專(zhuān)利名稱(chēng)：基于合成射流的壓電微泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微流體傳輸與控制、微機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，特指基于壓電式合成射流微泵。
背景技術(shù)：
微流控系統(tǒng)在生命科學(xué)和化學(xué)分析領(lǐng)域具有巨大的市場(chǎng)，基于微流控技術(shù)的基因芯片和生物芯片已廣泛應(yīng)用于DNA測(cè)序、病理基因分析、藥物反應(yīng)分析。在微流控系統(tǒng)中，微泵是驅(qū)動(dòng)流體克服阻力產(chǎn)生流動(dòng)的執(zhí)行器件，是實(shí)現(xiàn)微流控系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)，微泵的性能將直接影響到微流控分析系統(tǒng)的整體性能，也是決定微流控技術(shù)發(fā)展水平的關(guān)鍵因素；微泵的種類(lèi)很多，根據(jù)工作原理的不同，可將其分為機(jī)械式和非機(jī)械式，機(jī)械式微泵利用活動(dòng)部件來(lái)控制流體的輸運(yùn)，主要包括旋轉(zhuǎn)式、膜片振動(dòng)式、蠕動(dòng)式和魚(yú)尾式；非機(jī)械式微泵中沒(méi)有活動(dòng)部件，而是利用熱、化學(xué)、聲、磁、電動(dòng)力等實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的驅(qū)動(dòng)，主要包括電液力驅(qū)動(dòng)式、曲面波動(dòng)驅(qū)動(dòng)式、磁液力驅(qū)動(dòng)式、連續(xù)浸潤(rùn)式、氣泡驅(qū)動(dòng)式以及其他新型驅(qū)動(dòng)方式，由于非機(jī)械式微泵產(chǎn)生的泵壓很小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作時(shí)需要比較苛刻的條件，因此這類(lèi)泵目前離應(yīng)用還有較大的距離，在機(jī)械式微泵中為了在形成有效泵送的同時(shí)實(shí)現(xiàn)流動(dòng)方向控制，一般需要閥門(mén)，閥門(mén)的出現(xiàn)使得泵的響應(yīng)速度變慢，工作效率降低，同時(shí)可動(dòng)閥片材料的疲勞、失效和性能不穩(wěn)定都會(huì)影響微泵的壽命，另外，大多數(shù)有閥微泵在泵出沖程仍有部分流體回流，使泵送流量減少。E. Stemme和G. Stemme提出了一種新型無(wú)閥機(jī)械式微泵，它利用擴(kuò)散/收縮管來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的整流，完成單向輸運(yùn)，后來(lái)的學(xué)者對(duì)其也進(jìn)行了大量的研究，但是這種微泵不能連續(xù)輸出流體，流量小，脈動(dòng)大；清華大學(xué)羅小兵等提出了一種新型合成射流無(wú)閥微泵，該微泵利用合成射流形成原理來(lái)實(shí)現(xiàn)流動(dòng)方向控制，工作頻率高，但是其模型過(guò)于簡(jiǎn)單，數(shù)值模擬中影響因素考慮不夠全面使結(jié)果與真實(shí)流動(dòng)情況差距較大，只是在理論上初步證明了這種泵的可行性；國(guó)防科技大學(xué)羅振兵等人設(shè)計(jì)了一種帶過(guò)濾網(wǎng)的合成射流基無(wú)閥微泵，通過(guò)改變激勵(lì)器振動(dòng)膜振動(dòng)幅值以及相應(yīng)調(diào)節(jié)分流板位置可以實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)功能，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難，結(jié)構(gòu)尺寸較大，實(shí)際意義上為一種小型泵。在總結(jié)不同微泵的性能并進(jìn)行對(duì)比的基礎(chǔ)上，同時(shí)兼顧考慮微泵需要一種響應(yīng)速度快、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方式，本專(zhuān)利將合成射流技術(shù)與壓電驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，流量高且可連續(xù)出流，性能穩(wěn)定的微泵結(jié)構(gòu)。合成射流器可采用壓電、靜電或電磁等驅(qū)動(dòng)方式使其彈性膜片產(chǎn)生上下振動(dòng)，弓丨起腔體體積周期性變化，從而將外界流體不斷地通過(guò)噴口吸入和排出泵腔，無(wú)需額外的質(zhì)量注入就可形成合成式射流，并可通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)合成射流流場(chǎng)的有效控制。