一种医用微型同心压电薄膜泵

一种医用微型同心压电薄膜泵 第,卷第, , 期 压 电 与 声 光 ,, ( , ,, , ,, ( ,, , ,年 , ,月 , , , , , ， , , , ,, , , , , ， , , , ,, , , ( ) ,， , ;, , ,, ( , , ,, —, , , , ) ,, , —, 文 章 编 号 :, ,, , (, , , —, ,, 一 种 医用微 型 同心 压 电薄 膜 泵 姚 王益红 ， 刘 收 ， 立强 ， 陈志 同 北京航空航天大学 机械制造及 自动化系 ， ( , , , 北京 ,, , ) 摘 设计开发 了一种结构新颖 ， 要: 成本低 ， 合性能高的烈性药物 输注用压 电薄膜微型 泵 ， 制作 工艺简单 ， 综 介 工作原理和性能测试 。微泵具有在 出口和人 口两个方 向上抵抗 冲击载 荷的能力 和互 锁的功 绍了微泵的结构设计 、 适合于对外界环境要求苛刻的烈性药物输注 。微泵不论液体还是气体为工作介 质都具有 良好 的流量特 性和较 能， 高 的可靠性 。同心双向阀结构克服 了传统的单向阀并联结 构两 阀问易连 通 的缺 点。高分子 聚合 物材料 和特殊 的 该 具有广 加工装配工艺使得微 泵即使在 小批量单件生产的情况 下成本依 然低廉 。因此 ， 种微 泵更加接 近实用 化 ， 阔 的应用前景 。 微 双 压 关 键 词 : 型 泵 ; 向阀 ; 电致 动器 ,,,,,, , 中图分类号 : : , , 文献标 识码 : , , ,,, ; ,,, , , ,; ,; , , , , ; , , , , ; ,,? , , , , , , ,; ,,, , , , , , , , ,, , , , , , , , , , ,, , , , ,，,,, , , ,， , , ,, , ,,,, ,，,,,, ,, ？,,,， ,,, , , ,,,, ,, ,,, ,,,,,; ,,,, , ,, , ,,,, ，, ,, ,,,, , ,, ,,, , ,, , , , , ( ,(, ; , , , , ,;,,,, ,,, , , , ,,,,,, , , ,, ,,,,, ,, ，, ,, , , , , , ) , , ,, ;, ; , ,,, , ， ,, , , ,, ; : ,, ,,,, ,;,; ,, , ,, ;, , , , , , ,, ,, ; , , , , , , ; , ，,, ; , ,,,,, , ,,, ,, ,, ,, ,, ,, ,,, ,,,,,, , , , ,, ;,,，,,,,,, ,, ,,, , ,, , , ,, , ,, , , , , , , , , , ,,, , , ,, , , , ,, , , , ,; , ; , ,, ; , , ,, , ,, ,, ; , , , ,,, , , , , , , , , , ,, , ,, , , , ,, , , ( ,, , ,,，, ,;, , , , ,, , , ,,， , ; , , , , , ,, , ; , , , , , , , , , ,, , , ,, ,, , , , ,, , , , , , ,,, , , , , , , , , , , , ,, ,, ; ,, ,,, , , , , , , , , , , ( ,, , , , , , ,,, , ,, , ,, ,, , , , , , , , ,,,, ,, ,, ,, ,,,, , , , , ;, , , , ,, , , , ,, , (, ,,,,, , ,, , , , , , ,,, , , , , ,,, , ,,; ,,, ,,,, , ,, ,,,, , , ,, , , , , , ;, , ,,, ,,,, ,, , , ,, ,, ,, ,, ,, ,,, ,; , , , , , (,, , , ,, , , , ,, ,, , ,,, , , ,, , , , , , ,, , ,, , , ,, , , ,,,, , , ,, ,, , ？ ,, ,,, , , , ,, , , ,,, , , ,,, , , ？ , ,,, , ,, , , , , , , , , ,,,,,, ,, ？ ,; ,, ;, ,; , , ,, , , ;, , ,,, ,; ,, , ,, , , ,,,,, , ,,, , , ,, , ,,, (,, , ,, , ,, , ;, ,;,— ,,, , , ,, , ,, ,, ,,, , , , , , , , ,, ,,, ,; , ,,, , , ,,, ,, , ,, ,,( , , , ,; ,, , ,, , ,, , , ,, , ,; , , , , , , , ,, , ,, , , ; , ,, ,, , ,,, , ; ,, , ,,,, ,,, , ,,, , , , ;, , ; , ,,, — ,;, , , , , ,,,,, ,, ; , , , , , , , , ,; , ,, , , ,, ,; , ,, , ,,,,, , ,, , ,, ,, , , , , , , , , , ,,, , , , , , ,, ,, ,,,,, ,,, ,, , ,, ,( ， , ,,( , , , , ,,,, ,, ;, , , ,, , , , ,,, , ,, ,, , , , , , , ,, , , , , , , , , , ; , , , ,, , ,,, ,, , , , ; , , ; , , , ,,,, ,, ,,, , ,,,,, ,, , , ( , ,, , : ; , , , ,, , , , ,, , , , , , , , ;,, , , ,; , , , , , ; , ; ;, , ,, , , , ,, ,, ,, , , ; , , , ,, ) 微 机 电系统 ( ,, 是 ,,世 纪末 兴 起 并 得 到 , ()一般 有 两 个 及 两个 以 上 的单 向 阀并 联 ，其 迅 猛发展 的军 民两 用交叉性 的高技 术领 域 。