伸长率弹性变形。可伸缩的结构适用于在正常使用中弹性变形(具有伸长率)。
本申请中所使用的“可压缩的”意味着有弹力的，即可以进行在施加压力的方向上减小尺寸的弹性变形。可压缩的结构适用于在正常使用中弹性变形(具有尺寸减小)。
附图说明
附图被并入本说明书并构成本说明书的一部分，以示出本发明的实施方式。这些图与描述一起用于解释本发明的原理。这些图仅用于示出可以如何进行和使用本发明的优选和替选示例的目的，而不能被解释成本发明仅限于所示出和所描述的实施方式。此外，所描述的实施方式的多个方面可以单独地或以不同组合形成根据本发明的解决方案。进一步的特征和优势将从本发明的各个实施方式的以下更具体的描述变得显而易见，本发明的各个实施方式如附图所示，在附图中，相同的附图标记指代相同的元件，附图中：
图1示出了根据第一方面的压电致动器的截面示意图；
图2示出了根据第二方面的压电致动器的截面示意图；
图3示出了根据第一方面的压电致动器的截面示意图，该压电致动器具有变化厚度的第一膜配置；
图4示出了根据第一方面的压电致动器的截面示意图，该压电致动器具有变化厚度的第二膜配置；
图5示出了根据另一方面的压电致动器的截面示意图；
图6示出了根据另一方面的压电致动器的截面示意图；
图7示出了根据另一方面的压电致动器的截面示意图；
图8示出了根据另一方面的压电致动器的俯视示意图；
图9示出了根据另一方面的压电致动器的截面示意图；
图10示出了根据另一方面的压电致动器的截面示意图；
图11示出了根据另一方面的压电致动器的截面示意图；
图12示出了根据另一方面的压电致动器的截面示意图；
图13示出了根据另一方面的压电致动器的截面示意图；
图14示出了根据另一方面的压电致动器的截面示意图；
图15示出了根据另一方面的压电致动器处于挠曲位置的截面示意图；
图16示出了图15的压电致动器处于中立位置的截面示意图；
图17示出了根据另一方面的压电致动器的截面示意图；
图18示出了根据另一方面的膜的截面示意图；
图19示出了根据另一方面的膜的截面示意图；
图20示出了根据另一方面的膜的截面示意图；
图21示出了根据另一方面的膜的截面示意图；
图22示出了根据另一方面的压电致动器的截面示意图；
图23示出了根据另一方面的压电致动器的截面示意图；
图24示出了根据另一方面的压电致动器的截面示意图；
图25示出了根据有利方面的微型阀处于第一操作状态的截面示意图；
图26示出了图25的微型阀处于第二操作状态的截面示意图；
图27示出了图25的微型阀处于另一操作状态的截面示意图；
图28示出了图25的微型阀处于另一操作状态的截面示意图；
图29-图31示出了已知的压电致动器处于不同操作状态的截面示意图。
具体实施方式
现在参考附图并且特别地首先参考图1，将更详细地解释本发明。
图1示出了根据本发明的第一示例性方面的压电致动器100的截面示意图。压电致动器100包括可挠曲膜102以及两个环形的压电元件104A、104B。如由箭头106所指示的，当电场被施加到压电元件时，压电元件104施加向内指向的力。必须注意的是，在整个本公开中，如本领域技术人员所已知的，压电元件的电极根据其极化而成形，从而使得压电元件提供向内或向外的力(压缩和张紧)，但是在附图中并未示出以避免使总体思路模糊不清。
此外，可以以任何合适的方式、例如通过粘结层等将压电元件机械连接到膜。
根据本发明，膜102的尺寸小于压电元件104的尺寸。换句话说，压电元件在比压电元件的表面小得多的区域中与膜机械接触。例如，压电元件104A、104B可以以其总面积的大约20％的比例附接到膜102。然而，其他比例当然也是可行的，并且必须注意的是，所有的附图都没有关于距离和厚度按比例绘制。
通过例如以与图29至图31相同的方式结合膜102的弯曲和压曲，更好的控制是可能的并且能够在挠曲以及力和/或压力能力方面取得更高的性能。
可以以能量分析方法更容易地解释较小的膜尺寸的优势。压电材料的能量引起致动器的变形能量和由致动器完成的外功(诸如使液体移动)。因此，如果膜具有较大的面积，则变形能量在较大面积的膜102(即整个膜)以及相应的粘合剂的压缩和变形中消耗，粘合剂用于将应力从压电环传递到膜。与此相反，利用较小的膜面积(诸如，如图1所示的膜面积)，变形能量被更有效地用于膜102的中心区域，从而得到更大的挠曲并实现更多的外功。因此，由于膜的完成实际机械功的最重要的区域是在压电区段内部的区域，由此理想地将膜尺寸减小到仅为该区域能够显著提高性能，还能降低材料成本。