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)其機(jī)理、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用等方面開(kāi)展了大量的研究，其結(jié)構(gòu)也得到了很大的優(yōu)化；文獻(xiàn)專(zhuān)利號(hào)為“200710018045.1壓電式合成射流器及其制作方法”中詳細(xì)介紹了一種合成射流致動(dòng)器的加工方法；本發(fā)明將合成射流這一流動(dòng)形態(tài)應(yīng)用到了壓電微泵領(lǐng)域，在充分研究其流場(chǎng)特征的基礎(chǔ)上，找到了關(guān)鍵參數(shù)間的相互關(guān)系，通過(guò)合理放置泵進(jìn)口和泵出口，達(dá)到了連續(xù)泵送的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于壓電式合成射流微泵，與現(xiàn)有壓電式微泵相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，可連續(xù)出流，流量較高且易控制，能耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是基于合成射流的壓電微泵，包括上泵體、上腔體、噴口、下泵體、下腔體、振動(dòng)膜片和壓電致動(dòng)器，在上泵體上加工出泵進(jìn)口和泵出口，上泵體和下泵體由上到下鍵合在一起，上泵體下方是上腔體，下泵體下方是下腔體，泵進(jìn)口和泵出口通過(guò)上腔體與噴口相連通，噴口將上、下腔體相連通，振動(dòng)膜片粘結(jié)于下泵體下表面，壓電致動(dòng)器通過(guò)粘結(jié)劑粘結(jié)在振動(dòng)膜片下表面中央。將合成射流技術(shù)成功的應(yīng)用到微 泵領(lǐng)域，發(fā)明出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本低，流量大，易于實(shí)現(xiàn)微型化的壓電微泵，并且解決了常規(guī)無(wú)閥壓電泵不易連續(xù)出流的難題；所述泵進(jìn)口、泵出口、上泵體、上腔體、下腔體、下泵體、噴口、振動(dòng)膜片及壓電致動(dòng)器的截面形狀均為圓形。泵進(jìn)口與泵出口間的圓心距為上泵體半徑的3/4，這樣，既可有效避免進(jìn)出口流動(dòng)間的相互影響又能實(shí)現(xiàn)輸出流量最大化，泵出口、上泵體、噴口、下泵體、壓電致動(dòng)器、振動(dòng)膜片的中心線在豎直方向上共線。該微泵主要技術(shù)指標(biāo)為噴口直徑七力0. lmm-2mm，上腔體的高度與噴口 6的直
徑比值范圍為20 SS30 ,下腔體8的直徑與噴口 6的直徑比值(/4 50，噴口深
度與噴口直徑比值2 ShSdti < 6，其余部件尺寸可按常規(guī)技術(shù)手段選??；在該技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)，該微泵能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)出流，且泵送流量較大。本發(fā)明的有益效果是結(jié)合合成射流技術(shù)發(fā)明出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，可連續(xù)出流，流量較高且易控制，能耗低，性能穩(wěn)定的壓電微泵結(jié)構(gòu)；在驅(qū)動(dòng)頻率為100Hz，驅(qū)
動(dòng)電壓為100時(shí)，流量可達(dá)約24ml/min，與擴(kuò)散收縮管無(wú)閥壓電微泵進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該
泵的流量大概為同尺度同條件下后者的100余倍；同時(shí)，與其他壓電式微泵相比，合成射流所形成的漩渦對(duì)對(duì)流體的卷吸作用使得該結(jié)構(gòu)微泵在獲得同等性能指標(biāo)時(shí)所需的能耗顯著下降。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2是圖1的俯視 圖3為該發(fā)明吸入過(guò)程工作原理 圖4為該發(fā)明排出過(guò)程工作原理 圖中1-泵進(jìn)口，2-泵出口，3-上泵體，4-上腔體，5-下泵體，6-噴口，7-壓電致動(dòng)器，8-下腔體，9-振動(dòng)膜片。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1、圖2所示，本發(fā)明包括泵進(jìn)口1、泵出口 2、上泵體3、上腔體4、噴口 6、下泵體5、下腔體8、振動(dòng)膜片9和壓電致動(dòng)器7，泵進(jìn)口 I和泵出口 2位于泵的最上端，上泵體3下部是上腔體4，泵進(jìn)口 I和泵出口 2通過(guò)上腔體4與噴口 6相連通，下泵體5位于上腔體4的下方，噴口 6將上腔體4和下腔體8連通，振動(dòng)膜片9粘結(jié)于下泵體5的下表面，壓電致動(dòng)器7通過(guò)粘結(jié)劑(導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂)粘結(jié)在振動(dòng)膜片9的下表面中央。