一种压电微阀门的流量控制方法及压电微阀门装置与流程

本发明属于压电微阀门结构领域，更具体地，涉及一种压电微阀门的流量控制方法及压电微阀门装置。

背景技术：

阀门是多数气液输运过程的关键节点技术，在真空设备、气液输运设备、供给药设备、微流控系统中应用非常普遍。而有些气液输运过程对阀门的要求非常严苛，如霍尔推进器对气体工质的输运、胶体推进器对液体工质的输运，都需要通过阀门来实现极高的流量调节精度和极低的流量控制噪声。

显然，对于霍尔推进器、胶体推进器而言，阀门的电子控制是必然的，对于高精度微阀门最常见的电子控制手段是通过电源设备控制压电陶瓷伸长量实现的。但是，因为压电陶瓷控制电压与伸长量之间的电滞回线特征的存在，导致阀门的控制电压在增加和降低的过程中其伸长量实际上是不一样的，这样就导致了同一电压会输出不同的流量。

然而，对阀门的严苛要求在微推进航天器上却是客观存在的。例如，胶体推进器首先要求阀门有一个极低的泄漏率，其次胶体推进器的工质输运流量与推力直接相关，因为压电陶瓷电滞回线的存在，导致电源的同一输出电压可能使得阀门输出不同的流量，从而输出不同的推力，因此传统压电微阀门难以满足胶体推进器的要求。对于霍尔推进器，同样存在类似的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种压电微阀门的流量控制方法及压电微阀门装置，用以解决现有压电微阀门难以满足如胶体推进器、霍尔推进器等对流量控制分辨率和噪声要求极为严苛的场景的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种压电微阀门的流量控制方法，包括：

实时检测位移检测电容的电容大小，所述位移检测电容设置于压电微阀门的阀门流道径向两侧；以所述电容大小作为反馈信号，确定所述阀门流道当前流阻大小，进而确定当前流量大小；根据当前流量大小，改变所述压电微阀门中压电陶瓷的输入电压来调节所述阀门流道的尺寸大小，以使得所述压电微阀门的流量大小控制在稳定水平。

本发明的有益效果是：本方法将电容集成到压电微阀门中，通过电容的大小反馈流阻的大小从而反馈流量的大小，通过闭环反馈设计，以电容大小为反馈信号，压电陶瓷为反馈执行机，将阀门输运流量维持在稳定水平，如此则避免了因压电陶瓷电滞回线特征的存在而导致的升压和降压过程中压电陶瓷的位移不一样，从而保证流量输出的稳定性，提高了流量的调节精度，降低了流量噪声。因此，本方法是一种提高流量调节精度、降低流量噪声的方法。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，阀门流道由阀门入口、出口以及硅簧片和硅阀底之间的空隙构成，其中，采用mems工艺，将所述硅簧片和所述硅阀底的边缘之间键合密封。

本发明的进一步有益效果是：阀门入口和出口都在阀底上，用mems键合工艺将硅簧片和硅阀底键合连接，这样出口入口之间可形成一个密封性良好的流道环境。通过电源设备控制压电陶瓷产生伸长量，压电陶瓷驱动硅簧片产生位移，从而控制流道流阻大小，这样在出入口固定压力差下，能够实现对气/液工质可控的高精度流量调节。

本发明还提供一种压电微阀门装置，包括：硅簧片，硅阀底，t型支架以及两个压电陶瓷，还包括：位移检测电容和控制器；

所述两个压电陶瓷对称的垂直设置在所述硅簧片表面两侧，其上端面与所述t型支架的两侧固定连接，所述t型支架的中部下端与所述硅簧片的硅阀芯垂直连接；所述硅阀芯的下端面设置所述位移检测电容的其中一个金属电极，所述硅阀底的上端面与所述其中一个金属电极正对的位置设置所述位移检测电容的另一个金属电极，所述硅阀底上分别在所述另一个金属电极两侧设有穿透该硅阀底的孔，分别作为阀门入口和出口，所述控制器与所述位移检测电容的电极板连接，以根据检测到的电容大小控制施加给所述两个压电陶瓷的电压。

