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微型真空泵:除了抽空体积小,和机械真空泵对比还存在哪些差异?
时间:2023-12-02 14:39:11 点击次数:


微型真空泵:除了抽空体积小,和机械真空泵对比还存在哪些差异?(图1)

文|焉子看世界

编辑|焉子看世界

弗劳恩霍夫EMFT公司的研究和制造产品包括带被动瓣阀的压电驱动硅微型隔膜泵,多年来,微流体领域的研究和开发致力于使用微泵来产生正压和负压,以及输送各种介质。

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然而,对于一些应用,仅少量的流体需要被泵送、压缩或排空,并且直到现在,仅具有高功耗的宏观泵能够实现必要的流速和压力,尤其是对于诸如空气的可压缩介质。为了满足这些要求,一种可能的方法是使用针对负压优化的多级高性能微型泵

真空泵的工作原理是什么?推动机械MEMS微型泵的发展的因素有哪些?

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粗真空被定义为低于0.1 kPa绝对压力的压力,并且通常使用机械泵从大气压力开始产生,对于低于此的压力,使用物理原理如离子吸气泵来获得高真空。通常,使用机械泵和物理泵原理的组合来产生高真空。用于产生粗真空的机械MEMS微型泵的发展受到两个因素的推动。

推动用于产生粗真空的机械MEMS微型泵的发展的第一个因素,是实现粗真空所需的传统机械泵的高功耗。根据抽真空的体积,这种泵需要大约50 W到几kW的电能,重量为2 kg或更重,在许多情况下,这些真空泵必须永久运行。

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相比之下,具有级联压电微隔膜泵的MEMS系统需要小于1 W的功率,值得注意的是,与机械真空泵相比,抽空的体积要小得多。

除了高真空的使用案例,还有一些应用需要低绝对压力的便携式系统,一个例子是离子迁移谱仪(IMS ),它需要大约10 kPa或更低的绝对压力,另一个潜在的操作领域是便携式设备上的气体传感器的重新校准,其中向气体传感器施加大约20 kPa的绝对压力是有利的。

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此外,需要真空的几种便携式和电池供电的传感器系统是可用的,但是在紧凑的尺寸、重量和能量消耗方面不存在商业上可用的解决方案来实现手持设备。

用于MEMS真空泵的致动机构是多种多样的,并且可以分为两大类:机械的和非机械的。机械机构分为微型鼓风机和带阀门的隔膜泵。微型鼓风机利用高频下的流体共振效应,实现60 kPa的过压12];然而,对于最小负压没有规定。

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现有压电驱动MEMS微泵实现强负压的局限性依赖于这些泵的弱压缩比(致动器的冲程容积与泵室中的死容积之间的比率)。因为冲程容积的最大化是根据致动器特性给出的,死体积的减少受到制造过程的公差以及压电物理性质的限制,因为85%向泵室底部提供冲程的1/4。

在这种方法中,应用了通过精确蚀刻和结合技术(硅熔融结合)减少死体积的硅MEMS。此外,预拉伸方法(图1)为了避免压电物理的缺点,并且不弯曲,使用了泵芯片。由此,实现了对于MEMS微泵来说还未知的压缩比,这是利用空气产生大的负压的重要前提

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许多具有不同致动原理的微泵的操作条件和达到的压力非常不均匀7].某些应用的压力要求非常高,因此仅用一个微型泵是无法实现的;因此,将几个泵串联起来是一种有前途且简单的解决方案。

基于扩散(热蒸发)的非机械Knudsen微泵具有1至3级真空产生,在1级中实现46.6 kPa绝对压力32].提出了另一种具有48级和6.6 kPa绝对压力的Knudsen泵。

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首先讨论了微泵的设计以及多级泵中每个泵的泵循环,设计部分的重点是解释促动器的特性,包括冲程容积和阻塞压力,以及p-V图中的泵循环,以便估算吸入压力,。

