[发明专利]基于合成射流的压电微泵

说明书

技术领域

本发明属于微流体传输与控制、微机械技术领域，特指基于压电式合成射流微泵。

背景技术

微流控系统在生命科学和化学分析领域具有巨大的市场，基于微流控技术的基因芯片和生物芯片已广泛应用于DNA测序、病理基因分析、药物反应分析。在微流控系统中，微泵是驱动流体克服阻力产生流动的执行器件，是实现微流控系统的前提和基础，微泵的性能将直接影响到微流控分析系统的整体性能，也是决定微流控技术发展水平的关键因素；微泵的种类很多，根据工作原理的不同，可将其分为机械式和非机械式，机械式微泵利用活动部件来控制流体的输运，主要包括旋转式、膜片振动式、蠕动式和鱼尾式；非机械式微泵中没有活动部件，而是利用热、化学、声、磁、电动力等实现对流体的驱动，主要包括电液力驱动式、曲面波动驱动式、磁液力驱动式、连续浸润式、气泡驱动式以及其他新型驱动方式，由于非机械式微泵产生的泵压很小, 结构复杂, 工作时需要比较苛刻的条件,因此这类泵目前离应用还有较大的距离，在机械式微泵中为了在形成有效泵送的同时实现流动方向控制, 一般需要阀门，阀门的出现使得泵的响应速度变慢, 工作效率降低, 同时可动阀片材料的疲劳、失效和性能不稳定都会影响微泵的寿命，另外, 大多数有阀微泵在泵出冲程仍有部分流体回流, 使泵送流量减少。

E. Stemme和G. Stemme提出了一种新型无阀机械式微泵, 它利用扩散/收缩管来实现对流体的整流, 完成单向输运，后来的学者对其也进行了大量的研究，但是这种微泵不能连续输出流体，流量小，脉动大；清华大学罗小兵等提出了一种新型合成射流无阀微泵, 该微泵利用合成射流形成原理来实现流动方向控制, 工作频率高, 但是其模型过于简单，数值模拟中影响因素考虑不够全面使结果与真实流动情况差距较大，只是在理论上初步证明了这种泵的可行性；国防科技大学罗振兵等人设计了一种带过滤网的合成射流基无阀微泵，通过改变激励器振动膜振动幅值以及相应调节分流板位置可以实现流量调节功能,但是其结构复杂，加工困难，结构尺寸较大，实际意义上为一种小型泵。

在总结不同微泵的性能并进行对比的基础上，同时兼顾考虑微泵需要一种响应速度快、可靠性高、结构简单的驱动方式，本专利将合成射流技术与压电驱动相结合，设计发明了一种结构简单，成本低，流量高且可连续出流，性能稳定的微泵结构。

合成射流器可采用压电、静电或电磁等驱动方式使其弹性膜片产生上下振动，引起腔体体积周期性变化，从而将外界流体不断地通过喷口吸入和排出泵腔，无需额外的质量注入就可形成合成式射流，并可通过改变驱动电参数来实现对合成射流流场的有效控制。国内外学者针对其机理、实现及应用等方面开展了大量的研究，其结构也得到了很大的优化；文献专利号为“200710018045.1压电式合成射流器及其制作方法”中详细介绍了一种合成射流致动器的加工方法；本发明将合成射流这一流动形态应用到了压电微泵领域，在充分研究其流场特征的基础上，找到了关键参数间的相互关系，通过合理放置泵进口和泵出口，达到了连续泵送的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压电式合成射流微泵，与现有压电式微泵相比，本发明具有结构简单，制造成本低，可连续出流，流量较高且易控制，能耗低等诸多优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于合成射流的压电微泵，包括上泵体、上腔体、喷口、下泵体、下腔体、振动膜片和压电致动器，在上泵体上加工出泵进口和泵出口，上泵体和下泵体由上到下键合在一起，上泵体下方是上腔体，下泵体下方是下腔体，泵进口和泵出口通过上腔体与喷口相连通，喷口将上、下腔体相连通，振动膜片粘结于下泵体下表面，压电致动器通过粘结剂粘结在振动膜片下表面中央。

将合成射流技术成功的应用到微泵领域，发明出结构简单，加工成本低，流量大，易于实现微型化的压电微泵，并且解决了常规无阀压电泵不易连续出流的难题；所述泵进口、泵出口、上泵体、上腔体、下腔体、下泵体、喷口、振动膜片及压电致动器的截面形状均为圆形。

泵进口与泵出口间的圆心距为上泵体半径的3/4，这样，既可有效避免进出口流动间的相互影响又能实现输出流量最大化，泵出口、上泵体、喷口、下泵体、压电致动器、振动膜片的中心线在竖直方向上共线。