这种泵的优点在于:首先,实现了流体流动的平稳性。通常情况下,微泵在一个工作周期中,有半个周期处于吸入模式,半个周期处于压出模式,只能够使流体脉动地传送出去,而这种泵由于设计成2个腔,可交替地传送流体,这样,可保证始终有一个泵腔压出流体,从而使流体能够被较平稳地传送出去。其次,提高了微泵的效率。通常压电薄膜驱动的微泵只有一个泵腔,属于单压电薄膜驱动,而此泵具有2个泵腔,并且上面的泵腔实现了双压电薄膜驱动,使泵腔体积变化的幅度提高很多,2个泵腔交替的输出流体,增加了流量输出,从而大大地提高了驱动的效率。
微阀门设计的合理性是影响微泵使用寿命的一个主要因素。基于通常所使用的阀门易磨损,开启困难等缺陷,本文设计了一种新型的阀门结构,如所示。其出、入口微阀门均由两层单晶硅微结构芯片叠合而成。以入口阀门为例,上面一层是阀片结构,下面一层是环形阀座结构。由于单晶硅材料力学性能好,抗疲劳性能优良,因此微阀门选用(100)晶面的双面抛光单晶硅片,采用体硅微机械加工技术制作,其横向尺寸小,单向性能好,实现工艺简单。
这种阀的工作原理是:当阀座一侧的压力较低时,微阀门处于截止状态,流体不能通过:当阀座一侧的压力较高时,微阀门处于导通状态,流体压力作用于活塞,从而将弹性梁向上弯曲,流体在压力作用下由阀座一侧端口流向阀片一侧端口。
微阀门结构设计4微泵流体的有限元分析在流体分析中,由于泵膜与流体相互作用,所以要应用ANSYS中的流固耦合分析功能。微泵流体分析的有限元模型为压电驱动,上层为压电片,驱动电压为50V,驱动频率为4000Hz,厚度为10m,中层为泵膜,材料为硅,厚度为5m,下层为泵腔,腔内充满流体,泵腔的高度为500m.本文使用的分析算法是ANSYS耦合场分析中的序贯弱耦合分析算法,如所示。这种算法使用物理环境的方法,即将膜片分析的结果作为流体分析的载荷,然后再将流体分析的结果作为膜片分析的载荷,如此往复循环,直到结果在收敛误差范围内为止。进行微泵流体有限元分析的步骤是:(1)定义流体单元类型为FLUID141单元,膜片的单元类型为PLANE42单元,定义单元属性,建立流体有限元模型,划分网格;(2)流固交界面进行分析,指定流体表面载荷;(3)立膜片有限元模型,划分网格;(4)行流固交界面分析,指定膜片表面载荷;(5)开始进行FSI分析,指定时间步长,流固分析的顺序,应先进行固体分析,再进行流体分析,然后开始求解;(6)进入后处理器,绘出速度与压力图。
压力分析微泵的压力也是其性能的一个重要参数,应用ANSYS程序中的流固耦合分析功能可对微泵的瞬态压力进行模拟分析。本文对出口处压力进行瞬态分析,取下面泵腔出口处压力进行分析,取时间为0.001s,得压力瞬态分析曲线图如所示,其横坐标表示时间,纵坐标表示出口流体压力。
压力瞬态分析曲线图对微泵的流量和压力进行有限元分析,能更加全面地认识微泵系统的流体特性,从而从整体上对微泵系统进行分析。通过以上讨论,得出如下结论:提出一种双腔微泵的设计方案,该泵所设计的双腔结构可使其输出流量更为平稳,并且提高其工作效率。对微泵的流量和压力进行有限元分析,可以节省大量的实验花费,缩短设计周期,模拟出流速和压力的变化,从而较为全面地认识微泵系统的流体特性。