一種三通結構的雙腔無閥壓電泵的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種三通結構的雙腔無閥壓電泵，泵體上設有進口緩沖腔、出口緩沖腔、進口流管、兩個出口流管和兩個泵腔的下半部分，進口流管由一匯流錐管與相對于匯流錐管中心線對稱布置的兩個分流錐管連通組成；進口流管的匯流錐管與進口緩沖腔連通，兩個分流錐管一端與匯流錐管大端連通，另一端分別與兩個泵腔之一連通；兩個出口流管一端分別與兩個泵腔之一連通，另一端均與出口緩沖腔連通，進口緩沖腔連通泵進口，出口緩沖腔連通和泵出口；兩個壓電振子3上分別加載相同相位的交變電壓信號，增強了流體沿正向流動的過流能力，避免了大錐角高頻率下流動易發生邊界層分離及附壁流動現象的產生，降低了能量損失，提高了無閥壓電泵的效率。
【專利說明】—種三通結構的雙腔無閥壓電泵【技術領域】
[0001]本發明涉及微流體傳輸與控制以及微機械【技術領域】，具體是指一種三通結構的雙腔無閥壓電泵。
【背景技術】
[0002]壓電泵是機械式微泵的一種，屬于容積泵，廣泛應用在藥物微量輸送、細胞分離、電子產品降溫、燃料微量噴射、化學微分析、管道流動轉捩控制等領域。目前壓電泵主要分為有閥壓電泵和無閥壓電泵兩類，無閥壓電泵無可動閥片，結構簡單，更適合于小型化和微型化，可以滿足高頻率下的工作要求，克服了有閥壓電泵斷流有噪音的缺點，防疲勞性能良好，避免一些敏感介質受到影響。大多數無閥壓電泵是將兩個特殊結構流管與泵腔連接，利用流體沿特殊結構流管不同方向流動時的流阻差異產生泵送效果，常見的特殊結構流管有錐形管、tesla管、潤旋管、三通管等。
[0003]錐形管結構簡單，易于設計和加工，但其正反向流阻差異較小，導致微泵的效率很低，且在較高的驅動頻率和較大的錐角下易發生流動分離和附壁流動現象；tesla管也稱為異型管，其主要結構以直流道搭配彎曲流道所組成，流體在往復流動時由于流道長度的差異與流體的慣性效應，產生出口方向的凈流量，但其正反向流阻差異同樣很小，微泵在一個工作周期內獲得的凈流量有限；渦旋管實質是在二維平面錐形管壁面增加了一系列三角形或圓弧的漩渦區域，這些三角形渦旋區與錐形流管一起組成了渦旋通道，但渦旋面的存在加大了流道的制作難度，并且這種流管的正反向流阻都很大，使得微泵能耗大，效率低；三通管包括Y型管和V型管等，Y型管由一個合流管和兩個分流管組成Y字形，其合流管和分流管均為等截面矩形管，由于其等截面矩形的合流管與分流管的尺度較大，不利于微型集成化；“V”型管由一個等截面矩形管為合流管和兩個擴散(收縮)分流管組成，但由于其進出口流管和泵腔不在同一個平面上，導致了結構相對比較復雜，加工制作困難；三通管在一定程度上減小了正向流阻，提高了反向流阻，使得微泵在一個工作周期內沿正向獲得較高的凈流量，但同樣適用于較低頻率下匯流管為小角度的工況。
【發明內容】
[0004]本發明的目地是為了克服上述技術的不足，主要是針對現有無閥壓電泵所存在的問題如流動紊亂、粘性阻力大、邊界層易分離、易出現附壁流動等不良效果而提出的一種流動穩定、能耗低、效率高的三通結構的新型雙腔無閥壓電泵。
[0005]本發明采用的技術方案是:包括泵體、泵蓋和兩個壓電振子，泵體和泵蓋鍵合在一起，泵蓋上設有泵進口、泵出口和泵腔的上半部分，泵體上設有進口緩沖腔、出口緩沖腔、進口流管、兩個出口流管和兩個泵腔的下半部分，進口緩沖腔與出口緩沖腔的中心線在水平方向共線，在垂直方向平行，兩個出口流管的軸線相互平行，第一出口流管的軸心線與第一泵腔的軸心線在同一垂直面上且相互垂直，第二出口流管的軸心線與第二泵腔的軸心線在同一垂直面上且相互垂直；兩個壓電振子分別位于兩個泵腔的正上方；進口流管由一匯流錐管與相對于匯流錐管中心線對稱布置的兩個分流錐管連通組成；進口流管的匯流錐管與進口緩沖腔連通，兩個分流錐管的一端與匯流錐管的大端連通，另一端分別與對應的兩個泵腔之一連通；兩個出口流管一端分別與相對應的兩個泵腔之一連通，另一端均與出口緩沖腔連通，進口緩沖腔連通泵進口，出口緩沖腔連通和泵出口 ；兩個壓電振子上分別加載相同相位的交變電壓信號。