本发明的有益效果是：本发明装置能够在mems工艺过程中，将电容两极板分别集成在硅簧片和硅阀底上，在硅簧片的形变过程中，两金属极板形成的电容大小与硅簧片的阀芯的位移一一对应，而阀芯的位移与流道流阻一一对应，流道流阻与气液输运流量一一对应，从而可以通过检测电容大小来检测流量大小。将电容大小作为反馈量，将压电陶瓷作为反馈执行机，可通过闭环反馈设计控制电容维持在给定的电容值，从而让输运流量维持给定的流量值，是一种流量调节精度高、流量噪声低的压电微阀门装置。

进一步，采用mems工艺，将所述硅簧片和所述硅阀底的边缘之间通过三层键合层键合密封连接，阀门的流道由所述入口、所述出口以及所述硅簧片和硅阀底之间的密封空间构成。

本发明的进一步有益效果是：用mems键合工艺将硅簧片和硅阀底键合连接，这样出口入口之间可形成一个密封性良好的流道环境。通过电源设备控制压电陶瓷产生伸长量，压电陶瓷驱动硅簧片产生位移，从而控制流道流阻大小，这样在出入口固定压力差下，能够实现对气/液工质可控的高精度流量调节。

进一步，所述三层键合层的总体厚度小于1000纳米。

本发明的进一步有益效果是：由于键合层的存在，阀门在闭合时，需要硅簧片中部下弯以使得位移检测电容的两个极板接触，以实现闭合。因此，三层键合层的总体厚度越小，在工艺上越容易实现阀门的闭合状态。

进一步，所述硅阀底通过密封胶镶嵌连接在金属阀底框架内，所述金属阀底框架上与所述硅阀底上的入口孔和出口孔正对的位置同样设置入口孔和出口孔，两个入口孔同轴对齐，两个出口孔同轴对齐。

进一步，采用mems工艺控制所述硅簧片的厚度，通过减小所述硅簧片的厚度，提高流量控制范围。

本发明的进一步有益效果是：利用mems工艺控制硅簧片厚度，硅簧片厚度越小，其刚度越小，从而在同样的拉伸应力下，硅阀芯位移越大，流道流阻越低，流量控制范围越大。

进一步，通过设计所述t型支架和所述阀底框架尺寸并选用粘结剂，保证在压电微阀门的所有部件装配后，在电压源输出电压为零、阀门处在闭合状态时，所述硅簧片产生一个初始形变，此时位移检测电容的两个电极板接触，阀门流道流阻无穷大。

本发明的进一步有益效果：提供了一种使得硅簧片产生初始形变使得位移检测电容的两个电极板接触的有效方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种压电微阀门的流量控制原理图；

图2为本发明实施例提供的一种压电微阀门装置的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种压电微阀门装置的整体结构图；

图4为本发明实施例提供的压电陶瓷的电滞回线特征图；

图5为本发明实施例提供的一种压电微阀门装置的装配部件的展开图；

图6为本发明实施例提供的阀门流道结构图；

图7为本发明实施例提供的压电微阀门处于闭合状态时的流道结构图；

图8为本发明实施例提供的提高阀门流量控制范围的方法的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

101为t型支架，102为阀底框架，103和104为两个压电陶瓷，105为硅簧片，106为硅阀芯，201、202和203均为键合层，204为硅阀底，205和206均为位移检测电容的电容极板，207为硅阀底上的流道入口，208为硅阀底上的流道出口，209为阀底框架上的流道入口，210为阀底框架上的流道出口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种压电微阀门的流量控制方法，包括：

实时检测位移检测电容的电容大小，位移检测电容设置于压电微阀门的阀门流道径向两侧；以电容大小作为反馈信号，确定阀门流道当前的流阻大小，进而确定当前的流量大小；根据当前的流量大小，改变压电微阀门中压电陶瓷的输入电压来调节阀门流道的尺寸大小，以使得压电微阀门的流量大小控制在稳定水平。

