CN102536755A - 一种闭环压电薄膜泵及流量控制方法 - Google Patents

Abstract

一种闭环压电薄膜泵，其包括压电振子、流量传感器、压电泵基体、电路控制模块、进液阀以及出液阀，所述流量传感器和压电泵基体通过MEMS工艺集成为一整体结构，所述流量传感器设有微通道及信号转换模块，所述流量传感器检测流体的体积并将检测结果转化成电信号后反馈给电路控制模块，所述电路控制模块根据反馈的流量信号和目标流量体积信号比较后控制压电振子的运动变形量。本发明实施例的闭环压电薄膜泵通过将流量传感器和压电泵基体集成为一整体，减小了泵的体积；并通过流量传感器与电路控制模块的协同工作，实现了流体的流量闭环控制，提高了驱动流体的精度，该闭环压电薄膜泵可加工性好，便于进行一致性批量制造。

Description

一种闭环压电薄膜泵及流量控制方法

技术领域

本发明涉及微量流体传输与控制领域中的一种微小精密压电泵，尤其涉及一种带有流量检测传感器的压电薄膜泵。

背景技术

微泵是一种典型的微执行器，它在微流量控制系统中起动力源的作用。微泵在生物医学、精细化工以及医药研究等领域有着广泛需求。近年来，利用压电元件(压电片或压电叠堆)作为换能器进行流体传输的压电泵被广泛用于各种微小流体驱动领域，该种压电泵具有结构简单、体积小、重量轻、驱动力大、低泄漏、响应时间短、耗能低、无噪声、无电磁干扰等优点。

压电薄膜泵是继压电超声马达之后又一种振动能量转换装置，它将压电薄膜激发的振动直接作用于流体，从而形成压力或流量输出，具有完全不同于各类传统泵的工作原理和特征结构。压电薄膜泵的具体原理是依靠压电振子的变形和有阀泵的进出口阀(或无阀泵的进出口结构)协同工作，带动泵腔容积变化实现流体输送，因此，在实际工作中流体粘度及泵体输出端压力变化等都会影响压电膜的变形量，进而影响泵输出流量的准确性。因此，在精密的微量流体传输与控制过程中，需要通过管路外加流量传感器等检测设备进行实时监测，不仅增加了系统的体积和复杂程度，同时也极大地限制了压电泵应用的空间范围。

相关的现有技术，可参阅专利号为201110181208.4，公开日为2011年10月12日的发明专利申请，该发明专利申请揭示了一种驱动-传感一体化压电晶片泵，该压电晶片泵通过将压电振子分割成两部分，小面积用于做成传感器，大面积用于动力源驱动液体，实现流体驱动和检测的同步。这种通过检测压电振子的变形间接获取驱动流量的方法存在如下问题：其一，压电振子变形过程中阀的泄漏造成的流量变化无法被检测，其二，压电振子自身安装应力变形会造成检测误差。所以造成这种方法在检测精度和实现上均不是很理想。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新型结构的闭环压电薄膜泵，以克服上述缺陷，并以此满足现有市场对流体驱动的高精度应用需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种体积小且驱动流体精度高的闭环压电薄膜泵。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种闭环压电薄膜泵，其包括压电振子、流量传感器、压电泵基体、电路控制模块以及控制流体运动方向的进液阀与出液阀，所述压电泵基体设有管路以及形成于泵基体内的泵腔，所述压电振子、进液阀、出液阀均安装于泵基体上，所述流量传感器和压电泵基体通过MEMS工艺集成为一整体结构，所述流量传感器设有一个用以接收流体的微通道及一个信号转换模块，所述微通道在出液阀开启时与泵腔连通，所述流量传感器检测流体的体积并将检测结果转化成电信号后反馈给电路控制模块，所述电路控制模块根据反馈的流量信号和目标流量体积信号比较后控制压电振子的运动变形量。

优选的，在上述闭环压电薄膜泵中，所述压电振子由压电陶瓷薄膜与金属薄膜粘接复合而成。

优选的，在上述闭环压电薄膜泵中，所述进液阀与出液阀由具有弹性的金属或有机聚合物薄膜制成。

优选的，在上述闭环压电薄膜泵中，所述电路控制模块包括驱动压电振子运动变形的驱动子模块、比对流量体积的信号分析子模块以及控制压电振子运动变形的控制子模块，所述驱动子模块与控制子模块皆与压电振子连接，所述信号分析子模块与信号转换模块连接。

