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迭片式系列微型压电泵的设计理论及实验研究

刘国君  
【摘要】: 作为微机械流体系统的重要分支,压电驱动式微型泵的研究受到各国研究人员的关注。对其所开展的研究不仅具有重要的学术价值,而且在生物、制药、化学分析、电子器件冷却等领域具有广阔的应用前景。 本文在简要阐述压电驱动基础理论的基础之上,利用解析法、有限元分析法及实验测试方法对单晶片压电振子的静态、动态特性进行了较为深入的分析和研究。提出了压电振子优化设计的具体方案,为今后设计高性能压电泵提供了理论依据。 对悬臂梁式单向阀的静态、动态过流特性进行了理论分析;建立了压电泵的工作模型,并结合模型对压电泵实际工作特性进行了分析,提出了关于定量研究单向阀出流效率的方法;提出了关于多腔体串、并联结构压电泵的设计理论,定性分析了多腔体压电泵的工作性能;为下一步开展系列微型压电泵的设计、制作及实验研究提供了理论依据。 采用迭片技术,多腔体串、并联结构,设计、制作出系列高性能微型压电泵样机。并在实验室内对上述系列微型泵进行了系统的实验测试,测试结果表明,所研发的系列微型压电泵具有很高的体积功能比,其自身泵送频率f SP达到12 .4min-1。四腔串联泵在50 V电压290 Hz条件下输出压力已达45 kPa以上,四腔串、并联泵50 V电压220 Hz条件下输出流量已达12 ml/min;同时微型压电泵具有较强的精密输液能力,最小分辨流量已达7×10-5ml。 在微型压电泵的应用方面进行了尝试性研究,研发出用于胰岛素推注的压电微泵。在具体研究过程中,解决了样机结构轻小化、生物相容性、电源、管路连接等关键技术问题,掌握了流量精确控制实用化关键技术。系统的实验测试和动物活体实验的成功完成,初步证实了采用压电微型泵用于胰岛素的推注是可行的。结合压电泵的工作特性,设计制作了智能型、数字型压电泵专用实验电源,为压电泵实验测试,特别是对压电泵精密输液能力的研究提供了设备和技术支持。


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