PDMS壓電微泵設(shè)計與實驗

李　明,　劉丕浩

(長春工業(yè)大學 機電工程學院， 吉林 長春　130012)

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PDMS壓電微泵設(shè)計與實驗

李明,劉丕浩

(長春工業(yè)大學 機電工程學院， 吉林 長春130012)

摘要：以固態(tài)聚二甲基硅氧烷(PDMS)為泵體材料,設(shè)計了壓電振子的支承方式，采用雙腔串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由PDMS雙腔串聯(lián)壓電泵驅(qū)動。 分別用蒸餾水、檸檬酸鈉溶液、氯金酸溶液3種流體測試了PDMS壓電微泵的工作性能，證明該電泵不僅能夠輸送低粘度液體(如水)，對于粘度較高的流體(如一些化學反應溶液)也具有較好的輸送性能。

關(guān)鍵詞：微流體反應器； PDMS； 雙腔串聯(lián)； 壓電泵

0引言

壓電微泵是一種新型往復式容積泵，它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應即在電信號的作用下壓電陶瓷會產(chǎn)生機械變形的特點來工作的[1]。微流體反應器是一種微型的流體混合反應裝置。由于壓電微泵驅(qū)動系統(tǒng)和工作元件都是由壓電振子來完成的，不需要復雜的工作系統(tǒng)，因此可以根據(jù)需要將微泵的結(jié)構(gòu)尺寸做到很??；另外壓電微泵可以方便地通過調(diào)節(jié)電壓和頻率來精確控制其輸出，精準地供給反應液體，并可根據(jù)需要對供給液體的量進行自動調(diào)控[2]；此外，壓電振子有著結(jié)構(gòu)簡單、適頻范圍寬、響應快、控制好等優(yōu)點，在多種不同信號的激勵下可以產(chǎn)生多種不同的振動形態(tài)，從而為微反應器的混合提供更多可供選擇的脈動混合模式，達到更為理想、高效、可控的混合效果[3]；因而使用壓電微泵作為微流體反應器的驅(qū)動源較其他驅(qū)動形式有著巨大的優(yōu)勢。

經(jīng)過國內(nèi)外各機構(gòu)對壓電泵的研究和反復試驗，已經(jīng)解決了壓電泵最初研究時存在的一些問題，即自吸性不好、抵抗氣泡能力差、不能長期穩(wěn)定工作等問題，開發(fā)了多種型號、多個尺寸、多種腔體結(jié)構(gòu)的壓電微泵，不僅能夠輸送粘度比較低的像水這樣的液體，還可以輸送粘度達到234.6 mPa·s的高粘度的流體。因此，選用振子直徑為15 mm、雙腔串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的一種壓電泵作為所設(shè)計微流體反應器的驅(qū)動源。

1雙腔串聯(lián)壓電微泵的工作原理

雙腔串聯(lián)壓電泵的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。

圖1　雙腔串聯(lián)壓電泵的結(jié)構(gòu)及工作原理

雙腔串聯(lián)壓電微泵(簡稱壓電微泵)結(jié)構(gòu)簡單、零部件少，僅由2個壓電振子、3個閥片、2個腔體組成，其中，閥片1是單向入口閥，閥片2是中間閥片，閥片3是出口單向閥。其工作原理是：對壓電振子1、壓電振子2通入相位差為180°的驅(qū)動激勵信號[4]，即工作模式Ⅰ：當壓電振子1向上振動的時候,壓電振子2也向上振動；反之為工作模式Ⅱ：當壓電振子1向下振動的時候,壓電振子2也向下振動。當處于工作模式Ⅰ時，壓電振子1向上振動，上腔體容積變大，上腔體內(nèi)壓力小于泵體外壓力，單向入口閥(閥片1)打開，閥片3閉合，流體經(jīng)入口進入上腔體；與此同時，壓電振子2也向上振動，下腔體的容積變小，下腔體內(nèi)壓力大于泵體外壓力，閥片3閉合，單向出口閥2打開，下腔體內(nèi)的流體經(jīng)出口流出；當處于工作模式Ⅱ時，壓電振子1向下振動，上腔體容積變小，單向入口閥(閥片1)關(guān)閉，閥片3打開，與此同時，壓電振子2也向下振動，下腔體的容積變大，單向出口閥(閥片2)關(guān)閉，流體從上腔體流入下腔體。在正弦激勵下，壓電振子1與壓電振子2不斷地同時上下振動，上下腔體的體積不斷地增大和減小，如此不斷循環(huán)往復，實現(xiàn)流體的單向流動。

2基于PDMS的壓電微泵的設(shè)計制作

壓電微泵的泵體材料一般是PMMA，使用精雕機加工制得[5]，由于文中需要將微泵泵體與混合流道集成在同一塊PDMS基片上，其制作材料和加工工藝都與以往不同，所以有必要對基于PDMS的壓電微泵的設(shè)計制作進行研究。

