一种流体泵及激振元件的制作方法

本发明属于流体输送设备技术领域，具体涉及一种流体泵。

背景技术：

微型流体泵在医药生物、精细化工、航空航天、微机电系统等领域有着广泛的应用需求。现今随着应用目标的电子产品通常都具有小型化的趋势，这也要求微型流体泵在保证其输出能力(输出压力和输出流量)的同时更加小型化或是在不大型化的前提下提高其输出能力。

目前的气体微泵主要有利用电机凸轮机构驱动的电磁隔膜泵、利用压电振子驱动的压电隔膜泵以及利用挤压膜效应的微泵。压电泵是向压电元件施加交变电压使隔膜弯曲变形的隔膜泵，而弯曲变形的隔膜具有结构简单、轻薄、且耗电量低等优点。

其中，电磁隔膜泵在实际应用过程中会存在结构复杂、成本高、噪声大等问题；而压电隔膜泵在出入口处都设有单向阀，单向阀长期使用可靠性会降低，而且在使用过程中也会有灰尘等异物附着在阀上使压电泵不能充分输送流体；单向阀上附着灰尘等异物会造成压电驱动元件的驱动频率的升高，而单向阀又会由于滞后效应无法在高频下工作使压电泵失效；现有的利用挤压膜效应的压电微泵的结构也存在着极限工作压力不足、进一步提升其输出能力的限度。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的结构复杂、成本高、噪声大或者可靠性低、不能充分输送流体或者压力不足、输出能力低等问题，提供了一种小型且输出能力高的微型流体泵。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种流体泵，包括：

压电振子，所述压电振子包括振动基板和设于所述振动基板一侧的压电元件；

振动隔膜，所述振动隔膜配置于所述振动基板的另一侧，所述振动基板靠近所述振动隔膜的一侧设有沉腔；

平面部，所述平面部以靠近且相对的方式配置于所述振动隔膜远离振动基板的一侧，所述平面部与所述沉腔相对的区域内至少设有一个通气孔；

通过对所述压电元件施加一定频率的交变电压，振动基板弯曲变形，使振动隔膜随着振动基板朝着相同的方向弯曲变形，进而使流体泵从所述通气孔吸入流体，从通气孔的周向方向排出。

本发明所述平面部与所述沉腔对应的部分为弹性板，所述平面部位于所述沉腔的周向部分为刚性板或者做固定约束。

本发明所述振动隔膜固定于所述振动基板，所述振动隔膜与所述沉腔相对的部分能够弯曲振动，所述振动隔膜位于所述沉腔的周向部分作固定约束。

本发明所述压电元件和振动基板对中设置并粘接为一体构成压电振子，所述压电振子从其中心部位到周边部位能够发生弯曲振动。

本发明所述压电元件、振动基板和振动隔膜为正方形或圆形。

本发明所述沉腔置于所述振动基板的中心部位，所述沉腔为圆形。所述流体泵还包括支撑板和上盖板，支撑板设置在平面部上，且二者密封连接，上盖板设置在支撑板上，同样地上盖板与支撑板也为密封连接，从而构建了空腔，其中，上盖板的中心或是其他位置设置有一个通孔，通过通孔与外部大气联通。

本发明所述振动基板包括中间振动区、四周支撑部分、弹性连接部分以及第一导线焊接部分，所述流体泵还包括上盖板、第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板以及电极片，其中，第三支撑板粘接在平面部上，振动隔膜和压电振子依次粘接在第三支撑板上，三者对中放置，所述第二支撑板粘接在振动基板的四周支撑部分，所述第二支撑板为绝缘材料，参与构建出空腔，同时将电极片与振动基板绝缘隔开，所述上盖板、第一支撑板和电极片依次叠放粘接在振动基板的四周支撑部分，从而完成空腔的构建。

本发明所述平面部的下部设有底板衬板，所述平面部为弹性的柔性结构，其中，底板衬板的中心设有圆形开孔，使平面部的中心部分能在圆形开孔中露出。

本发明在底板衬板的下部设有第二底板衬板，其中，第二底板衬板的上表面刻有至少一个通气槽，使流体先通过通气槽再经由通气孔吸入到空腔内。

本发明还提供一种激振元件，包括压电振子和振动隔膜，所述压电振子包括振动基板和设于所述振动基板一侧的压电元件，所述振动隔膜配置于所述振动基板的另一侧，所述振动基板靠近所述振动隔膜的一侧设有沉腔，通过对所述压电元件施加一定频率的交变电压，使振动基板弯曲变形，振动隔膜随着振动基板朝着相同的方向弯曲。