如前所述,由于MEMS泵的压缩比限制,单个泵不能实现粗真空。因此,除了优化单个泵之外,微型泵的级联被选择作为增强负压的方法。

基于单个微泵的设计,对两种不同的级联可能性进行了建模和模拟,包括耦合效应,以探索实现更小绝对压力的可能性。

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使用具有被动瓣阀的压电驱动硅微泵演示了系统的设计和模拟。两种级联方法都适用于过压和负压。在压力平衡方法中,上游泵产生的压力也作用在相邻级的致动器上。

在没有压力补偿的串联连接的情况下,大气压力施加到每个级联级的致动器隔膜上,在理想的情况下,级联的每个泵根据其特定的几何特性针对特定的位置进行优化。最后,用实现的两级和三级系统进行测量7×7 mm2具有相似设计参数的压电致动硅微隔膜泵被提出并与模拟进行比较。

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顶层形成包括泵室的致动隔膜,而两个底层形成被动悬臂止回阀,当向压电致动器施加负电压时,隔膜向上移动并使泵室膨胀,导致气体从入口阀被吸入泵室,这被称为供给模式。

相反,正电压导致致动器向下移动,压缩泵室内的气体,并导致流体通过出口阀流入出口周边,这被称为泵模式。

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图二的顶视图和底视图7×7×0.7 mm3安装有PZT和可视入口和出口的硅微泵芯片。

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是泵室高度,是隔膜厚度,是压电致动器的厚度,是压电致动器的半径,以及是光圈半径。

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微型泵的设计朝着大压缩比的方向优化,该压缩比被定义为最大冲程容积Δ到死体积0微型泵的。为了减少死体积,使用特定的预拉伸方法安装PZT,如所示图1 [26].因此,有可能将泵室高度降低到最小值1 µm. 表1显示了用于模拟的微型泵的所有设计参数。乐动LD网页版

两个被动式硅止回阀(入口阀和出口阀)都有一个悬臂(长度=800 µm,宽度=460 µm,厚度=15 µm,打开=390 µm)在方形阀座上方(阀座的宽度=3 µm)。

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尽管在阀瓣和阀座之间实现了硬-硬密封,但是只有相对小的泄漏(0.06 mL/min在50 kPa)可以在施加负压时观察到。

这是由于阀瓣和阀座的抛光表面,其下面具有粗糙度1 nm。其次,由于单晶硅的优异性能,没有观察到塑性变形行为或疲劳。硅瓣阀能够承受高达至少200 kPa在两个方向。

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位移体积之间的关系压力呢根据电压在泵室内可以近似为线性行为,忽略压电陶瓷迟滞并假设基尔霍夫板理论,简化公式表示为:

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如果在垂直方向施加电场,该系数描述压电陶瓷的相对横向收缩。横向压电系数31*永远是负面的。电压冲击+−−乘以−*代表最大致动器冲程容积Δ没有背压。硅的热膨胀系数和压电有必要估计温度变化时致动器隔膜的垂直位移。

这种温度变化会影响死体积0并且在制造过程中(例如,如果胶在较高的温度下硬化)或者在操作过程中(如果泵不在环境温度下操作)发生。

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将压电驱动MEMS泵用作真空泵的主要障碍是通过增加冲程容积和减少死容积来优化压缩比。为了说明这一挑战,我们提出了一个p-V图,其中x轴代表泵室内的绝对压力,y轴代表泵室的容积,泵室由驱动隔膜和止回阀封闭。

该模型假设微型泵在大气压下工作0之间有快速电压切换−和+以一定的操作频率。a是正电压周期的起点+并且在供应模式结束后呈现稳定的致动器位置。当制动电压降低时,泵室内的气体被快速压缩。

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泵根据其状态方程压缩气体体积,直到达到状态B的致动特性。在这么短的时间内,没有显著的流量通过阀门,导致最大过压未知节点类型:trans,通过压缩实现。出口阀打开,气体在较长的时间范围内向出口流动,代表泵模式。

