CN101709695A - 光致弯曲膜驱动型微泵 - Google Patents

Abstract

本发明属于微机械技术领域，具体为一种光致弯曲膜驱动型微泵，该微泵的主结构由泵膜、泵腔、入口和出口等组成。该微泵的泵膜由光致弯曲形变材料层和柔性高分子材料层局部复合组成，通过周期性地照射紫外光和可见光，使泵膜发生周期性的凸起和回复。具有结构和工艺简单，功耗小，易操控，寿命长的特点。

Description

光致弯曲膜驱动型微泵

技术领域

本发明属于微机械技术领域，具体涉及一种光致弯曲膜驱动型微泵。

背景技术

微流量系统能精确检测和控制每分钟微升量级的流量，同时由于尺寸小，可减小微流量系统中的无效体积，降低能耗和试剂用量，而且响应快。其中，作为一种重要的微型执行器，微泵可广泛应用于药物输送、DNA合成、微量流体供给和精确控制、芯片冷却系统、微透析、微推进和微型卫星等等作为该系统核心部分的微泵。目前较多的是薄膜压缩型微泵，它的流量的控制是通过驱动膜的往复运动引起泵腔体的体积变化而实现的。驱动膜的驱动原理有压电、静电、电磁、热气动、热流动、双金属效应和形状记忆合金效应驱动等。压电振子所能承受的电压低、变形小、承载能力相对较弱；静电式所需电压很高，常在几百伏，而且静电驱动力通常较小，振动膜位移较小，最大只有约几微米；电磁式则主要受限于制作微型电磁线圈比较困难，而且绝大多数的电磁器件要求电流导线和运动部件相垂直，这对于硅材料的平面制造技术来说，比较困难；热气动和热流动式由于受气体热特性的影响，泵的驱动频率难以提高，相应的泵的流量也较小；双金属式利用热效应驱动，由于液体具有热容作用，散热比较慢，所以双金属微泵响应速度很慢，工作频率很低(一般低于10Hz)，限制了其性能；形状记忆合金式需要冷却系统以使形状记忆合金经历相反的变形回复原状，所以需要特别考虑热量的扩散，而且热能转换成机械能的效率很低。相比之下，光驱动具有传递功率大、非接触、快速、精确、易操控、清洁等优点，如能将光能直接转化为机械能，实现光直接驱动执行器，将有望成为微泵的最佳驱动方式。2003年，复旦大学俞燕蕾教授和东京工业大学池田富树教授合作研制出了光致弯曲液晶高分子材料(Nature，2003年425期，第145页)，该材料在紫外光的照射下在数秒内就能够产生三维的弯曲形变，在可见光或是热的作用下形变又能够回复，整个过程重复进行，材料本身却不出现疲劳，这给利用光致弯曲材料制作微泵驱动膜带来了希望。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构和工艺简单，功耗小，易操控，寿命长的采用光致弯曲薄膜驱动的微泵。

本发明提供的光致弯曲膜驱动型微泵，包含泵膜、泵腔和出入口，其泵膜变形引起腔体压力变化从而将流体从输入管道转移到输出管道。

其中，泵膜由上层和下层两层构成，上层的面积小于下层，为局部复合。上层的材料采用光致弯曲材料，下层的材料采用柔性高分子材料，上层与下层之间通过粘结剂粘结。下层柔性高分子材料选自聚乙烯、聚丙烯、天然橡胶中的一种，其弹性模量比光致弯曲材料至少小一半。粘结剂选自聚丙烯酸酯类粘结剂、聚氨酯类粘结剂、环氧树脂类粘结剂、橡胶类粘结剂中的一种，优选为环氧树脂类粘结剂。

驱动泵膜的方法是利用光照射光致弯曲材料使之产生形变，光源可优选紫外光和可见光。先用一种光照射光致弯曲材料构成的上层使该层产生收缩，然后换用另一种光照射，可使该层恢复原始状态。

此光致弯曲膜驱动型微泵，可进一步拓展做成连级泵的形式，在同一方向分别照射不同光源时，前一级和后一级可连续动作，光源可优选紫外光和可见光。具体可见实施例3。微泵的驱动薄膜是上层，该层材料可采用光致弯曲液晶高分子材料(见背景材料)，该材料在紫外光的照射下在数秒内就能够产生三维的弯曲形变，在可见光或是热的作用下形变又能够回复，整个过程重复进行，材料本身却不出现疲劳。因此，通过周期性地照射紫外光和可见光，可以使薄膜发生周期性的凸起和回复，进而引起泵腔体积的周期性变化。当泵腔内压强减小时，液体从输入管道进入泵腔；当泵腔内压强增大时，液体从输出管道流出泵腔。薄膜的一个凸起和回复的周期，可以实现液体从输入管道到输出管道的一次泵送。

附图说明

图1是本发明实施例中泵膜的结构示意图。

图2是本发明实施例1中微泵的结构示意图。

图3是本发明实施例1中阀的结构示意图。

图4是本发明实施例2中微泵的结构示意图。

图5所示是实施例3连级泵的应用形式。

图中标号：1泵膜上层，2泵膜下层，3泵膜，4泵腔，5入水阀，6入水管道，7入水口，8出水阀，9出水管道，10出水口，11柔性材料阀片，12硬性材料阀片，13增重块。

