有阀微泵集成制造技术研究

有阀微泵集成制造技术研究

刘鑫雨  苗晓丹  李小雨  周美含

上海工程技术大学  201620

摘要

微泵可广泛应用于药物输送、血液运输、微型卫星推进系统等领域，具有巨大的市场应用价值。在医学领域，常见的胰岛素泵通常是柱塞式微泵，该微泵结构复杂，制造困难，价格较高。在国内外微泵的研究基础上，本文提出一种有阀式电磁驱动微泵，该微泵主要由悬臂梁，PDMS薄膜，衔铁组成，工作时通过电磁力的作用，使薄膜发生一定的形变,以改变泵体内容积的大小，实现对流量的精确控制。

关键词：微泵，悬臂梁阀门，电磁驱动

0引言

糖尿病是全球患病率最高的慢性病之一，通过胰岛素泵连续微量输注是一种常见的治疗方法。常见的胰岛素泵通常是柱塞式微泵，这种微泵的核心部件为特制的微型步进电机，该种电机制造困难，造价高昂。而微泵可以用来微量泵送胰岛素，简单方便地帮助糖尿病患者控制血糖，降低成本[6]。因此本文将拟针对电磁驱动的悬臂梁阀门微泵开展设计。

1电磁驱动微泵的设计与研究

1.1 整体结构设计

电磁驱动悬臂梁微泵的整体结构可以分为两大部分，上部分由一个安装在支架上的U形的铁芯和缠绕在上面的线圈组成，当它通电时，将产生电磁力驱动位于其正下方的衔铁；位于下部的泵体是一个方形的开口容器，在底部有两个开口作为进口和出口，开口外有两个连接头用于连接外部的管道，方形容器的开口部分被PDMS薄膜封住，衔铁将使用粘合剂固定在PDMS薄膜上。

图1 微泵整体结构示意图

1.2衔铁材料的选择

衔铁的材料会影响电磁驱动系统的性能、微泵的泵送性能及成本[2]。本文拟选用低碳钢、硅钢、不锈钢作为备选材料。

1.3薄膜的选择

电磁驱动微泵中薄膜的材料选择主要集中在二氧化硅、玻璃、金属及部分聚合物[3]。其中，PDMS薄膜材料可根据应用场景、应力大小调整弹性模量变化，具有很好的柔韧性和拉伸性。因此，本文采用PDMS薄膜材料作为电磁驱动微泵的薄膜材料。

1.4微泵的阀口结构设计

由于微泵的驱动结构较小，因此本文设计中主要采用被动型的微阀。悬臂梁阀门能够有效保证泵体的回流变化现象不会反复出现,使泵体接近阀口处的泵体流量变化能够长期保持稳定的状态[4]。故而，本文采用悬臂梁式作为泵体微阀。

1.5悬臂梁阀门的设计及材料选择

在本设计中悬臂梁阀门的材料将选择聚乙烯，它拥有制备工艺成熟，价格低廉等优点[5]。

2电磁驱动微泵的理论分析

2.1 磁场强度的分析与计算

本文设计的电磁驱动微泵主要是依靠载流线圈产生的磁场与薄膜上的衔铁间的电磁力实现驱动，从而影响PDMS薄膜的形变量。

将矩形载流线圈的中心作为坐标原点，建立如图所示的坐标系。将矩形载流线圈的边长设为2l，场点P的坐标为（x，y，z），此时轴线上磁场强度最高区域的磁场强度可由公式求出[1]，即

.                    

2.2 电磁力及薄膜形变的计算

将上式计算出的磁感应强度带入到下式

薄膜所受到的压强可简化成：

通过对磁场强度、电磁力以及薄膜形变进行理论分析得出的计算公式，为之后的仿真及测试打下基础。

3电磁驱动微泵的仿真分析

3.1 衔铁材料的仿真

从仿真结果可以看出低碳钢相较于其他两种材料在30A的激励下受到的电磁力较大且价格低廉，故选用低碳钢作为衔铁材料。

3.2 电磁驱动系统的仿真

Comsol软件将用于本文电磁仿真的有限元分析。将模型导入后，设置材料参数及磁场，开始求解，并得到以下仿真结果。

图3.2 电磁驱动系统的磁感应强度图

可以看到磁感应强度在外角和外侧较弱，于四个内角处最强。在线圈中心的磁感应强度也明显高于其他部分。通过仿真发现在X,Y轴方向上的电磁力可以忽略不计，因此只考虑Z轴方向上的力，

随着施加的激励增大，在安匝数的范围为5到20A时，电磁力在21.7到346.5的范围平稳增加，无明显拐点。

3.3 薄膜形变的仿真

将建立好的薄膜模型导入到ANSYS中，并将PDMS薄膜的材料参数输入。将模型导入之后生成网格，调整合适后开始求解。PDMS薄膜所受的力与PDMS薄膜形变量呈正相关。由于泵腔的最大深度为1.5mm，当电磁力驱动衔铁对PDMS薄膜产生的形变量达到1.5mm时，薄膜的形变量就达到了理论的最大值，此时衔铁受到的力大约为600，在这之后即使施加更大的力，形变量也不会变化。

4微泵的输出特性

选用树脂材料3D打印制造泵体，泵膜材选择为PDMS，0.4mm直径的铜芯漆包线作为线圈以及低碳钢作为衔铁材料进行实物测试。将一侧软管连接泵体入口与储液池，经观察发现，在电磁驱动作用下，PDMS薄膜发生形变，但由于实验环境不理想，存在薄膜张力及材料、气压的影响，导致泵体出口处流量较小且不稳定，入口处软管中仅有液体上升趋势。

图4.1 微泵的实物测试

5总结

本文基于Solidswork、Comsol及Ansys软件设计了一种悬臂梁式的有阀电磁驱动微泵，通过驱动电磁驱动系统产生电磁力影响薄膜形变从而控制流量的输入与输出，经测试后发现其能够实现液体的流出吸入，但由于薄膜张力、气压等现实因素的影响，导致流量控制的精度及稳定性仍存在一定问题，希望能得到更多研究者的帮助解决。

参考文献：

[1] 徐迎华,李伟,闫卫平,李杰超,肖良平.磁力驱动微泵设计及优化[J].测控技术,2015,34(09):5-8.

[2] 王晓娜,张亚军,庄俭,吴大鸣.微型泵的研究与发展[J].流体机械,2010,38(07):32-37.

[3] 苏宇锋,陈文元,崔峰.一种新型电磁驱动微泵的设计与制作工艺[J].新技术新工艺,2005(02):27-29.

[4] 刘本东,张震,李德胜.微泵的分类及其研究的最新进展[J].北京工业大学学报,2018,44(06):812-824.

[5] 尹执中,胡桅林,过增元.悬臂梁式微型阀的启动和过流特性[J].传感技术学报,2000(01):1-6.

[6] 尹华飞. 基于压电驱动的胰岛素给药微泵研究[D].哈尔滨工业大学,2017.