一種無閥壓電微泵設計與分析

趙遠方+陳正陽

摘 要：基于擴散口/收縮口的無閥壓電微泵，利用擴散口/收縮口的整流特性來代替單向閥實現流體的泵送。在選取壓電相和基體相，并建立壓電體單元、基體實體單元。利用ANSYS軟件仿真求解，設計出微泵尺寸16mm×16mm×1.7mm，泵腔的尺寸直徑13mm，厚度0.2mm，擴散口/收縮口大端邊長0.8mm，小端邊長0.52mm，長0.4mm，并簡述了微泵制造工藝流程。

關鍵詞：微泵；壓電；制造工藝

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0114-03

前言

無閥微泵的原理是利用擴散口/收縮口管道流路對流體的阻力的不同形成流量的差值。如圖1（a）所示，當壓電振子向上振動時，泵腔體積增大，泵腔吸液，液體從收縮口/擴散口分別吸入泵腔，但擴散口管道對液體的阻力小于收縮口管道，相應的從擴散口吸入的液體也就多收縮口；如圖1（b）所示，當壓電振子向下振動時，泵腔體積減小，泵腔送液，收縮口/擴散口同時將液體泵出，但擴散口管道對液體的阻力大于收縮口管道，相應的從收縮口泵出的液體也就多于擴散口。所以，壓電振子在交變電流下周期性的形變帶動泵腔的體積周期性的形變，就形成了無閥微泵的連續差量流動。

1 參數確定

本文選取壓電陶瓷PZT-5A作為壓電相，Cu作為基體相。材料參數如表1所示。

介電常數常用相對介電常數表示，其值等于同樣電極情況下介質電容與真空電容之比：k=，0=8.85×10-12F/m[2]。PZT-5A相對介電常數如表2所示。

PZT-5A壓電常數[3]如表3所示。

PZT-5A彈性常數[4]如表4所示。

2 模型的建立

在ANSYS選擇SOLID226作為壓電振子壓電體的單元，SOLID185作為壓電振子Cu基體的單元。建立兩個材料模型，模型一定義密度、楊氏模量、泊松比作為Cu基體的材料；模型二定義密度、相對介電常數、壓電常數、彈性常數作為壓電體的材料，直接建立壓電體與基體兩個薄的圓柱實體。

3 施加約束并求解

3.1 靜態分析

在簡支撐方式時，壓電振子邊界沒有完全被約束，故只限制銅基體上下表面圓周處Z方向的自由度，而固支撐方式則是X、Y、Z方向自由度完全限制。設定壓電體半徑5mm，厚度為0.2mm；銅基體半徑為7mm，厚度為0.15mm，驅動電壓為10V。簡支如圖3所示，固支如圖4所示。

對比可知，在驅動電壓、壓電體銅基體半徑、厚度相同條件下，簡支承方式比固支撐方式壓電振子中心位移大。但由于圓形壓電振子在簡支方式下，考慮其變形方式不對稱，導致其在激勵電壓坐下產生的最大位移可能不處于壓電振子中心，且在實際安裝中，簡支方式安裝較難，綜合采用固支撐方式更佳。

（1）驅動電壓對壓電振子位移的影響

設壓電體半徑5mm，厚度0.2mm；銅基體半徑7mm，厚度0.15mm。在壓電體下表面施加0V電壓，壓電體上表面分別施加從10V到100V不同電壓進行仿真。如圖5。

分析可知在一定的驅動電壓變動范圍內，隨著驅動電壓增大，壓電振子中心位移增大，且兩者之間呈線性關系。

（2）銅基體半徑大小對壓電振子位移的影響

設壓電體半徑5mm，厚度0.2mm；銅基體厚度0.15mm。在壓電體下表面施加0V電壓，在壓電體上表面施加10V電壓。從6mm到10mm分別設定銅基體的半徑進行仿真，分析銅基體半徑對壓電振子位移的影響，求解結果如圖6。

不難看出壓電振子中心位移隨著銅基體半徑增加而增加，但不呈線性，且增量遞減。

（3）銅基體厚度對壓電振子位移的影響

設壓電體半徑5mm，厚度0.2mm；銅基體半徑7mm。在壓電體下表面施加0V電壓，在壓電體上表面施加10V電壓。從0.1mm到0.3mm分別設定銅基體厚度進行仿真，分析銅基體厚度對壓電振子位移的影響。如圖7。

