仿尾鳍式变截面摆动振子无阀压电叠堆泵原理与实验验证#
 

摘要：传统的流阻差式容积型无阀压电泵与生俱来具有周期性和波动性，不能连续产生向外部的流动与压力。为克服上述缺点，模仿尾鳍摆动现象，利用变截面摆动振子和压电叠堆驱动，提出了根据泵分类学既不属于容积型泵也不属于回转型泵的仿尾鳍式变截面摆动振子无阀压电叠堆泵。首先，从动量的角度分析了摆动振子和其所对应流体微团之间的相互作用，给出了驱动频率与泵流量的解析式；然后，对变截面摆动振子进行模拟分析与多普勒测振扫频实验研究；最后，进行了驱动频率与泵流量实验，并将实验结果与巴西 Cícero R. De Limaa 的实验结果进行了比较，泵流量提高了560%，从而证明了上述提案及原理的正确性与可行性。
 

关键词：仿尾鳍；变截面摆动振子；压电叠堆；无阀泵

0 引言
随着 MEMS 技术的高速发展，器件集成度越来越高，其单位面积的发热量也随之增高，致使器件局部温升显著。然而在一般情况下，温升与器件的运算速度成反比，器件因温升工作效率会陡然下降。传统的回转型风冷散热器因效率低、体积大以及电磁干扰严重等问题已经不能胜任高集成系统的散热工作。利用新原理、新方法开发低耗、低噪、高效、微型的新型散热装置成为各国学者研究的热点问题。
 

自从Toda 1979 年提出了利用压电陶瓷片弯曲振动驱动气流扰动以实现风冷散热的方法以来[1]，压电振动风冷散热的研究受到越来越多国内外研究者的注意，其方法正在逐步成为微小型电脑、燃料电池、移动电话等高集成度电子产品的散热方案之一[1-7]。

近几年，韩国的Ju Hyun Yoo[2]、我国的周铁英[3]、千学著[4]、美国的Sudipta Basak[5]等人分别进行了压电片弯曲振动驱动气流散热方面的理论与实验方面的研究。2007 年，巴西的Rog´erio F. Piresa、Cícero R. De Limaa 等人进行了仿鱼尾摆动结构效仿性压电泵的研究[6, 7]。但是文献[6][7]也未对泵的工作原理做出明确深入的研究。

本研究小组受上述研究成果的启发，进行了压电片弯曲振动驱动流体以实现无阀压电泵功能的研究。弯曲振动形式较传统的流阻差式容积型无阀压电泵具有极大的驱动优势。弯曲振动形式连续产生驱动力，而传统的无阀压电泵具有周期性和波动性。

但是，在实际试制过程中，除个别结构设计获得成功外，其他大多数结构与装置均效果不佳。究其原因：（a）在空气中压电片弯曲振动的振幅要比液体中的振幅大很多，针对液体要给予更大的驱动力；（b）散热功能既可以利用气流扰动，也可以利用气体的单向流动来实现，而液体泵只能依靠单向流动来实现；（c）迄今为止，上述散热冷却装置与液体泵的原理逻辑关系并未见研究与报道，只是进行了结构效仿。

基于对上述探索与研究的思考，本研究拟提出并开发一种新型的仿尾鳍式变截面摆动振子无阀压电叠堆泵。

6 结论
（1）通过压电片弯曲振动驱动流体实验研究发现：驱动流体需要更大的力和振幅；驱动流体只能依靠离心力实现；驱动流体的原理尚未明确被研究。基于此，本文模仿尾鳍摆动现象，利用变截面摆动振子和压电叠堆设计，提出了根据泵分类学既不属于容积型泵也不属于回转型泵的仿尾鳍式变截面摆动振子无阀压电叠堆泵。
（2）分析并判断得到：驱动仿尾鳍式变截面摆动振子无阀压电叠堆泵的动力来源于往复部分圆周摆动的变截面摆动振子所产生的离心力；并从动量的角度分析了摆动振子和其所对应流体微团之间的相互作用，给出了驱动频率与泵流量的解析式。
（3）进行了有限元模拟计算与多普勒测振扫频实验，得到了摆动振子在水中的一阶弯振和二阶弯振振型与振幅的具体数据，模拟计算值和扫频实验值相比较：端部振幅一阶相差
83%，二阶相差51%。
（4）进行了驱动频率与泵流量实验，理论解析值和实验值相比较：驱动频率为1370Hz，二阶弯振时，泵流量相差54%。在30mm 水柱背压，80V 电压时，二阶弯振的泵流量可达560ml/min，和文献[7]相比，流量提高了560%。

[参考文献] (References)
[1] TODA M. Theory of air flow generation by a resonant type PVF2 bimorph cantilever vibrator[J]. Ferroelectrics,1979, 22: 911-918.
[2] YOO J H, HONG J I, CAO W. Piezoelectric ceramic bimorph coupled to thin metal plate as cooling fan for
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[3] YANG X, ZHOU Z, YE X, et al. MICRONANOELECTRONIC TECHNOLOGY [J]. 2003, 40(7): 378-381.
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[6] ROGERIO F. P, SANDRO L. V, AMAURY R. D O, et al. Water cooling system using a piezoelectrically
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[7] CÍCERO R. D L, SANDRO L. V, ANDRES C, et al. A biomimetic piezoelectric pump: Computational and
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