2.1壓電振子的選擇及工作特性研究

壓電振子是壓電泵的動力元件，文中選用的壓電振子是圓形單晶片壓電振子，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2　壓電振子結(jié)構(gòu)圖

它是由壓電陶瓷粘結(jié)在銅基板上組成的[6]，壓電陶瓷片用的是PZT系列的P5型壓電陶瓷，因為該種壓電材料耦合系數(shù)高、損耗低、功率高、介電常數(shù)低，適合作為壓電振子的驅(qū)動元件[7]。銅基板的作用是保護硬而脆的壓電陶瓷、增大剛度、增加振子輸出力。文中選用直徑d=15 mm的壓電振子。

在理想工作狀態(tài)下，單腔泵的輸出流量為[8]：

(1)

輸出壓力為：

(2)

理論上雙腔串聯(lián)壓電泵的輸出壓力為：

(3)

雙腔串聯(lián)壓電泵的輸出流量為：

(4)

d----壓電晶片直徑；

t----壓電晶片厚度；

U----電壓；

d31----機電耦合系數(shù)；

f----工作頻率。

分析上述公式可以看出，壓電泵的工作性能與輸入電壓成正比，輸出流量還受工作頻率及閥片出流效率的影響。采用多腔串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)是提高壓電泵綜合工作性能的重要途徑。

2.2壓電泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制作

傳統(tǒng)的PMMA壓電泵通常采用層疊結(jié)構(gòu)，壓電振子的支撐方式介于固支與簡支之間，適于壓電振子的一階模態(tài)振動，振子變形量也較大。當制作PDMS微泵時，若將壓電振子直接粘接在PDMS彈性體上，此時壓電振子的支撐方式已近似為自由邊支撐，如圖3所示。

圖3　自由邊支撐

這種支撐方式使泵腔容積變化較小，影響壓電泵的工作性能。鑒于此，壓電振子的安裝采用在PDMS彈性體中添加硬質(zhì)墊圈的方法，將振子裝配在硬質(zhì)墊圈上，改善壓電振子的支撐方式，從而增加腔體的變形量，以提高PDMS壓電泵的工作性能。

雙腔三閥式壓電微泵的泵體三維結(jié)構(gòu)，整個泵體長寬均不到20mm，高度也僅為6mm，如圖4所示。

圖4　PDMS微泵泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

采用模板復制法來加工PDMS泵體，制作微泵泵體的模具以及制得的PDMS泵體如圖5所示。

圖5　壓電微泵泵體模具及制得的PDMS泵體

2.3微泵裝配

文中所用驅(qū)動源屬于雙腔串聯(lián)式的壓電微泵，其輸出壓力和流量較單腔體壓電泵和雙腔并聯(lián)式的都高，以滿足微混合對流量和壓力條件的需要。在微泵結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用迭片技術(shù)，使驅(qū)動源結(jié)構(gòu)更加緊湊，減小泵的尺寸，壓電微泵的三維爆炸圖如圖6所示。

圖6　壓電微泵裝配爆炸圖

其中，PDMS泵體上有環(huán)狀的凹槽，裝配時硬質(zhì)墊圈嵌入凹槽中。閥片采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)，兩閥片正反疊加構(gòu)成單向進出口閥；閥片頂部有定位邊，便于裝配時對中定位。閥片、壓電振子、墊圈及PDMS泵體圍成的空腔即為泵腔。壓電振子和閥片的裝配采用粘接工藝，把閥片粘在PDMS泵體的凹槽中，將壓電振子裝配在墊圈中，在上層用粘膠固定密封，待粘膠固化后，焊接引線，完成壓電泵的制作。

壓電微泵的裝配采取粘接工藝，由于零件尺寸小，整個裝配過程在放大裝置下精密進行，具體裝配制作工藝如下：

1)對壓電振子1及壓電振子2進行導線焊接處理，之后將它們進行單面絕緣化處理。

2)利用激光切割機切割出所需結(jié)構(gòu)尺寸的三種閥片備用。

3)制作PDMS泵體，用數(shù)控精雕機雕刻出泵體陽膜，然后制作出PDMS泵體，具體流程此處不贅述。

4)微泵整機裝配，裝配順序為先閥片后振子，最后將引線布置在引線槽內(nèi)，固定方法為在各零件邊緣涂上適量環(huán)氧樹脂膠后，用紫外燈照射使其固化。

5)微泵裝配完成后對其進行初步測試，確定合格可用后進行干燥，完成壓電微泵的制作。

3基于PDMS的壓電微泵工作性能測試

基于PDMS的壓電微泵的輸出性能是否能夠達標直接影響著微混合的混合質(zhì)量和混合效率，很大程度上決定了微流體反應器的性能，所以對其進行工作性能測試是文中重要研究之一。