采用上述技术方案后，本发明提供的一种流体泵具有以下有益效果：

本发明通过增加流体泵工作过程中的振幅，减小工作过程的损失，从而能使流体泵不大型化甚至是更小型化的条件下，能获得更高的输出压力和输出流量；通过在振动基板上设置一个沉腔并配合使用振动隔膜来构建激振元件，进而降低了对压电元件和振动基板的形状的要求，可以是圆形的也可是方形的，同时沉腔谐振放大了振动隔膜功能部位的形变量，提高了泵的输出流量和输出压力；再进一步的，将平面部设置为弹性结构，可以进一步的提高流体泵的输出性能。

附图说明

图1为本实施例一的激振元件的结构示意图；

图2为本实施例一的流体泵的结构示意图；

图3为本实施例一的流体泵的吸入状态示意图；

图4为本实施例一的流体泵的排出状态示意图；

图5为本实施例二的流体泵的结构示意图；

图6为本实施例三的流体泵的爆炸图；

图7为本实施例三的流体泵的结构示意图；

图8为本实施例四的流体泵的爆炸图；

图9为本实施例四的流体泵的结构示意图；

图10为本实施例五的流体泵的爆炸图；

图11为本实施例五的流体泵的结构示意图。

其中：压电元件1、压电振子10、振动基板2、第一导线焊接部分22、弹性连接部分23、沉腔21、振动隔膜3、平面部4、通气孔41、支撑板5、空腔51、第一支撑板50、电极片52、第二支撑板53、第三支撑板54、上盖板6、通孔61、底板衬板7、圆形开孔71、第二底板衬板8、通气槽81。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1所示，本实施例的流体泵包括压电振子10、振动隔膜3和平面部4，其中，压电振子10包括振动基板2和设于振动基板2一侧的压电元件1，压电元件1和振动基板2对中设置并粘接为一体构成压电振子10，压电振子10从其中心部位到周边部位能够发生弯曲振动，振动基板2是例如不锈钢、磷青铜等金属制的，在压电元件1的上、下表面上分别形成有大致整个面的电极膜，下表面的电极与振动基板电导通，并形成电容耦合，在上表面的电极上连接有导体线，该导体线和振动基板与驱动电路电连接，从而施加矩形波状或正弦波状的驱动电压，使得压电振子10从其中心部位到周边部位发生弯曲振动。

如图2所示，振动基板2的下方配置有平面部4，压电振子10被载置在平面部4上(发生接触)。由于在此示出了没有驱动时的情况，因此，在图2中，虽然压电振子10看上去是固定在平面部上，但压电振子10的周边部并没有受到平面部4的约束。在没有驱动时，压电振子10只不过是以接触的方式相对配置在平面部4上，此外，平面部4设有至少一个通气孔41，进一步地，平面部4的与压电振子10相对区域的中心或中心附近设置该通气孔41，虽然在没有驱动的情况下压电振子10和平面部4是接触放置的，但是压电振子10的周边并没有受到平面部4的约束。

为了能够增加振幅以增加输出压力和输出流量，本实施例提供一种新型的激振元件，即在振动基板2上增设沉腔21，并附加振动隔膜3，将压电元件1、振动基板2和振动隔膜3依次粘接，三者中心对齐，从而构成激振元件，具体地，振动隔膜3配置于振动基板2的另一侧，振动基板2靠近振动隔膜3的一侧设置具有一定直径和深度的沉腔21，平面部4与沉腔21相对的区域至少设有一个通气孔41，通过对压电元件1施加一定频率的交变电压，振动基板2弯曲变形，使振动隔膜3产生谐振并随着振动基板2朝着相同的方向弯曲变形，从通气孔41吸入流体，从通气孔41的周向方向排出，这样振动隔膜3和平面部4之间不会产生不需要的间隙，因此能够提高流体输送的效率，而且由于设计有沉腔21，沉腔21谐振放大了振动隔膜3功能部位的形变量，提高了泵的输出流量和输出压力。

