專利名稱：一種壓電致動(dòng)器和使用壓電致動(dòng)器的泵的制作方法
本申請要求具有于2000年9月18日(18/09/00)提交的美國臨時(shí)專利申請No.60/233248的優(yōu)先權(quán)。
II.美國專利Nos.6179584，6213735，5271724，5759015，5876187，6227809顯示了所謂的微型泵。這種泵一般一次泵一滴流體，因?yàn)槠浜苄〉牧秃艿偷睦字Z數(shù)，這些現(xiàn)有技術(shù)一般來說與本發(fā)明無關(guān)。
III.美國專利Nos.4034780，4095615顯示了擋板閥。其中的擋板固定在分開的鉸鏈上。未在現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)現(xiàn)帶有微型泵的柔性閥。
IV.美國專利Nos.5084345，4859530，3936342，5049421顯示了用于多種目的的聚酰亞胺膠粘劑，包括將金屬和其他材料粘結(jié)到膜。
V.美國專利Nos.4939405，5945768顯示了壓電致動(dòng)器的電驅(qū)動(dòng)電路。
VI.美國專利Nos.6227824，6033191，6109889，德國的國際專利申請WO 87/07218顯示了結(jié)合壓電致動(dòng)器的各種泵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種制造大位移鐵電致動(dòng)器的方法，在本申請中是壓電致動(dòng)器的制造方法。該壓電致動(dòng)器可用作小型膜片泵的膜片。這種泵體積小、重量輕、安靜和高效。泵的最好型式為圓形，直徑為大約40mm(1.5英寸)，大約13mm(0.5英寸)厚，重量大約為35克(1盎司)，每分鐘可泵450毫升的水或其他流體。這種泵送速率的實(shí)現(xiàn)是通過使用6伏電池在25毫安下驅(qū)動(dòng)大約為25毫米邊長正方形的小型電子驅(qū)動(dòng)電路。該電路構(gòu)成本發(fā)明的一部分。操作本發(fā)明必須的單向閥是柔性閥，其中聚酰亞胺薄膜用作工作元件。
泵的尺寸取決于特定的應(yīng)用場合。在最好的模式中，泵體12的直徑大約在40mm(1.5英寸)。泵腔30在泵體的中心形成?？赏ㄟ^模制或機(jī)械加工來形成。泵腔30的直徑大約為28mm(1.125英寸)或比壓電致動(dòng)器14的直徑小大約3mm(1/8英寸)。泵腔30有大約6mm(0.25英寸)深。在泵體12上泵腔30頂部設(shè)置了寬為大約3mm(0.125英寸)、深度為大約2mm(0.070英寸)的泵座32。如圖2所示，壓電致動(dòng)器14固定在泵座32上形成在泵腔30頂部的膜片。
為安裝泵，先將直徑與壓電致動(dòng)器相同的密封墊圈34放置在泵座32上，以便當(dāng)壓電致動(dòng)器14位于適當(dāng)位置時(shí)密封泵腔。密封墊圈34由比較軟的材料制成，如丁納-N橡膠或硅橡膠，以處理配合面上出現(xiàn)不規(guī)則的情況和保證壓電致動(dòng)器14和泵體12之間有良好的密封。一旦壓電致動(dòng)器14位于適當(dāng)位置，將O形密封圈36設(shè)置在壓電致動(dòng)器14的頂部，將壓電致動(dòng)器14保持在適當(dāng)位置并將其密封與泵蓋16分開。然后將與泵體12具有相同外徑的只有大約1/8英寸厚的泵蓋16放置到適當(dāng)位置。密封墊圈34和O形密封圈36整體稱為泵密封，即使都有將壓電致動(dòng)器14固定到相對泵體12的適當(dāng)位置的功能。泵蓋16在加壓的條件下固定到泵體12，例如在夾緊壓力作用下通過膠粘劑，以密封壓電致動(dòng)器14到泵體12并固定壓電致動(dòng)器14到適當(dāng)位置，使泵可以工作。