3.1實驗測試方案設(shè)計

壓電微泵的實驗測試方案示意圖如圖7所示。

圖7　壓電微泵實驗測試方案示意圖

主要設(shè)備包括信號發(fā)生器、功率放大器、帶標尺的支架、燒杯、量筒、塑料管、標尺、秒表等。其中,圖中標示的流體有蒸餾水、氯金酸溶液和檸檬酸鈉溶液3種，即實驗要分別測試壓電微泵泵送3種不同粘度流體的性能；具體內(nèi)容為分別測試壓電微泵泵送3種不同流體時在不同電壓以及不同工作頻率條件下的輸出壓力、流量。

3.2基于PDMS壓電微泵的工作性能測試

集成在微流體反應器中的壓電微泵在工作中泵送的是化學反應溶液，對于不同粘度的流體驅(qū)動源的工作性能是不同的，所以不僅僅需要測試基于PDMS的壓電微泵輸送水的性能，也要測試其對粘度不同的化學反應溶液的工作能力。文中測試了壓電微泵輸送檸檬酸鈉溶液和氯金酸溶液的工作性能。實驗用檸檬酸鈉溶液和氯金酸溶液濃度分別為1.5mg/kg和1mg/kg，溫度為室溫。

壓電微泵輸出流量、輸出壓力與電壓之間的關(guān)系特性曲線如圖8和圖9所示。

圖8　壓電微泵泵送不同流體的輸出流量—電壓特性曲線

圖9　壓電微泵泵送不同流體的輸出壓力—電壓特性曲線

壓電微泵輸出流量、輸出壓力與工作頻率的關(guān)系特性曲線如圖10和圖11所示。

圖10　壓電微泵泵送不同流體的輸出流量—頻率特性曲線

圖11　壓電微泵泵送不同流體的輸出壓力—頻率特性曲線

由此可得出結(jié)論：自制基于PDMS的壓電微泵具有良好的工作性能，其不僅能夠輸送像水這樣粘度比較低的液體，對于粘度較高的流體(如一些化學反應溶液)也有較好的輸送性能。

分析特性曲線可知，檸檬酸鈉和水粘度比較接近，兩種流體的工作特性曲線基本一致；3種流體的輸出流量和輸出壓力都隨著輸入電壓的增大而增大，但氯金酸溶液的輸出流量較低；隨著頻率的增大，3種流體的輸出流量和輸出壓力都先增大后減小，其輸出壓力相差不大，但氯金酸溶液的輸出流量明顯低于其他兩種低粘度流體，且其最佳流量工作頻率和最佳壓力工作頻率都有所降低。

4結(jié)語

介紹了作為微流體反應器驅(qū)動源的壓電微泵工作原理及其設(shè)計制作以及工作性能測試。為了將驅(qū)動源集成在微反應器內(nèi)，文中用固態(tài)PDMS制作泵體，然后分別用蒸餾水、檸檬酸鈉溶液、氯金酸溶液3種流體測試了基于PDMS壓電微泵的工作性能，證明了其具有良好的工作性能，不僅能夠輸送像水這樣粘度比較低的流體，對于粘度較高的流體(如一些化學反應溶液)也有較好的輸送性能，并得出結(jié)論：

1)3種流體的輸出流量和輸出壓力都隨著輸入電壓的增大而增大，檸檬酸鈉溶液和水溶液曲線基本一致，氯金酸溶液輸出流量較二者較低。

2)隨著頻率的增大，3種流體的輸出流量和輸出壓力都先增大后減小，其輸出壓力相差不大，但氯金酸溶液的輸出流量明顯低于其他兩種低粘度流體。

3)氯金酸溶液的最佳流量工作頻率和最佳壓力工作頻率都有所降低，但并不是過于明顯。

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PDMS micro piezoelectric pump design and experiments

LI Ming,LIU Pihao

(School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Abstract：With solid Polydimethylsiloxane (PDMS) as pump body material, we design the PZT actuator's support mode, dual-chamber tandem and PDMS double cavity pressure pump. Three kinds of fluid such as Distilled water, Na-Citrate liquor and chloroauric acid liquor are used to test the PDMS micro piezoelectric pump performance. The results show that the pump can transport not only low viscosity liquid like water but high viscosity fluid like some chemical reaction liquor as well.

Key words：microfluidic reactor; PDMS; dual-chamber tandem; piezoelectric micro-pump.

收稿日期：2016-02-25

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51375207)

作者簡介：李明(1969-)，男，漢族，吉林松原人，長春工業(yè)大學副教授，碩士，主要從事計算機輔助設(shè)計方向研究,E-mail:lim@ccut.edu.cn.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.2.01

中圖分類號：TP 394.1； TH 691.9

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)02-0105-05