12. Микронасосы

Одним из объектов МСТ являются микронасосы, т. е. устройства, предназначенные для перекачки малых объектов жидкости или газов. Они находили и находят все большее применение в системах химического анализа (медицина, мониторинг окружающей среды), принтерах, использующих капельный метод подачи чернил и пр. Такие микронасосы используют разные принципы функционирования. Их можно условно разделить на три группы: клапанные, бесклапанные, и не содержащие движущихся элементов конструкции (электродинамические и электрокапиллярные).

Клапанные микронасосы

По принципу действия они близки к обычным поршневым насосам: в рабочей камере создается последовательно давление или разрежение (так как это происходит в цилиндре под перемещающимся вверх-вниз поршнем) а система клапанов управляет направлением движения жидкости или газа. Надо только в микроскопическом объеме, пригодном для группового производства, решить традиционные задачи: создать периодически нарастающее и убывающее давление и организовать клапанами нужное движение.

Пьезоэлектрический возбудитель

В качестве источников давления в рабочих камерах микронасосов обычно используют пьезоэлектрические возбудители – тонкие диски (полоски) из пьезоэлектрика с парой напыленных электродов, наклеенных на тонкую диафрагму. Напомним, что эффект проявляется в изменении размеров пьезоэлемента при подаче электрического поля.

Если диск из пьезоматериала наклеить на тонкую диафрагму, то при подачи на электроды напряжения изменяющийся диаметр диска приведет к искривлению диафрагмы, как это показано на рис. 49. Это движение можно использовать для изменения объема рабочей камеры насоса (рис. 50).

E

LL+∆L

A+∆A

A

Рис. 49. Изменение размеров пьезоэлемента в электрическом поле

Рис. 50. Управление формой диафрагмы с помощью пьезоэлемента

“Перистальтический” микронасос

На рис. 51 представлен микронасос, содержащий три последовательно соединенные камеры с управляющими пьезоэлектрическими дисками. Движение жидкости соответствует “перистальтике” кишечника. Последовательность срабатывания рабочих мембран ясна из рисунка. Мембрана, создающая рабочее давление (расширение) в камере одновременно открывает и закрывает клапаны (в двух левых камерах они открыты, в третьей, правой - закрыты).

Рис. 51. Трехтактный микронасос

Двухклапанный поршневой насос

Усложнение конструкции клапана, а именно, закрепление его на подвижной диафрагме, позволяет существенно упростить конструкцию насоса: уменьшить число камер и возбуждающих дисков – вариантов много. На рис. 52 представлен двухклапанный насос с одним возбуждающим диском. Принцип работы ясен из рисунка.

Рис. 52. Двухклапанный микронасос

Термопневматический микронасос

На рис. 53 показан двухклапанный насос с термическим возбудителем вместо пьезоэлектрического. Для этого в нем сформирован электронагреватель (резистор) и герметичная камера, заполненная воздухом (в центре). Давление в камере определяется температурой нагревателя и управляет рабочей мембраной насоса, создающей давление в камере собственно насоса. Естественно, что производительность такого насоса невелика (рабочая частота ограничена тепловой инерцией нагревателя и пневмокамеры).

Рис. 53. Термопневматический микронасос