此外，例如由于诸如预弯曲或预压曲的预应力，膜102可以具有初始曲率，以在所期望的方向上产生不对称的挠曲/力。另外，该曲率能够减小实现特定挠曲所需的力。
另一方面，如图2所示，压电致动器200可以包括膜202，膜202的直径大于压电元件204。膜的这种超过压电元件的尺寸的延伸可以用于安装/支撑目的(如图2中所示)，从而产生更长的力臂(与安装/支撑区域限于压电尺寸内的情况相比)，因此能够实现更大的挠曲。在图2中，支撑元件208被示意性地示出为O形环。对于本领域技术人员清楚的是，当然也可以使用任何合适形式的支撑元件208。
压电致动器300的另一有利变型在图3中示出。此处，膜302在中心处的厚度与外围区域相比减小。另一方面，图4示出了具有膜402的压电致动器400，膜402在中心处的厚度与边缘区域相比增大，该边缘区域与压电元件404接触。
由于膜的厚度为抗弯刚度贡献了第三力量，因此中心处增大的厚度(诸如图4中示出的示例)通过该膜产生更高的传递力矩以及由此产生更高的工作压力，即致动器400可以抗更高的压力和/或力而挠曲。缺点将是挠曲减小。这种厚度的增大还可以例如通过将由相同材料或不同材料制成的其他层添加/安装到膜402上来实现。
应当注意的是，尽管增大的厚度可能导致减小的挠曲，但是根据设计参数，其可以产生更高的体积位移。
膜302的中心处膜厚度的减小由于减小的膜的抗弯刚度而得到更高的挠曲，但是以减小工作压力和所产生的力为代价。
在实现更高的挠曲和实现更高的压力/力之间的调节可以给予设计者在每种应用中优化所期望的特性的选择权。例如，在微型泵应用中，致动器的更高的挠曲可以产生更高的流速。在微型阀应用中，使致动器中产生更高的挠曲使得阀能够得到更高的流动因数。
另一方面，致动器的更高的压力和力性能可以在微型泵应用中得到更高的反压力，或者可以在微型阀应用中得到更高的工作压力范围。
为了在两个压电元件中产生不对称的力以使产生的挠曲/力更多地朝向一个方向，可以使用多种方法。除了向两个压电元件施加不对称的电压的该比较明显的方法，压电元件的尺寸也可以彼此不同以进一步朝向所期望的方向着重产生不对称。在压电元件中的一者中产生比另一者更多的径向收缩(如用黑色箭头所示)除了产生压曲力之外还产生净弯曲力矩(在图5中用箭头510示出)，这是由于由较大的环形压电元件504B产生的较高的力与到中轴线的距离的乘积。
具有由压电元件604产生的不对称力的压电致动器600的另一示例在图6中示出。
根据该示例，两个相对的压电元件604A、604B的厚度不同，但压电元件604A、604B的直径相等。应当说明的是，当然也可以另外设置不同的直径。通过使用具有不同厚度的压电元件604A、604B，由于两种效应而产生不对称力。第一，由给定施加的电压产生的电场改变。第二，压电元件604A、604B的应力特性根据厚度而变化。图6示意性地示出了该效应。当将相同的电场施加到压电元件604A、604B时，在较厚的压电元件604B中产生较大的力606B。因此，得到的弯曲力矩610与净压曲力一起产生。
根据本发明的压电致动器700的另一有利示例在图7中示出。
如在该图中所示，可以通过仅在膜的一侧上设置环形压电元件704来实现致动力的不对称。与先前描述的配置相比，该配置由于缺少相对的另一压电元件而导致产生更高的弯曲力矩710。然而，图7中示出的配置具有所产生的压曲力较低的缺陷。另一个缺陷是降低弯曲控制，因为在该配置中，弯曲力矩710限于由压曲力(或在它们被激活以在与向内压曲方向相反的方向上移动时，为压电元件704的张力)产生的弯曲力矩，考虑到这些力以距该结构的中轴线一距离而被施加。
如图8中以俯视图示意性地示出的，根据本发明的原理的压电致动器800当然不限于圆形形状。相同的构思可以用于其他形状，诸如矩形和椭圆形或者甚至能够产生与如图8所示的相同的压曲效应的不规则或任意形式。
