一种基于PDMS的压电微泵.pdf

本发明公开了一种基于PDMS的压电微泵。所述压电泵，由压电振子、阀片、硬质垫圈和PDMS泵体组成，压电振子在交变电信号的作用下产生上下弯曲振动，引起腔体容积和压力的变化，在单向阀片的配合作用下实现流体的泵送。并在泵体中嵌入硬质垫圈，压电振子装配在垫圈内环上，避免压电振子直接装配在PDMS弹性体上而影响腔体的容积变化量。基于PDMS的压电泵微泵结构可以是单腔、双腔串联、双腔并联、多腔等多种形式的。采用PDMS材料制作压电微泵泵体解决了目前的压电微泵无法泵送某些特殊性质的液体，不具有良好的透明度，无法集成在微流控芯片中等问题，拓展了压电微泵的应用领域，更是极大的解决了微流控领域芯片集成驱动源的问题。

1.  一种基于PDMS的压电微泵，其特征在于：微泵泵体采用PDMS材料制作，并在泵体中嵌入硬质垫圈，压电振子装配在垫圈内环上，避免压电振子直接装配在PDMS弹性体上而影响腔体的容积变化量。

2.  根据权利要求1所述的基于PDMS的压电泵微泵，其特征在于：PDMS微泵泵体采用模板复制法进行制作，模板采用精雕机加工PMMA制得。

3.  根据权利要求1所述的基于PDMS的压电泵微泵，其特征在于：所述的
硬质垫圈为一PMMA双层环状结构，内环上表面要求平整光洁，外环上表面设有8个凹槽；硬质垫圈由精雕机加工制得。

4.  根据权利要求1所述的基于PDMS的压电微泵结构可以是单腔、双腔串联、双腔并联等多种形式的，其特征在于：所用阀片为带有定位边的圆形复合阀片，正反叠加配合使用。

