CN101324228A - 基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是基于形状记忆合金驱动的复合型蠕动式微泵。整个微泵由三个独立控制的微泵单元组成，每个微泵单元由外部泵管、内部弹性乳胶膜管和膨胀单元组成，每个蠕动式微泵内包含三个按串联方式排列的膨胀单元，每根形状记忆合金驱动一个膨胀单元，内部弹性乳胶膜管置于外部泵管内，膨胀单元置于内部弹性乳胶膜管内。每个膨胀单元由呈球形分布的弹性膨胀杆、固定在弹性膨胀杆内的两个固定接头和连接在两个固定接头之间的SMA弹簧组成，SMA弹簧通过导线与单片机控制电路相连。本发明具有低电压驱动，体积小、成本低、对多种不同的液体可以按照指定的比例混合输出，且流量可控等优点，在医疗领域中的药物配给输送方面有着广泛的应用前景。

Description

基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵

(一)技术领域

本发明涉及的是一种微流量液体的输送装置，属于微流体控制、微机械技术领域。

(二)背景技术

近年来，微流量系统相关技术的研究是世界各国争相投入的前沿课题，美国、欧洲、日本等国的科研人员，正在这一领域开展大规模的研究。微流量系统能够精确检测和控制每分钟微升量级的流量，在药物微量输送、释放、微量液体采样、油料微量喷射、细胞分离、集成电子元件冷却以及微量化学分析、航天等领域有着重要的应用前景。作为该系统核心部分的微型泵，已成为近年来国内外学者的研究热点。另外微泵因能输注定量液体，控制输注速度，用来输注要求用量准确、输入速度稳定的特殊药物，如强心剂、血管活性药物等，因而在生物医学中广泛使用。例如，糖尿病人以往都是一次注射较大剂量的胰岛素，这不仅造成浪费。而且药效作用时问也较短，因此极需要一种流量能微量控制的持续的滴液装置。在这类流量精细控制和检测系统中，微小型泵是一个基本元件。微泵的研究始于20世纪80年代初Stanford大学的Wallmark和Smits。他们研究的泵是蠕动式微泵，沿泵体管道布置三个压电片，顺次通电，压电片蠕动使得流体从进口流动到出口。其流量为3ul/min，驱动电压为80V，工作频率为15Hz，背压为6kPa。Benard首先将形状记忆合金用于微泵的驱动。通过给形状记忆合金加热和冷却可以为驱动器提供动力源。由于热传递速度的限制，该泵的工作频率不高。当驱动电流为0.9A，频率为0.9Hz时，该泵抽吸水的最大流量为49ul/min，可以达到的最大背压为4.23kPa。

申请者曾研制出一种通过记忆合金弹簧的收缩，从外部挤压甭管的蠕动式微泵，该泵为单入单出外部驱动的管状结构，能进行单一液体的蠕动式液体泵送，驱动电压为5V，流量范围为400ul/min-3200ul/min.还研制出电磁螺线管作为驱动器的在生物医学领域应用的微泵。

尽管国内外在微泵研究方面取得了很多研究成果，但是到目前为止微泵的驱动电压比较高，而且在同一时间只能输送一种液体，无法满足生物医学及工业控制上对多种不同液体的微量配给和微量输送。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有低电压驱动，体积小、成本低、对多种不同的液体可以按照指定的比例混合输出，且流量可控的基于形状记忆合金驱动的复合型蠕动式微泵。

本发明的目的是这样实现的：每个蠕动式微泵由至少一个微泵单元组成，每个微泵单元由外部泵管、内部弹性乳胶膜管和SMA弹簧驱动器组成，内部弹性乳胶膜管置于外部泵管内，一组SMA弹簧驱动器并排布置于内部弹性乳胶膜管内，每个SMA弹簧驱动器由呈球形分布的弹性膨胀杆、固定在弹性膨胀杆内的两个固定接头和连接在两个固定接头之间的SMA弹簧组成，SMA弹簧通过导线与单片机控制电路相连。