微 型泵 结构和制作工艺复杂， 因此限制了 阀和阀间易连通 ，是 该 领域 中重要 的 执行 器 件 。 自从 , , , ,年 斯 坦福 微泵 的初 始体积 的缩 小 。大学 的 , , ,, ,, , ,研 制 出 蠕 动 式 微 机 械 ,和 , ,, , ( )微泵 在 人 口缺 乏抵 抗 冲 击 的 能力 ， 出 口 , 在 ,〕 各种 基于 不 同工 作原 理 、 工工 艺和 不 同 泵 〔 以来 ， 加 和入 口压 力变 化 的情况下 没 有互锁 保 护的功 能 。 ,致 动方 式的微 型泵 层 出不穷 〔 。其 中的压 电薄 膜微 〕 , ( )微 泵的研 制开 发大 部分 采 用半 导 体微 细 加 型泵具有 结构 简单 ，体积 小 ， 无 可控 性 好 ， 电磁 干扰 工技术和工艺 ， 其设计、制造周期 漫长 ， 设备专用化 因等优点 ， 而在 流体 的 微 量配 给 、药物 的 微 量 注射 、 强， 改进 迟钝 ， 由此 产生 了物耗 大 ， 发展 缓慢 ， 效率 低 , 〕 下 等弊病 , 。集 成 电路 的冷却及 微小 卫 星的推进 等 领域有 着广 阔 本文 提 出 了一 种 同心式 双 向被 动 阀结构 的微 型 但的应用 前景 ， 离产 业 化 还有 一 定 的差 距 。微 泵 产 泵 。该微 泵 的特点 是 : 业 化 的出路 在于综 合性 能 的提高 和成本 的 降低 。 , 克 ()简 化 了微 泵 的结 构 和 制 作 工 艺 ， 服 了两 以往 的被动有 阀微 泵有 以下 的不 足 : , , 一,, 收 稿 日期 :, ,, —, 作者简介 : , ,一 ， 山东成武人 ， 刘收( , ,)男 ， 研究方 向; 硕士， 微机电系统技术。 , , , 压 电 与 声 光 减 增阀间 易连通 的 缺 点 ; 少 了 ， 大 了对 微 泵 性 能 , , , , , , , , , , () 〔 ，起关 键 作 用 的压 缩 比 , 因 此微 泵 具有 良好 的 自 式中 ,为 复 合 压 电 振 子 ,为压 电 陶瓷 片 的直 径 ; 吸 和容错 性能 。 ()双 向 阀结 构使 微泵 在 出 口和入 口具有 抵抗 , , 的厚 度 ; 为 所加 的电压 。 冲击 的功能 和互锁 的保 护功能 。 微阀结构设计的关键要素是 当阀门常闭时， 在 , ()相 比半 导体 工 艺 和 ,,, 技 术 ， 高分 子 ， 以 不 同外 界环 境下 ，均要 达 到 很 低 的流 量 泄 漏 率 。为 聚合物为基体 ，超精密机 械加工的工艺方法缩短 了 此，阀座 凸 台 以及 阀室 环 形 台 与 阀膜 相 接 触部 分 的 设计、 减 制造周 期 ， 小 了物 耗 ， 幅度 降 低 了微 型 泵 大 才 平 面度 要达 到亚 微 米甚 至纳 米 量 级 ， 可 在 预 紧力 的制作 成本 ， 提高 了成 品率 。高性 能 、 成 本 的特 点 低 的作用 下挤 压密 封 。但是 相互 接触平 面 的平 面度要 使得 新型微 泵更 接近 商 品化 。 较 研 磨 至纳米 量级 很 难 ， 好 的 办法 是 在 阀座 平 面上 使 制作 出稍 高于 平 面的 凸 形 台 ， 阀膜 与 阀座 保 持 环 , 新 型微 泵 的结 构设 计 和 工 艺 面接 触 以增 加 阀膜 的预 紧力减 少 阀的泄 漏 。 所 如 图 , 示 ， 泵采 用 同心 式 的夹 层 结 构 。阀 微 , ,; , 等微 型泵鲁棒性设计 理 根据 德 国 ,( , ,, 研座 和阀室 部件 为超 精 密微 细车 削 、 磨 和 微钻 孔 技 〕 , 微泵要 具有 自吸 的功 能 ， 论〔 ， 则其 压缩 比应满 足 , ，术加 工 出的有 机玻璃 ( ,,,)二 者 在装 配 时 由定 一 , ( , , ? ,,, , , () ,， ,位孔 和 辅助夹 具精 确定 位 。聚酯 材料 阀膜厚 ,, 式中 , ? 是 工 作 时 泵 腔 体 积 的 变 化 量 ; 是 微 泵 ( 中间有 直 径 , ,,, 的通 孔 。 阀座 、阀室 和 阀膜 静态 时泵 腔 内部 的体积 称为初 始 体积 。 , 无以厚 , , 的专用 固体 胶 膜 在室 温 、 尘 的环 境下 一 (, 本 文 中微 泵 初 始 体积 理 论 值 ,, ,, ,，因 胶 粘 结 。该工艺 克 服 了传 统 胶 粘结 工 艺 操 作 复杂 、 ,, 此理 论上 只要 所加 电压 信 号 ,, , 微 泵 就 可 自 层厚度和均匀度难 以控制及成功率低的缺点。复合 即 启 动注 水 ， 自吸 。型压 电致动 器 由圆片状 压 电陶瓷 经环 氧树 脂粘结 到 黄铜 片上制 成 。为使压 电致 动器 达到绝 缘 、 防振碎 、 , 新 型 微 泵 的工 作 原理 本防水 和 防腐 蚀 的要 求 ， 文 首次 应 用 了聚对 二 甲基 () 压 如图 ,,所 示 ， 电致 动器 在 所加 电压 信 号 和 ( ,。整体 苯覆膜技术 。聚酯细管道 内径为,,,, 泵 周 围 约束 的共 同作 用下 产 生 向上 的 弯 .