制造壓電致動(dòng)器14的工藝通常如下使用可從Morgan Electro Ceramics公司獲得的PZT5A多晶鐵電材料制成的壓電晶片38，如其名所表示的該材料實(shí)際上是陶瓷。如圖2所示，通過在金屬基底層40和外金屬層42之間層壓壓電晶片38形成大位移壓電致動(dòng)器14，其中為了更清晰，對三層的厚度和其間的膠粘劑作了放大。在層38和40之間的粘結(jié)劑41是聚酰亞胺膠粘劑。這種層壓工藝實(shí)現(xiàn)了許多功能。使壓電致動(dòng)器更堅(jiān)固，因?yàn)榻饘賹涌杀３謮弘娭聞?dòng)器在大位移的條件下免于破碎。因聚酰亞胺膠粘劑較低的介電常數(shù)而耐受更高的電壓，因此可施加比傳統(tǒng)壓電片高3-5倍的位移。使用高性能的聚酰亞胺膠粘劑在金屬層之間進(jìn)行層壓使壓電致動(dòng)器具有很高的抗沖擊和振動(dòng)的性能。這樣本發(fā)明的壓電致動(dòng)器裝置可以用于連續(xù)200℃高溫的環(huán)境，比較傳統(tǒng)的壓電片，其只有115℃。溫度的明顯提高是由于粘結(jié)工藝的聚酰亞胺膠粘劑不受高達(dá)200℃溫度的影響。傳統(tǒng)的壓電片所使用的環(huán)氧樹脂膠粘劑一般只能耐受115℃的溫度。操作溫度的增加可使本發(fā)明的泵用于不同場合，甚至可連續(xù)地泵送沸騰的水。
具有不同形狀和厚度的壓電晶片38可以從上面提到的廠家買到?？梢园l(fā)現(xiàn)本發(fā)明的直徑為25毫米(1英寸)厚度為0.2毫米(0.008英寸)的圓形晶片是最佳的。試用了正方形晶片，但不能得到最大的位移。一般來講，晶片越薄，在給定電壓下的位移越大。但力就降低。0.2毫米(8密耳)厚對于該直徑晶片有最大的流動(dòng)速率。
在最佳模式中，厚度為0.1mm(0.004英寸)的不銹鋼用作基底層40，該層與泵送的液體接觸。選擇不銹鋼是因?yàn)槠渑c包括水的許多液體的兼容性，抗疲勞性，導(dǎo)電性和容易以低價(jià)獲得。厚度為0.05mm(0.001英寸)的鋁可用作外層42，這主要是因?yàn)槠湎驂弘娋?8整個(gè)表面?zhèn)鲗?dǎo)促動(dòng)電壓的導(dǎo)電性能，還因?yàn)槠鋱?jiān)固和容易以低價(jià)格獲得。
壓電晶片38的直徑是大約25毫米(1英寸)，如上所介紹的，基底層40的直徑大約是40毫米(1.25英寸)。晶片38從基底層40的邊回縮一些是本發(fā)明的重要特征。這樣就留出了可用作致動(dòng)器組件夾緊表面的邊。這意味著整個(gè)壓電晶片38是自由的并相對不受約束。除非當(dāng)粘結(jié)到基底層40和外層42時(shí)。這使得壓電致動(dòng)器14具有最大的位移，可使流過泵的液體有最大流量。
外層42的直徑比晶片38的直徑小。外層42從晶片38的邊回縮一些是為了防止驅(qū)動(dòng)電壓在外層42到基底層40形成電弧放電。
其他的材料和其他的厚度可用于封裝層40和42，只要能滿足所提到的要求。
應(yīng)當(dāng)注意到本發(fā)明的壓電致動(dòng)器是平面的?，F(xiàn)有技術(shù)中的大部分是圓頂形的，這種平面形致動(dòng)器可以產(chǎn)生最大的位移，從而對于給定尺寸的致動(dòng)器泵的容量最大。擴(kuò)展應(yīng)用特定的模具和方法來制造這種認(rèn)為是必須的致動(dòng)器形狀，或在致動(dòng)器上施加預(yù)應(yīng)力，這被認(rèn)為可增加位移。本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)顯示出圓頂不是必須的，對于給定尺寸，平面致動(dòng)器比現(xiàn)有技術(shù)中任何已知泵具有更高的泵送能力。而且這樣的泵非常簡單，可大規(guī)模地生產(chǎn)，如在下面將討論的。平面形還意味著對于給定的應(yīng)用尺寸可以更小。對于任何給定的場合，平面致動(dòng)器還比圓頂致動(dòng)器本質(zhì)上更容易進(jìn)行安裝。另外，使用致動(dòng)器的泵對于連續(xù)使用已經(jīng)顯示出具有相當(dāng)長的壽命。許多家喻戶曉的制造商正在使用和實(shí)驗(yàn)本發(fā)明。
