微流控中的压电致动器：多层陶瓷如何重新定义微阀和微泵

1.为什么精密流体技术越来越不容忽视
2.多层压电陶瓷有何不同之处
3.压电微型阀：实现流体切换
4.压电微型泵：高精度机械泵送流体
5.与Bestarsensor合作
6.压电流体技术的未来

为什么精密流体技术越来越不容忽视
过去十年间，小型设备的流体处理技术发生了翻天覆地的变化。芯片实验室的设备不再是上世纪80年代的产物了。 大学实验室里的玩具。它们被用于即时检测设备、可穿戴血糖监测设备和手持式药物输送设备。如今，纳升级流体控制不再是小众需求，而是标准需求。越来越多的产品类别都将其视为标准需求。
这的确是一项工程挑战。输送少量液体或气体时，需要体积精确、响应迅速、功耗极低且体积小的执行器。在高速度和小泄漏的情况下，严格的公差要求则需要传统的电磁阀和旋转泵。它们重量大、耗电量高，而且在封闭或空间受限的环境中，由于机械磨损，使用寿命较短。
开发下一代微流控技术需要不同的视角。多层压电陶瓷正好填补了这一空白。在本篇博文中，作者将探讨压电致动器如何在微型阀和微型泵中应用，以及为什么多层陶瓷叠层是工程设计中从概念到生产的首选致动器。

是什么造就了 多层压电陶瓷 不同的
压电材料在施加电压时会产生运动。其物理原理已被广泛接受。多层堆叠结构是微流控技术变革的关键所在。
为了实现有效的位移，单层压电陶瓷片需要足够厚，并施加高电压。这对于使用电池供电的便携式设备来说是不可行的。多层方案解决了这个问题：许多薄陶瓷层在物理上串联，在电气上并联。每层对位移的贡献很小。这些微小的位移组合起来就构成了一个相对有效的位移，而所有这些部件都可以由标准的微控制器驱动。
对于设计工程师而言，这意味着什么呢？
响应速度。 压电致动器s 的驱动响应时间在毫秒级。无需线圈充电，无需衔铁拉动，也无需克服液力耦合。施加脉冲电压时，陶瓷片就会移动。高频脉冲流量控制就是如此；在这种情况下，电磁阀（其对流量控制信号的滞后似乎过大，难以发挥作用）就不适用了。
功耗。在过渡阶段（即实际运动时），大部分电流用于驱动压电元件。然而，它有一个目标位置，即使保持在该位置，其直接功耗也微乎其微。陶瓷元件是一个容性负载。当与能够长时间保持阀门开启或关闭状态的设备结合使用时，这一特性直接转化为更长的电池寿命。电磁阀在通电期间始终消耗电能，而压电阀则不会。
物理尺寸方面，例如，多层堆叠式致动器可以实现极小的尺寸。这种致动器体积小巧，仅几立方毫米，非常适合微型阀门应用。这为集成提供了更多可能性，而这些可能性以前只有电磁式致动器才能实现。
Bestar传感器的多层压电陶瓷设计旨在实现堆叠层上的均匀极化和各层厚度一致。这些制造信息至关重要，因为如果各层的特性发生变化，最终导致不一致，则系统将出现非线性位移响应。

压电微型阀：实现流体切换
微型阀门用于特定用途，例如控制流体通道的通断。听起来很简单，但在芯片实验室或一次性药物输送贴片这样的规模下，其细节很快就会变得非常复杂。
1. 执行器驱动阀门的方式
直驱式压电微型阀利用致动器驱动薄膜。该薄膜要么密封在阀座上，要么上升离开阀座，从而打开流道。力由压电元件产生，并通过薄膜传递到流体通道。该阀无需电磁线圈、动铁或润滑密封件。
最终，这种阀门可以执行数百万次循环而不会对执行器造成任何机械磨损。膜片是易损件，而对于要泵送的特定最终流体，选择合适的膜片只是一个简单的材料工程问题。
2. 零死体积设计
在正常使用过程中，阀门内流动但未被移动的流体称为“死体积”。在大多数情况下，死体积无关紧要。但在微流控领域，死体积却至关重要。诊断试剂盒中使用的试剂成本很高。药物输送系统植入物需要精确输送药物剂量。阀门死腔内静止的液体会导致试剂浪费和剂量误差。
由于膜片可以紧贴表面通道，因此压电直驱阀可以实现极低的死容积。膜片与阀座之间的距离非常小。虽然其他执行器技术也能实现这种几何结构，但会牺牲力输出。
3. 与不同介质的兼容性
实际产品用途远不止于输送饮用水。全血、缓冲盐溶液和诊断系统的试剂混合物也需要使用。药物输送系统需要处理生物体液以及活性药物成分。分析仪器中用于气体流量控制的载气会接触到腐蚀性气体。
在设计精良的阀门中，压电元件本身并不与流体接触。陶瓷和电极结构通过膜片和阀体与流体路径隔离。这是因为膜片和阀体材料有多种选择，例如硅胶、聚四氟乙烯（PTFE）、耐化学腐蚀聚合物和不锈钢。可以根据所需的功能选择合适的材料，而不会限制执行器技术。