經過求解可得出壓電振子中心位移隨著銅基體厚度增加而遞減，但兩者之間關系不呈線性，且減量遞減。

3.2 模態分析

設壓電體半徑5mm，厚度0.2mm；銅基體半徑7mm，厚度0.1mm，驅動電壓為10V（根據上述分析取較優數據）固支撐方式。建立Modal分析類型，設定十階振動頻率，起始頻率為0，終止頻率為60Hz。如圖8。

由數據仿真可知，壓電振子處于1階振型和6階時，其最大振型發生在壓電振子中心處，而其余階振型的最大振型均發生壓電振子邊緣處。對比1階和6階振型可得，壓電振子在6階振型時，其變形方向有正向和反向變形，而1階振型則只有正向變形，又因壓電陶瓷與銅的耦合的壓電振子是以Z軸對稱的，有兩階頻率相同是因為一個是XOZ面的彎曲，一個是YOZ面的彎曲，所以兩階頻率值大致相同。因此，壓電振子處于1階變形時，其振型效果最佳。

3.3 諧響應分析

采用Full法（完全法），利用ANSYS對壓電振子進行協響應分析，由模態分析可知電振子共振頻率為8.17Hz，則設定諧響應分析激勵頻率范圍為7.5Hz到8.5Hz。取壓電振子中心點得到如圖9，可以看出最大位移正好處于8.17Hz處附近。

4 結構設計及制造

由仿真可知，銅基體半徑越大越好，但在半徑增大同時，泵體半徑也增大，泵體體積也會增大，因壓電振子振動而改變的體積與泵體總體積之比減小，泵送效率也減小，所以銅基體半徑應取適中。取壓電體半徑5mm，厚度0.2mm，銅基體半徑為7mm，厚度0.1mm，并采用環氧樹脂粘合。為保證泵送效率，泵腔半徑則應相近，暫定泵腔直徑13mm，厚度0.2mm，收縮口/擴散口大端邊長0.8mm，小端邊長0.52mm，長0.4mm。上泵體厚0.5mm，邊長16mm，挖空一個深0.4mm，邊長15mm的長方體用于放壓電振子。下泵體邊長16mm，厚0.6mm，在據中心等距離與擴散口/收縮口對應處挖一個直徑為2mm的圓形孔作為出水口和入水口。三維模型如圖10所示。

因銅基體與液體直接接觸，在銅基體下表面涂一層環氧樹脂作為絕緣層，綜合彈性性能與加工性能選擇QSn4-3錫青銅，牌號為GB/T 13808-1992。每部分之間均采用環氧樹脂粘接，環氧樹脂粘接劑可承受最大拉伸強度40MPa最大剪切強度28MPa，小于銅和PZT-5的拉伸強度和屈服強度，可知整個微泵結構中在外加驅動電壓時，在壓電振子處有最大應力。

在制作微泵時，壓電振子的制作需要稀鹽酸對銅進行預先處理，除掉銅表面附著的氧化銅，再用環氧樹脂將銅和PZT-5A粘接。上泵體、下泵體與泵腔均使用玻璃作為材料，加工處需要用弱酸腐蝕出。

制作擴散口/收縮口是整個過程最復雜與精密的一部分，需要運用到微機電加工制作，選用材料為硅，具體制作過程為清洗、氧化、甩膠、光刻顯影、去氧化硅開窗口、去膠、腐蝕、去氧化層。清洗是為除去硅晶體便面的污染物，并增強表面的粘附性以及保證氧化層的致密性；氧化是為了在硅晶體表面生成一層致密的二氧化硅，作為腐蝕制作擴散口/收縮口時的保護膜；光刻顯影是為了在表面生成了二氧化硅薄膜上將掩膜版上的圖形完全對應的刻蝕出來，作為腐蝕錐形管的基礎。

5 結束語

利用ANSYS求解壓電體、基體在不同尺寸下對壓電振子的影響，在其他條件不變時，驅動電壓增大壓電振子中心位移增大，銅基體半徑增大壓電振子中心位移增大，銅基體厚度壓電振子增大中心位移減小。并對泵體進行結構優化設計。

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