进一步地，振动隔膜3固定于振动基板2，振动隔膜3至少在与沉腔21相对的部分能够弯曲振动，振动隔膜3位于沉腔21的周向部分作固定约束，可以通过粘接的方式进行固定约束。

进一步地，平面部4与沉腔21对应的部分可以设计为弹性板，平面部4位于沉腔21的周向部分为刚性板或者做固定约束，该种结构能够进一步增加泵整体的谐振，从而使得输出压力和输出流量增加，需要说明的是，本实施例的平面部4也可以是刚性的，不会随着激振元件的振动而发生谐振。

压电元件1、振动基板2和振动隔膜3的形状包括但不限于正方形和圆形，对此不作限制。

沉腔21置于振动基板2的中心部位，优选的，沉腔21为圆形，这样该沉腔21所对应的振动隔膜3的中心的薄膜部分处于旋转对称形，因此在振动隔膜3和平面部4之间不会产生不需要的间隙，因此能够提高其泵送流体时的效率。

图3、图4示出了本实施例的流体泵的工作原理，在合适的工作频率下压电振子10与振动隔膜3达成一定的谐振状态，图示的为激振元件在一阶振动状态下的工作示意图。

通过对压电振子10施加交变电压，可以使压电振子10弯曲变形成上凸下凹的形状，同时，振动隔膜3也会随压电振子10一起形成上凸和下凹的变形，并有着放大形变的作用。首先，如图3所示，为流体吸入状态，压电振子10向上弯曲形成上凸状，同时振动隔膜3也一并达到上凸的状态，那么会造成激振元件的周边与平面部4之间的间隙小于其中心部分与平面部4之间的间隙。如此，会使激振元件中心部分的压力减小(呈负压状态)，而周边的压力会升高，从而流体就会从平面部4上的通气孔41流入上述空间，同时流体也会经由激振元件周边与平面部4之间的间隙流入，但是由于该间隙很小，流阻较大，可流入的流体较少，与经由中心通气孔41流入的流体相比量很小，从而可以认为经由中心通气孔41流入的流体量为设定量。

然后，如图4所示，为流体压出状态，压电振子10向下弯曲形成下凹状，同时振动隔膜3也达到下凹的状态，那么会造成激振元件的中心部分与平面部4之间的间隙小于其周边与平面部4之间的间隙。这样会使激振元件中心部分的压力升高，而周边的压力减小，从而使上述吸入激振元件和平面部4之间空腔内的流体向周边方向流动，同时流体也会经由平面部4上的中心通气孔41流出，但是由于激振元件中心部分与平面部4之间的间隙很小，流阻较大，可流出的流体较少，与经由周边方向流出的流体相比流出流体的量很小。

通过交变电流的控制，反复上述的吸入和排出的过程以达到持续从通气孔41吸入流体从周边方向排出流体，连续输送流体的目的，而且，由于激振元件周边是没有约束的以及构建了激振元件使空腔21对应的振动隔膜3区域的振动有放大作用，可以使激振元件在振动过程中获得更大的足够的振幅。

激振元件的中心部分和周边的压力随着压电振子10的弯曲振动时刻变化着，总体上来说，在激振元件中心部分产生负压，在周边相应的产生于该负压平衡的正压。因此，在激振元件的整个运动过程中，激振元件与平面部4是以非接触状态保持的，而且，中心部分的压力与周边的压力会随负载压力的变化而变化。

泵的负载越高，那么激振元件相对于平面部4的平均高度就越低，相应的流量会有所下降。相反的，泵的负载越低，激振元件相对于平面部4的平均高度就越高，相应的流量较大。即使是在较大的负载压力下工作，使激振元件与平面部4之间的间隙减小，致使振动隔膜3与平面部4接触，也不会对泵动作造成妨碍。

实施例二

如图5所示，本实施例的流体泵与实施例一基本相同，区别在于，流体泵还包括支撑板5和上盖板6，支撑板5设置在平面部4上，且二者密封连接，上盖板6设置在支撑板5上，同样地上盖板6与支撑板5也为密封连接，从而构建了空腔51，其中，上盖板6的中心或是其他位置设置有一个通孔61，通过通孔61与外部大气联通。