根据本发明的其他有利示例，膜可以包括多个部分或甚至空隙，每个部分包括不同的材料。如图9所示，例如，可以在膜902的中心区域912中设置具有高刚度(即，高杨氏模量)的材料，以得到较高的力和压力能力。可以在外围区域914中使用另一种更柔性的材料。这允许在膜902的外围处应用更柔性的边界条件。相应地，在安装部件(支撑部件)908所处的位置处能够得到非零斜率。这导致膜的最终挠曲更高。
替选地，如图10所示，可以在压电元件1004A、1004B之间设置优选柔性的间隔件1016，以在膜1002的外围产生更柔性应用的边界条件。根据该示例，在压电元件1004A、1004B的区域内设置支撑部件1008。压电元件1004A、1004B之间的区域填充有间隔件1016，从而用作更柔性的支撑件，而不会妨碍压电元件1004A、1004B的向内指向的力的传递，该向内指向的力必须被传递到膜1002的中心部分。
压电致动器1100的另一有利示例在图11中示出。根据该示例，膜1102的材料特性例如在径向方向上变化。材料特性可能通过进一步处理而改变，例如利用诸如退火和烧结的热处理、利用激光偏离、利用合金相变等进一步处理。图11示出了一个示例，其中膜1102的中心部分1112被硬化。在微型阀的应用的情况下，该中心区域1112的硬化可以增大膜1102的中心部分与阀座之间形成的防漏区域，从而增大阀的动态工作压力。
如图11所示，压电元件1104A、1104B对膜1102施加不同的径向力1106A、1106B。因此，除了仅有的压曲力，还产生弯曲力1110。
图12至图16示出了本发明的另一有利实施方式，其中，除了产生压曲力的压电元件，还设置至少一个弯曲压电元件。通过将这种弯曲压电元件添加到膜的中心区域，传统的弯曲配置可以与更近期的压曲方法相结合。由弯曲压电元件通过膨胀或收缩施加额外的弯曲力矩。
如图12所示，一个这种弯曲压电元件1214附接到膜1202的中心区域1212。因此，压电致动器1200的膜1202在径向方向上被两个压电元件1204A、1204B致动并且另外由弯曲压电元件1214的收缩和膨胀(由双箭头1216表示)进行弯曲。由此改善了压电致动器1200的力和压力承载能力。
如图13所示，将弯曲压电元件1314附接到膜1302的中心区域1312可能甚至没必要再提供设置在膜的两侧的两个相对的压电元件。取而代之，仅一个压电元件1304设置在膜1303的一个表面上。在这种情况下，需要用于朝向所期望的方向控制致动器1300的弯曲力矩1310通过弯曲压电元件1314的膨胀或收缩产生。在图13中，例如，弯曲压电元件1314的膨胀将导致膜1302向上弯曲。从侧面朝向中心施加的压曲力仅具有对力和所得到的挠曲的放大效应。
根据在图14中示出的本发明的另一方面，由一个单个的压电元件1404替代一对相对的压曲压电元件。例如，可以设置管状的压电元件1406以用于对膜1402产生径向取向的压曲力1406。取代之前的示例中所示出的上表面1420或下表面1422，该管状的压电元件1404与膜1402的圆周面1418相互作用。
因此，压电元件1404仅向膜1402施加纯张力或压缩(压曲)力，使得由位于膜1402的中心区域1412的弯曲压电元件1414产生的力和挠曲被放大。
如针对图15和图16中绘制的压电致动器1500所进一步示出的，可以存在多个弯曲压电元件1514与压曲压电元件1504(或1204)例如在膜1502的不同位置处相结合，以形成更复杂的形状，或者在膜1502的两侧(诸如如图15和图16中示出)相结合以产生更大的弯曲力矩。在这种情况下可以增大弯曲力矩，这例如简化了比例阀的流量控制，特别是因为当膜接近于其中间(初始)位置时它减小了压曲的分叉。图15和图16示出了在两种操作状态(分别为变形状态和中立状态)下该配置的示例。在该示例中，弯曲压电元件1514A、1514B在膜1502的中心处对称地定位。通过弯曲压电元件中的一者1514A膨胀以及另一者1514B收缩来施加同一方向的弯曲。
图17示出了压电致动器1700的另一有利示例。根据该示例，仅一个压曲压电元件1704(诸如，管)关于膜1702的中轴线不对称地放置，以在膜1702中产生压曲力1706与弯曲力矩1710的组合。