具体实施方式

现依据附图并结合下述具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例1

本实施例为采用有阀结构的微泵。

请见图1所示，泵膜3由两层构成，上层1的材料由光致弯曲材料构成，下层2的材料由柔性高分子材料构成，上层与下层之间通过粘结剂粘结。因为光致弯曲材料如果被四周固定住，其光致弯曲能力将失去，因此设计成泵膜上层的面积小于下层，为局部复合，下层的边界被固定住，照射上层光致弯曲材料将会引起上层材料的变形，进而带动下层材料跟着变形。

请见图2所示，泵膜位于泵腔4的顶部，泵膜3的形变导致了泵腔体体积和压力的变化。紫外光照射时，泵膜3向上位移，使泵腔4的体积增加，压力减小。当入水口7外的压力大于腔内压力及入水阀5的自重(自重压)时，入水阀5开启，液体被泵入泵腔4。可见光照射时，泵膜3向下位移复位，相应的泵腔4体积减小，压力增大。当腔内压力及出水阀8的自重(自重压)大于出水口10外的压力时，出水阀8被打开，液体从出水口10流出。随着泵膜周期性的运动，液体也不断地被抽入和泵出。微泵的流量范围可通过泵膜3和入水阀5，出水阀8的尺寸设计来控制。而一旦泵的设计确定后，泵的流量在一定范围内可通过改变光照的强度来调节。

本光致弯曲膜驱动微泵中的入水阀5，出水阀8须使用单向阀，在本例中具体使用的结构请见图3。如图所示为实验装置中的微阀，由较为柔软的阀片11和相对较硬的阀片12用胶粘结在一起，在阀片12的底部粘结一增重块13，增加其自重。整体用胶粘结在泵腔体内。阀片11起到一个转轴的作用，阀片12以阀片11为轴转动，实现开启和关闭。其中，阀片11的材料可选用聚乙烯、聚丙烯中的一种，阀片12的材料可选用硅胶、橡胶、乳胶中的一种。粘结剂可选用聚丙烯酸酯类粘结剂、聚氨酯类粘结剂、环氧树脂类粘结剂、橡胶类粘结剂中的一种，优选为环氧树脂类粘结剂。

实施例2

本实施例为采用无阀结构的微泵。

紫外光照射时，驱动膜向上位移，使泵腔体4的体积增加，压力减小。从扩散输入口即入水口7流入泵腔的流量大于从收缩管输出口即出水口10流入泵腔的流量，因而产生净的入水量，液体被泵入泵腔体；可见光照射时，驱动膜向下位移复位，相应的泵腔4体积减小，压力增大。原来的收缩管变成扩散管，而原来的扩散管变为收缩管，从扩散管即出水口10流出的流量比从收缩管即入水口7流出的多，因而产生净的出水量，液体被排出泵腔体。在施加光照和移除光照的过程中，泵腔4容积如此周期性变化，就会使流体不断地产生由入口7向出口10的单向流动。微泵的流量范围可通过驱动膜和阀的尺寸设计来控制。而一旦泵的设计确定后，泵的流量在一定范围内可通过改变光照的强度来调节。

实施例3

本实施例为采用连级泵结构的微泵。

针对本发明中泵膜的弯曲特点，可以进一步做成连级泵的形式。请见图5所示，将前一级泵腔4的出水口同后一级泵腔的入水口相通，即开通一中间腔使其相通。当向前一泵的泵膜3照射紫外光，而向后一泵的泵膜3照射可见光时，前一泵的入水阀5打开，出水阀8关闭，后一泵的进水阀5关闭，出水阀8打开，则前一泵腔吸水，后一泵腔排水。反之，当向前一泵泵膜3照射可见光，而向后一泵膜3照射紫外光时，则泵腔前一排水，后一泵腔4吸水，如此便可连续工作，构成连级泵系统。做成连级泵的优点在于可以增加微泵的出口压力，提高泵的泵送能力。

以上的描述和附图表示了本发明的优选实施例。可以理解，在不背离由所附权利要求所定义的本发明的原理的精神和范围的条件下，各种增加、变形和替换都应被包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光致弯曲膜驱动型微泵，其特征在于包含泵膜、泵腔和出入口；其中，泵膜由两层构成，上层材料采用光致弯曲形变材料，下层材料采用柔性高分子材料，上层与下层之间通过粘结剂粘结，所述泵膜上层的面积小于下层，为局部复合；泵膜光致弯曲变形引起腔体压力变化从而将流体从输入管道转移到输出管道。

2.如权利要求1所述的微泵，其特征在于，所述泵膜下层柔性高分子材料采用聚乙烯、聚丙烯、天然橡胶中的一种，其弹性模量比光致弯曲形变材料的弹性模量小一半以上。

3.如权利要求2所述的微泵，其特征在于，所述粘结剂选自聚丙烯酸酯类粘结剂、聚氨酯类粘结剂、环氧树脂类粘结剂、橡胶类粘结剂中的一种。

4.如权利要求1所述的光致弯曲膜驱动型微泵的驱动方法，其特征在于，利用光照射微泵中泵膜的光致弯曲形变材料使之产生形变。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，先用一种光照射光致弯曲形变材料构成的上层，使该层产生收缩，然后换用另一种光照射，使该层恢复原始状态，光源选用紫外光和可见光。

6.一种连级泵，其特征在于由多级如权利要求1所述的光致弯曲膜驱动型微泵级联组成，在同一方向分别照射不同光源时，前一级和后一级连续动作，光源选用紫外光和可见光。

Images