一种采用上述的闭环压电薄膜泵进行流量控制的流量控制方法，该流量控制方法具体包括如下步骤：

(1)根据输送流体的目标流量体积信号，电路控制模块发出驱动信号，驱使压电振子产生运动变形；

(2)当压电振子在电路控制模块的控制下朝第一方向运动时，泵腔体积变大，泵腔内压力小于外部压力，形成负压，在压差作用下进液阀被打开，出液阀被关闭，流体流入泵腔；

(3)当压电振子在电路控制模块的控制下朝第二方向运动时，泵腔体积变小，泵腔内压力大于外部压力，形成正压，在压差作用下进液阀被关闭，出液阀被打开，流体流出泵腔并进入到流量传感器的微通道中；

(4)流量传感器检测流体的体积并将检测结果转化成电信号后反馈给电路控制模块；

(5)电路控制模块根据反馈的流量信号和目标流量体积信号比较后控制压电振子的运动变形量。

与现有技术相比，本发明实施例的闭环压电薄膜泵的有益效果是：

(1)通过将流量传感器与压电泵基体集成为一整体，减小了泵的体积且简化了结构；

(2)通过流量传感器与电路控制模块的协同工作，实现了流体的流量闭环控制，提高了驱动流体的精度；

(3)该闭环压电薄膜泵可加工性好，便于进行一致性批量制造。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明闭环压电薄膜泵的结构示意图；

图2是本发明闭环压电薄膜泵中压电振子向上运动的示意图；

图3是本发明闭环压电薄膜泵中压电振子向下运动的示意图。

其中：1、压电振子；  2、流量传感器；  3、压电泵基体；  31、管路；  32、泵腔；  4、电路控制模块；  5、进液阀；  6、出液阀。

具体实施方式

压电薄膜泵是一种振动能量转换装置，它将压电薄膜激发的振动直接作用于流体，从而形成压力或流量输出。压电薄膜泵的具体原理是依靠压电振子的变形和有阀泵的进出口阀(或无阀泵的进出口结构)协同工作，带动泵腔容积变化实现流体输送。

在实际工作中流体粘度及泵体输出端压力变化等都会影响压电膜的变形量，进而影响泵输出流量的准确性。因此，在精密的微量流体传输与控制过程中，需要通过管路外加流量传感器等检测设备进行实时监测，不仅增加了系统的体积和复杂程度，同时也极大地限制了压电泵基体应用的空间范围。一般现有技术中，大多采用在泵的输出口串联流量检测传感器，此种连接方式的缺点主要有两个：其一，整体结构搭建复杂，体积大，无法满足小空间的应用需求；其二，管路的尺寸和形状直接影响检测的稳定性和一致性。

为了解决上述问题，现有技术中还有采用将压电振子分割成两部分，小面积用于做成传感器，大面积用于动力源驱动液体，实现流体驱动和检测的同步。这种在压电振子上集成传感器的方式的缺点主要是：其一，压电振子变形过程中阀的泄漏造成的流量变化无法被检测，影响检测精度；其二，压电振子自身安装应力变形不可控，容易造成检测误差。

基于以上描述的现有技术中的缺陷，为了提高压电薄膜泵的输出精度和可靠性，减小系统总体积，本发明提出一种集成压电薄膜泵、流量传感器、检测及驱动电路模块的闭环压电薄膜泵，该泵无需额外添加流量检测设备，驱动流体精度高，体积小。

本发明揭示的闭环压电薄膜泵，其主要包括压电振子、流量传感器、压电泵基体、电路控制模块以及控制流体运动方向的进液阀与出液阀。压电泵基体设有管路以及形成于泵基体内的泵腔。压电振子、进液阀、出液阀均安装于泵基体上。流量传感器和压电泵基体通过MEMS工艺集成为一整体结构。如此设置，通过将流量传感器及压电泵基体集成为一整体，减小了整个闭环压电薄膜泵的体积且简化了结构；同时，该闭环压电薄膜泵可加工性好，便于进行一致性批量制造。

