CN101354030B - 具有主动控制能力的微流体泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种具有主动控制能力的微流体泵，采用一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀构成进液阀和出液阀，采用电可控薄膜执行元件覆盖在泵体的圆柱形沉孔的开口面构成泵腔，泵腔与微流体阀的圆环柱形(圆柱形中心孔)液腔相连，且微流体阀的圆柱形中心孔(圆环柱形)液腔分别与进液口和出液口相连。改变作用于微流体阀与泵的薄膜执行元件的控制信号(周期信号、正信号)的频率、幅值、相位关系控制微流体泵的流量、脉动性、输出压力。在没有驱动信号时微流体阀的薄膜执行元件与圆环形边界具有预压紧力，处于常闭状态。本发明的具有主动精确控制能力的微流体泵为双向可控的具有主动精确控制能力的微流体泵。
Description
技术领域
本发明属于微流体机械技术领域，涉及一种实现具有主动控制能力的微流体泵。
背景技术
随着微机械电子科学的迅猛发展，在化学分析与检测、药物释放、生物工程、集成电路芯片、微型零部件、微型化生产系统(微型工厂)以及芯片实验室(Lab-on-Chip)等领域，急需输送微小流量且精度高的微流体输送装置。在所有的微流体元件及系统中，微型阀及微型泵既是最核心的元件，也是研究得最早的微流体元件。有关微型泵研究的最早的科学论文发表于1978年，经过二十多年的发展，已有部分商业化的产品供应市场。由于微型泵研究工作的多样性，微型泵有多种不同的分类方法。根据工作原理，微型泵可以分为往复泵(Reciprocating micropumps)和连续流体泵(Continuous flow micropumps)，根据驱动特性可以分为薄膜驱动泵(membrane actuated pumps)与场致流体泵(field induced flow pumps)，根据结构特性可以分为机械泵(mechanical)与非机械泵(nonmechanical)。其实往复泵、薄膜驱动泵、机械泵可以等同，连续流体泵、场致流体泵与非机械泵可以等同。
Spenser等人于1978年发表了关于具有主动阀的压电微型泵的研究工作(Spencer W.J.，Corbett W.T.，Dominguez L.R.，and Shafer B.D.，“An electronically controlled piezoelectricinsulin pump and valves”，IEEE Transactions on Sonics Ultrasonics，1978，Vol.SU-25，No.3，pp.153-156)，基本材料为不锈钢薄膜，其最大的缺点是主动控制阀完全浸泡在被输送的流体中，容易造成对人体的威胁和容易导致电路失效。后来，他的合作者对其结构进行了改动(vanLintel H.T.G.，van de Pol F.C.M.，and Bouwstra S.，“A piezoelectric micropump based onmicromachining of silicon，”Sensors and Actuators，1988，15，pp.153-167)，主要是采用了被动工作的冲击阀。Smits提出并研究了基于三片压电振子的微型蠕动泵(Smits J.G.，“Piezoelectricmicropump with three valves working peristaltically，”Sensors and Actuators A，1990，Vol.21-23，pp.203-206)，最先采用了硅作为构成泵的材料，虽然解决了上述问题，但是另外一个问题出现了：微型蠕动泵缺乏反向止流特性，在需要禁止倒流的场合(如药物释放与化学分析等)不适用。尤其是在工作时仍然无法回避流体倒流问题。同时，蠕动泵使被输送流体在泵中经历的路径长，增大了故障概率。