制造壓電致動(dòng)器14的具體工藝如下1.使用不會留下殘余物的溶劑，如乙醇或丙酮，清洗壓電晶片38和封裝金屬層40和42。必須清除全部的油、油脂、灰塵和指印以保證良好的粘結(jié)。
2.在壓電晶片38的兩側(cè)涂復(fù)厚度不超過0.1mm(0.005英寸)的高性能聚酰亞胺凝膠膠粘劑薄層41，如可從Ranbar公司獲得的凝膠膠粘劑。所述凝膠應(yīng)當(dāng)含有至少25％的固體，以在所述溶劑揮發(fā)后有足夠的材料進(jìn)行良好的粘結(jié)。
3.然后將壓電晶片38的兩側(cè)放在標(biāo)準(zhǔn)加熱燈之下大約5分鐘，從所述凝膠中清除大部分的溶劑，開始聚酰亞胺凝膠聚合過程。壓電片的兩側(cè)必須在加熱燈下進(jìn)行固化，因?yàn)閮蓚?cè)面要粘結(jié)到金屬上。
4.一旦膠粘劑干燥到可以接觸，將壓電晶片38放到基底層40和外層42之間。
5.將組件放置到特殊的壓力機(jī)構(gòu)上，該壓力機(jī)構(gòu)是特別為制造壓電致動(dòng)器14而開發(fā)的，可提供均勻的溫度和壓力，保證致動(dòng)器三層元件之間有良好的粘結(jié)。參考圖3所示的最佳模式，該壓力機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)邊長300毫米(12英寸)厚6毫米(1/4英寸)的正方形鋁板101，通過4個(gè)位于各邊上的翼形螺栓102夾在一起。
為了保證加壓時(shí)有均勻的壓力，用低價(jià)的聚酰亞胺膜片104，如可從UbeIndustries公司得到的Upilex，覆蓋在壓力機(jī)構(gòu)的底板101上。將多個(gè)壓電致動(dòng)器14放到所述膜片上，并覆蓋厚度為4毫米(1/8英寸)的高溫橡膠片106。在頂部的橡膠片和在底部的薄膜對壓電致動(dòng)器14形成襯墊，在一定溫度下加壓時(shí)可有更均勻的壓力分布。當(dāng)然也可以采用其他尺寸的壓力板。
6.一旦壓電致動(dòng)器放置在壓力機(jī)構(gòu)上擰緊翼形螺栓102。
7.然后將壓力機(jī)構(gòu)放入標(biāo)準(zhǔn)對流式爐在大約200℃下保持大約30分鐘。
8.從爐中取出壓力機(jī)構(gòu)，冷卻到安全溫度，將致動(dòng)器14從壓力機(jī)構(gòu)中取出。
壓力機(jī)構(gòu)100是為開發(fā)壓電致動(dòng)器的低成本快速制造工藝所作努力的結(jié)果。該機(jī)構(gòu)利用了鋁板101的熱膨脹，其可形成必要的壓力，使得聚酰亞胺膠粘劑在固化溫度下粘結(jié)到壓電晶片38和金屬層40及42。壓力機(jī)構(gòu)可放入爐子中和從中取出，爐子保持一定溫度，因此在制造期間可以進(jìn)行連續(xù)的操作。溫度的突然改變不會影響壓電致動(dòng)器14，因?yàn)榧词箟毫C(jī)構(gòu)從爐中取出，致動(dòng)器仍然在壓力作用下，并在室溫下繼續(xù)作用。
應(yīng)當(dāng)特別注意，該壓力過程在較低溫度下可進(jìn)一步清除溶劑和使聚酰亞胺固化?，F(xiàn)有技術(shù)的制造類似壓電致動(dòng)器的工藝要求模具/壓力處于高很多的溫度，高到足以熔化聚酰亞胺膠粘劑。此外，這樣高的溫度使壓電陶瓷退磁，必須在工藝結(jié)束時(shí)重新充磁。本發(fā)明完全取消了這個(gè)工藝步驟，因此有益于降低制造壓電致動(dòng)器的成本。
使用這些簡單的方法和硬件，每個(gè)月可以制造幾十萬個(gè)壓電致動(dòng)器14，甚至更多，這取決于所要求的生產(chǎn)規(guī)模。
壓電致動(dòng)器泵10的原理與膜片泵的原理相同。一般地，膜片泵中的膜片是通過連接到馬達(dá)或發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪或推桿進(jìn)行操作的。但壓電致動(dòng)器泵10不是這樣，壓電致動(dòng)器14用作膜片，當(dāng)脈沖電場通過封裝層40和42施加到整個(gè)壓電晶片38時(shí)進(jìn)行動(dòng)作。該變化的電場使壓電致動(dòng)器14膨脹或收縮。當(dāng)壓電致動(dòng)器14膨脹時(shí)，其邊緣受到約束，當(dāng)壓電致動(dòng)器中部從泵腔30向外移動(dòng)時(shí)會出現(xiàn)輕微的凸起。這樣就通過入口22將液體吸到泵腔中。當(dāng)壓電致動(dòng)器14收縮時(shí)將朝液體移動(dòng)，迫使液體通過出口從泵腔30排出。
