實驗名稱：高壓放大器基于集成壓電微泵一體式熱沉驅動性能研究

研究方向：一體式熱沉的驅動性能

實驗內(nèi)容：

設計搭建了一體式熱沉驅動性能測試平臺，重點測試了驅動參數(shù)、裝配結構參數(shù)、腔體換熱結構三個方面因素對一體式熱沉的驅動性能的影響。

測試目的：壓電微泵一體式熱沉驅動性能研究。

測試設備：高壓放大器，驅動電源、液體泵送段、流量測試段、壓力測試段

實驗平臺搭建：

壓電微泵一體式熱沉驅動性能測試平臺，測試平臺由流量測試平臺和壓力測試平臺構成。流量測試平臺和壓力測試平臺的構成有較高的相似性，兩個測試平臺均由驅動電源、液體泵送段、測量段三部分組成，僅在測試段的儀器裝置存在不同。

1.驅動電源部分：

驅動電源由任意波形發(fā)生器和高壓放大器組成，可輸出不同峰值電壓、不同頻率的正弦波。在實際應用中，壓電振子的驅動往往只需要一種特定的驅動電壓和頻率參數(shù)。但在一體式熱沉驅動性能的研究中，需要驅動電源可以提供多種電壓和頻率的波形輸出，主要采用任意波形發(fā)生器 AFG3251+ATA-2210高壓放大器 ATA2210 串接實現(xiàn)。泰克 AFG3251 任意波形發(fā)生器具有一個通道，正弦波頻率范圍為 0~240MHz，取樣速率為 2Gs/s，最大輸出幅度為 5Vpp，ATA-2210 高壓放大器的電壓放大系數(shù)為 0~100，可以通過旋鈕調節(jié)放大倍數(shù)，并顯示放大倍數(shù)。

流量測試平臺

2.液體泵送段

液體泵送段由兩個可調升降臺、水箱、一體式熱沉固定臺、進口管道和出口管道組成。兩個升降臺用于分別調節(jié)水箱和出口管道的高度，用于保持水箱液面、出口管道、固定臺上一體式熱沉三者在同一高度。

3.測試段部分

（1）流量測試部分由燒杯、電子天平和計時器組成；

（2）壓力測試部分由壓差變送器、直流穩(wěn)壓電源、采集卡和電腦組成，一體式熱沉的輸出端通過三通閥與壓力變送器進行連接，三通閥的另一端連接于注射器上，注射器用于測試結束后泄去管中壓力。直流穩(wěn)壓電源給壓差變送器和采集卡供電，電腦用于記錄采集卡采集到的壓力數(shù)據(jù)。

壓力測試平臺

實驗過程：

影響一體式熱沉驅動性能的因素較多，驅動參數(shù)有驅動電壓和驅動頻率，結構參數(shù)有彈性元件的壓縮量(不銹鋼墊片厚度)和腔體換熱結構。各個變量對驅動性能的影響均相對獨立，不屬于交叉影響因素，因此采用控制變量法進行研究。所有驅動性能測試實驗參數(shù)設置如下圖所示。

實驗結果：

1、驅動頻率對驅動性能的影響：一體式熱沉在15Hz驅動頻率下流量達到最大值，在 45Hz 驅動頻率下流量達到第二大值，一體式熱沉存在兩個可工作的頻率段 10~20Hz 和 40~50Hz。泵壓測試表明，一體式熱沉在可工作頻率段內(nèi)的泵壓處于較大值，并未出現(xiàn)泵壓急劇下降的突變點；

2、驅動電壓對驅動性能的影響：一體式熱沉的流量和泵壓與驅動電壓存在良好的線性關系，流量和泵壓均隨驅動電壓的增大而增大，受限于壓電振子的最大驅動電壓 300Vpp，一體式熱沉在 300Vpp 時可獲得最大的輸出流量和泵壓；

3、彈性元件壓縮量對驅動性能的影響：裝配結構參數(shù)的測試表明，當彈性元件的厚度壓縮為 1.8mm 時，一體式熱沉具有最佳的輸出流量和泵壓；

4、換熱結構對驅動性能的影響：

（1）直翅片高度對驅動性能的影響：不同高度翅片的測試表明，一體式熱沉的輸出流量和泵壓均隨著翅片高度的增大而有所下降，基本型一體式熱沉 PZT-F1 具有最大的輸出流量和泵壓；

（2）翅片形狀對驅動性能的影響：側壁組合結構翅片的測試表明，隨著側壁組合圓弧和矩形密度的增加，具有側壁組合結構翅片的一體式熱沉的輸出流量和泵壓均有所上升，所有具有側壁組合結構翅片的一體式熱沉輸出流量和泵壓均大于具有同高度的直翅片的一體式熱沉 PZT-F4。

綜合結論：

在驅動電壓為 300Vpp、驅動頻率為 15Hz、彈性元件的厚度(墊片厚度 D)壓縮為 1.8mm 時，一體式熱沉具有最佳的驅動性能。腔體內(nèi)添加強化傳熱結構，在增大換熱面積的同時，均會造成一體式熱沉輸出流量和泵壓的下降。