本发明还可以包括：

1、每个蠕动式微泵由两个或两个以上微泵单元并联组成，每个微泵单元有独立的进水口，每个微泵单元的出口处汇合成一路输出。

2、每个蠕动式微泵由三个微泵单元并联，三个微泵单元呈三角形排列。

3、内部弹性乳胶膜管与外部泵管完全隔离，内部弹性乳胶膜管上有用来进行散热、充当通气孔以及走线的外界通孔。

本发明的复合型蠕动式微泵系统采用形状记忆合金微驱动器，可以在较低的电压下工作，并且可以根据流量要求使各微泵单元协调工作，以达到整个微泵系统可以对多种液体按照指定比例混合输出的要求。本发明的一种应用是进行人体静脉输液，通过采集人体脉搏、血压信号作为反馈控制来实时调整混合药物的比例和输液量。如图1所示。

该蠕动式微泵系统具有低电压驱动，体积小、成本低、对多种不同的液体可以按照指定的比例混合输出，且流量可控等优点，在医疗领域中的药物配给输送方面有着广泛的应用前景。

采用形状记忆合金(SMA)作为驱动器，将多个驱动膨胀单元连同管状结构的泵体串联在一起，组成一个微泵单元。驱动器靠低电压作用导致本体温度升高直接驱动其形变。进行内部膨胀输送方式的创新研究，由内部膨胀和收缩引起管体体积的变化，多个驱动器按照一定的形式交替工作，类似于肠道蠕动的形式，完成液体的输送。由于驱动电压较小，能源由微小电池提供。根据不同作业的特点，可以将多个微泵单元并联到一起，组成微泵系统，实现液体按一定比例的配置、混合。整个微泵系统由2伏的低电压供电，可以通过调整控制信号对各个微泵单元的输出流量进行控制，进而对整个微泵系统的输出流量和输出比例进行控制。

泵体的内部机构和整个微泵系统的整体构造对系统的工作性能有重要的影响。本发明中SMA驱动的膨胀单元外包弹性乳胶膜，利用SMA弹簧的加热收缩带动弹性支架撑开泵管，形成局部膨胀，液体被挤出泵管，该单元加热结束后弹簧在泵管弹性膜的压力、弹性杆的回复力以及自身的散热条件下，冷却恢复到拉伸状态，如图2所示，管状弹性乳胶膜收缩，与此同时下一个单元的SMA弹簧开始加热，完成同样的动作，如图3所示，液体进入下一个单元。同一根泵管由至少3个膨胀单元串联起来交替工作，产生蠕动式的效果，如图4所示(1为外侧泵管，2为弹性乳胶膜，3为导线)，每一个膨胀单元都有独立的控制线。复合式微泵整体结构是由3根这样的泵管并联起来分别进行控制，完成不同液体、不同比例的混合型输入，如图5所示。

本发明还具有以下优点：

1.SMA弹簧驱动器位于液体中间，与液体通道隔离，自成一个独立的系统并与外界空气联通。

2.整体采用透明材料，内部驱动情况及液体流动情况清晰可见。

3.无外部动作机构。

4.三根泵管各自独立，控制电压和频率分别可调。

5.具有体积小、成本低等特点，适用于医学上药物配给、药物输送等方面。

本发明的微泵单元可以组合成并联式的复合结构，可以实现多种不同液体的微量配给和微量输送。

(四)附图说明

图1是本发明的应用状态连接框图；

图2是本发明的SMA弹簧驱动器拉伸冷却状态下膨胀单元示意图；

图3是本发明的SMA弹簧驱动器加热时膨胀单元状态示意图；

图4是本发明的单个微泵单元示意图；

图5为本发明的整体复合结构示意图；

图6是本发明中三组控制信号的一种控制时序图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图4，每个微泵单元由至少三个膨胀单元组成，微泵单元由外部泵管1、内部弹性乳胶膜管2和SMA弹簧驱动的膨胀单元4组成，内部弹性乳胶膜管置于外部泵管内，一组膨胀单元并排布置于内部弹性乳胶膜管内，同时结合图2和图3，每个膨胀单元由呈球形分布的弹性膨胀杆5、固定在弹性膨胀杆内的两个固定接头6和连接在两个固定接头之间的SMA弹簧7组成，SMA弹簧通过导线3与单片机控制电路相连。

