一種基于pdms的壓電微泵的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利屬于微型壓電泵技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以PDMS為泵體材料的壓電驅(qū)動式微型泵。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電泵是一種新型流體驅(qū)動器。它不需要附加驅(qū)動電機，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)使壓電振子產(chǎn)生變形，再由變形產(chǎn)生泵腔的容積變化實現(xiàn)流體輸出或者利用壓電振子產(chǎn)生波動來傳輸液體。壓電泵具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)換高、無電磁干擾、能耗低、無噪音、壓力大、揚程高、無污染、不泄漏、止逆效果好、安裝使用方便等特點，已在燃料電池燃料供給、汽車發(fā)動機燃料供給、電子芯片冷卻等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
[0003]通過檢索及查閱文獻知，目前已公開的壓電泵泵體一般是以有機玻璃或塑料為材料，但有些應(yīng)用場合現(xiàn)有的壓電微泵是無法滿足需要的。如無法泵送某些特殊性質(zhì)的液體，不具有良好的透明度，無法集成在微流控芯片中等，而用PDMS材料構(gòu)造泵體能夠解決這些冋題。
[0004]固態(tài)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)為一種硅膠，無毒、疏水性和防水性，惰性物質(zhì)，且為非易燃性、透明彈性體，透光性良好、生物相容性佳，具有精確的復(fù)制再現(xiàn)性。根據(jù)PDMS的特性，PDMS可以作為制造壓電泵泵體的材料，而且PDMS良好的化學(xué)惰性和生物相容性能滿足壓電泵在化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用，使壓電泵能適應(yīng)更多的工作環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明專利是為了解決目前的壓電微泵無法泵送某些特殊性質(zhì)的液體，不具有良好的透明度，無法集成在微流控芯片中等問題。
[0006]本發(fā)明專利設(shè)計了以PDMS為泵體材料的新型壓電泵，發(fā)揮PDMS材料的特殊優(yōu)勢，同時具有結(jié)構(gòu)和制作方法簡單、成本低、體積小、等優(yōu)點。
[0007]本發(fā)明專利所述的基于PDMS的壓電微泵的泵體采用PDMS材料制作，并在泵體中嵌入硬質(zhì)墊圈，壓電振子裝配在墊圈內(nèi)環(huán)上，避免壓電振子直接裝配在PDMS彈性體上而影響腔體的容積變化量。
[0008]PDMS微泵泵體采用模板復(fù)制法進行制作，模板采用精雕機加工PMMA制得。
[0009]硬質(zhì)墊圈為一 PMMA雙層環(huán)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)上表面要求平整光潔，外環(huán)上表面設(shè)有8個凹槽，倒模時用PDMS填滿凹槽，使墊圈更加牢固的鑲嵌在PDMS泵體中，硬質(zhì)墊圈由精雕機加工制得。
[0010]本專利所述的基于PDMS的壓電泵微泵結(jié)構(gòu)可以是單腔、雙腔串聯(lián)、雙腔并聯(lián)等多種形式的；所用閥片為帶有定位邊的圓形復(fù)合閥片，可以單個使用或者正反疊加配合使用。
[0011]加工PDMS泵體的模具及墊圈結(jié)構(gòu)特殊，墊圈先裝配在模具的相應(yīng)位置，待PDMS凝固后，墊圈便嵌入PDMS泵體中。
[0012]本發(fā)明的工作原理: 壓電振子在交變電信號的作用下產(chǎn)生上下彎曲振動，引起腔體容積和壓力的變化，在單向閥片的配合作用下實現(xiàn)流體的泵送。壓電泵微泵結(jié)構(gòu)可以是單腔、雙腔串聯(lián)、雙腔并聯(lián)、多腔等多種形式的，三種不同結(jié)構(gòu)形式的壓電微泵工作原理如下:
基于PDMS的單腔壓電微泵由壓電振子、閥片、硬質(zhì)墊圈和PDMS泵體組成，對壓電振子輸入驅(qū)動激勵信號(通入正弦波或矩形波)，壓電振子會周期性的上下彎曲振動，從而引起腔體容積和壓力的周期性變化，進而在單向閥片周期性開啟關(guān)閉的配合作用下實現(xiàn)吸水和排水，如此不斷循環(huán)往復(fù)，就實現(xiàn)了單腔壓電微泵不斷的把流體從入口吸入，出口排出這一過程。
[0013]基于PDMS的雙腔串聯(lián)壓電泵有上下兩個腔體，兩壓電振子輸入電信號相位相反，兩腔體容積和壓力是交替進行的，即當(dāng)上腔體在壓電振子彎曲振動的作用下容積增大壓力減小時，上腔體處于吸水狀態(tài)，流體經(jīng)入口進入上腔體；此時下腔體容積減小壓力增加，下腔體處于排水狀態(tài)，流體經(jīng)由出口泵出。當(dāng)上腔體在壓電振子彎曲振動的作用下容積減小壓力增大時，流體由上腔體流入下腔體。壓電微泵在相位相反的電信號的激勵下，兩個振子不斷的同時上下振動，上下腔體的體積不斷的增大和減小，如此不斷循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)流體的單向流動。
[0014]基于PDMS的并聯(lián)式壓電微泵上下結(jié)構(gòu)對稱，上下兩部分均由I個壓電振子、I個硬質(zhì)墊圈、2個帶有定位邊的圓形復(fù)合振子正反疊加安裝在PDMS微泵泵體上組成。給上下兩壓電振子輸入相反相位的電信號，此時同雙腔串聯(lián)泵一樣，上下兩腔體容積和壓力變化交替進行。這樣壓電泵在一個交變電信號脈沖的作用下，兩腔體各進行一次吸水和排水動作，從而實現(xiàn)壓電泵連續(xù)泵水，采用此種方式構(gòu)造并聯(lián)泵可以有效降低微泵的輸出脈動；并聯(lián)式壓電泵壓電振子輸入電信號相位的相同時，可上下兩腔同時吸水泵水，如果進、出口足夠大，并聯(lián)后的壓電泵流量增倍。
[0015]本專利的有益效果:
1、本發(fā)明專利采用PDMS材料制作壓電微泵泵體解決了目前的壓電微泵無法泵送某些特殊性質(zhì)的液體，不具有良好的透明度，無法集成在微流控芯片中等問題，拓展了壓電微泵的應(yīng)用領(lǐng)域，更是極大的解決了微流控領(lǐng)域芯片集成驅(qū)動源的問題。
[0016]2、本發(fā)明專利專門設(shè)idPMMA的硬質(zhì)墊圈，將壓電振子安裝在墊圈內(nèi)環(huán)上表面，在保證PDMS式微泵泵體所帶來的優(yōu)勢的前提下解決了將壓電振子直接裝配在PDMS彈性體上而影響微泵性能的問題。
[0017]3、所設(shè)計的硬質(zhì)墊圈為一 PMMA雙層環(huán)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)上表面要求平整光潔，以保證壓電振子的粘結(jié)安裝，外環(huán)上表面設(shè)有8個凹槽，倒模后的PDMS填滿凹槽，使PDMS更加牢固的鑲嵌在PDMS泵體中。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明PDMS單腔泵結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本發(fā)明PDMS雙腔串聯(lián)泵結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為本發(fā)明PDMS雙腔并聯(lián)泵結(jié)構(gòu)示意圖1、壓電振子 2、PDMS泵體 3、PMMA墊圈 4、閥片 5、墊圈上的凹槽 6、閥片定位邊 7、出水口 8、進水口 9、閥片上的懸臂 10、模具 11、PDMS 12、上下腔連通流道。
【具體實施方式】
[0020]壓電振子I在交變電信號的作用下產(chǎn)生上下彎曲振動，引起腔體容積和壓力的變化，在單向閥片4的配合作用下實現(xiàn)流體的泵送。壓電泵微泵結(jié)構(gòu)可以是單腔、雙腔串聯(lián)、雙腔并聯(lián)、多腔等多種形式的，三種不同結(jié)構(gòu)形式的壓電微泵工作原理如下:
基于PDMS的單腔壓電微泵由壓電振子1、閥片4、硬質(zhì)墊圈3和PDMS泵體2組成，并且墊圈上設(shè)有凹槽5，可以使PDMS更加牢固的鑲嵌在PDMS泵體2中，對壓電振子I輸入驅(qū)動激勵信號(通入正弦波或矩形波)，壓電振子I會周期性的上下彎曲振動，從而引起腔體容積和壓力的周期性變化，進而在單向閥片4周期性開啟關(guān)閉的配合作用下實現(xiàn)吸水和排水，如此不斷循環(huán)往復(fù)，就實現(xiàn)了單腔壓電微泵不斷的把流體從入口吸入，出口排出這一過程。