上腔體4、下腔體8、泵進(jìn)口1、泵出口 2可由深反應(yīng)等離子刻蝕工藝加工而成，上泵體3和下泵體5由鍵合工藝結(jié)合，振動(dòng)膜片9為黃銅(或其他彈性材料)，可與下泵體5鍵合或膠合，壓電致動(dòng)器7是驅(qū)動(dòng)元件，采用正弦交流電壓，振動(dòng)模式采用徑向伸縮振動(dòng)，所用的壓電材料是PZT壓電陶瓷，可應(yīng)用溶膠-凝膠工藝沉積在振動(dòng)膜片上。泵進(jìn)口1、泵出口 2、上泵體3、 上腔體4、下腔體8、下泵體5、噴口 6、振動(dòng)膜片9及壓電致動(dòng)器7的截面形狀均為圓形，泵進(jìn)口 I與泵出口 2間的圓心距為上泵體半徑的3/4，泵出口 2、上泵體3、噴口 6、下泵體5、壓電致動(dòng)器7、振動(dòng)膜片9的中心線在豎直方向上共線。該微泵主要技術(shù)指標(biāo)為噴口 6直徑^為0.上腔體4的高度與噴口 6的直徑比值范圍為20<ii；/^<30 ,下腔體8的直徑與噴口 6的直徑比值450，噴口深度與噴口直徑比值2 s S 6。參照?qǐng)D3、圖4所示，本發(fā)明工作時(shí)，壓電陶瓷片在周期性變化的電壓信號(hào)作用下發(fā)生逆壓電效應(yīng)，腔體底面振動(dòng)膜片9隨之產(chǎn)生周期性上下振動(dòng)；排出過(guò)程時(shí)，振動(dòng)膜片9向上振動(dòng)，在噴口 6上部邊緣處，流體受到強(qiáng)烈的剪切作用，進(jìn)而產(chǎn)生流動(dòng)分離形成漩渦對(duì)，由此產(chǎn)生的漩渦對(duì)卷吸周?chē)拇罅苛黧w向泵出口 2移動(dòng)，同時(shí)會(huì)有大量的流體由泵進(jìn)口 I被吸入到上腔體4中；在吸入過(guò)程中，振動(dòng)膜片9向下振動(dòng)，此時(shí)的漩渦對(duì)已遠(yuǎn)離噴口6不受其吸入過(guò)程的影響，排出過(guò)程產(chǎn)生的漩渦對(duì)順利地通過(guò)泵出口 2流出，泵進(jìn)口 I在漩渦對(duì)的卷吸下一直有流體流入；根據(jù)合成射流的原理，流體在這種吸入和排出交替進(jìn)行的過(guò)程中，形成一列向泵出口 2遷移的漩渦對(duì)，漩渦一經(jīng)形成，就會(huì)以自誘導(dǎo)速度向泵出口 2遷移，從而形成連續(xù)的輸出。
權(quán)利要求
1.基于合成射流的壓電微泵，包括上泵體、上腔體、噴口、下泵體、下腔體、振動(dòng)膜片和壓電致動(dòng)器，在上泵體上加工出泵進(jìn)口和泵出口，上泵體和下泵體由上到下鍵合在一起，上泵體下方是上腔體，下泵體下方是下腔體，泵進(jìn)口和泵出口通過(guò)上腔體與噴口相連通，噴口將上、下腔體相連通，振動(dòng)膜片粘結(jié)于下泵體下表面，壓電致動(dòng)器通過(guò)粘結(jié)劑粘結(jié)在振動(dòng)膜片下表面中央，其特征在于噴口直徑^為O. lmm-2mm，上腔體的高度與噴口的直徑比值范圍為20<^/^0<30 ,下腔體的直徑與噴口的直徑比值</名> 50，噴口深度與噴口直徑比值 26。
2.如權(quán)利要求1所述的基于合成射流的壓電微泵，其特征在于泵進(jìn)口與泵出口間的圓心距為上泵體半徑的3/4。
3.如權(quán)利要求1所述的基于合成射流的壓電微泵，其特征在于所述泵進(jìn)口、泵出口、上泵體、上腔體、下腔體、下泵體、噴口、振動(dòng)膜片及壓電致動(dòng)器的截面形狀均為圓形。
4.如權(quán)利要求1所述的基于合成射流的壓電微泵，其特征在于泵出口、上泵體、噴口、下泵體、壓電致動(dòng)器、振動(dòng)膜片的中心線在豎直方向上共線。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于合成射流的壓電微泵，包括泵進(jìn)口、泵出口、上泵體、上腔體、噴口、下泵體、下腔體、振動(dòng)膜片和壓電致動(dòng)器，泵進(jìn)口和泵出口位于泵的最上端，上泵體下部是上腔體，泵進(jìn)口和泵出口通過(guò)上腔體與噴口相連通，下泵體位于上腔體的下方，噴口將上、下腔體連通，振動(dòng)膜片粘結(jié)于下泵體下表面，壓電致動(dòng)器通過(guò)粘結(jié)劑(導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂)粘結(jié)在振動(dòng)膜片下表面中央。其特點(diǎn)是將合成射流技術(shù)成功應(yīng)用到微泵領(lǐng)域中，得到一種大流量，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)出流的壓電式微泵，該微泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，無(wú)電磁干擾，能耗低；所述的合成射流致動(dòng)器為壓電式，可獲得較大噴口速度,成本低,振動(dòng)頻率范圍寬。
文檔編號(hào)F04B23/10GK103016296SQ20121053649
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者何秀華, 鄧志丹, 李富, 蔡盛川, 韋丹丹 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)