基于PDMS的压电驱动式系列微型泵的设计及实验研究

摘要

压电驱动式微泵简称压电泵，是一种利用逆压电效应驱动介质的微型液压泵，它具有体积小、响应快、无电磁干扰、输出精度高、易于控制等特点，是微机械流体系统中的重要执行部件。经过三十多年的研究和发展，压电泵已广泛应用在航空航天、微机电系统、智能机器人等领域。随着压电泵的应用领域越来越广泛，不但对压电泵的工作性能提出了更高的要求，而且要求压电泵能够适应更多的工作环境外，输送特殊性质的液体，这对泵体材料的选择提出了较高的要求。
　　为进一步拓展压电泵的应用领域，以利于更好地将其集成于微流控芯片中，本文对以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为泵体材料的压电泵开展相关实验研究。本文在简述压电与逆压电效应的基础上，利用解析法对压电振子力学模型进行解析，利用有限元法对压电振子进行静态分析和模态分析，完成对压电振子的优化选择。根据实验需要对基于PDMS的压电泵的结构进行分析和设计，通过合理设计PDMS压电泵的结构，优化压电振子的支承方式，设计阀片结构以及采用双腔串、并联结构等措施以提高压电泵的工作性能。实验加工制作了阀片，使用精雕机加工有机玻璃板制作泵体模具，然后采用模塑成型工艺制作PDMS泵体，最终完成PDMS压电泵样机的装配。
　　本文分别以PDMS和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃）为泵体材料设计制作了单腔压电泵、双腔串、并联压电泵，并对其工作性能进行对比性实验测试，本文还测试了PDMS压电泵对输送高粘度化学反应溶液（如氯金酸溶液）的工作性能。实验结果证明：构造具有良好工作性能的PDMS压电泵具有可行性，采用两腔串、并联结构能够提高压电泵的工作性能；在正弦交变电压90V，频率80Hz的情况下，PDMS双腔串联泵的输出流量达到21ml/min，输出压力达到10kPa。与PMMA压电泵相比较，PDMS压电泵在输出流量和压力方面仍有近30％的差距，但这样的输出能力可以满足微流控芯片的需要，且PDMS压电泵对输送高粘度的化学反应溶液也有较好的工作性能。相关研究为压电泵更好地集成于微流控芯片提供借鉴和技术支持。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 压电泵的分类和结构

1.3 压电泵的研究现状及应用

1.4 聚二甲基硅氧烷（PDMS）

1.5 本文的研究意义及主要研究内容

1.6 本章小结

第二章 压电振子工作特性研究

2.1 压电效应及压电材料

2.2 压电振子

2.3 压电振子理论模型

2.4 压电振子有限元模型分析

2.5 本章小结

第三章 PDMS压电泵的结构设计

3.1 PDMS单腔压电泵的设计

3.2 双腔压电泵理论分析

3.3 PDMS双腔压电泵的结构设计

3.4 本章小结

第四章 PDMS压电泵的样机制作

4.1 悬臂梁式单向阀的设计制作

4.2 PDMS压电泵的制作

4.3 PMMA压电泵的制作

4.4 本章小结

第五章 PDMS压电泵的实验研究

5.1 PDMS压电泵与PMMA压电泵性能比较

5.2 PDMS压电泵的工作性能测试

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间研究成果