压电微型泵：高精度机械泵送流体
微型泵不仅仅是一个开关。它能主动地将流体从一个位置泵送到另一个位置，克服一定的背压。压电泵送法基于同样的简单机制：每次膜片受到周期性的机械位移时，流体就会流过腔室。
1. 泵循环的工作原理
执行器的运动带动膜片向下移动，增大泵腔容积。流体从入口吸入。然后执行器反向运动，使膜片向上弯曲，挤压泵腔。流体随后在压力作用下从出口排出。由于入口和出口处均设有止回阀，因此流体流动是单向的。该循环快速进行，从而产生连续且计量的流体流。
流量由循环频率乘以每个循环的排量得出。这两个参数均由驱动电子设备在机载层面控制。这样无需更换硬件即可轻松改变流量。
2. 有阀泵与无阀泵
并非所有微型泵都带有止回阀。有时需要使用带阀泵，有时则需要使用无阀泵，这取决于您的泵送操作以及操作的具体要求。
带阀泵在进出口处各有两个物理止回阀，例如挡板阀、球阀或碟阀。这些止回阀能够有效防止回流，并使泵能够在更高的出口压力下运行。当下游阻力较大，且系统需要在泵循环之间保持压力时，带阀泵是合适的压力阀组件。另一方面，阀门结构较为复杂，如果存在尺寸超过特定限值的颗粒物，则可能发生堵塞。
不含机械运动部件的泵利用流道几何形状来引导流体流向特定方向。除了泵膜之外，没有其他运动部件。这确保了它们能够有效抵抗颗粒物和生物物质的干扰，而这些物质会阻碍机械阀门的正常工作。这种权衡导致背压性能降低，并存在一定程度的双向泄漏。在某些应用中，例如混合或输送流体且无阻力，或者处理更复杂的生物流体时，无阀式流体输送系统可能更为适用。
3. 选择微型泵之前需要考虑的事项
对于大多数微流控应用而言，最重要的参数是流动稳定性。任何往复式泵系统都具有脉动特性，其脉动幅度对下游过程至关重要。流动脉动会影响均匀性、反应完整性和传感器精度。应注意泵的脉动特性，必要时在泵下游设计额外的阻尼容积。
压力能力是指泵在特定通道几何形状中推动流体的能力。微流控通道，尤其是亚毫米级的通道，阻力很高。在确定泵的设计方向之前，应计算通道阻力，并将其与所需泵的额定压力进行比较。

与 Bestarsensor 合作
Bestar传感器 是一家生产用于微流体和精密工业应用的多层压电陶瓷致动器的制造商。我们提供的服务远不止产品数据手册。在概念阶段， Bestar传感器 已加入设计团队，以便对执行器在实际应用中的性能进行建模。 Bestar传感器的过程控制管理执行器之间的一致性；这一要求对于微流体计量应用而言比几乎任何其他程序都更为关键。
请尽快联系我们，讨论您的执行器方案。 Bestar传感器 尽快找到合适的多层压电陶瓷致动器。

压电流体技术的未来
压电致动器并非一项新技术。这项新技术的关键在于其制造精度，使得多层堆叠式致动器能够达到便携式医疗和分析设备所需的规模和成本水平。其低持续功耗、快速响应时间和紧凑的物理尺寸，以及长循环寿命，完美契合可穿戴医疗设备和芯片实验室平台的需求。
Bestar传感器 提供执行器控制组件，支持应用设计和工程，并跟进从初始设计到验证后的批量生产。