現(xiàn)有技術(shù)的壓電致動(dòng)器的一個(gè)問題是驅(qū)動(dòng)壓電片所需的電壓。為了向壓電致動(dòng)器泵10提供能量，發(fā)明了圖4顯示的電驅(qū)動(dòng)器18，其可將任何6伏直流電源的電壓轉(zhuǎn)換到峰值到峰值超過200伏的交流電壓。這種電壓在優(yōu)選的實(shí)施例中足以驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)上述泵送速率。在圖4的電路中，點(diǎn)A連接到基底層40而點(diǎn)B連接到外層42。
壓電致動(dòng)器在峰值到峰值電壓不是均勻平衡時(shí)表現(xiàn)良好。對正電壓的反應(yīng)要比對相同的負(fù)電壓更好些。因此，電路18設(shè)計(jì)成可產(chǎn)生交流電，其電壓偏移為正150伏和負(fù)50伏。這樣的電壓足以使壓電致動(dòng)器有更有效的泵送。而正弦波在低頻和低電壓時(shí)也可以采用，方形波可使壓電片更有效率。圖4中的電路元件的值如下R1-8到20MΩC2-0.1μFR2-8到20MΩC3-0.1μF(200v)R3-680KΩ C4-0.47μF(200v)R4-1MΩL1-680μHC1-0.1μF D1-BAS21二極管U1是IMP528芯片，用于場致發(fā)光燈的驅(qū)動(dòng)器。在這個(gè)電路中，可與其他元件一起用于形成脈沖并將之放大到驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器14所需要的峰值到峰值200伏。選擇R1和R2的值使輸出的頻率在大約35Hz到85Hz之間變化，這取決于特定的應(yīng)用場合。
該電路由微型元件構(gòu)成，故可以容納于邊長大約為25毫米(1英寸)和深度為6毫米(1/4英寸)的正方形盒子32中。其只有11個(gè)可現(xiàn)貨供應(yīng)的表面固定件。盒子32可以固定在泵10的附近。在最佳模式中，其固定在泵的頂部，如

圖1和2所示，可通過適當(dāng)?shù)哪z粘劑進(jìn)行固定。引線15始自驅(qū)動(dòng)電路18，連接到彈簧加載觸點(diǎn)304，如可從ECT公司買到的商標(biāo)為POGO的觸點(diǎn)。這些觸點(diǎn)304固定在位于泵蓋16頂部的盒子306中，并穿過泵蓋16突出與兩金屬層40和42接觸。這種小型的驅(qū)動(dòng)電路免除了現(xiàn)有技術(shù)壓電片應(yīng)用中所需的大電源和變壓器。另外，引線15還可以穿過泵蓋16上的開口通過釬焊電連接到金屬層40和42。O形圈36足夠柔軟可適應(yīng)在基底層42上的焊點(diǎn)。
對用作壓電致動(dòng)器泵10入口和出口閥的多個(gè)傳統(tǒng)形式的單向閥進(jìn)行了評估。全都具有各種的缺點(diǎn)，包括體積大和對壓電致動(dòng)器14的動(dòng)態(tài)反應(yīng)很差。發(fā)明了一種直進(jìn)式柔性閥200，可以很好地配合壓電致動(dòng)器14的動(dòng)作，如圖2所示。柔性閥的工作元件是厚度為0.05mm(0.002英寸)的橢圓聚酰亞胺膜片202。膜片202的形狀和尺寸與一段剛性管204的端部相同，該端部與剛性管204的軸線成大約45度。剛性管204的內(nèi)徑與泵體12的入口22或出口24的內(nèi)徑相同。剛性管204固定在柔性系統(tǒng)管路206的端部輸送系統(tǒng)液體，該管路可在入口/出口22，24上滑動(dòng)，如圖2所示。膜片202在點(diǎn)203通過任何可靠的方式，比如膠粘劑或熱粘結(jié)，連接到傾斜表面的下端。類似的柔性閥200可以設(shè)置在出口204。兩個(gè)閥的膜片202可指向相同的下游方向。然而，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)泵10以全部能力工作時(shí)出口24不存在任何閥。可假定入口回路中的液體，即使入口閥部分打開，可提供足夠大的慣性，如同入口閥封閉。僅涉及入口閥的操作可認(rèn)為是最佳模式。