[0006]本發明的有益效果是:與傳統擴散/收縮管無閥壓電泵和三通管無閥壓電泵相t匕，一種三通結構的新型雙腔無閥壓電泵采用將分流錐管分別與兩個泵腔連通的結構設置方式，增強了流體沿正向流動的過流能力，避免了大錐角高頻率下流動易發生邊界層分離及附壁流動現象的產生，降低了能量損失，提高了無閥壓電泵的效率，同時，該無閥壓電泵防電磁干擾能力強，流量易于控制，可應用于生物芯片，微流控芯片，微型全分析系統以及臨床藥物微量輸液系統等領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是本發明的結構剖視圖；
圖2是圖1的A-A向剖面圖；
圖3是圖1的俯視圖；
圖4是圖3中的B-B向剖面圖；
圖5是圖3中的C-C向剖面圖；
圖6是圖3中的D-D向剖面圖；
圖7是圖2中進口流管7的局部/放大圖；
圖8是圖2中出口流管12、13的局部#放大圖；
圖9是圖2中進口流管7的幾何結構放大圖；
圖10是圖2中出口流管12、13的幾何結構放大圖；
圖11是本發明在排出過程的工作原理圖；
圖12是本發明在排出過程中局部J流動情況圖；
圖13是本發明在吸入過程的工作原理圖；
圖14是本發明在吸入過程中局部J流動情況圖；
圖中:1.泵進口 ；2.泵蓋；3、4.壓電振子；5.泵出口 ；6.進口緩沖腔；7.進口流管；
8.泵體；9.出口緩沖腔；10、11.泵腔；12、13.出口流管；14.匯流錐管；15、16.分流錐管。
【具體實施方式】
[0008]參照圖f圖8，本發明包括泵體8、泵蓋2和壓電振子3、4，泵體8的材料為硅片，泵蓋2的材料為玻璃，泵體8和泵蓋2通過陽極鍵合工藝結合在一起，用黏結劑將兩個壓電振子3、4分別固定粘結在泵蓋2的上方。
[0009]在泵蓋2上利用激光加工工藝加工出泵進口 1、泵出口 5和泵腔10、11的上半部分，兩個壓電振子3、4分別位于兩個泵腔10、11的正上方。在泵體8上利用干法刻蝕工藝加工出進口緩沖腔6、出口緩沖腔9、進口流管7、出口流管12、13和泵腔10、11的下半部分，進口緩沖腔6與出口緩沖腔9的中心線在水平方向共線，在垂直方向平行，兩個出口流管12、13的軸線相互平行，出口流管12的軸心線與泵腔10的軸心線在同一垂直面上且相互垂直，出口流管13的軸心線與泵腔11的軸心線在同一垂直面上且相互垂直。
[0010]進口流管7由一匯流錐管14與相對于匯流錐管14中心線對稱布置的兩個分流錐管15、16連通組成；進口流管7的匯流錐管14與進口緩沖腔6連通，兩個分流錐管15、16的一端與匯流錐管14截面積較大的大端連通，另一端分別與泵腔10和泵腔11連通；出口流管12 —端與泵腔10連通，出口流管13 —端與泵腔11連通，出口流管12和出口流管13的另一端與均與出口緩沖腔9連通，并且進口緩沖腔6連通泵進口 1，出口緩沖腔9連通和泵出口 5。
[0011]參照圖9，匯流錐管14的長度&為1200μm~3000μπι，高度力為80μm~?50μπι，小端的最小截面寬度^*80μm~?50μπι，錐角巧為15°~40°，小端管口圓角半徑奪為60 μ m~?20 μ m ;兩個分流錐管15、16間的夾角Φ為90 °~120 °，長度為600 μ m~?500 μ m,高度與匯流錐管14的高度相同，小端的最小截面寬度~是匯流錐管14小端最小截面寬度~的4.5倍，錐角巧是匯流錐管14錐角巧的0.5倍。
[0012]參照圖10，出口流管12、13為平面錐管，其長度為1000 μm~3000 μ m，小端的最小截面寬度~為60μm~?20μπι，高度與匯流錐管14的高度相同，小端管口圓角半徑？i為60μm~90μπι，錐角巧為 5。~12。。
[0013]本發明的工作原理是:在壓電振子3、4上分別加載相同相位的交變電壓信號(正弦或矩形波信號)后，壓電振子3、4會隨電壓頻率的變化發生振幅相同的同步振動，該振動帶動泵腔10、11內的流體流動；可將壓電振子3、4的運動分為向上位移運動和向下位移運動，則泵腔10、11內流動過程就相應的分為吸入過程和排出過程。
[0014]壓電振子3、4向下位移運動時泵腔10、11體積減小，泵腔10、11內的壓強增大且大于外界壓強，從而流體被排出泵腔10、11，這時壓電泵處于排出狀態，泵內流動情況如圖
