一种抑制内部涡流的压电微泵

本发明属于压电气体微泵，具体涉及一种抑制内部涡流的压电微泵。

背景技术：

1、气体传输在许多领域中都是必不可少的，例如气体分析、气体检测、环境监测、医疗设备等。传统的气体传输方法可能存在一些限制，如体积大、响应时间慢、能耗高等问题。因此，需要一种更高效、精确且便携的气体传输解决方案。压电微泵由于其体积小、响应速度快、能耗低的特点，成为一种理想的气体传输技术。压电微泵利用逆压电效应将电能转化为机械能，产生气体的流动和压力。其微型化的结构和高度集成的特性，使其能够在微小空间内实现精确的气体传输和控制。但是压电微泵的结构设计对其气体传输性能起着重要作用。这包括泵的通道结构、阀门设计、泵腔尺寸等方面。通过优化泵的结构，可以实现更高的气体流量、更低的压降和更好的控制精度。

2、近年来，随着压电微泵技术的不断发展，给微泵的设计带来了许多新的灵感，也使得微泵的结构和原理越来越多样化。随着微流体技术的发展，对于微型压电泵的需求不断增加。微流体技术可以实现在微米到毫米尺度上对气体的精确控制和操作，从而实现更小型化、高效率的流体输送和处理系统，例如环境检测和气体分析、气体传感器和检测系统、医疗设备、工业流程控制、科学研究和实验应用等。微机电加工(mems)技术的不断进步为微泵的研究和制造提供了重要的支持。采用微机电加工技术可以实现微米级的结构制备和高度集成，为微泵的实现提供了可行性。

3、目前，压电微泵的研究还面临着诸多的问题与挑战，对于微泵的尺寸缩放、压力输出、流量控制、能耗、可靠性等问题，现阶段研究的压电泵需要综合考虑材料选择、结构设计、制造工艺、电路驱动和控制算法等方面的研究和优化。

4、现有的压电微泵结构如图1所示，其在阻隔层102与振动基板层107之间需设置有缓冲层121，用于避免振动基板层107的振动中直接撞击刚性较高的阻隔层102导致损坏。而缓冲层121会增加压电微泵的整体层数，使得压电微泵上的接缝增加，导致厚度增加，以及泄漏风险增加；

5、此外，现有的压电微泵的振动基板层107朝向阻隔层102的侧面需设置加强层109，用于在振动基板层107向阻隔层102移动时，加快阻隔层102上中心通孔的封闭，抑制回流；然而，加强层109会使得振动基板层107与阻隔层102之间的过渡腔111中会形成一个高度骤变的大台阶；该大台阶处易产生涡流122，导致压电微泵的能量利用率下降。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出了一种新型压电微泵结构，能够实现更高质量、更具紧凑型的泵体结构，同时也提高了微泵的稳定性与密封性。本发明的第一实施方案压电微泵整体结构分为进流层、阻隔层、嵌入在阻隔层的缓冲片、缓冲片上的阻塞层、振动基板层、上供电层、壳体层、固定在振动基板层朝向阻隔层侧面的加强层和固定在振动基板层朝向壳体层侧面的振动层。其中，振动基板层与阻隔层之间、振动层与壳体层之间存在空腔。

2、一种抑制内部涡流的压电微泵，包括依次层叠的进流层、阻隔层、振动基板层、上供电层、壳体层，以及设置在阻隔层上的缓冲片和阻塞层，设置在振动基板层上的加强层和振动层。进流层与阻隔层之间形成输入腔；阻隔层与振动基板层之间形成过渡腔；振动基板层与壳体层之间形成输出腔。

3、所述的加强层固定在振动基板层朝向阻隔层的侧面；振动层固定在振动基板层背离阻隔层的侧面。所述的阻隔层上设置有中心通孔和缓冲片。所述的缓冲片位于阻隔层朝向振动基板层的侧面，并与中心通孔对齐。所述的缓冲片上开设有通流孔；

