编辑推荐：
微型泵技术需要同时满足紧凑、低噪音、高压和高流量的要求，现有技术难以兼顾。本研究提出一种基于压电振动的第三阶对称模态新型微型空气泵，结合浮动膜阀设计，通过有限元和流体仿真优化结构，实验表明在21.4 kHz、40 Vpp驱动下，泵的最大流量达1.125 L/min，压力40.2 kPa，性能密度367.23 mL·Pa/(min·V·mm3)，并成功应用于可穿戴眼部按摩器验证。
Fang Lu|Yuzhe Zhou|Guangda Qiao|Jingjia Zhu|Guofang Gong|Huayong Yang|Dong Han
浙江大学机械工程学院，中国杭州310027
摘要
在微流体驱动和可穿戴气动设备中，对微型泵的需求不断增长，这就需要开发出紧凑、低噪音、高压且高流量的解决方案。然而，现有的微泵技术在同时满足所有这些关键性能指标方面存在困难。为了解决这一限制，本研究提出了一种新型压电空气泵，该泵创新地将一个以中心对称三阶模式工作的压电振动器与一种新型浮动隔膜止回阀结合在一起，以实现高效的超声驱动。三阶振动模式确保了共振频率超过20 kHz，从而实现了低噪音运行。同时，浮动隔膜止回阀具有高频响应性，有效抑制了回流，并提高了输出压力。本文详细阐述了泵的结构设计和工作原理，并通过模态分析和流场仿真验证了其有效性。此外，还通过实验研究了不同孔径分布对止回阀性能的影响，以优化输出特性。实验结果表明，在21.4 kHz、40 Vpp方波信号的驱动下，该泵的最大输出流量为1.125 L/min，最大压力为40.2 kPa。与现有文献相比，该泵在性能上有了显著提升，达到了367.23 mL·Pa/(min·V·mm3)的性能密度。此外，在可穿戴眼部按摩器上的热升实验和应用测试证实了其在可穿戴气动设备中的广泛应用潜力。
引言
近年来，微泵在生物医学、化学分析、微流体、燃料电池和微电子冷却等多个领域的广泛应用极大地推动了相关研究的发展[1]、[2]、[3]。通过利用电磁[4]、电液动力学[5]和压电[6]、[7]、[8]、[9]、[10]等多种驱动原理，研究人员开发出了多种微泵设计。其中，压电泵因其紧凑的尺寸、低功耗、快速响应以及对电磁干扰的免疫力而受到特别关注[11]。
目前，压电泵主要分为无阀型和有阀型两种[12]。无阀泵因其结构简单且易于微型化而受到青睐，因此在相关领域得到了广泛研究[12]、[13]。这些泵通常采用类似的压电振动器结构，主要区别在于泵腔和进出口结构的设计[14]、[15]、[16]、[17]。研究人员通过集成扩散喷嘴[18]、[19]、[20]、特斯拉阀[21]、[22]、合成喷射原理[23]、[24]、[25]及其组合[27]、[28]，开发出了多种无阀压电泵。例如，Li等人提出了一种由双压电振动器驱动的花瓣形通道合成喷射压电空气泵，在100 V电压下可实现3.0088 L/min的最大流量[29]。然而，其3.7 kHz的工作频率会产生可听噪声，限制了其应用范围。为了降低噪声，压电泵理想的工作频率应超出人类听觉阈值（20–20,000 Hz）。然而，极低的频率会降低输出性能；因此，大多数研究人员选择了20 kHz以上的工作频率[30]、[31]。例如，Wang等人开发了一种超声驱动的压电气体喷射泵，利用压电换能器产生的近场超声激发气体振荡，通过合成喷射原理实现定向气体输送。在80 Vpp和20.4 kHz的条件下，该泵的流量为0.39 L/min[32]。在最近的研究中，另一个团队[33]通过在进气管道中加入特斯拉阀结构，使泵在60 Vpp和20.65 kHz的激励下实现了1343.9 mL/min的最大流量。这些进展有效满足了电子设备冷却中对高流量、低噪音和低驱动电压的综合要求。