进一步的，压电振子由压电陶瓷薄膜与金属薄膜粘接复合而成。

进一步的，进液阀与出液阀由具有弹性的金属或有机聚合物薄膜制成。

进一步的，电路控制模块包括驱动压电振子运动变形的驱动子模块、比对流量体积的信号分析子模块以及控制压电振子运动变形的控制子模块，所述驱动子模块与控制子模块皆与压电振子连接，所述信号分析子模块与信号转换模块连接。

进一步的，流量传感器设有一个用以接收流体的微通道及一个信号转换模块，微通道在出液阀开启时与泵腔连通，流量传感器检测流体的体积并将检测结果转化成电信号后反馈给电路控制模块，电路控制模块根据反馈的流量信号和目标流量体积信号比较后控制压电振子的运动变形量。此种控制方式，实现了流体的流量闭环控制，提高了驱动流体的精度。

本发明还公开了一种采用上述的闭环压电薄膜泵进行流量控制的流量控制方法，该流量控制方法具体步骤是：根据输送流体的目标流量体积信号，电路控制模块发出驱动信号，驱使压电振子产生运动变形；当压电振子在电路控制模块的控制下朝第一方向运动时，泵腔体积变大，泵腔内压力小于外部压力，形成负压，在压差作用下进液阀被打开，出液阀被关闭，流体流入泵腔；当压电振子在电路控制模块的控制下朝第二方向运动时，泵腔体积变小，泵腔内压力大于外部压力，形成正压，在压差作用下进液阀被关闭，出液阀被打开，流体流出泵腔并进入到流量传感器的微通道中；流量传感器检测流体的体积并将检测结果转化成电信号后反馈给电路控制模块；电路控制模块根据反馈的流量信号和目标流量体积信号比较后控制压电振子的运动变形量。此种流量控制方法利用了闭环压电薄膜泵的闭环控制优点，提高了驱动流体的精度。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1及图2所示，闭环压电薄膜泵包括一个压电振子1、流量传感器2、压电泵基体3、电路控制模块4以及控制流体运动方向的进液阀5与出液阀6。压电泵基体3设有管路31以及形成于泵体内的泵腔32。压电振子1、进液阀5、出液阀6均安装于泵基体3上。流量传感器2与压电泵基体3通过MEMS工艺集成为一整体结构。本发明采用MEMS工艺将流量传感器2与压电泵基体3集成为一整体，减小了整个闭环压电薄膜泵的体积且简化了结构；同时，该闭环压电薄膜泵可加工性好，便于进行一致性批量制造。

流量传感器2设有一个用以接收流体的微通道及一个信号转换模块，微通道在出液阀6开启时与泵腔32连通，流量传感器2检测流体的体积并将检测结果转化成电信号后反馈给电路控制模块4，电路控制模块4根据反馈的流量信号和目标流量体积信号比较后控制压电振子的运动变形量。如此设置，通过流量传感器2与电路控制模块4的协同工作，实现了流体的流量闭环控制，提高了驱动流体的精度。

在本发明实施方式中，压电振子1由压电陶瓷薄膜与金属薄膜粘接复合而成。进液阀5与出液阀6由具有弹性的金属或有机聚合物薄膜制成。

电路控制模块4包括电路控制模块包括驱动压电振子运动变形的驱动子模块、比对流量体积的信号分析子模块以及控制压电振子运动变形的控制子模块，所述驱动子模块与控制子模块皆与压电振子连接，所述信号分析子模块与信号转换模块连接。本发明实施例的闭环压电薄膜泵仅仅通过一个电路控制模块4完成驱动、检测、比较及控制的操作，简化了整个闭环压电薄膜泵的结构，提高了闭环压电薄膜泵的可加工性。

如图2及图3所示，本发明实施例的闭环压电薄膜泵的工作原理是：根据输送流体的目标体积，电路控制模块4发出驱动信号，驱动压电振子1产生变形运动，当压电振子在电路控制模块4的控制下朝第一方向(图2中为向上的方向)运动时，泵腔32体积变大，泵腔32内压力小于外部压力，形成负压，在压差作用下进液阀5被打开，出液阀6被关闭，流体如图2的箭头所示向上流入泵腔32；当压电振子在电路控制模块4的控制下朝第二方向(图3中为向下的方向)运动时，泵腔32体积变小，泵腔32内压力大于外部压力，形成正压，在压差作用下进液阀5被关闭，出液阀6被打开，流体如图3的箭头所示向下流出泵腔32，进入到流量传感器2的微通道中；流量传感器2检测出流体的体积并借助信号转换模块将检测信号转化成电信号返回给电路控制模块4；电路控制模块4根据反馈的流量信号和目标流量继续控制压电振子1的运动。