[0021]基于PDMS的雙腔串聯(lián)壓電泵有上下兩個腔體，兩壓電振子輸入相位相反的電信號，兩腔體容積和壓力是交替進行的，即當(dāng)上腔體在壓電振子I彎曲振動的作用下容積增大壓力減小時，上腔體處于吸水狀態(tài)，流體經(jīng)入口進入上腔體；此時下腔體容積減小壓力增加，下腔體處于排水狀態(tài)，流體經(jīng)由出口 7泵出。當(dāng)上腔體在壓電振子彎曲振動的作用下容積減小壓力增大時，流體由上腔體經(jīng)上下腔連通流道12流入下腔體。壓電微泵在相位相反的電信號的激勵下，2個振子不斷的同時上下振動，上下腔體的體積不斷的增大和減小，如此不斷循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)流體的單向流動。
[0022]基于PDMS的并聯(lián)式壓電微泵上下結(jié)構(gòu)對稱，上下兩部分均由一個壓電振子、一個硬質(zhì)墊圈、兩個帶有定位邊的圓形復(fù)合閥片正反疊加安裝在PDMS微泵泵體上組成。給雙腔并聯(lián)泵的上下兩壓電振子施加相反相位的電信號，當(dāng)上邊壓電振子向下彎曲時，上腔處于排水狀態(tài)，直接從出水口將流體排出泵外，與此同時下邊壓電振子向下彎曲，下腔進口閥開啟，出口閥關(guān)閉，流體從進水口進入下腔；當(dāng)上腔處于吸水狀態(tài)時，下腔處于排水狀態(tài)，這樣壓電泵在一個交變電信號脈沖的作用下，兩腔體各進行一次吸水和排水動作，從而實現(xiàn)壓電泵連續(xù)泵水。給雙腔并聯(lián)泵的上下兩壓電振子施加相同相位的電信號，泵的上腔和下腔處于同步狀態(tài)，上腔吸水的同時，下腔也在吸水，上腔處于排水狀態(tài)是，下腔也在排水，兩腔共用進水流道和出水流道，大大提高了輸出流量。
【主權(quán)項】
1.一種基于PDMS的壓電微泵，其特征在于:微泵泵體采用PDMS材料制作，并在泵體中嵌入硬質(zhì)墊圈，壓電振子裝配在墊圈內(nèi)環(huán)上，避免壓電振子直接裝配在PDMS彈性體上而影響腔體的容積變化量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PDMS的壓電泵微泵，其特征在于:PDMS微泵泵體采用模板復(fù)制法進行制作，模板米用精雕機加工PMMA制得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PDMS的壓電泵微泵，其特征在于:所述的 硬質(zhì)墊圈為一 PMMA雙層環(huán)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)上表面要求平整光潔，外環(huán)上表面設(shè)有8個凹槽；硬質(zhì)墊圈由精雕機加工制得。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PDMS的壓電微泵結(jié)構(gòu)可以是單腔、雙腔串聯(lián)、雙腔并聯(lián)等多種形式的，其特征在于:所用閥片為帶有定位邊的圓形復(fù)合閥片，正反疊加配合使用。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于PDMS的壓電微泵。所述壓電泵，由壓電振子、閥片、硬質(zhì)墊圈和PDMS泵體組成，壓電振子在交變電信號的作用下產(chǎn)生上下彎曲振動，引起腔體容積和壓力的變化，在單向閥片的配合作用下實現(xiàn)流體的泵送。并在泵體中嵌入硬質(zhì)墊圈，壓電振子裝配在墊圈內(nèi)環(huán)上，避免壓電振子直接裝配在PDMS彈性體上而影響腔體的容積變化量。基于PDMS的壓電泵微泵結(jié)構(gòu)可以是單腔、雙腔串聯(lián)、雙腔并聯(lián)、多腔等多種形式的。采用PDMS材料制作壓電微泵泵體解決了目前的壓電微泵無法泵送某些特殊性質(zhì)的液體，不具有良好的透明度，無法集成在微流控芯片中等問題，拓展了壓電微泵的應(yīng)用領(lǐng)域，更是極大的解決了微流控領(lǐng)域芯片集成驅(qū)動源的問題。
【IPC分類】F04B43-04
【公開號】CN104832404
【申請?zhí)枴緾N201510241443
【發(fā)明人】李明, 劉丕浩, 劉國君
【申請人】長春工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月13日