柔性閥200是本發(fā)明的一個(gè)重要方面。其具有非常小的體積。膜片22的質(zhì)量也是盡可能的輕，故可對壓電致動(dòng)器14的動(dòng)作快速反應(yīng)。當(dāng)打開時(shí)實(shí)際上表示對系統(tǒng)流體沒有阻力。因?yàn)橐?5度角固定，只要移動(dòng)45度就可以全打開從而非常簡單，如果正交于流動(dòng)方向固定，則必須移動(dòng)兩倍大的角度才能打開，且材料和制造的成本都低。而且閥200沒有任何部分突出于泵腔30。這樣就使泵腔30體積小型化了，使泵可以自引并增加了效率。另外還有的特征就是當(dāng)泵不工作時(shí)，該柔性泵200偏壓封閉。
圖5和6顯示了本發(fā)明的泵的另外實(shí)施例。在圖5中的泵基本上與圖2的泵相同，除了泵腔30的厚度減少到密封墊圈34的厚度。這樣可改進(jìn)泵的自引能力。圖6的泵也具有很小厚度的泵腔30。另外，入口22和出口24正交于壓電致動(dòng)器14的平面，這種結(jié)構(gòu)在某些應(yīng)用中更加方便。
在另外一個(gè)未顯示的實(shí)施例中，泵體的底部包括壓電致動(dòng)器14，其與所介紹的壓電致動(dòng)器14相同但成為其鏡像，基底層40在泵腔30的兩邊互相面對。
在又一個(gè)未顯示的實(shí)施例中，兩個(gè)上述泵在一個(gè)泵體中并排地固定在一起。壓電致動(dòng)器、密封件、入口和出口、只在入口設(shè)置的單向閥、泵蓋和驅(qū)動(dòng)器以上面介紹的一種或多種結(jié)構(gòu)形式定位。在這個(gè)實(shí)施例的優(yōu)選形式中，驅(qū)動(dòng)器是電串聯(lián)的，泵是以平行流方式在所應(yīng)用的系統(tǒng)中工作。
工業(yè)適用范圍本發(fā)明可具體應(yīng)用于計(jì)算機(jī)CPU的水冷卻及更廣泛的應(yīng)用，即需要較高流動(dòng)速率和極小能量消耗的微型泵并以非常低的成本輸送液體的場合。壓電致動(dòng)器本身有非常多的其他用途，比如揚(yáng)聲器、聲音報(bào)警器、汽車傳感器、用于主動(dòng)噪音消除的發(fā)聲器和加速計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種利用壓電晶片38制造壓電致動(dòng)器14的方法，其中的改進(jìn)包括步驟a.使用不會留下殘余物的溶劑，如乙醇或丙酮，清洗所述壓電晶片38和封裝金屬層40和42；b.在所述壓電晶片38的兩側(cè)涂復(fù)高性能聚酰亞胺凝膠膠粘劑薄層41，厚度不超過0.01mm(0.005英寸)，所述凝膠應(yīng)當(dāng)含有最少25％的固體，以在所述溶劑揮發(fā)后有足夠的材料進(jìn)行良好的粘結(jié)；c.將所述壓電晶片38的兩側(cè)放在標(biāo)準(zhǔn)的加熱燈之下大約5分鐘，從所述凝膠中清除大部分的所述溶劑，開始聚酰亞胺凝膠聚合過程；d.一旦所述膠粘劑干燥到可以接觸，將所述壓電晶片38放到所述金屬層40和42之間，形成壓電致動(dòng)器14；e.裝配一壓力機(jī)構(gòu)，包括兩個(gè)邊長300mm(12英寸)厚6mm(1/4英寸)正方形鋁板101，可通過4個(gè)位于各邊上的翼形螺栓102夾在一起，用聚酰亞胺膜片104覆蓋在所述壓力機(jī)構(gòu)的底板101上，將多個(gè)壓電致動(dòng)器14放到所述膜片上并覆蓋厚3mm(1/8英寸)的高溫橡膠片106；f.擰緊所述翼形螺栓102；g.將所述壓力機(jī)構(gòu)100放入標(biāo)準(zhǔn)對流式爐在大約200℃下保持大約30分鐘；h.從所述爐中取出所述壓力機(jī)構(gòu)100，冷卻到安全溫度，將所述致動(dòng)器14從所述壓力機(jī)構(gòu)中取出。