结合图5，本发明的微泵在整体上具有复合结构，将三个微泵单元并联组成复合式蠕动式微泵，每个微泵单元有独立的进水口，每个微泵单元的出口处汇合成一路输出。内部弹性乳胶膜管与外部泵管完全隔离，内部弹性乳胶膜管上有用来进行散热、充当通气孔以及走线的外界通孔。

微泵工作过程：自由状态时，形状记忆合金弹簧在弹性膨胀杆的张力及弹性膜的收缩力下被拉伸，球体呈椭圆形。通电加热时形状记忆合金收缩，球体膨胀成圆形，管内通道几乎封闭，液体向球膨胀部位的两端流去，与此同时下一个膨胀单元开始通电变形，由于第一个膨胀单元此刻的形状记忆合金由于散热需要时间，仍处于收缩状态，该处的管内通道仍处于近似封闭的状态，起到单向阀的作用，大部分液体向下一个单元处流动。同理接下来第三个单元膨胀，液体则从泵管出口被挤出。当二、三单元处于膨胀状态的时候第一单元已经受力冷却，弹簧恢复到拉伸状态，膨胀体变为椭圆形变小，由于二、三单元的膨胀堵住泵管出口方向，液体不容易回流，故只能从入口进入液体。每一步动作都保证液体向出口流动，有效的减少了逆流。再通过一个周期的蠕动，该部分液体也被输送到出口。整个微泵系统协调地、持续地动作即能完成不同液体按比例的混合输送。

不同的控制电压及控制信号频率可以使SMA形成不同的加热速度及加热程度，从而使弹簧收缩引起的内部膨胀有所不同，同时，泵管内部体积变化也不同，所以可以利用对每根泵管电压和频率的分别控制来实现对输出不同流量、不同比例的控制。例如在同样的电压幅值下，若要实现三种液体按照近似2∶1∶3比例进行输出，所需要的各单元控制信号的频率关系见图6。

本发明的一种实施方式的技术指标为：微泵外形的整体尺寸为8cm×3cm×2.8cm(长×宽×高)，总重量为16.3g，使用的镍钛SMA弹簧长度为1cm，丝径0.8mm，弹簧内径4.5mm，相变温度为50度。泵管为医用橡胶管，采用乳胶膜作为弹性膨胀膜。

本发明的SMA弹簧由螺丝固定在扩张圆球内部、两端的泵管接头处由四通接头连接，泵管的所有接头处均用防水胶做密封处理。

Claims (4)

1、基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵，每个蠕动式微泵由至少一个微泵单元组成，其特征是：每个微泵单元由外部泵管、内部弹性乳胶膜管和SMA弹簧驱动器组成，内部弹性乳胶膜管置于外部泵管内，一组SMA弹簧驱动器并排布置于内部弹性乳胶膜管内，每个SMA弹簧驱动器由呈球形分布的弹性膨胀杆、固定在弹性膨胀杆内的两个固定接头和连接在两个固定接头之间的SMA弹簧组成，SMA弹簧通过导线与单片机控制电路相连。

2、根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵，其特征是：每个蠕动式微泵由两个或两个以上微泵单元并联组成，每个微泵单元有独立的进水口，每个微泵单元的出口处汇合成一路输出。

3、根据权利要求2所述的基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵，其特征是：每个蠕动式微泵由三个微泵单元并联，三个微泵单元呈三角形排列。

4、根据权利要求1、2或3所述的基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵，其特征是：内部弹性乳胶膜管与外部泵管完全隔离，内部弹性乳胶膜管上有用来进行散热、充当通气孔以及走线的外界通孔。

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