采用悬臂梁结构的被动阀构成的有阀压电泵的性能在很大程度上取决于阀的性能。冲击阀(Check Valves)的单向阀开启和关闭是通过泵腔内压力的交替变化实现的，因此其开启/关闭动作滞后于压电振子的振动。采用被动阀的有阀压电泵的主要缺点：①结构通常较复杂，在加工工艺和集成上存在一定的难度；②利用机械换向阀实现流体单向流动的压电泵，小且易脆的机械阀的磨损和疲劳损坏是难以克服的问题；③由于压电泵的压电振子的振幅很小，一次振动往复的容积变化也很小，所以一次振动往复所产生的泵流量也很小；④容易堵塞；⑤相对于泵流量，冲击阀的渗漏必须小(nl min-1)；⑥要想提高泵流量，只有采用提高压电振子的振动频率的方法，当使用机械换向阀后，增频后会出现泵流量骤减的现象。
直到目前，如何提高泵的流量控制精度和实现极低的流量控制仍然是普遍关注的问题，其中新颖的微流体泵的结构是解决问题的关键。
发明内容
本发明公布了一种具有主动精确控制能力的微流体泵，采用一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀构成进液阀和出液阀，采用电可控薄膜执行元件覆盖在泵体的圆柱形沉孔的开口面构成泵腔，泵腔与微流体阀的圆环柱形(圆柱形中心孔)液腔相连，且微流体阀的圆柱形中心孔(圆环柱形)液腔分别与进液口和出液口相连。改变作用于微流体阀与微流体泵的薄膜执行元件的控制信号(周期信号、正信号)的频率、幅值、相位关系控制微流体泵的流量、脉动性、输出压力。在没有驱动信号时微流体阀的薄膜执行元件与圆环形边界具有预压紧力，处于关闭状态。本发明的具有主动控制能力的微流体泵为双向可控的具有主动精确控制能力的微流体泵。
本发明的技术方案是这样实现的：
采用一种具有圆环边界的微流体主动控制阀构成进液阀和出液阀，采用电可控薄膜执行元件覆盖在泵体一侧的圆柱形沉孔的开口面构成密闭的泵腔，当构成进液阀和出液阀的圆环柱形阀腔(圆柱形中心孔)通过过流通道与圆柱形泵腔相连，则构成进液阀和出液阀的圆柱形中心孔(圆环柱形阀腔)分别与进液口和出液口相连；构成进液阀和出液阀的薄膜执行元件与构成微流体泵的薄膜执行元件的布置方式如下：(1)构成进液阀和出液阀的薄膜执行元件与构成微流体泵的薄膜执行元件可以在泵体的同一侧呈直线布置或呈三角形布置；(2)构成进液阀和出液阀的薄膜执行元件布置在泵体的一侧的同一平面，构成微流体泵的薄膜执行元件布置在泵体的另一侧且与构成进液阀和出液阀的薄膜执行元件呈对称状态布置；(3)构成进液阀和出液阀的薄膜执行元件可以在长方体(和/或立方体)泵体的两相对的面的中心对称布置，其圆柱形中心孔直接相连且与圆柱形泵腔(布置在与阀布置表面相垂直的泵体的任意表面)相连，因此构成微流体阀的薄膜执行元件相互平行且与构成微流体泵的薄膜执行元件相互垂直。
构成进液阀和出液阀的微流体阀在没有驱动信号作用时处于关闭状态(自然状态)，且微流体阀的薄膜执行元件与圆环面边界具有一定的预压紧力，使微流体泵具有良好的止流特性(止流状态)。
在实现泵入和泵出时采用同频率的周期信号(正信号)驱动进液阀和出液阀的薄膜执行元件与微流体泵的薄膜执行元件，且作用于进液阀的薄膜执行元件的控制信号首先有效，作用于微流体泵的薄膜执行元件的控制信号相位滞后作用于进液阀的薄膜执行元件的控制信号1/4周期有效，作用于出液阀的薄膜执行元件的控制信号滞后作用于微流体泵的薄膜执行元件的控制信号1/4周期有效；处于工作状态(泵入和泵出)的微流体泵转为止流状态时在最后一个泵入状态完成后作用于进液阀的薄膜执行元件的控制信号首先无效(变为零)，再1/4周期后作用于微流体泵的薄膜执行元件的控制信号无效，再1/4周期后作用于出液阀的薄膜执行元件的控制信号无效，微流体泵转入止流状态；改变作用于驱动进液阀和出液阀的薄膜执行元件与微流体泵的薄膜执行元件的控制信号(位移)的频率、幅值、相位关系可以改变微流体泵的流量、脉动性、输出压力等。