一种基于PDMS的压电微泵
技术领域
本发明专利属于微型压电泵技术领域，具体涉及一种以PDMS为泵体材料的压电驱动式微型泵。
背景技术
压电泵是一种新型流体驱动器。它不需要附加驱动电机，而是利用压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生变形，再由变形产生泵腔的容积变化实现流体输出或者利用压电振子产生波动来传输液体。压电泵具有结构简单、响应速度快、能量转换高、无电磁干扰、能耗低、无噪音、压力大、扬程高、无污染、不泄漏、止逆效果好、安装使用方便等特点，已在燃料电池燃料供给、汽车发动机燃料供给、电子芯片冷却等领域得到应用。
通过检索及查阅文献知，目前已公开的压电泵泵体一般是以有机玻璃或塑料为材料，但有些应用场合现有的压电微泵是无法满足需要的。如无法泵送某些特殊性质的液体，不具有良好的透明度，无法集成在微流控芯片中等，而用PDMS材料构造泵体能够解决这些问题。
固态的聚二甲基硅氧烷（PDMS）为一种硅胶，无毒、疏水性和防水性，惰性物质，且为非易燃性、透明弹性体，透光性良好、生物相容性佳，具有精确的复制再现性。根据PDMS的特性，PDMS可以作为制造压电泵泵体的材料，而且PDMS良好的化学惰性和生物相容性能满足压电泵在化学和生物医学工程中的应用，使压电泵能适应更多的工作环境。
发明内容
本发明专利是为了解决目前的压电微泵无法泵送某些特殊性质的液体，不具有良好的透明度，无法集成在微流控芯片中等问题。
本发明专利设计了以PDMS为泵体材料的新型压电泵，发挥PDMS材料的特殊优势，同时具有结构和制作方法简单、成本低、体积小、等优点。
本发明专利所述的基于PDMS的压电微泵的泵体采用PDMS材料制作，并在泵体中嵌入硬质垫圈，压电振子装配在垫圈内环上，避免压电振子直接装配在PDMS弹性体上而影响腔体的容积变化量。
PDMS微泵泵体采用模板复制法进行制作，模板采用精雕机加工PMMA制得。
硬质垫圈为一PMMA双层环状结构，内环上表面要求平整光洁，外环上表面设有8个凹槽，倒模时用PDMS填满凹槽，使垫圈更加牢固的镶嵌在PDMS泵体中，硬质垫圈由精雕机加工制得。
本专利所述的基于PDMS的压电泵微泵结构可以是单腔、双腔串联、双腔并联等多种形式的；所用阀片为带有定位边的圆形复合阀片，可以单个使用或者正反叠加配合使用。
加工PDMS泵体的模具及垫圈结构特殊，垫圈先装配在模具的相应位置，待PDMS凝固后，垫圈便嵌入PDMS泵体中。
本发明的工作原理：
压电振子在交变电信号的作用下产生上下弯曲振动，引起腔体容积和压力的变化，在单向阀片的配合作用下实现流体的泵送。压电泵微泵结构可以是单腔、双腔串联、双腔并联、多腔等多种形式的，三种不同结构形式的压电微泵工作原理如下：
基于PDMS的单腔压电微泵由压电振子、阀片、硬质垫圈和PDMS泵体组成，对压电振子输入驱动激励信号（通入正弦波或矩形波），压电振子会周期性的上下弯曲振动，从而引起腔体容积和压力的周期性变化，进而在单向阀片周期性开启关闭的配合作用下实现吸水和排水，如此不断循环往复，就实现了单腔压电微泵不断的把流体从入口吸入，出口排出这一过程。
基于PDMS的双腔串联压电泵有上下两个腔体，两压电振子输入电信号相位相反，两腔体容积和压力是交替进行的，即当上腔体在压电振子弯曲振动的作用下容积增大压力减小时，上腔体处于吸水状态，流体经入口进入上腔体;此时下腔体容积减小压力增加，下腔体处于排水状态，流体经由出口泵出。当上腔体在压电振子弯曲振动的作用下容积减小压力增大时，流体由上腔体流入下腔体。压电微泵在相位相反的电信号的激励下，两个振子不断的同时上下振动，上下腔体的体积不断的增大和减小，如此不断循环往复，实现流体的单向流动。
基于PDMS的并联式压电微泵上下结构对称，上下两部分均由1个压电振子、1个硬质垫圈、2个带有定位边的圆形复合振子正反叠加安装在PDMS微泵泵体上组成。给上下两压电振子输入相反相位的电信号，此时同双腔串联泵一样,上下两腔体容积和压力变化交替进行。这样压电泵在一个交变电信号脉冲的作用下，两腔体各进行一次吸水和排水动作，从而实现压电泵连续泵水，采用此种方式构造并联泵可以有效降低微泵的输出脉动;并联式压电泵压电振子输入电信号相位的相同时，可上下两腔同时吸水泵水，如果进、出口足够大，并联后的压电泵流量增倍。
本专利的有益效果：
1、本发明专利采用PDMS材料制作压电微泵泵体解决了目前的压电微泵无法泵送某些特殊性质的液体，不具有良好的透明度，无法集成在微流控芯片中等问题，拓展了压电微泵的应用领域，更是极大的解决了微流控领域芯片集成驱动源的问题。
2、本发明专利专门设计一PMMA的硬质垫圈，将压电振子安装在垫圈内环上表面，在保证PDMS式微泵泵体所带来的优势的前提下解决了将压电振子直接装配在PDMS弹性体上而影响微泵性能的问题。
3、所设计的硬质垫圈为一PMMA双层环状结构，内环上表面要求平整光洁，以保证压电振子的粘结安装，外环上表面设有8个凹槽，倒模后的PDMS填满凹槽，使PDMS更加牢固的镶嵌在PDMS泵体中。
附图说明
图1为本发明PDMS单腔泵结构示意图
图2为本发明PDMS双腔串联泵结构示意图。
图3为本发明PDMS双腔并联泵结构示意图
1、压电振子   2、PDMS泵体   3、PMMA垫圈   4、阀片   5、垫圈上的凹槽    6、阀片定位边   7、出水口   8、进水口   9、阀片上的悬臂   10、模具   11、PDMS   12、上下腔连通流道。
具体实施方式
压电振子1在交变电信号的作用下产生上下弯曲振动，引起腔体容积和压力的变化，在单向阀片4的配合作用下实现流体的泵送。压电泵微泵结构可以是单腔、双腔串联、双腔并联、多腔等多种形式的，三种不同结构形式的压电微泵工作原理如下：
基于PDMS的单腔压电微泵由压电振子1、阀片4、硬质垫圈3和PDMS泵体2组成，并且垫圈上设有凹槽5，可以使PDMS更加牢固的镶嵌在PDMS泵体2中，对压电振子1输入驱动激励信号（通入正弦波或矩形波），压电振子1会周期性的上下弯曲振动，从而引起腔体容积和压力的周期性变化，进而在单向阀片4周期性开启关闭的配合作用下实现吸水和排水，如此不断循环往复，就实现了单腔压电微泵不断的把流体从入口吸入，出口排出这一过程。
基于PDMS的双腔串联压电泵有上下两个腔体，两压电振子输入相位相反的电信号，两腔体容积和压力是交替进行的，即当上腔体在压电振子1弯曲振动的作用下容积增大压力减小时，上腔体处于吸水状态，流体经入口进入上腔体;此时下腔体容积减小压力增加，下腔体处于排水状态，流体经由出口7泵出。当上腔体在压电振子弯曲振动的作用下容积减小压力增大时，流体由上腔体经上下腔连通流道12流入下腔体。压电微泵在相位相反的电信号的激励下，2个振子不断的同时上下振动，上下腔体的体积不断的增大和减小，如此不断循环往复，实现流体的单向流动。
基于PDMS的并联式压电微泵上下结构对称，上下两部分均由一个压电振子、一个硬质垫圈、两个带有定位边的圆形复合阀片正反叠加安装在PDMS微泵泵体上组成。给双腔并联泵的上下两压电振子施加相反相位的电信号，当上边压电振子向下弯曲时，上腔处于排水状态，直接从出水口将流体排出泵外，与此同时下边压电振子向下弯曲，下腔进口阀开启，出口阀关闭，流体从进水口进入下腔；当上腔处于吸水状态时，下腔处于排水状态，这样压电泵在一个交变电信号脉冲的作用下，两腔体各进行一次吸水和排水动作，从而实现压电泵连续泵水。给双腔并联泵的上下两压电振子施加相同相位的电信号，泵的上腔和下腔处于同步状态，上腔吸水的同时，下腔也在吸水，上腔处于排水状态是，下腔也在排水，两腔共用进水流道和出水流道，大大提高了输出流量。