4、所述的阻塞层固定在缓冲片朝向振动基板层的侧面中心位置，或固定在加强层靠近阻隔层的侧面上。阻隔层的中心通孔、阻塞层和加强层相互对齐，且直径依次增大。

5、作为优选，所述的阻塞层固定在缓冲片朝向振动基板层的侧面中心位置。阻塞层与缓冲片为一体成型结构。

6、作为优选，所述的阻塞层固定在加强层靠近阻隔层的侧面上。阻塞层与加强层为一体成型结构。

7、作为优选，所述的阻隔层朝向振动基板层的侧面中心位置蚀刻形成有安装槽。缓冲片嵌入安装槽中；缓冲片的外侧面与阻隔层朝向振动基板层的侧面平齐。

8、作为优选，所述的振动层采用压电陶瓷，背离振动基板层的一侧通过上供电层引出至第一个供电端子；朝向振动基板层的一侧通过阻隔层引出第二个供电端子。

9、作为优选，所述的进流层上开设有多个进气孔；所述的阻隔层上设置有环绕在中心通孔周围的多条输入流道。各输入流道的一端均与阻隔层的中心通孔连通；各输入流道的另一端与进流层的各进气孔分别连通。

10、作为优选，所述阻隔层上的输入流道的长度为3mm～5mm，厚度小于300μm；阻隔层102上的安装槽的直径为7mm～10mm、深度为50μm～70μm；阻隔层上的中心通孔的孔径为5mm～7mm。缓冲片的直径为7mm～10mm、厚度为40μm～60μm；阻塞层的直径为2mm～5mm、厚度为10μm～50μm。缓冲片和阻塞层上开设的通流孔的直径为10μm～50μm。

11、作为优选，所述的振动基板层包括边缘固定部、弹性连接件和中心振动部。边缘固定部的中心孔边缘与中心振动部的外边缘之间通过弹性连接件连接。弹性连接件包括第一连接部、第二连接部和弹性段。第一连接部的一端与中心振动部连接，第一连接部的另一端与弹性段的一端连接。第二连接部的一端与弹性段的另一端连接；第二连接部的另一端与边缘固定部连接。第一连接部的一端与中心振动部连接，第一连接部的另一端与弹性段的一端连接。第二连接部的一端与弹性段的另一端连接；第二连接部的另一端与边缘固定部连接。弹性段呈弧形，且圆心位置与中心振动部的中心点重合。

12、作为优选，加强层与振动基板层的中心振动部一体成型。

13、作为优选，所述缓冲片上的通流孔位于阻隔层上的中心通孔的中心位置。

14、本发明具有的有益效果是：

15、1、本发明在阻隔层与振动基板层之间引入阻塞层，使得过渡腔中形成三级阶梯结构，有助于减小流道宽度的骤变，从而减小压电微泵内形成的涡流，提高能量利用效率。

16、2、本发明在阻隔层的中心通孔出嵌入缓冲片，使用缓冲片替代现有压电微泵中的缓冲层，使得压电微泵结构更加紧密，提高压电微泵长期使用中的稳定性。

17、3、本发明通过压电层的高频振动能够实现流体的脉冲喷射，从而实现流体的单向高质量流量输送。

技术特征：

1.一种抑制内部涡流的压电微泵，包括依次层叠的进流层(100)、阻隔层(102)、振动基板层(107)、上供电层(112)、壳体层(114)；其特征在于：还包括设置在阻隔层(102)上的缓冲片(104)和阻塞层(105)，设置在振动基板层(107)上的加强层(109)和振动层(110)；进流层(100)与阻隔层(102)之间形成输入腔；阻隔层(102)与振动基板层(107)之间形成过渡腔(111)；振动基板层(107)与壳体层(114)之间形成输出腔；

2.根据权利要求1所述的一种抑制内部涡流的压电微泵，其特征在于：所述的阻塞层(105)固定在缓冲片(104)朝向振动基板层(107)的侧面中心位置；阻塞层(105)与缓冲片(104)为一体成型结构。