2.一種泵送流體的小型膜片泵10，其中的改進(jìn)包括泵體12，具有泵腔30、入口22和出口24；所述泵體12的頂蓋16；壓電致動(dòng)器14，其固定在所述泵體12和所述頂蓋16之間，作為膜片；單向閥200，位于所述入口22和所述出口24中的一個(gè)或兩個(gè)；知所述壓電致動(dòng)器14的驅(qū)動(dòng)電路18，位于所述泵10的附近。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵，其特征在于，所述壓電致動(dòng)器包括一層位于第一金屬基底層40和第二金屬外層42之間的壓電陶瓷38，并通過膠粘劑41在壓力機(jī)構(gòu)100作用下和大約200℃的溫度下互相粘結(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的泵，其特征在于，所述基底層40是不銹鋼制成，所述外層42是鋁的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的泵，其特征在于，所述膠粘劑41是聚酰亞胺。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的泵，其特征在于，所述壓電致動(dòng)器14是平面的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的泵，其特征在于，所述壓力機(jī)構(gòu)100包括平板。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的泵，其特征在于，所述壓電致動(dòng)器14通過下列工藝制造a.使用不會留下殘余物的溶劑，如乙醇或丙酮，清洗壓電晶片38和封裝金屬層40和42；b.在所述壓電晶片38的兩側(cè)涂復(fù)高性能聚酰亞胺凝膠膠粘劑薄層41，厚度不超過0.005英寸，所述凝膠應(yīng)當(dāng)含有最少25％的固體，以在所述溶劑揮發(fā)后有足夠的材料進(jìn)行良好的粘結(jié)；c.將所述壓電晶片38的兩側(cè)放在標(biāo)準(zhǔn)的加熱燈之下大約5分鐘，從所述凝膠中清除大部分的所述溶劑，開始聚酰亞胺凝膠聚合過程；d.一旦所述膠粘劑干燥到可以接觸，將所述壓電晶片38放到所述金屬層40和42之間，形成壓電致動(dòng)器14；e.裝配一壓力機(jī)構(gòu)，包括兩個(gè)邊長12英寸厚1/4英寸正方形鋁板101，可通過4個(gè)位于各邊上的翼形螺栓102夾在一起，用聚酰亞胺膜片104覆蓋在所述壓力機(jī)構(gòu)100的底板101上，將多個(gè)壓電致動(dòng)器14放到所述膜片上并覆蓋厚1/8英寸的高溫橡膠片106；f.擰緊所述翼形螺栓102；g.將所述壓力機(jī)構(gòu)100放入標(biāo)準(zhǔn)對流式爐在大約195℃下保持大約30分鐘；h.從所述爐中取出所述壓力機(jī)構(gòu)100，冷卻到安全溫度，將所述致動(dòng)器14從所述壓力機(jī)構(gòu)中取出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的泵，其特征在于，所述泵體12、頂蓋16和壓電致動(dòng)器14是圓的，所述壓電致動(dòng)器14通過壓在所述頂蓋16和所述壓電致動(dòng)器14之間的O形圈36保持在所述泵體12和所述頂蓋16之間適當(dāng)位置，塑料密封墊圈34置于所述壓電致動(dòng)器14和所述泵體12之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的泵，其特征在于，所述泵腔30的深度只等于所述密封墊圈34的厚度。