有阀泵则包含主动[34]或被动止回阀[35]、[36]、[37]、[38]，其结构比无阀泵更复杂。虽然止回阀的存在会增加流动阻力，从而降低流量（相比合成喷射无阀泵），但它们能有效防止回流，特别是在高压条件下[39]。因此，提供更高输出压力的有阀泵被用于特定的流体处理和可穿戴气动设备中，如血压监测仪、吸奶器和负压引流系统。例如，Li等人开发了一种由压电堆栈执行器驱动的压电主动阀泵，实现了242 kPa的压输出，适用于高功率微流体应用，如无人机液压系统[34]。然而，其较大的体积、相对较低的流量（345 mL/min）以及在约2 kHz的工作频率下产生的可听噪声限制了其应用范围。为了解决这些问题，Ni等人创新地利用了压电振动器的独特变形特性与微间隙进气腔设计相结合，使压电振动器同时执行流体驱动和主动止回阀功能[40]。这种泵运行时无声，可在40 V和23.642 kHz的条件下提供144 mL/min的气流量和40 kPa的压力，尺寸仅为16 mm × 16 mm × 5 mm，显示出在可穿戴医疗设备（特别是血压监测）中的巨大集成潜力。为了提高有阀泵的流量，Wang等人开发了一种带有被动止回阀的超声压电空气泵，在80 Vpp方波信号和20.3 kHz的条件下实现了1312 mL/min的最大流量[41]。然而，其输出压力仅为14.6 kPa，是一个明显的局限性。总体而言，现有研究难以同时满足紧凑尺寸、静音运行、高流量和高压的综合性能要求[42]。
为了解决这一研究空白，本研究提出了一种高压、高流量的压电空气微泵，其特点是采用了创新的止回阀设计和中心对称的三阶振动模式。压电振动器在超声频率下共振工作，确保了静音运行。结合模块化的被动止回阀，该设计结构简单紧凑，便于大规模生产。本文的后续部分安排如下：首先介绍所提出泵的结构设计和工作原理，然后利用有限元仿真软件对压电振动器进行模态分析，并对泵进行计算流体动力学仿真。最后，通过实验验证其输出性能，并评估其在可穿戴气动设备中的应用可行性。
设计和工作原理
本研究提出的超声压电泵具有紧凑的结构特点，如图1所示，展示了其整体设计示意图。泵主要由三个部件组成：外壳、超声压电振动器和止回阀。气体入口和出口分别位于端盖和泵体上。压电振动器作为核心驱动元件，通过粘合制成
模态分析
为了降低噪声，所提出的压电泵需要压电振动器在超声频率范围内共振工作。使用有限元软件ANSYS进行了模态分析，以优化结构设计和材料选择。模拟中使用的压电陶瓷的关键材料属性和核心参数分别列于表1和表2中。几何形状主要采用
实验装置
为了研究所提出压电泵的输出特性，构建了一个用于驱动和性能测试的实验平台，如图6所示。驱动系统由信号发生器（RIGOL DG1032Z，30 MHz）和功率放大器（Aigtek ATA-214）组成。信号发生器产生高频方波信号，然后由功率放大器放大以驱动压电振动器。阻抗分析仪（ZX70A-500 kHz）用于
结论
本研究提出了一种带有新型浮动隔膜止回阀的超声压电空气微泵。该设计结构简单紧凑，适合低成本大规模生产。通过综合数值仿真和实验表征对该微泵进行了研究。主要结论如下：
- (1)
模态仿真用于指导压电振动器的材料选择和结构设计。
作者贡献声明
Guangda Qiao：撰写 – 审稿与编辑，方法论。Guofang Gong：撰写 – 审稿与编辑，监督。Jingjia Zhu：资源获取，项目管理。Dong Han：撰写 – 审稿与编辑，资源获取，项目管理，资金筹措，概念构思。Huayong Yang：概念构思。Yuzhe Zhou：软件开发，形式分析。Fang Lu：撰写 – 原始草稿，可视化，验证，方法论，实验研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号52475075）和中国国家重点研发计划（项目编号2022YFC3802302）的支持
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
Fang Lu1996年出生于中国江西。他于2019年获得华中农业大学的学士学位，目前在中国杭州的浙江大学机械工程学院攻读机电一体化工程博士学位。他的研究方向包括电磁微执行器、微阀门和压电微泵。