构成进液阀和出液阀以及微流体泵的薄膜执行元件可以是粘贴在弹性膜片上的圆盘形压电陶瓷片、圆盘形电致伸缩陶瓷片等构成的振子，也可以是线性电可控执行元件(叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)连接的弹性膜片，且弹性膜片被与执行器为中心的阀(泵)盖的圆环形边缘压紧在泵体上；采用线性电可控执行元件驱动薄膜执行元件时可以达到极低的流量和极高的控制精度。
本发明的具有主动精确控制能力的微流体泵为双向可控的具有主动精确控制能力的微流体泵，任何一个微流体阀都可以成为进液阀(出液阀)，则另外一通道则自然成为出液阀(进液阀)。
本发明技术方案的优点是：
1.本发明的微流体泵采用一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀构成进液阀和出液阀，具有主动控制流体的能力，能达到极低的流量和极高的控制精度。
2.本发明的微流体泵采用一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀构成进液阀和出液阀，且微流体阀的执行元件与圆环面边界在不作用控制信号时有预压紧力，使得微流体泵在止流状态时达到极高的止流能力。
3.本发明的微流体泵的阀腔及泵腔分布在泵体的同一侧，采用一个泵盖压紧，具有结构简单、体积小、重量轻、工艺简单的优点。
4.本发明的微流体泵的阀腔及泵腔靠薄膜执行元件自然封闭，且实现控制的执行元件及其信号接头均不与被输送的液体接触，绝缘性能好。
5.本发明的微流体泵通过主动控制阀的主动开启和关闭可以减少微流体阀的滞后现象，提高工作效率。
6.本发明的微流体泵可以通过改变作用于驱动进液阀和出液阀的薄膜执行元件与微流体泵的薄膜执行元件的控制信号(位移)的频率、幅值、相位关系可以改变微流体泵的流量、脉动性、输出压力等。
7.本发明的微流体泵为双向可控的具有主动精确控制能力的微流体泵，任何一个微流体阀都可以成为进液阀(出液阀)，则另外一通道自然成为出液阀(进液阀)。
附图说明
图1和2是本发明具有主动控制能力的微流体泵工作在止流状态时的原理示意图，图2是移出图1中的薄膜执行元件后的俯视图；
图3和4是本发明具有主动控制能力的微流体泵工作在泵入状态时的原理示意图，图4是移出图3中的薄膜执行元件后的俯视图；
图5和6是本发明具有主动控制能力的微流体泵工作在泵出状态时的原理示意图，图6是移出图5中的薄膜执行元件后的俯视图；
图7是本发明具有主动控制能力的微流体泵由止流状态转入工作状态(泵入和泵出)、工作状态、由工作状态转入止流状态时的驱动信号及薄膜执行元件工作的时序图；
图8和9是本发明具有主动控制能力的微流体泵的一种实施例的剖视图和移去泵盖及薄膜执行元件后的俯视图；
图10和11是本发明具有主动控制能力的微流体泵的一种实施例的剖视图和移去泵盖及薄膜执行元件后的俯视图；
图12A、图12B和图12C分别是本发明具有主动控制能力的微流体泵的一种实施例的移去泵盖及薄膜执行元件后的俯视图及剖视图；
图13A、图13B和图13C分别是本发明具有主动控制能力的微流体泵的一种实施例的移去泵盖及薄膜执行元件后的俯视图和剖视图；
图14和15是本发明具有主动控制能力的微流体泵的一种实施例的剖视图和移去阀盖及薄膜执行元件后的俯视图；
图16是本发明具有主动控制能力的微流体泵的一种实施例的剖视图；
图17是本发明具有主动控制能力的微流体泵的一种实施例的立体剖视图；
图18是本发明具有主动控制能力的微流体泵的一种实施例的立体剖视图；
图19是本发明具有主动控制能力的微流体泵的一种实施例的立体剖视图。
具体实施方式
参照附图，下文将详细介绍本发明具有主动精确控制能力的微流体泵的具体实施方式。