如将参考图18至图21所解释的，可以通过产生材料特性的局部改变来实现膜1802中的预压曲。
例如，对膜的表面进行激光处理以引起各种范围的物理或化学变化，诸如热膨胀、氧化、材料和/或合金相变等。这导致不同的效应，诸如材料中的局部体积变化、鼓出、或集中预应力。这些效应可以用于产生预应力或预应变状态，该状态也导致膜1802中的预挠曲，诸如预压曲。图18例如示出了具有区域1824的初始状态的初始平坦膜1802，假设区域1824将受特定处理(诸如激光作用)的影响。
如图19所示，这些区域1824然后膨胀，从而产生径向力，该径向力由于其与中轴线1826的距离进而导致围绕该轴线的弯曲力矩1810。其结果是膜1802以预压曲和/或预弯曲的形式变形。可以通过各种激光作用参数(例如脉冲速率、频率、功率等)、几何参数(目标的位置、图案、重复数量等)、热参数和其他参数来改变和调节预压曲的量。
此外，暴露膜的另一侧也可以增大压曲力1806，但是会减小弯曲力矩1810，如图20所示。因此，可以实现预压曲的不同幅度以及不同状态。膜1802可以被处理成单稳态(仅在一侧上具有一个稳定平衡)或双稳态(具有两个稳定平衡状态，即在两侧上)。也可以利用更复杂的组合(诸如图21中示意性地示出的不同激光图案)来实现预压曲的甚至更复杂的形状或其他模式。
如针对图22和图23中绘制的压电致动器2200、2300所示出的，膜2202、2302可以被形成为由于预应力(诸如如图18至图21中所示的预弯曲、预压曲或材料处理)而具有初始曲率。该初始曲率表明在所期望的方向上的不对称挠曲和力。此外，该曲率减小在操作中实现特定挠曲所需的力。
图24示出了根据本发明的压电致动器2400的另一有利方面。根据该示例，膜2402包括中心部分2412，该中心部分2412被硬化以增强可以例如对阀座施加的力。
作为压电致动器的示例性应用，图25至图28示出了包括如图10所示的压电致动器1000的流体控制设备2500。根据该示例，微流体控制设备2500具有基底2528和盖部2530。压电致动器1000通过凹口2532中保持的两个弹性O形环1008固定在基底2528与盖部2530之间。基底2528包括入口2534和出口2536。阀座2538围绕入口2534并且膜1002接近于阀座2538而设置，使得利用膜1002的向下取向的位移，其与阀座相互作用以关闭来自入口2534的流体路径。
图25示出了处于其初始状态的流体控制设备2500。通过使压电元件中的一者收缩而使另一者膨胀，致动器1000朝向膨胀的压电元件弯曲，如图26所示，其中致动器朝向阀座2538弯曲。有利地，从该图中可以看出，利用O形环1008的柔性支撑允许致动器以及因此膜的非零斜率。取代牢固地夹紧的悬臂的固定边界条件，这允许膜的更高的最终挠曲。O形环用作铰接件并且同时用作密封材料。当然，取代图25至图28所示的一对O形环，也可以采用其他柔性支撑部件，例如层压的硅树脂层。
如图27所示，如果两个压电元件都收缩，则致动器1000可以在已经弯曲的方向上压曲。以类似的方式，致动器1000可以离开阀座2538而弯曲和压曲，以打开入口2534与出口2536端口之间的流体连接2540，如图28所示。由于膜1002与阀座2538之间的间隙是限定阀的流通的关键因素，因此通过控制致动器的挠曲并因此控制所得到的间隙，能够实现控制流体的流速和/或压力的比例阀。
尽管图中未示出，但是可以在膜与阀座之间设置至少一层可压缩、优选弹性的密封层。该层用于密封目的并且可以附接到阀座的表面或附接到膜的表面或附接到二者的表面。例如，层压的硅树脂层可以用作密封层。
此外，阀座可以与底板形成为一个整体部件，因此是坚固的阀座。
总体来说，需要注意的是，根据本发明的压电元件不必具有一致的厚度并且可以具有非平面的形状。
关于压电元件与各个膜之间的粘接不做限制。
关于极化方向、压电元件的电极结构、和施加电压的方向不做限制。重要的一点是，无论极化和施加电压如何，都产生轴向可压缩的压曲力。
此外，每个压电元件可以包括压电元件的阵列或者以堆叠的形式制造，以在维持相同的电场的同时减小施加电压或者增大所施加的力。
以上所有对微型泵应用和微型阀应用的引用都仅仅是为了阐明对性能进行调节的优势，而不意图将应用限制到这些领域。其他应用可以是自适应光学、精确移动、MEMS声学(诸如MEMS扬声器)等。