例如，如图1所示的压电微阀门的闭环反馈控制原理，在检测到电容大小后，通过与给定值进行比较，得到控制量以用于控制输入压电陶瓷的电压大小。

将电容集成到压电微阀门中，通过电容的大小反馈流阻的大小从而反馈流量的大小，通过闭环反馈设计，以电容大小为反馈信号，压电陶瓷为反馈执行机，将阀门输运流量维持在稳定水平，如此则避免了因压电陶瓷电滞回线特征的存在而导致的升压和降压过程中压电陶瓷的位移不一样，从而保证流量输出的稳定性，提高了流量的调节精度，降低了流量噪声。因此，本方法是一种提高流量调节精度、降低流量噪声的方法。

优选的，阀门流道由阀门入口、出口以及硅簧片和硅阀底之间的空隙构成，采用mems工艺，将硅簧片和硅阀底的边缘之间键合密封。

首先，阀门入口和出口都在阀底上，用mems键合工艺将硅簧片和硅阀底键合连接，这样出口入口之间可形成一个密封性良好的流道环境。通过电源设备控制压电陶瓷产生伸长量，压电陶瓷驱动硅簧片产生位移，从而控制流道流阻大小，这样在出入口固定压力差下，能够实现对气/液工质可控的流量调节。另外，在mems工艺过程中，将电容两极板分别集成在硅簧片和硅阀底上，在硅簧片的形变过程中，两金属极板形成的电容大小与硅簧片的阀芯的位移一一对应，而阀芯的位移与流道流阻一一对应，流道流阻与气液输运流量一一对应，从而可以通过检测电容大小来检测流量大小。将电容大小作为反馈量，将压电陶瓷作为反馈执行机，可通过闭环反馈设计控制电容维持在给定的电容值，从而让输运流量维持给定的流量值，进一步提高流量的调节精度，降低流量噪声。

实施例二

一种压电微阀门装置，如图2所示，包括：硅簧片，硅阀底，t型支架以及两个压电陶瓷，还包括：位移检测电容和控制器。

两个压电陶瓷对称的垂直设置在硅簧片表面两侧，其上端面与t型支架的两侧固定连接，t型支架的中部下端与硅簧片的硅阀芯垂直连接；硅阀芯的下端面设置位移检测电容的其中一个金属电极，硅阀底的上端面与其中一个金属电极正对的位置设置位移检测电容的另一个金属电极，硅阀底上分别在另一个金属电极两侧设有穿透该硅阀底的孔，分别作为阀门入口和出口，控制器与位移检测电容的输出连接，以根据检测到的电容大小控制施加给两个压电陶瓷的电压。

如图3所示，t型支架101和阀底框架102由传统精加工工艺制成。t型支架101和阀底框架102通过两个压电陶瓷堆栈103和104连接。压电陶瓷堆栈103和104由电压源控制，电压源输出电压为零时，压电陶瓷堆栈103和104无伸长量，电压源输出电压为某一正值时压电陶瓷堆栈103和104有一与电压相对应的伸长量。但是，在电压的上升过程和下降过程中，同一电压对应着不同的伸长量，这是压电陶瓷的电滞回线特征决定的，如图4所示。

当电压源输出一正向电压时，压电陶瓷堆栈103和104有相同的伸长量，因为t型支架101是刚性结构，因此t型支架101带动硅簧片105的阀芯106产生垂直于硅簧片105平面的形变量，该形变量与压电陶瓷堆栈的伸缩量相同。硅簧片105与阀底框架102的连接如图5所示。硅簧片105与硅阀底204通过三层键合层201、202、203键合密封连接。硅阀底204与阀底框架102通过密封胶连接。阀底框架102有两个通孔，分别是入口孔209和出口孔210。硅阀底204也有两个通孔，分别是入口孔207和出口孔208。入口孔207/209和出口孔208/210的孔径完全相同(也可不完全相同，不做限定)。硅阀底204与阀底框架102连接时入口孔207和209同轴对齐，出口孔208和210同轴对齐。

图6展示了阀门的流道结构。硅簧片105与硅阀底204通过三层键合层201、202、203键合密封连接。键合层201、203是钛材料，键合层202是金材料。键合层201/202/203总体厚度在1000纳米以内，利用mems键合工艺将阀门硅簧片和阀底键合，从使优化阀门流道的密封性，是一种提高阀门密封性的方法。硅阀芯106的下表面几何中心设置金属电极205，硅阀底的上表面几何中心设置金属电极206，金属电极205和206的厚度为纳米数量级。金属电极205和206完全正对着构成位移检测电容。阀门的流道由入口207、出口208以及硅簧片105和硅阀底204之间的密封空间构成。

