用于微型閥的磁性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)作用力研究

楊博淙，王伯雄，張 金，羅秀芝

（清華大學精密儀器與機械學系精密測試技術及儀器國家重點實驗室，北京 100084）

0 引言

微型閥是微流體器件的重要組成部分，也是微流體通斷和流向控制的重要元器件［1，2］。經過二十幾年的發(fā)展，其應用范圍不斷擴大，從打印噴頭到生物化學分析系統(tǒng)，從工業(yè)氣動控制到微型致動系統(tǒng)，很多領域都可以見到微型閥的身影［3～5］。微型閥可分為常開閥、常閉閥和雙穩(wěn)態(tài)閥，其中，雙穩(wěn)態(tài)閥能夠在不需要外來致動力的情況下維持開閥狀態(tài)或者閉閥狀態(tài)，僅僅在改變微型閥開閉狀態(tài)時需要外加致動力，因此，對于降低微型閥功耗具有特殊意義。本文提出一種基于兩塊環(huán)形永磁體和一片軟磁片的磁性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，對其能夠提供的流體密封力通過有限元方法進行研究，并完成了實驗驗證。

1 結構設計

如圖1所示，在兩塊同軸布置的相同大小的環(huán)形永磁體之間布置一軟磁片。將永磁體和密封膜固定在殼體中。當軟磁片處于下方穩(wěn)態(tài)位置時，它在磁場力作用下緊壓在導力釘上，導力釘進一步壓迫在密封膜上使其變形從而密封住流體通道。而此時，上部的流體通道是連通的。以一定的致動方式推動軟磁片向上方移動。軟磁片在經過兩環(huán)形永磁體的中間平面位置后，會在磁力系統(tǒng)作用下自動進入到上方穩(wěn)態(tài)位置，從而密封住上方流道。此時，下方流道被打開。軟磁片在環(huán)形永磁體的吸引下能夠獲得磁場力的大小將決定磁性系統(tǒng)能夠提供多大的力作用于密封流體通道。

圖1 磁性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)應用在微型閥中Fig 1 Application of magnetic bistable system in microvalve

2 磁場力分析

環(huán)形永磁體選用一種外徑、內徑和高度依次為3，1，2 mm的產品。它的材料型號為釹鐵硼N45，磁化方向為軸向，剩磁Br為1.37T，矯頑力Hc為860kA/m。它的外表面采用鍍金覆蓋作為保護層。對兩種軟磁片材料進行分析，分別是鋼和坡莫合金。它們是兩種常用的軟磁材料，其中，鋼的初始磁導率比坡莫合金小很多，但是飽和磁感應強度達到3.2 T以上;坡莫合金的初始磁導率非常大（最大值達到80000），然而飽和磁感應強度小于0.8 T。

由于軟磁片的磁導率與永磁體釹鐵硼的磁導率不同，表現(xiàn)出較強的非線性，磁場力計算難以得到解析解，故采用有限元分析的方法對磁場力進行求解。由于永磁體和軟磁片都是軸對稱結構，故可將三維計算模型簡化為二維軸對稱計算模型。

2.1 單永磁體情況

對軟磁片在單塊永磁體作用下的受力進行分析。假設軟磁片厚度d為100 μm，與永磁體之間的距離t為25 μm，分析軟磁片半徑與其所受磁場力之間的關系。如圖2中的數(shù)據(jù)點所示，無論是鋼材料軟磁片還是坡莫合金材料軟磁片，當軟磁片的半徑r略大于永磁體外半徑10%左右時，其受到的磁場力即可基本達到峰值。當軟磁片的半徑小于永磁體內半徑1 mm時，其受到的磁場力小于受力峰值的10%。當軟磁片的半徑處于永磁體內半徑與外半徑之間時，由于在那部分區(qū)域里磁感應強度基本上是均勻的，所以，其受力與其面積也就是半徑的平方呈現(xiàn)出線性關系。由于坡莫合金材料的飽和磁感應強度遠遠小于鋼材料，所以，它的受力也要小于鋼材料很多。在隨后的分析當中，將軟磁片的半徑假設為3.3 mm。

圖2 磁場力隨軟磁片半徑r的變化Fig 2 Magnetic force change with the radius of the soft magnet

2.2 雙永磁體情況

如圖3所示，當永磁體的數(shù)量由一塊增加到兩塊，除了軟磁片厚度t和軟磁片與永磁體之間的距離d之外，需要增加一個參數(shù)g來表示兩塊永磁體之間的距離。永磁體有2種布置方式:一種是兩塊永磁體相吸布置，如圖3（b）所示;另一種是兩塊永磁體相斥布置，如圖3（c）所示。當永磁體相吸布置時，兩塊永磁體之間的磁通密度，亦即磁場能會增加;反之，磁通密度，亦即磁場能會減弱。

圖3 雙穩(wěn)態(tài)磁性系統(tǒng)有限元分析Fig 3 Finite element analysis of the magnetic bistable system