附图中：1为泵体，2、9、12、39为薄膜执行元件，3和13为圆环面凸台，4为流体，5和18为微流体流动方向，6、14为微流体阀的圆柱形中心孔，44为进液通道(出液通道)，7为进液口(出液口)，8、11、34、35为过流通道，10和42为圆柱形泵腔，45为出液通道(进液通道)，15为出液口(进液口)，16为进液阀(出液阀)，17为出液阀(进液阀)，32和33为圆环柱形阀腔，23、25、27、41为弹性膜片，22、24、26、40为压电陶瓷圆盘/电致伸缩陶瓷圆盘，19、46、47、48为密封圈，21、31、43为泵盖，20为连接螺栓，36、37、38为线性电可控执行器(叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)，28、29、30为阀盖，49、56、59为导线，50、58为固定导线的粘胶，52为导线固定夹子，53、54、57为过线槽，51为过线孔。
参照图1和2(其中图2为移出图1中的薄膜执行元件后的俯视图)，是本发明具有主动控制能力的微流体泵工作在止流状态时的原理示意图。泵体1的同一侧开有圆柱形泵腔10、两个圆环柱形阀腔32、33和两个微流体阀的圆柱形中心孔6、14，圆柱形中心孔6、14分别与两个圆环柱形阀腔32、33同轴。微流体泵的薄膜执行元件9覆盖在泵体的圆柱形空腔上方构成泵腔10，微流体泵的薄膜执行元件9与泵体1的上表面之间设置密封圈46防止泄漏。微流体阀的薄膜执行元件2、12分别覆盖在泵体上的两个圆环柱形阀腔32、33以及两个圆柱形中心孔6、14的上面构成两侧的进液阀和出液阀16、17，并通过两侧的两个密封圈19、47防止流体泄漏。构成进液阀16(或17)和出液阀17(或16)的圆环柱形阀腔32、33分别通过两侧的过流通道8、11与圆柱形泵腔10相连，构成进液阀16(或17)和出液阀17(或16)的圆柱形中心孔6(或14)和14(或6)分别与进液口7(或15)和出液口15(或7)相连。进液阀16(或17)和出液阀17(或16)的圆环面边界3、13分别与微流体阀的薄膜执行元件2、12密切接触并分别将圆环柱形阀腔32、33与进液口、出液口6、14中的流体隔开。在没有控制信号作用于薄膜执行元件2、12时，薄膜执行元件2、12不变形且与圆环面边界即圆环而凸台3、13密切接触，且所述薄膜执行元件2、12在圆环面边界3、13的作用下保持足够的预变形以提高泵外流体向泵内流动的难度。只要不是由于供给流体的压力变化太大使得微流体阀的薄膜执行元件2、12离开圆环面边界3、13，这时进液口与出液口15、7之间断开，流体不流动，处于止流状态。从图2可以看出，圆环面边界3、13上没有覆盖流体，圆环柱形阀腔32、33以及圆柱形中心孔6、14中的流体没有流动现象。
参照图3和4，是本发明具有主动精确控制能力的微流体泵工作在泵入状态时的原理示意图，图4是移出图3中的薄膜执行元件后的俯视图。在泵入状态时(以16为进液阀，17为出液阀)，出液阀17的薄膜执行元件12未受到驱动信号的作用，不产生向上凸起的现象，使出液阀17的薄膜执行元件12与第二圆环面边界(凸台)13之间保持接触，出液阀17处于关闭状态。进液阀16的薄膜执行元件2受到驱动信号的作用向上凸起，使该薄膜执行元件2与第一圆环面边界(凸台)3之间出现间隙，处于进液阀16的圆环柱形阀腔32与进液阀16的圆柱形中心孔6中的流体4连通，可按图示的流动方向5流动。作用于微流体泵的薄膜执行元件9的控制信号相位滞后作用于进液阀16的薄膜执行元件2的控制信号1/4周期，因此，在所述薄膜执行元件2受到驱动信号的作用向上凸起1/4周期后微流体泵的薄膜执行元件9向上凸起，增大泵腔10的体积。由于出液阀17处于关闭状态，只能使进液口7的流体通过进液阀16的圆柱形中心孔6、进液阀16的薄膜执行元件2与第一圆环面边界(凸台)3之间的间隙流入进液阀16的圆环柱形阀腔32，再通过第一过流通道8进入泵腔10，完成泵入过程。参照图4，圆环面边界(凸台)3被流体覆盖，出现流体通过进液阀16的圆柱形中心孔6与进液阀16的薄膜执行元件2以及第一圆环面边界(凸台)3之间的间隙、进液阀16的圆环柱形阀腔32、第一过流通道8进入泵腔10的流动现象。