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的泵，其特征在于，所述入口22和出口24的軸線基本上正交于所述泵體12的側(cè)面。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的泵，其特征在于，所述入口22和出口24的軸線基本上正交于所述壓電致動(dòng)器14的平面。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的泵，其特征在于，所述基底層40面對所述泵腔30。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的泵，其特征在于，所述壓電陶瓷層38的直徑小于所述基底層40的直徑，所述外層42的直徑小于所述壓電陶瓷層38的直徑。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的泵，其特征在于，所述受壓的O形圈36只是作用于所述基底層40，以將所述壓電陶瓷致動(dòng)器14固定在所述泵體12的適當(dāng)位置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的泵，其特征在于，所述單向閥200包括一段連接所述入口22或所述出口24的剛性管204，所述剛性管204的一端與剛性管204的軸線成大約45°，形成傾斜表面，尺寸和形狀與所述傾斜表面相同的薄片202連接到所述傾斜表面的下端203，作為所述單向閥200的工作元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的泵，其特征在于，作為所述單向閥200的工作元件的所述薄片202是由聚酰亞胺形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的泵，其特征在于，所述單向閥200位于所述入口22和所述出口24。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的泵，其特征在于，所述單向閥200只是位于所述入口22。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的泵，其特征在于，在所述泵腔30中沒有所述單向閥200的任何部分。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其特征在于，所述壓電致動(dòng)器14的電驅(qū)動(dòng)器包括6伏的直流電源和電路18，其可將6伏直流轉(zhuǎn)換到交流電壓，足以驅(qū)動(dòng)所述壓電致動(dòng)器14到達(dá)泵送條件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的泵，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)器包括下面的電路18 其中點(diǎn)A連接到所述壓電致動(dòng)器14的基底層40，點(diǎn)B連接到所述致動(dòng)器14的外層42；其中的元件具有下列值R1-8到20MΩC2-0.1μFR2-8到20MΩC3-0.1μF(200v)R3-680KΩ C4-0.47μF(200v)R4-1MΩL1-680μHC1-0.1μF D1-BAS21二極管其中U1是IMP528芯片，用于場致發(fā)光燈驅(qū)動(dòng)器，選擇R1和R2的值使輸出的頻率在大約35Hz到大約85Hz之間變化。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的泵，其特征在于，電驅(qū)動(dòng)電路18產(chǎn)生幅度為大約正150伏和負(fù)50伏的正方形波形。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的泵，其特征在于，所述電驅(qū)動(dòng)電路由小型電路元件組成，并容納在固定到泵頂蓋16上的盒子32中。