圖4顯示的是當軟磁片半徑r為3.3 mm，軟磁片與上部永磁體距離d為25μm，兩塊永磁體距離g為1.0mm時，鋼材料軟磁片和坡莫合金材料軟磁片在不同磁場環(huán)境下受到的磁場力隨其厚度t變化的數(shù)據(jù)圖。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，無論是鋼材料軟磁片還是坡莫合金材料軟磁片，比較它們在不同情況與不同厚度下所受磁場力大小，恒有

選擇100 μm作為軟磁片的厚度，這個厚度既能夠保證軟磁片具有一定的強度，不易發(fā)生彎曲變形，又能夠提供大于1 N的磁場力，還不至于因過厚造成材料浪費。對于雙穩(wěn)態(tài)磁性系統(tǒng)而言，兩塊永磁體之間的距離g對軟磁片所受磁場力的影響有待研究。當距離g過大，會增加軟磁片在永磁體之間運動的時間，影響閥門的開閉響應速度;當距離g過小，會對加工精度提出比較高的要求，不利于降低制造成本。

圖4 不同情況下的磁場力比較Fig 4 Comparison of magnetic force in different situations

如圖5中的數(shù)據(jù)點所示，當軟磁片半徑r為3.3mm，厚度t為100 μm，與上部永磁體距離d為25 μm時，隨著兩塊永磁體之間的距離g增大，軟磁片的受力呈現(xiàn)出先顯著增大，達到峰值后緩慢回落，并不斷趨近如同只有單永磁體作用時受力大小的形態(tài)。磁場力峰值比單永磁體作用下的磁場力增加約30%，鋼材料和坡莫合金材料軟磁片的峰值受力約為3.2，1.5 N。可以選擇1 mm作為永磁體間距g的參考值，盡管此時軟磁片的受力不是最大的，但是仍然較單永磁體作用時的受力大15%以上，且對于微型閥的加工精度要求不高。

圖5 磁場力隨距離g的變化Fig 5 Magnetic force change with the distance g between the two magnets

3 實驗驗證

對有限元分析的結果進行實驗驗證，將圖1中的殼體向四周延伸并挖出空腔，在軟磁片與永磁體之間用一定厚度的膜片隔離并將膜片固定在殼體邊沿上。采用氣壓源向空腔中通入高壓氣。當氣壓達到一定程度，會推動膜片和軟磁片離開緊壓環(huán)形永磁體的狀態(tài)。此時的壓強乘以驅動膜的面積可認定為軟磁片所受磁場力的大小。膜片的半徑是9 mm，除去軟磁片壓緊在永磁體的面積（半徑為3 mm），氣壓的有效作用面積約為226 mm2。

測量結果和有限元分析結果列在表1和表2當中。由于膜片的實際厚度是75 μm，所以，有限元分析結果較d=25 μm情況下偏低。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，實驗結果比有限元分析結果略大，這是由于部分氣壓力需要用來克服驅動膜在變形時邊沿產生的張力。

表1 單永磁體情況下有限元分析與實驗結果比較Tab 1 Comparison of simulation and experiment when one magnet acts on the soft magnet

在雙穩(wěn)態(tài)磁性系統(tǒng)作用下，以坡莫合金軟磁片為例，若入口壓強作用半徑為0.5 mm，理論密封壓強如式（1）所示，遠遠大于工業(yè)氣動控制所要求的4 bar。

表2 雙永磁體情況下有限元分析與實驗結果比較Tab 2 Comparison of simulation and experiment when two magnets act on the soft magnet

4 結論

本文提出了一種可降低微型閥功耗的磁性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，并對軟磁片在單塊或者雙塊永磁體作用下的磁場力進行了有限元分析。分析結果顯示:為了獲得較大的磁場力，軟磁片的半徑應該比永磁體的半徑大10%左右。軟磁片在永磁體相吸放置情況下受到的磁場力大于相斥放置情況下的磁場力。當兩塊永磁體以相吸放置的形式同軸作用于軟磁片時，兩塊永磁體的距離會對軟磁片受到的磁場力產生重要影響，磁場力峰值可以比單塊磁體作用時增加約30%。通過實驗驗證了有限元分析結果，軟磁片在永磁體作用下提供的磁場力能夠滿足微型閥氣動控制需要。

［1］肖麗君，陳 翔，汪 鵬，等.流體系統(tǒng)中微閥的研究現(xiàn)狀［J］.微納電子技術，2009，46（2）:91 －98.

［2］Kwang W O，Chong H A.A review of microvalves［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2006，16:13 －39.

［3］Shao P，Rummler Z，Schomburg W K.Dosing system for the nanolitre range，fabricated with the AMANDA process［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2003，13:S85 － S90.

［4］Yager P，Edwards T，F(xiàn)u E，et al.Microfluidic diagnostic technologies for global public health［J］.Nature，2006，442:412 －418.

［5］Carmain A，Dunn C，Ziemer J.Micropropulsion and Mass Distribution［C］//IEEE Aerospace Conference，2007:1 －10.