参照图5和6，是本发明具有主动精确控制能力的微流体泵工作在泵出状态时的原理示意图，图6是移出图5中的薄膜执行元件后的俯视图。在泵出状态时(以16为进液阀，17为出液阀)，施加到薄膜执行元件2的驱动信号撤销，使薄膜执行元件2恢复到与圆环面边界3之间保持接触、进液阀16处于关闭状态。出液阀17的薄膜执行元件12受到驱动信号的作用向上凸起，使薄膜执行元件12与第二圆环面边界(凸台)13之间出现间隙，处于出液阀17的圆环柱形阀腔33与出液阀17的圆柱形中心孔14中的流体4连通，可按图示流动方向18流动。作用于泵薄膜执行元件9的控制信号相位超前作用于出液阀17的薄膜执行元件12的控制信号相位的1/4周期，当出液阀17开启的同时微流体泵的薄膜执行元件9的控制信号减小，使9的凸起减小，减小泵腔10的体积。由于微流体阀16已处于关闭状态，只能使泵腔10内的流体通过第二过流通道11与出液阀17的薄膜执行元件12以及第二圆环面边界(凸台)13之间的间隙流入出液阀17的圆环柱形阀腔33和出液阀17的圆柱形中心孔14进入出液口15，完成泵出过程。参照图6，圆环面边界(凸台)13被流体覆盖，且出现流体在泵腔10、所述的薄膜执行元件12与第二圆环面边界(凸台)13之间的间隙、第二过流通道11、微流体阀17的圆环柱形阀腔33、进入出液口15的流动现象。
参照图7，是本发明具有主动精确控制能力的微流体泵由止流状态转入工作状态(泵入和泵出)、工作状态、由工作状态转入止流状态时的驱动信号及各薄膜执行元件工作的时序图；在实现泵入和泵出时采用同频率的周期信号(正信号)驱动进液阀和出液阀的薄膜执行元件与微流体泵的薄膜执行元件，且作用于进液阀的薄膜执行元件的控制信号首先有效，作用于微流体泵的薄膜执行元件的控制信号相位滞后作用于进液阀的薄膜执行元件的控制信号1/4周期有效，作用于出液阀的薄膜执行元件的控制信号比作用于微流体泵的薄膜执行元件的控制信号滞后1/4周期有效；处于工作状态(泵入和泵出)的微流体泵转为止流状态时，在最后一个泵入状态完成后作用于进液阀的薄膜执行元件的控制信号无效(变为零)，经1/4周期后作用于微流体泵的薄膜执行元件的控制信号无效，再经1/4周期后作用于出液阀的薄膜执行元件的控制信号无效，微流体泵转入止流状态；改变作用于驱动进液阀和出液阀的薄膜执行元件与微流体泵的薄膜执行元件的控制信号(位移)的频率、幅值、相位关系可以改变微流体泵的流量、脉动性、输出压力等。
参照图8和9，是本发明具有主动精确控制能力的微流体泵的一种实施例的剖视图和移去泵盖及薄膜执行元件后的俯视图；采用一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀构成进液阀16(或17)和出液阀17(或16)的薄膜执行元件2、12与构成微流体泵的薄膜执行元件9在泵体1的同一侧呈直线布置，微流体泵的薄膜执行元件9与泵腔10自然封闭，并采用密封圈46防止泄漏。所述进液阀和出液阀的薄膜执行元件2、12分别与阀腔32、33自然封闭，每一个阀腔和泵腔通过独自的密封圈19、46、47密封。构成进液阀16(或17)和出液阀17(或16)的圆环柱形阀腔32、33通过过流通道8、11与圆柱形泵腔10相连，构成进液阀16(或17)和出液阀17(或16)的圆柱形中心孔6、14分别与进液口7(或15)和出液口15(或7)相连。构成进液阀16的薄膜执行元件2由圆盘形压电陶瓷片或圆盘形电致伸缩陶瓷片22粘贴在弹性膜片23上构成的压电振子。构成出液阀17的薄膜执行元件12由圆盘形压电陶瓷片或圆盘形电致伸缩陶瓷片26粘贴在弹性膜片27上构成的压电振子。构成微流体泵的薄膜执行元件9由圆盘形压电陶瓷片或圆盘形电致伸缩陶瓷片24粘贴在弹性膜片25上构成的压电振子。弹性膜片23、25、27可以分开，也可以是一体，通过一个泵盖21通过连接螺栓20压紧在泵体上。