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的泵，其特征在于，所述電驅(qū)動(dòng)電路18的輸出通過從頂蓋16突出的彈簧加載觸點(diǎn)304連接到所述壓電致動(dòng)器14。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的泵，其特征在于，兩個(gè)相同的致動(dòng)器14位于所述泵體的兩端，各所述致動(dòng)器14的基底層40在所述泵腔30的兩邊互相面對。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的泵，其特征在于，所述連接了壓電致動(dòng)器14、入口22和出口24、只設(shè)在所述入口2的單向閥202、密封34及36，泵頂蓋16、和驅(qū)動(dòng)器18的兩個(gè)泵腔30并排位于一個(gè)泵體中，所述兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器18與所述壓電致動(dòng)器14電.串聯(lián)到一起，并以平行流動(dòng)方式工作。
28.一種泵送流體的小型膜片泵10，其中的改進(jìn)包括泵體12，一般具有大約1英寸到大約1英寸半橫向?qū)挾?、大約四分之一英寸到八分之五英寸厚的盤狀，并且通常具有圓形的泵腔30和至少一個(gè)在泵體上的開口，用作入口22或出口24，所述泵體連接到流體系統(tǒng)管路206；用作泵10膜片的壓電致動(dòng)器14，所述致動(dòng)器14一般是圓形，基本上是平面的，通過兩個(gè)金屬層40，42將壓電陶瓷層38夾在中間而形成，所述三層通過聚酰亞胺膠粘劑41在平面壓力機(jī)構(gòu)100中在大約200℃的溫度下粘結(jié)在一起；泵頂蓋16；壓電致動(dòng)器14，被密封墊圈34和O形密封圈36密封并固定在所述泵體12和所述頂蓋16之間，所述泵頂蓋16在壓力下固定在所述泵體12；單向閥200，位于所述入口22，只允許系統(tǒng)流體流入所述泵10，所述閥200包括一段剛性管204，其一端與所述管204軸線成大約45°，并包括傾斜端面，與所述傾斜端面尺寸和形狀相同的橢圓形聚酰亞胺膜片202連接到所述傾斜端面的下端203；所述閥200固定到所述系統(tǒng)管路206；所述壓電致動(dòng)器14的驅(qū)動(dòng)電路18，容納在尺寸一般小于所述泵體12并固定在所述泵10附近的盒子302中，其電連接到所述壓電致動(dòng)器14，所述壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路18包括構(gòu)成場致發(fā)光燈驅(qū)動(dòng)器的集成電路裝置，所述壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路18在所述壓電致動(dòng)器14的兩端產(chǎn)生正150伏到負(fù)50伏的方形波。
全文摘要
公開了一種制造壓電致動(dòng)器(14)的方法，以及使用致動(dòng)器的小型膜片泵(10)。其目的是得到一種能夠用于小型膜片泵和適用于其它用途的致動(dòng)器，其尺寸要比現(xiàn)有技術(shù)的致動(dòng)器小并更易于制造，還能比任何已知的類似尺寸的裝置提供更大量級的力和位移。膜片泵(10)結(jié)合了新致動(dòng)器以及新穎的單向閥(20)和小型驅(qū)動(dòng)電路(18)。該泵可直接應(yīng)用于小型計(jì)算機(jī)的液體冷卻系統(tǒng)和其他流體系統(tǒng)。
文檔編號H01L41/09GK1474749SQ01818796
公開日2004年2月11日 申請日期2001年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月18日
發(fā)明者克利福德·N·羅森, 威利·喬·伊斯特, 喬 伊斯特, 克利福德 N 羅森 申請人:帕爾技術(shù)有限責(zé)任公司