11、12所示，部分流體經過出口流管12、13由泵腔10、11流入出口緩沖腔9，并由泵出口 5
排出，此時出口流管12、13為擴散管，排出流量較大，通過出口流管12、13的流量均為；
另一部分流體經過分流錐管15、16由泵腔10、11流入匯流錐管14，并經過進口緩沖腔6由泵進口 I排出，此時分流錐管15、16均為收縮管，排出流量較小，且兩分流錐管15、16排出的兩股射流在與匯流錐管14的交匯處發生動量交換，造成很大的能量損失，進一步減小了
流量，流出進口流管7的流量為込。
[0015]壓電振子3、4向上位移時泵腔10、11體積增大，泵腔10、11內的壓力降低且小于外界壓強，從而流體被吸入泵腔10、11，這時壓電泵處于吸入狀態，泵內流動情況如圖13、14所示，部分流體經過出口流管12、13由出口緩沖腔9流入泵腔10、11，此時出口流管12、
13為收縮管，吸入流量較小，通過出口流管12、13的流量均為迖；另一部分流體經過進口
流管7由進口緩沖腔6流入泵腔10、11，此時分流錐管15、16，匯流錐管14均為擴散管，流入泵腔10、11的流量較大，且由于雙泵腔結構的設置使得通過匯流錐管14的流體在壓電振子3、4的驅動下高速通過分流錐管15、16，避免了流動分離和附壁流動現象的發生，減小了
正向流阻，提高了通過進口流管7的流量，此時通過進口流管7的流量為β；。[0016]本發明在吸入過程和排出過程中壓電振子3、4的振幅一定，流入泵腔10、11的流量和流出泵腔10、11的流量相等，記為
【權利要求】
1.一種三通結構的雙腔無閥壓電泵，包括泵體(8)、泵蓋(2)和兩個壓電振子(3、4)，泵體(8)和泵蓋(2)鍵合在一起，其特征是:泵蓋(2)上設有泵進口(I)、泵出口(5)和泵腔(IOUl)的上半部分，泵體(8)上設有進口緩沖腔(6)、出口緩沖腔(9)、進口流管(7)、兩個出口流管(12、13 )和兩個泵腔(10、11)的下半部分，進口緩沖腔(6 )與出口緩沖腔(9 )的中心線在水平方向共線，在垂直方向平行，兩個出口流管(12、13)的軸線相互平行，第一出口流管(12)的軸心線與第一泵腔(10)的軸心線在同一垂直面上且相互垂直，第二出口流管(13)的軸心線與第二泵腔(11)的軸心線在同一垂直面上且相互垂直；進口流管(7)由一匯流錐管(14)與相對于匯流錐管(14)中心線對稱布置的兩個分流錐管(15、16)連通組成；進口流管(7)的匯流錐管(14)與進口緩沖腔(6)連通，兩個分流錐管(15、16)的一端與匯流錐管(14)的大端連通，另一端分別與對應的兩個泵腔(10、11)之一連通；兩個出口流管(12、13) —端分別與相對應的兩個泵腔(10、11)之一連通，另一端均與出口緩沖腔(9)連通，進口緩沖腔(6)連通泵進口(1)，出口緩沖腔(9)連通和泵出口(5);兩個壓電振子(3、4)分別位于兩個泵腔(10、11)的正上方并分別加載相同相位的交變電壓信號。
2.根據權利要求1所述一種三通結構的雙腔無閥壓電泵，其特征是:匯流錐管(14)的長度為1200 μ π3000 μ m、高度為80 μ π?50 μ m、小端的最小截面寬度4為80 μ π?50 μ m、錐角巧為15。~40。、小端管口圓角半徑為60 μ π?20 μ m ;兩個分流錐管(15、16)之間的夾角為90°~120°、長度均為60(^1^150(^111、高度與匯流錐管(14)的高度相同、小端的最小截面寬度￥是寬度島的4.5倍、錐角巧是錐角巧的0.5倍。
3.根據權利要求3所述一種三通結構的雙腔無閥壓電泵，其特征是:兩個出口流管(12、13)為錐管，長度為1000μπ3000μπι、小端的最小截面寬度為60 μ π?20 μ m、高度與匯流錐管(14)的高度相同、小端管口圓角半徑為60 μ π90 μ m、錐角為5°~12°。
【文檔編號】F04B43/04GK103644102SQ201310555240
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】何秀華, 蔡盛川, 鄧志丹 申請人:江蘇大學