参照图10和11，是本发明具有主动精确控制能力的微流体泵的一种实施例的剖视图和移去泵盖及薄膜执行元件后的俯视图。与图8和9的实施例相比，主要区别是构成微流体阀和微流体泵的薄膜执行元件不同。构成进液阀16的薄膜执行元件2由线性电可控执行元件(包括叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)36连接的弹性膜片23上构成。构成出液阀17的薄膜执行元件12由线性电可控执行元件(包括叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)38连接弹性膜片27构成。构成微流体泵的薄膜执行元件9由线性电可控执行元件(包括叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)37连接弹性膜片25构成。
参照图12A、图12B和图12C，分别是本发明具有主动精确控制能力的微流体泵的一种实施例移去泵盖及薄膜执行元件后的俯视图和剖视图。采用一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀构成进液阀16(或17)和出液阀17(或16)的薄膜执行元件2、12与构成微流体泵的薄膜执行元件9在泵体1的同一侧呈三角形布置，微流体泵的薄膜执行元件9与泵腔10自然封闭，并采用密封圈46防止泄漏。微流体阀的薄膜执行元件2、12分别与阀腔32、33自然封闭，每一个阀腔和泵腔通过独自的密封圈19、47密封。构成进液阀16(或17)和出液阀17(或16)的圆环柱形阀腔32、33通过过流通道8、11与圆柱形泵腔10相连，构成进液阀16(或17)和出液阀17(或16)的圆柱形中心孔6、14分别与进液口7(或15)和出液口15(或7)相连。构成进液阀16的薄膜执行元件2由圆盘形压电陶瓷片(或圆盘形电致伸缩陶瓷片)22粘贴在弹性膜片23上构成的压电振子。构成出液阀17的薄膜执行元件12由圆盘形压电陶瓷片(或圆盘形电致伸缩陶瓷片)26粘贴在弹性膜片27上构成的压电振子。构成微流体泵的薄膜执行元件9由圆盘形压电陶瓷片(或圆盘形电致伸缩陶瓷片)24粘贴在弹性膜片25上构成的压电振子。弹性膜片23、25、27可以分开，也可以是一体，通过一个泵盖21通过连接螺栓20压紧在泵体上。
参照图13A、图13B和图13C，分别是本发明具有主动精确控制能力的微流体泵的一种实施例的移去泵盖及薄膜执行元件后的俯视图和剖视图；与图12的实施例相比，主要区别是构成微流体阀和微流体泵的薄膜执行元件不同。构成进液阀16的薄膜执行元件2由线性电可控执行元件(包括叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)36连接弹性膜片23构成。构成出液阀17的薄膜执行元件12由线性电可控执行元件(包括叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)38连接弹性膜片27构成。构成微流体泵的薄膜执行元件9由线性电可控执行元件(包括叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)37连接弹性膜片25构成。
