一种复合静电和压电驱动的微型振膜压缩机制造技术

本发明专利技术公开了一种复合静电和压电驱动的微型振膜压缩机，包括：复合驱动振膜、质心块、压缩机基体、压缩机腔体、弹性止回式阀片和压缩机端盖等组成，压缩机腔体采用回转曲面型腔体，行腔函数依据振膜形变而定，保证振膜在排气结束时与腔体贴合，微型振膜压缩机工作时，先利用压电振子的快速响应，驱动振膜压缩流体并引导柔性薄膜与腔体壁面贴合，进入静电驱动效率较高的间距范围内，通过静电驱动进一步对流体进行压缩和排气，使得压缩机具有较高的容积效率。同时微型隔膜压缩机的实际结构可以是单腔体或双腔体结构。本发明专利技术微型压缩机体积小、响应速度快，复合了静电和压电驱动，因此具有较高的排气压升。 1

【技术实现步骤摘要】
一种复合静电和压电驱动的微型振膜压缩机
本专利技术涉及本专利技术属于微流体控制
，尤其涉及一种复合静电和压电驱动的微型振膜压缩机。
技术介绍
微型压缩机或微泵是微流体系统中的动力源，是系统的核心部件。由于微型压缩机的微型化，使系统更加紧凑，并且具有较高的控制精度，目前已广泛应用于医药、化工、航天以及电子冷却等领域。目前微型压缩机主要结构为容积式，一般通过驱动薄膜形变实现腔体的体积变化，产生对流体的压缩和运输。微泵的驱动方式主要包括压电驱动、静电驱动、电磁驱动、热气动驱动以及记忆合金等。从可靠性和响应速度来看，压电和静电驱动具有较好的优势。压电驱动器利用压电陶瓷的逆压电效应，在交变驱动电场下，压电陶瓷在垂直场强方向产生伸缩，通过复合弹性基层，将压电陶瓷形变量放大并转化至纵向，产生一定的驱动力或位移。静电驱动器利用腔体与薄膜电极层之间的静电力，使得薄膜产生形变，利用交替的电压驱动信号，可实现连续的吸气、压缩和排气过程。相比传统电机驱动微型压缩机，压电和静电的驱动方式具有结构简单、体积小以及效率高等特点。目前随着冷却制冷系统的微型化发展，电子散热领域内的主动式微型制冷系统的扩大应用过程中，微型压缩机作为核心部件决定着微系统的可行性和可靠性。然而目前微型压缩机的压升能力不足，只能达到对流体进行泵送的压力水平，限制了微型压缩机在制冷或散热领域内的应用。根据目前现有微型压缩机的结构和设计思路，导致其压升水平较低主要存在两方面原因：一方面由于驱动器的驱动力不足，如薄膜压电驱动器的形变较小，克服的压力载荷也较低，对于静电驱动器，驱动薄膜压缩流体时易失稳。另一方面，压缩机容积效率较低，主要存在于薄膜压电驱动微型压缩机中，由于薄膜压电驱动器在电压信号驱动下，产生的形变函数较为复杂，明显含有高阶函数项，因此难以设计出回转曲面型腔体与压电振子相匹配，使得驱动器在排气结束时完全与腔体壁面贴合，导致微型压缩机的容积效率较低。因此，提升微型压缩机的驱动力和容积效率是提升微型压缩机压升的主要方向。因此，本领域的技术人员致力于开发一种复合静电和压电驱动的微型振膜压缩机。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是微型压缩机驱动器的驱动力不足以及压缩机容积效率较低。为实现上述目的，本专利技术提供了一种复合静电和压电驱动的微型振膜压缩机，以获得更高的排气压升，并提高静电驱动稳定性，主要包括：复合驱动振膜、质心块、压缩机基体、压缩机腔体、弹性止回阀片和压缩机端盖。进一步地，压缩机腔体依据振膜形变，采用回转曲面型腔体，保证振膜在排气结束时完全与腔体壁面贴合，从而具有较高的容积效率，压缩机腔体包括腔体表面介电层。进一步地，复合驱动振膜包括：柔性薄膜、弹性金属片、压电陶瓷片、电极层和键合胶层，复合驱动振膜通过同步驱动电压信号驱动。进一步地，同步驱动电压信号同时对所述复合驱动振膜中的压电驱动器和静电驱动器进行驱动，配合腔体实现对气体的压缩和排气；压电驱动器的驱动范围作用于振膜外环区，静电驱动器作用于振膜内圆区域，在微型振膜压缩机排气结束时，复合驱动振膜与压缩机腔体壁面贴合，微型振膜压缩机工作时，首先外圆环部分的压电驱动器在驱动电压作用下发生弯曲形变，推动振膜向腔体壁面贴合，对流体进行压缩；与壁面贴合时的柔性薄膜所受静电驱动力较大，使柔性薄膜由边缘向中心与腔体贴合，进一步对腔体内流体进行压缩和排气；利用复合驱动器中心质心块的惯性力，有助于流体的压缩和排气，同时也使得柔性薄膜贴合腔体过程更加稳定。为减少压电驱动器周向应力以提升其形变量，可通过均匀径向分割，使环形薄膜压电驱动器分割成多个独立的悬臂式驱动器。进一步地，微型振膜压缩机排气行程结束时，在低压比工况下，复合驱动振膜与压缩机腔体壁面贴合；在高压比工况下，复合驱动振膜与压缩机腔体壁面部分贴合。进一步地，排气孔和进气孔分别位于压缩机腔体中心和中心点附近处，通向腔体背侧，并通过悬臂梁式弹性止回阀片实现单向排气和吸气。该悬臂梁式排气阀片和进气阀片加工于同一金属薄片或者有机材料上，为保证弹性止回阀片的平整以及避免弹性止回阀片发生塑性变形，采用线切割的方式，依据吸排气孔径大小进行加工，并安装于腔体背侧面中的沉槽中，该沉槽可通过车削加工，其深度大于弹性止回阀片厚度。在压缩机端盖中加工有与腔体背侧沉槽相配合的突台，该突台高度大于沉槽深度，以保证悬臂梁式弹性止回阀片在装配后被紧密夹持。最后，在弹性止回阀片装配之前，需要分别在压缩机腔体背面和压缩机端盖突台面上加工弹性止回阀片开启方向上的空间，可通过电火花加工分别在腔体背侧加工进气阀开启所需空间槽，在端盖突起面上加工排气阀开启所需空间槽。进一步地，压电陶瓷片采用Z向极化，紧贴于金属基板中。进一步地，质心块采用高密度材料，密度＞10g/cm3。进一步地，分别在所述压电陶瓷片表面的电极层和弹性金属片中引出导线，用以接收同步驱动电压信号。进一步地，柔性薄膜表面的所述电极层为复合金属电极层，微型振膜压缩机腔体采用导电材料加工而成，在二者之间施加同步的交变电压驱动信号，形成静电驱动。进一步地，柔性薄膜表面电极以及引线通过溅射、电镀和刻蚀获得，具体工艺为：柔性薄膜的清洗，光刻胶固定，薄膜表面溅射电极种子层，溅射金属电极层，电镀金属防护层，刻蚀去除非电极区域的金属层。进一步地，弹性金属片与压电陶瓷片和柔性薄膜通过粘结剂键合，其中形成的键合胶层厚度＜20μm。优选地，粘结剂为胶水。进一步地，压缩机基体和压缩机端盖采用硬质绝缘材料，包括聚酰亚胺、聚醚醚酮和有机玻璃。进一步地，压缩机腔体采用导电材料，包括硅或大刚度金属材料。进一步地，腔体表面介电层厚度＜1μm，腔体表面介电层的制备材料包括SiO2和Al2O3，通过物理气相沉积或者高温干氧氧化在腔体表面制作介电层。进一步地，柔性薄膜弹性模量＜3GPa，厚度＜0.1mm。进一步地，柔性薄膜的包括聚酰亚胺薄膜、PDMS薄膜和金属薄膜。进一步地，压缩机腔体通过车削成型和机械抛光加工而成。进一步地，采用悬臂梁式弹性止回阀片控制进气和排气，弹性止回阀片材料采用金属薄片或者有机材料，金属薄片包括铍青铜和不锈钢，有机材料包括聚酰亚胺和PDMS。进一步地，微型振膜压缩机的实际结构可以是单腔或双腔结构。进一步地，微型振膜压缩机各部分通过螺钉紧固连接，并通过定位销钉装配。技术效果：1、本专利技术复合了静电驱动和压电驱动，提升了微型压缩机的驱动力，并且使静电力驱动更加稳定；2、本专利技术采用回转曲面型压缩腔体，提升了微型压缩机的容积效率；3、本专利技术微型压缩机具有更高的排气压升和效率，其应用范围更加广泛。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的一个较佳实施例的微型压缩机整机示意图；图2是本专利技术的一个较佳实施例的微型压缩机二维结构示意图；图3是本专利技术的一个较佳实施例的复合驱动振膜三维结构示意图；图4是本专利技术的一个较佳实施例的复合驱动振膜二维结构示意图；其中，1.压缩机基体，2.压电陶瓷片，3.弹性金属片，4.电极层，5.柔性薄膜，6.质心块，7.压缩机腔体，8.腔体表面介电层，9.压缩机端盖，10.弹性止回阀片，11.排气孔，12.进气孔，13.螺钉孔，14本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，包括：复合驱动振膜、质