本发明还揭示了一种采用上述的闭环压电薄膜泵进行流量控制的流量控制方法，该流量控制方法具体包括如下步骤：

1)根据输送流体的目标流量体积信号，电路控制模块发出驱动信号，驱使压电振子产生运动变形；

2)当压电振子在电路控制模块的控制下朝第一方向运动时，泵腔体积变大，泵腔内压力小于外部压力，形成负压，在压差作用下进液阀被打开，出液阀被关闭，流体流入泵腔；

3)当压电振子在电路控制模块的控制下朝第二方向运动时，泵腔体积变小，泵腔内压力大于外部压力，形成正压，在压差作用下进液阀被关闭，出液阀被打开，流体流出泵腔并进入到流量传感器的微通道中；

4)流量传感器检测流体的体积并将检测结果转化成电信号后反馈给电路控制模块；

5)电路控制模块根据反馈的流量信号和目标流量体积信号比较后控制压电振子的运动变形量。

上述方法实施简单，利用了闭环压电薄膜泵的闭环控制优点，提高了驱动流的精度。

与现有技术相比，本发明实施例的闭环压电薄膜泵的有益效果是：

(1)通过将流量传感器2与压电泵基体3集成为一整体，减小了泵的体积且简化了结构；

(2)通过流量传感器2与电路控制模块4的协同工作，实现了流体的流量闭环控制，提高了驱动流体的精度；

(3)该闭环压电薄膜泵可加工性好，便于进行一致性批量制造。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种闭环压电薄膜泵，其包括压电振子、流量传感器、压电泵基体、电路控制模块以及控制流体运动方向的进液阀与出液阀，所述压电泵基体设有管路以及形成于泵基体内的泵腔，所述压电振子、进液阀、出液阀均安装于泵基体上，其特征在于：所述流量传感器和压电泵基体通过MEMS工艺集成为一整体结构，所述流量传感器设有一个用以接收流体的微通道及一个信号转换模块，所述微通道在出液阀开启时与泵腔连通，所述流量传感器检测流体的体积并将检测结果转化成电信号后反馈给电路控制模块，所述电路控制模块根据反馈的流量信号和目标流量体积信号比较后控制压电振子的运动变形量。

2.根据权利要求1所述的闭环压电薄膜泵，其特征在于：所述压电振子由压电陶瓷薄膜与金属薄膜粘接复合而成。

3.根据权利要求1所述的闭环压电薄膜泵，其特征在于：所述进液阀与出液阀由具有弹性的金属或有机聚合物薄膜制成。

4.根据权利要求1所述的闭环压电薄膜泵，其特征在于：所述电路控制模块包括驱动压电振子运动变形的驱动子模块、比对流量体积的信号分析子模块以及控制压电振子运动变形的控制子模块，所述驱动子模块与控制子模块皆与压电振子连接，所述信号分析子模块与信号转换模块连接。

5.一种采用权利要求1至4任一所述的闭环压电薄膜泵进行流量控制的流量控制方法，其特征在于：该流量控制方法具体包括如下步骤：

1)根据输送流体的目标流量体积信号，电路控制模块发出驱动信号，驱使压电振子产生运动变形；

2)当压电振子在电路控制模块的控制下朝第一方向运动时，泵腔体积变大，泵腔内压力小于外部压力，形成负压，在压差作用下进液阀被打开，出液阀被关闭，流体流入泵腔；

3)当压电振子在电路控制模块的控制下朝第二方向运动时，泵腔体积变小，泵腔内压力大于外部压力，形成正压，在压差作用下进液阀被关闭，出液阀被打开，流体流出泵腔并进入到流量传感器的微通道中；

4)流量传感器检测流体的体积并将检测结果转化成电信号后反馈给电路控制模块；

5)电路控制模块根据反馈的流量信号和目标流量体积信号比较后控制压电振子的运动变形量。

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