[发明专利]压电致动器和微流体设备

说明书

本发明涉及压电致动器以及涉及微流体设备，诸如微型阀或微型泵。压电致动器(100)包括可挠曲的致动器膜(102)以及至少一个压电元件(104A，104B)，至少一个压电元件可操作用于根据施加到压电元件的电场进行膨胀和收缩运动(106)，其中，压电元件附接到致动器膜的一部分，以用于对膜施加机械力。根据本发明，压电元件使膜的中心区域敞开并且具有与致动器膜的轮廓不一致的外围轮廓。

技术领域

本发明涉及压电致动器和微流体设备，诸如微型阀或微型泵。

背景技术

数十年来，压电膜致动器已经被用于提供精确运动、强力、和低能量性能。提出了多种配置(诸如压电单晶片致动器、压电双晶片致动器、层叠致动器等)来改善这些致动器的性能以及提高这些致动器的寿命。这些致动器中的大多数致动器采用压电材料的多层结构的形式，其中作为主动组件的压电材料安装在作为被动膜的其他材料(诸如金属、聚合物或玻璃)上。由于其固有机电特性，当施加外部电压时，压电材料中会产生应变，这会在压电材料中的应变受到被动层的限制时导致弯曲力矩。做了许多研究来改善这些致动器的性能，例如通过优化多层致动器的弯曲力矩与刚度的比率。其他人已经尝试通过以各种阵列或螺旋形状改变致动器的金属化层和电极来优化所施加的电场。

图29至图31示出了处于三种不同的操作状态的常规压电致动器10。为了研制压曲的致动器膜12，已知将膜12(还通常称为“隔膜”)夹置在两个压电环14A、14B之间，其中膜12和压电元件14A、14B具有恒定厚度的扁平结构，并且膜12具有与压电元件14A、14B的外部尺寸相同的外部尺寸(也可参见例如出版物[1]至[9])。

此外，出版物[10]公开了一种压电致动器，该压电致动器包括：压电元件，用于根据电场条件执行膨胀/收缩运动；基座，所述压电元件粘附到所述基座的至少一个表面上；以及支撑构件，用于支撑所述压电元件和所述基座，其中，所述压电元件和所述基座根据所述压电元件的膨胀/收缩运动而上下振动。所述基座通过刚性小于所述基座的振动膜连接到支撑构件。然而，该环绕膜仅是用于提供环绕支撑的被动材料，而不是引起和控制弯曲力矩和压曲力的主动膜。

此外，出版物[11]的目的是提供一种用于补偿低产生力和小位移的方法，其是现有压电弯曲致动器的缺陷。另外，该文献的目的是提供一种能够精确控制产生力和位移的压电弯曲致动器。根据一实施方式，该压电弯曲致动器包括：压电板，其包括条状的压电陶瓷；和底板，其附接到压电陶瓷的下侧并且长于压电陶瓷；以及压缩构件，其位于压电板的两个端部上并且可以平行于纵向方向压缩压电板。当压缩构件在没有电场的情况下压缩压电板的两侧时，压电板在一个方向上压曲。在存在电场的情况下压电板在另一方向上压曲。然而，压缩构件不是压电元件。

出版物[12]涉及使用非线性压曲梁的压电能量采集。一种能量采集器包括框架，该框架具有基底、固定到基底的第一侧构件、和固定到基底且与第一侧构件间隔开的第二侧构件。梁被联接在框架的第一侧构件与框架的第二侧构件之间。梁具有基体层，该基体层具有固定到框架的第一侧构件的第一端、固定到框架的第二侧构件的第二端、第一面、和与第一面相对的第二面。基体响应于振动力可弹性变形。梁还包括第一压电层，该第一压电层接合到基体层的第一面并且具有用于电连接到负载的端子，该第一压电层包括至少一个压电片。文献[12]的图1中描述的框架仅提供用于产生压曲的被动刚性支撑，而不具有应用和控制弯曲和压曲的主动作用。

最后，出版物[13]公开了一种压电微型泵，其中，泵室被隔膜分隔。压电元件设置在隔膜的后表面上，隔膜通过压电元件的弯曲变形而变形以改变泵室的体积并且在泵室中运输流体。提供了用于支撑压电元件的后表面的支撑构件，使得支撑构件抑制隔膜的外围部分在相反方向上弯曲。因此，支撑构件防止压电元件浮动。相应地，在泵室的体积改变时，可以可靠地传输压电元件的移位，由此提高流体运输性能。然而，文献[13]的图8中示出的构件1d描述了阻止件(支撑构件)，而不是主动压电构件。