【技术特征摘要】
1.一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，包括：复合驱动振膜、质心块、压缩机基体、压缩机腔体、弹性止回阀片和压缩机端盖，其中，所述压缩机腔体为回转曲面型腔体，所述压缩机腔体包括腔体表面介电层；所述复合驱动振膜包括：柔性薄膜、弹性金属片、压电陶瓷片、电极层和键合胶层，所述弹性金属片与所述压电陶瓷片和所述柔性薄膜通过粘结剂键合，所述复合驱动振膜通过同步驱动电压信号驱动；所述同步驱动电压信号同时对所述复合驱动振膜中的压电驱动器和静电驱动器进行驱动，配合腔体实现对气体的压缩和排气；所述压电驱动器的驱动范围作用于振膜外环区，所述静电驱动器作用于振膜内圆区域，在所述微型振膜压缩机处于排气行程时，静电力驱动所述复合驱动振膜贴向所述压缩机腔体壁面；所述微型振膜压缩机排气行程结束时，在低压比工况下，所述复合驱动振膜与所述压缩机腔体壁面贴合；在高压比工况下，所述复合驱动振膜与所述压缩机腔体壁面部分贴合；所述压电陶瓷片采用Z向极化，紧贴于金属基板中；所述质心块采用高密度材料，密度＞10g/cm3。2.根据权利要求1所述的一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，分别在所述压电陶瓷片表面的所述电极层和所述弹性金属片中引出导线，用以接收所述同步驱动电压信号。3.根据权利要求1所述的一种复合压电和静电驱动的微型振膜压缩机，其特征在于，所述柔性薄膜表面的所述电极层为复合金属电极层，所述柔性薄膜表面电极以及引线通过溅射、电镀和刻蚀获得，所述压缩...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴磊，胡院林，王文，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31