参照图14和15，是本发明具有主动精确控制能力的微流体泵的一种实施例的剖视图和移去阀盖及薄膜执行元件后的俯视图。采用一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀构成进液阀16(17)和出液阀17(16)的薄膜执行元件2、12布置在泵体1的一侧的同一平面，构成微流体泵的薄膜执行元件9布置在泵体1的另一侧且与构成进液阀和出液阀的薄膜执行元件2、12呈对称状态，构成微流体阀的薄膜执行元件2、12与构成微流体泵的薄膜执行元件9通过密封圈19、47、46与泵体1接触构成阀腔32、33和泵腔10，通过阀盖30和泵盖31压紧在泵体1上；构成进液阀16(或17)和出液阀17(或16)的圆柱形中心孔6、14直接与圆柱形泵腔10相连，构成进液阀16(或17)和出液阀17(或16)的圆环柱形阀腔32、33通过过流通道44、45分别与进液口7(或15)和出液口15(或7)相连。
参照图16，是本发明具有主动精确控制能力的微流体泵的一种实施例的剖视图。与图14和15的实施例相比较，主要区别是构成阀的薄膜执行元件不同。构成进液阀16的薄膜执行元件2由线性电可控执行元件(或叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)36连接弹性膜片23构成。构成出液阀17的薄膜执行元件12由线性电可控执行元件(或叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)38连接弹性膜片27构成。
参照图17，是本发明具有主动精确控制能力的微流体泵的一种实施例的立体剖视图。采用一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀构成进液阀16(或17)和出液阀17(或16)可以在长方体(或立方体)泵体1的两相对的面的中心对称布置，其圆柱形中心孔6、14直接相连且与圆柱形泵腔10(布置在与阀布置表面相垂直的任意表面)通过过流通道35相连，因此构成两个微流体阀的薄膜执行元件2、12相互平行且与构成微流体泵的薄膜执行元件9相互垂直，构成微流体阀的所述薄膜执行元件2、12与构成微流体泵的薄膜执行元件9通过密封圈19、47、46与泵体1接触构成阀腔32、33和泵腔10，分别通过阀盖28、29和泵盖31压紧在泵体1上。构成进液阀16(或17)和出液阀17(或16)的圆环柱形阀腔32、33通过过流通道44、45分别与进液口7(或15)和出液口15(或7)相连。
参照图18，是本发明具有主动精确控制能力的微流体泵的一种实施例的立体剖视图；与图17所示的实施例相比较，主要区别是构成微流体阀的薄膜执行元件不同。构成进液阀16的薄膜执行元件2由线性电可控执行元件(包括叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)36连接弹性膜片23构成。构成出液阀17的薄膜执行元件12由线性电可控执行元件(包括叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)38连接弹性膜片27构成。
参照图19，是本发明具有主动精确控制能力的微流体泵的一种实施例的立体剖视图。与图17所示的实施例相比较，主要区别是提供了两个泵腔10、42及相应的微流体泵的薄膜执行元件9、39。通过上述结构可以提高微流体泵的输出压力和流速。过流通道44、45以及分别与其相连的进液口7(或15)和出液口15(或7)未画出。
Claims (10)
1.一种具有主动控制能力的微流体泵，包括一个圆柱形泵腔、两个圆环柱形阀腔和分别与所述两个圆环柱形阀腔同轴的微流体阀的圆柱形中心孔，所述微流体阀的圆柱形中心孔与各自同轴的圆环柱形阀腔之间形成一个圆环面边界，两个微流体阀的薄膜执行元件与各自的圆环面边界接触将圆柱形中心孔与圆环柱形阀腔隔开，分别构成一个进液阀和一个出液阀，所述两个圆环柱形阀腔分别通过第一和第二过流通道与所述圆柱形泵腔相连，其特征在于：将微流体泵的薄膜执行元件覆盖在泵体的圆柱形泵腔上方形成密闭的泵腔，将两个所述微流体阀的薄膜执行元件分别覆盖在泵体上的两个圆环柱形阀腔及分别与其同轴的所述微流体阀的圆柱形中心孔上方构成进液阀和出液阀，通过上述进液阀的薄膜执行元件、微流体泵的薄膜执行元件以及出液阀的薄膜执行元件的有序振动或位移使进液阀和出液阀主动开启和关闭来实现微流体泵的泵入、泵出、止流、流量及压强的连续精确主动控制。