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[10]CN101336562B
[11]KR20140128273A
[12]WO2018035542A1
[13]US8454327B2
Claims (15)
1.一种压电致动器(100，200)，包括：
可挠曲的致动器膜(102，202)，以及
至少一个压电元件(104，204)，所述至少一个压电元件(104，204)可操作用于根据施加到所述压电元件(104，204)的电场进行膨胀和收缩运动，其中，所述压电元件(104，204)附接到所述致动器膜(102，202)的一部分，以用于对所述膜(102，202)施加机械力，
其中，所述压电元件(104，204)使所述膜(102，202)的中心区域敞开并且具有与所述致动器膜(104，204)的轮廓不一致的外围轮廓。
2.根据权利要求1所述的压电致动器，其中，所述压电元件(104，204)包括至少一个环形平面板，所述至少一个环形平面板附接到所述膜以利用所述压电元件(104，204)的环形内部区域覆盖所述膜(102，202)的环形外围区域。
3.根据权利要求2所述的压电致动器，其中，所述压电元件包括第一环形平面板(104A；204A)和第二环形平面板(104B；204B)，所述第一环形平面板和所述第二环形平面板的外径和/或内径彼此不同，其中，所述第一环形平面板和所述第二环形平面板附接到所述膜的相对的外围表面。
4.根据权利要求2或3所述的压电致动器，其中，所述第一环形平面板(604A)和所述第二环形平面板(604B)具有不同的厚度。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的压电致动器，其中，所述第一环形平面板(1004A)和所述第二环形平面板(1004B)之间的空隙至少部分由间隔件材料(1016)填充。
6.根据权利要求1所述的压电致动器，其中，所述压电元件(204)包括至少一个环形平面板，所述至少一个环形平面板附接到所述膜(202)并且具有比所述膜的外径大的外径。
7.根据权利要求1所述的压电致动器，其中，所述压电元件包括至少一个环形平面板(1404)，所述至少一个环形平面板(1404)在所述膜(1402)的外圆周端面(1418)处邻接地附接到所述膜。
8.根据权利要求7所述的压电致动器，其中，所述压电元件(1704)附接到所述膜(1702)的所述外圆周端面的仅一部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的压电致动器，其中，所述膜(302，402)的厚度沿着所述膜的径向方向变化。
10.根据前述权利要求中任一项所述的压电致动器，其中，所述膜(1102，2402)包括由不同材料制造的区域。
11.根据前述权利要求中任一项所述的压电致动器，还包括至少一个弯曲压电元件(1214)，所述至少一个弯曲压电元件(1214)在所述膜的中心区域(1212)中附接到所述膜，以用于对所述膜施加弯曲力矩。
12.根据前述权利要求中任一项所述的压电致动器，其中，所述膜(1802)包括具有材料改性的区域(1824)，使得所述膜在所述压电元件没有对所述膜施加力的情况下具有预定的挠曲形状。
13.一种微流体设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的压电致动器(1000)。
14.根据权利要求13所述的微流体设备，包括至少两个流体端口和阀座(2538)，所述阀座(2538)围绕所述端口中的一个端口(2534)设置并且从该端口朝向所述膜(1002)突出，使得可挠曲的所述膜可操作用于分别通过变成与所述阀座(2538)接触和离开所述阀座(2538)来关闭和打开流体路径(2540)。
15.根据权利要求13所述的微流体设备，包括至少两个流体端口，其中，所述致动器可操作用于将流体从所述端口中的至少一个端口排出。
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