3.根据权利要求1所述的一种抑制内部涡流的压电微泵，其特征在于：所述的阻塞层(105)固定在加强层(109)靠近阻隔层(102)的侧面上；阻塞层(105)与加强层(109)为一体成型结构。

4.根据权利要求1所述的一种抑制内部涡流的压电微泵，其特征在于：所述的阻隔层(102)朝向振动基板层(107)的侧面中心位置蚀刻形成有安装槽；缓冲片(104)嵌入安装槽中；缓冲片(104)的外侧面与阻隔层(102)朝向振动基板层(107)的侧面平齐。

5.根据权利要求1所述的一种抑制内部涡流的压电微泵，其特征在于：所述的振动层(110)采用压电陶瓷，背离振动基板层(107)的一侧通过上供电层(112)引出至第一个供电端子；朝向振动基板层(107)的一侧通过阻隔层(102)引出第二个供电端子。

6.根据权利要求1所述的一种抑制内部涡流的压电微泵，其特征在于：所述的进流层(100)上开设有多个进气孔(101)；所述的阻隔层(102)上设置有环绕在中心通孔(103)周围的多条输入流道；各输入流道的一端均与阻隔层(102)的中心通孔(103)连通；各输入流道的另一端与进流层(100)的各进气孔(101)分别连通。

7.根据权利要求6所述的一种抑制内部涡流的压电微泵，其特征在于：所述阻隔层(102)上的输入流道的长度为3mm～5mm，厚度小于300μm；阻隔层102上的安装槽的直径为7mm～10mm、深度为50μm～70μm；阻隔层(102)上的中心通孔的孔径为5mm～7mm；缓冲片(104)的直径为7mm～10mm、厚度为40μm～60μm；阻塞层(105)的直径为2mm～5mm、厚度为10μm～50μm；缓冲片(104)和阻塞层(105)上开设的通流孔(106)的直径为10μm～50μm。

8.根据权利要求1所述的一种抑制内部涡流的压电微泵，其特征在于：所述的振动基板层(107)包括边缘固定部、弹性连接件(108)和中心振动部；边缘固定部的中心孔边缘与中心振动部的外边缘之间通过弹性连接件(108)连接；弹性连接件(108)包括第一连接部、第二连接部和弹性段；第一连接部的一端与中心振动部连接，第一连接部的另一端与弹性段的一端连接；第二连接部的一端与弹性段的另一端连接；第二连接部的另一端与边缘固定部连接；第一连接部的一端与中心振动部连接，第一连接部的另一端与弹性段的一端连接；第二连接部的一端与弹性段的另一端连接；第二连接部的另一端与边缘固定部连接；弹性段呈弧形，且圆心位置与中心振动部的中心点重合。

9.根据权利要求8所述的一种抑制内部涡流的压电微泵，其特征在于：加强层(109)与振动基板层(107)的中心振动部一体成型。

10.根据权利要求1所述的一种抑制内部涡流的压电微泵，其特征在于：所述缓冲片(104)上的通流孔位于阻隔层(102)上的中心通孔(103)的中心位置。

技术总结
本发明公开了一种抑制内部涡流的压电微泵；该压电微泵包括依次层叠的进流层、阻隔层、振动基板层、上供电层、壳体层，以及设置在阻隔层上的缓冲片和阻塞层，设置在振动基板层上的加强层和振动层。阻隔层上设置有中心通孔和缓冲片。所述的缓冲片位于阻隔层朝向振动基板层的侧面，并与中心通孔对齐。所述的缓冲片上开设有通流孔；阻塞层固定在缓冲片朝向振动基板层的侧面中心位置，或固定在加强层靠近阻隔层的侧面上。阻隔层的中心通孔、阻塞层和加强层相互对齐，且直径依次增大。本发明在阻隔层与振动基板层之间引入阻塞层，使得过渡腔中形成三级阶梯结构，有助于减小流道宽度的骤变，从而减小压电微泵内形成的涡流，提高能量利用效率。

技术研发人员：轩伟鹏,倪嘉锋,吕文成,李怡兴,董树荣,李文钧,孙玲玲,骆季奎
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15