2.如权利要求1所述的具有主动控制能力的微流体泵，其特征在于：当构成进液阀和出液阀的圆环柱形阀腔分别通过第一过流通道和第二过流通道与圆柱形泵腔相连，则构成进液阀和出液阀的圆柱形中心孔分别直接与进液口和出液口相连。
3.如权利要求1所述的具有主动控制能力的微流体泵，其特征在于：所述进液阀、出液阀与所述圆柱形泵腔在泵体的同一侧呈直线布置或呈三角形布置，所述微流体泵和微流体阀的薄膜执行元件分别与泵腔和阀腔自然封闭，每一个泵腔和阀腔通过独自的密封圈密封，并通过一个泵盖压紧在泵体上。
4.如权利要求1所述的具有主动控制能力的微流体泵，其特征在于：所述进液阀和所述出液阀在长方体或立方体泵体的两相对的表面的中心呈对称布置，所述进液阀和所述出液阀的圆柱形中心孔直接相连且与布置在与微流体阀布置表面相垂直的任意一表面的圆柱形泵腔相连，两个微流体阀的薄膜执行元件相互平行且与微流体泵的薄膜执行元件相互垂直，微流体阀的薄膜执行元件与微流体泵的薄膜执行元件通过密封圈覆盖在阀腔和泵腔的表面，并通过阀盖和泵盖分别压紧在泵体上。
5.如权利要求1所述的具有主动控制能力的微流体泵，其特征在于：所述进液阀和出液阀的薄膜执行元件布置在泵体的同一侧的表面上，构成微流体泵的薄膜执行元件布置在泵体的相对的一侧的表面且与构成两个微流体阀的薄膜执行元件呈对称状态，构成微流体阀的薄膜执行元件与构成微流体泵的薄膜执行元件通过密封圈与泵体分别接触构成阀腔和泵腔，并通过阀盖和泵盖压紧在泵体上。
6.如权利要求1所述的具有主动控制能力的微流体泵，其特征在于：构成进液阀和出液阀的微流体阀在没有驱动信号作用时处于关闭状态，且微流体阀的薄膜执行元件与圆环面边界具有预压紧力。
7.如权利要求1所述的具有主动控制能力的微流体泵，其特征在于：在实现泵入和泵出时采用同频率的周期信号驱动进液阀和出液阀的薄膜执行元件与微流体泵的薄膜执行元件，且作用于进液阀的薄膜执行元件的控制信号首先有效，作用于微流体泵的薄膜执行元件的控制信号相位滞后作用于进液阀的薄膜执行元件的控制信号1/4周期有效，作用于出液阀的薄膜执行元件的控制信号比作用于微流体泵的薄膜执行元件的控制信号滞后1/4周期有效；处于工作状态的微流体泵转为止流状态时，在最后一个泵入状态完成后作用于进液阀的薄膜执行元件的控制信号首先无效，经1/4周期后微流体泵的薄膜执行元件控制信号无效，再经1/4周期后出液阀的薄膜执行元件的控制信号无效，微流体泵转入止流状态。
8.如权利要求1所述的具有主动控制能力的微流体泵，其特征在于：作用于驱动进液阀和出液阀的薄膜执行元件与微流体泵的薄膜执行元件的控制信号是方波信号、正弦信号或周期信号，改变作用于驱动进液阀和出液阀的薄膜执行元件与微流体泵的薄膜执行元件的控制信号的频率、幅值、相位关系以改变微流体泵的流量、脉动性、输出压力。
9.如权利要求1所述的具有主动控制能力的微流体泵，其特征在于：构成进液阀和出液阀以及微流体泵的薄膜执行元件是粘贴在弹性膜片上的圆盘形压电陶瓷片、圆盘形电致伸缩陶瓷片构成的振子，或是线性电可控执行元件连接的弹性膜片，且弹性膜片被与执行器为中心的阀盖或泵盖的圆环形边缘压紧在泵体上，阀盖或泵盖边缘未压到的弹性膜片的中心区域为振动或者变形区域。
10.如权利要求9所述的具有主动控制能力的微流体泵，其特征在于：构成进液阀和出液阀的薄膜执行元件与微流体泵的薄膜执行元件在与液体接触侧的另外一侧粘贴执行器构成振子和连接线性电可控执行元件；所述的线性电可控执行元件为叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器或磁致伸缩执行器。
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