迭片式系列微型压电泵的设计理论及实验研究

论文摘要

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。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微阀、微泵的国内外研究现状
• 1.2.1 微阀的种类及特点
• 1.2.2 微型泵分类、工作原理、性能对比
• 1.2.3 微泵、微阀基本微加工技术
• 1.3 压电泵研究现状、发展与应用
• 1.3.1 压电泵种类及特点
• 1.3.2 国外压电泵研究现状
• 1.3.3 国内压电泵研究现状
• 1.3.4 压电泵的技术展望与应用前景
• 1.4 选题意义、本文研究内容
• 第二章 压电驱动技术基础理论
• 2.1 压电效应及压电材料
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电材料的发展简介
• 2.1.3 压电陶瓷的极化
• 2.2 压电陶瓷的主要性能参数
• 2.2.1 介电常数ε（DIELECTRIC CONSTANT）
• 2.2.2 弹性常数（ELASTIC CONSTANT）
• 2.2.3 压电应变常数（PIEZOELECTRIC CONSTANT）
• 2.2.4 机电耦合系数K（ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT）
• m（MECHANICAL QUALITY FACTOR）'>2.2.5 机械品质因数Q_m（MECHANICAL QUALITY FACTOR）
• 2.3 压电方程
• 2.4 压电振子振动学基础理论
• 2.4.1 压电振子的振动模式
• 2.4.2 压电振子的谐振特性
• 2.4.3 压电振子的支承方式
• 2.5 本章小节
• 第三章 单晶片复合压电振子的建模分析与实验研究
• 3.1 单晶片复合压电振子解析建模与优化
• 3.1.1 单晶片复合压电振子的结构及工作原理
• 3.1.2 单晶片复合压电振子力学模型建立
• 3.1.3 压电振子力学模型的解析求解
• 3.1.4 基于解析模型的压电振子的设计优化
• 3.2 单晶片复合压电振子有限元建模分析
• 3.2.1 有限元模型的建立
• 3.2.2 压电振子静态特性有限元分析
• 3.2.3 压电振子动态特性有限元分析
• 3.3 单晶片复合压电振子实验研究
• 3.3.1 压电振子实验测试方案
• 3.3.2 压电振子静态特性实验测试
• 3.3.3 压电振子动态特性实验测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 悬臂梁式单向阀与微型泵工作特性的理论分析
• 4.1 悬臂梁式单向阀过流特性的理论研究
• 4.1.1 悬臂梁式单向阀静态特性的研究
• 4.1.2 悬臂梁式单向阀动态特性的研究
• 4.1.3 悬臂梁式单向阀开启压力的研究
• 4.2 单腔体压电泵的设计理论
• 4.2.1 压电泵的工作原理简介
• 4.2.2 压电泵工作特性分析
• 4.2.3 单向阀出流效率的研究
• 4.3 多腔体多种联接结构压电泵的设计理论
• 4.3.1 多腔体串联结构压电泵的工作性能分析
• 4.3.2 多腔体并联结构压电泵的工作性能分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 系列微型压电泵的实验研究
• 5.1 单腔体压电泵的实验研究
• 5.1.1 单腔体压电泵的样机设计方案
• 5.1.2 悬臂梁式微型单向阀的设计及结构优化[62,103]
• 5.1.3 单腔体压电泵样机的制作
• 5.1.4 单腔体压电泵工作性能的实验测试
• 5.2 多腔体串、并联结构微型压电泵的实验研究
• 5.2.1 多腔体系列微型压电泵的设计及制造
• 5.2.2 多腔体系列微型压电泵的实验测试
• 5.2.3 系列微型压电泵工作性能的综合评价
• 5.3 关于微型压电泵精密输液能力的实验研究
• 5.3.1 实验样机的设计、制造
• 5.3.2 微型压电泵精密输液能力的实验测试[106]
• 5.4 本章小结
• 第六章 微型压电泵的应用研究——用于胰岛素推注的压电微泵研究
• 6.1 “基于MEMS 技术的胰岛素泵的研究”项目简介
• 6.1.1 胰岛素微泵的研发背景
• 6.1.2 闭环式智能人工胰岛系统
• 6.1.3 无创血糖检测
• 6.1.4 微创无痛注射
• 6.1.5 用于胰岛素推注的压电微泵
• 6.2 用于胰岛素推注的压电微泵方案设计
• 6.3 用于胰岛素推注的压电微泵研发关键技术
• 6.4 胰岛素微泵流量精确控制技术的实验研究
• 6.4.1 实验样机的制备
• 6.4.2 胰岛素微泵工作性能实验测试
• 6.5 基于MEMS 技术的胰岛素泵的动物活体实验研究
• 6.5.1 家兔活体实验方案
• 6.5.2 具体实验方案与步骤
• 6.5.3 实验测试结果
• 6.6 本章小结
• 第七章 微型压电泵电控单元的研发
• 7.1 智能可编程式控制电源的研制
• 7.1.1 压电泵专用电源的设计原理
• 7.1.2 智能可编程式控制电源的设计、制作
• 7.1.3 压电泵专用电源输出信号波形测试
• 7.1.4 压电泵功率的研究
• 7.2 用于精密输液能力测试的专用电源的研制
• 7.3 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 附录Ⅰ—薄片式多腔体微型压电泵质检报告
• 附录Ⅱ—用于胰岛素泵推注的压电微泵质检报告
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目与申请专利情况
• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