在没有驱动时，激振元件以接触的方式相对配置在平面部4上，在有电源驱动时，根据实施例一中说明的原理，流体经由中心通气孔41被抽吸，然后抽吸的流体经由通孔61被排出。因此，该流体泵能够实现抽吸和排出功能。

实施例三

如图6和图7所示分别为实施例三的流体泵的结构爆炸图和剖视图，本实施例与实施一基本相同，区别在于，振动基板2的结构进行改进，由图6可见振动基板2包括中间振动区、四周支撑部分、弹性连接部分23以及第一导线焊接部分22。其中，弹性连接部分23设置为弹性系数较小的弹性结构，实现中间振动区柔软地支撑于四周支撑部分，从而可认为该弹性支撑不会妨碍中间振动区的弯曲振动，即振动区域实质上处于一种没有受约束的状态。

此外，本实施例的流体泵还包括上盖板6、第一支撑板50、第二支撑板53、第三支撑板54以及电极片52，其中，第三支撑板54粘接在平面部4上，激振元件粘接在第三支撑板54上，三者对中放置。第三支撑板54的厚度要稍大于振动隔膜3的厚度，可增大振动隔膜3和平面部4之间的间隙，来实现流量的提升。另外，流体泵在高负载环境下工作时，激振元件与平面部4之间的间隙会减小，甚至是会发生碰撞，通过增加第三支撑板54能够改善上述情况，并且可以提升高负载状态下的流量。

然后，将第二支撑板53粘接在振动基板2的四周支撑部分，第二支撑板53的厚度比压电元件1的厚度稍厚一些，第二支撑板53为绝缘材料，参与构建出空腔51，同时将电极片52与振动基板2绝缘隔开。

然后，将上盖板6、第一支撑板50和电极片52依次叠放粘接在第二支撑板53的四周支撑部分，从而完成空腔51的构建。那么该流体泵在电源的驱动下就可以实现由通气孔41抽吸流体，由通孔61排出流体。

另外，电极片52上设置有第二导线焊接部分521和第三导线焊接部分522，其中，第三导线焊接部分522通过锡焊连接在压电元件1的上表面。

实施例四

图8和图9分别为实施例四流体泵的结构爆炸图和剖视图，本实施例与实施三基本相同，区别在于平面部4的下部设有底板衬板7，同时平面部4由刚性结构变为具有弹性的柔性结构。其中，底板衬板7的中心设有圆形开孔71，使平面部4的中心部分能在圆形开孔71中露出，通过对压电振子10施加合适频率的驱动电压，使振动隔膜3和平面部4能达到一定的谐振状态，而且平面部4的振动相位与振动隔膜3相差180度运动，能够进一步的增大振幅，从而能进一步的提升流体泵的输出性能。

如此，通过施加外部驱动电压驱动压电振子10，能够使流体泵从底面通气孔41抽吸流体，从顶部通孔61排出流体。

实施例五

图10和图11分别为实施例五流体泵的结构爆炸图和剖视图，该实施例的流体泵与实施例四的流体泵的区别是在底板衬板7的下部设有第二底板衬板8。其中，第二底板衬板8的上表面刻有至少一个通气槽81，使流体先通过通气槽81再经由通气孔41吸入到空腔51内。为了进一步入流特性，可以在第二底板衬板8上圆周对称的设置3个或多个通气槽81。

另外，可以将两个或是多个这样的流体泵进行串并联设置，来提高总体的输出性能。

本发明提供的一种流体泵，通过增加流体泵工作过程中的振幅，减小工作过程的损失，从而能使流体泵不大型化甚至是更小型化的条件下，能获得更高的输出压力和输出流量；通过在振动基板上设置一个沉腔并配合使用振动隔膜来构建激振元件，进而降低了对压电元件和振动基板的形状的要求，同时沉腔谐振放大了振动隔膜功能部位的形变量，提高了泵的输出流量和输出压力；再进一步的，将平面部设置为弹性结构，可以进一步的提高流体泵的输出性能，具有很大的市场价值，值得推广。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。