电压源输出电压为零，阀门处在闭合状态。此时压电陶瓷堆栈103/104伸缩量为零。记键合层201/202/203的总体厚度为d，电容极板205/206的总体厚度为d，无外力时，流道结构和硅阀芯106所处状态如图6所示，硅阀芯无形变，可施加一定的外力使得硅阀芯106产生形变下压d-d的距离，这样保证了阀门在闭合状态时电容极板205/206相接触，如图7所示，保证了阀门拥有极低的泄漏率。在这个外力作用之前，选用合适的粘结剂均匀涂抹在压电陶瓷堆栈103/104和阀底102以及t形支架101接触界面，以及t形支架和硅阀芯106的接触界面，此后给t形支架施加外力，直到粘结剂固化之后外力方可撤销。阀门处在闭合状态时，电容正负电极板205/206接触，阀门流道流阻无穷大，在一定的出入口压差范围内阀门流量趋近于零，阀门泄漏率趋近于零。

此时，由于电容正负电极板205/206接触，电容大小为零，对应的阀门位移为零。当电压源输出一正向电压时，压电陶瓷堆栈103和104通过t型支架101带动硅簧片105上的硅阀芯106产生垂直于硅簧片的位移量，硅簧片的位移量与流道的流阻一一对应。因此，可以通过电压源的输出电压调节流道流阻的大小，进而调节阀门流量的大小。

因为正负电极板205/206构成的电容的大小与硅阀芯106的位移量——也就是压电陶瓷堆栈103/104的伸长量——对应，因此可以通过测量正负电极板205/206构成的电容的大小来测量阀芯106的位移量，通过闭环反馈设计能保证正负电极板205/206构成的电容大小维持一固定值，从而保证输运流量维持一固定值。闭环反馈控制原理如图1所示。电容检测电路检测到正负电极板205/206构成的电容的大小，将预设的流量值换算成与其一一对应的电容值，将其作为给定值和检测到的电容值大小一起输入进比较器，通过如pid控制算法等算法程序，比较器输出一控制量，控制量控制电压源输出一控制电压，控制电压控制压电陶瓷产生伸长量，该伸长量即阀芯位移量，也即电容电极板205的位移量，然后电容检测电路检测到新的电容的大小，将其输入到反馈回路中去，如此形成闭环控制回路，直到电容检测电路检测到的电容大小和给定值大小相等为止，整个控制过程可以保证电容的大小稳定在给定值大小，能够保证无论是电压源的电压上升过程还是下降过程，微阀门的输运流量都能维持在某一固定值。

其中，优选的，采用mems工艺控制硅簧片的厚度，通过减小硅簧片的厚度进而提高流量控制范围。

利用mems工艺控制硅簧片厚度，硅簧片厚度越小，其刚度越小，从而在同样的拉伸应力下硅阀芯位移越大，流道流阻越低，流量控制范围越大。如图8所示，可通过mems工艺控制硅簧片的阀芯与边缘之间的中间凹陷处的簧片厚度值的大小，也就是参数l的大小，l越小流量控制范围越大，是一种提高阀门流量控制范围的方法。

综上，本实施例提出一种基于mems工艺的拥有极高流量控制分辨率和极低噪声的压电微阀门，利用mems技术加工可变形的硅簧片和带有入口出口的硅阀底，硅簧片和硅阀底通过金钛键合形成封闭流道，通过电源设备控制压电陶瓷使之产生精准位移，通过压电陶瓷控制硅簧片和硅阀底之间的间距，从而控制流道的流阻。因此在入口出口形成一个压力差的前提下，可通过电源设备控制输运工质的流量。与此同时，在硅簧片和硅阀底之间集成位移检测电容，该检测电容大小与压电阀伸长量和阀门流量一一对应，通过闭环反馈控制可使得阀门处于给定的流量水平，这一方案极大的克服了压电陶瓷电滞回线效应带来的流量的不稳定性，极大的提高了流量控制精度以及降低了流量噪声，可以应用在如胶体推进器、霍尔推进器等对流量控制分辨率和噪声要求极为严苛的场景中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。