在状态C,泵出口阀与外围压力平衡,整个冲程体积被泵送到出口,假设通过入口阀的泄漏流量可忽略不计,它被认为是泵模式结束后的稳定位置。

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由工作频率at定义=/2=1/(2),负电压U−被快速施加,导致隔膜朝向状态d向上移动。

泵室的容积在增加,所以气体膨胀到最小压力,相应的压力未知节点类型:trans,导致气体流过泵室内打开的入口阀。这一阶段称为供应模式,直到入口阀压力平衡并达到状态A。泵循环现已完成。

两个致动器位置A和C之间的容积差被定义为冲程容积Δ,在没有背压的情况下,泵循环将该体积从入口输送到出口。工作频率导致重复泵循环,该泵循环被假定为足够小以用一个冲程容积执行整个冲程Δ。

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结果是平均流速为=Δ·通过泵实现。泵室和阀单元中的剩余容积被定义为死容积0。它是在隔膜致动器处于最低位置时计算的+ (图5).压缩比ɛ可以定义为最大每搏输出量Δ以及死体积0.

为了获得尽可能小的绝对压力,最大限度地减少死体积是很重要的0并使冲程容积最大化Δ。应该提到的是,等温线的双曲线形状在较小的压力下具有较大的梯度。这样,与泵模式相比,给定的容积冲程在供给模式下实现了更小的压力冲程:

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在这项研究中,假设等温状态方程,实际上,行为可以是绝热的或多变的,在这种情况下,基本结论不受影响,对于绝热行为,弧度实际上更小,这导致更高的压力峰值

当压电以大信号模式驱动时,会出现迟滞现象。当施加到PZT的外部电场改变时,原子通过在非常短的时间尺度(少于1微秒)上移动负载来反应,这被称为效应1。然而,外斯畴也以慢得多的时间尺度(1毫秒以上或更长)改变它们的大小,这被称为效应2。

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第二种效应与能量损失有关,压电蠕变是一种已知的效应,发生在阶跃电压施加到PZT之后。最初,压电立即改变约97%的冲程(由于效应1 ),而剩余的3%发生在对数时间尺度上(由于效应2 ),并且可能需要几秒钟来实现完整的冲程。

考虑到这些影响,以100 Hz的频率连续工作。该频率足够低,以避免由于滞后损失引起压电加热。压电陶瓷的发热直到工作频率达到几kHz时才会被观察到,如此高的频率会导致冲程损失,使得压电蠕变效应可以忽略。此外,因为电压总是以相同的电平开始和结束,所以致动器处于规定的位置。

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这种微型泵由于其高压缩比而被优化用于低压气体应用ɛ(冲程容积:Δ=149 nL,死体积:0=84 nL).为了使死体积最小化,在泵室底部附近循环致动隔膜是至关重要的,从而产生一个小的值h+。乐动LDSportsapp

这些符号h−h+分别描述负电压和正电压下从泵室底部到隔膜中心致动器的距离。通过考虑诸如硅和PZT的不同热膨胀系数(和安装电压的影响,以及模拟中微泵的工作温度(室温)。

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为了获得真空压力,级的出口+1连接到级的入口讨论了级联泵的三种不同方法:

没有压力平衡的级联,其中微型泵“恰好”串联;

级联压力平衡出口,参考压力高于阶段的压电+1与阶段达到的压力有关;和

级联压力平衡入口,其中参考压力高于阶段的压电与阶段达到的压力有关.

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参考文献:

一种微型隔膜泵的结构设计及流量验证分析 于海江; 邓钺; 张萌; 程子昊 科技创新与应用 2022

微型隔膜泵动态特性研究及膜片阀的水力特性分析 孙浩 武汉工程大学 2020

微型真空泵:除了抽空体积小,和机械真空泵对比还存在哪些差异?

隔膜式压电驱动器的制备及其在微泵中的应用 张成功; 李以贵; 王欢 微纳电子技术 2019


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