CN102562540A - 一种薄膜压缩型无阀微泵 - Google Patents
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Abstract
一种薄膜压缩型无阀微泵，属于微流体传输与控制领域，其特征在于是一种可在3V低电压下工作的，采用微型振动电机驱动的无阀微泵的技术方案。该泵主要由微型振动电机1、纽扣电池2、硅橡胶泵膜3、泵腔4、锥形扩散通道5、锥形收缩通道6、左侧水孔7、右侧水孔8、微泵入口9、微泵出口10、泵体11、纽扣电池座12和弹簧片13组成。本发明克服了现有的无阀微泵驱动电压高，加工工艺复杂的缺点，提供了一种可在3V低电压下工作的采用微型振动电机驱动无阀微泵，以降低微泵的驱动电压，提高微泵的工作稳定性。
Description
技术领域
本发明一种薄膜压缩型无阀微泵，属于微流体传输与控制领域，特别涉及一种可在3V低电压下工作的，采用微型振动电机驱动的无阀微泵的技术方案。
背景技术
微泵是一种非常重要的执行器，可精确控制和驱动微管道内流体的流动和流量。可以广泛应用在各个领域，比如药物微量输运、细胞分离、集成电子元件冷却、燃料微量喷射、化学中的微分析等等。在这些领域所用到的执行器中，微泵是其中最重要的部分，是微流体系统发展水平的重要标志。目前应用较多的是薄膜驱动型微泵，他的流量控制是通过驱动膜的往复运动引起泵腔的体积变化而实现的。目前微泵依照驱动类型可有以下几种：电磁致动微型泵，热致动微型泵，静电致动微型泵，压电致动微型泵，光致动微型泵，聚合凝胶制动微型泵，电渗透微型泵，超声波致动微型泵等等。在使用以上驱动方式的各类驱动器中，压电驱动器因其响应快、承载力高、能耗低和价格低等特点备受关注。薄膜驱动型微泵根据其有无可动阀片又可分为有阀微泵和无阀微泵。有阀微泵往往基于机械驱动，原理简单，制造工艺成熟，易于控制，是目前应用的主流，但是有阀微泵由于具有机械阀片，在高频电压的驱动下，阀片容易损坏，寿命有限；无阀微泵则是利用管道的特殊结构或流体的黏度等特性来实现液体的流动，原理新颖，结构简单，性能可靠稳定，加工费用低，更适于微型化，具有更大的发展前景。无论是有无可动阀片，目前应用的薄膜驱动型微泵普遍采用单膜单腔结构，由周期信号控制单腔容积的变化。假定上半周期泵腔容积增加，则微泵处于吸入状态；反之，下半周期泵腔容积减少，微泵处于泵送状态。无阀微泵大多采用压电致动式或者电磁致动式，对于压电致动式无阀微泵，其驱动电压通常高于上百伏，电源的体积远远大于微泵的体积。而电磁致动式无阀微泵通常利用MEMS技术加工线圈和磁极，工艺复杂，成本较高。而采用微型振动电机驱动的无阀微泵摆脱了上述局限，可以采用纽扣电池供电，体积小，成本低，微泵频率可以随驱动电压的变化而变化。
发明内容
本发明一种薄膜压缩型无阀微泵的目的在于：克服现有的无阀微泵驱动电压高，加工工艺复杂的缺点，提供一种可在3V低电压下工作的采用微型振动电机驱动无阀微泵，以降低微泵的驱动电压，提高微泵的工作稳定性。
本发明一种薄膜压缩型无阀微泵，其特征在于是一种可在3V低电压下工作的，采用微型振动电机驱动的无阀微泵，可以实现微量液体的泵送，它包括微型振动电机1、纽扣电池2、硅橡胶泵膜3、泵腔4、锥形扩散通道5、锥形收缩通道6、左侧水孔7、右侧水孔8、微泵入口9、微泵出口10、泵体11、纽扣电池座12、弹簧片13。其中，泵腔4与驱动装置相连，该驱动装置采用膜片振动驱动结构，主要包括泵腔4、粘贴在泵腔4上的硅橡胶泵膜3和驱动泵膜振动的微型振动电机1、纽扣电池座12和纽扣电池2，纽扣电池座12上还设有弹簧片13，纽扣电池2通过纽扣电池座12安装在微型振动电机1的上方并给其供电，减小了整个微泵的体积；在泵腔4与微泵入口9和微泵出口10间采用正反流压力损失不同的锥形扩散通道5和锥形收缩通道6，锥形扩散通道5的一端与微泵入口9相连，另一端与泵腔4相连；锥形收缩通道6的一端与泵腔4相连，另一端与微泵出口10相连；微泵泵腔4的直径为8mm，深度为0.5mm；锥形扩散通道5和锥形收缩通道6的窄口宽度为100μm，宽口宽度为500μm，长度为2.3mm，锥形角度为10°；微型振动电机1粘贴在硅橡胶泵膜3的上方，硅橡胶泵膜3紧贴在泵腔4上，泵腔4的位置与微型振动电机1的位置正对；锥形扩散通道5和锥形收缩通道5的两端分别设有左侧水孔7和右侧水孔8，左侧水孔7和右侧水孔8上分别安装有金属管作为微泵入口9和微泵出口10，微泵入口9和微泵出口10再与橡胶软管相连，微型振动电机1由纽扣电池2供电引起振动，从而引起硅橡胶泵膜3的振动，使泵腔4的体积发生变化，在锥形扩散通道5和锥形收缩通道6的作用下，实现液体的单方向流动。
上述一种薄膜压缩型无阀微泵，其特征在于所述其泵膜3采用弹性模量较小、韧性好、不易破裂、封装和粘贴时不易损坏的硅橡胶材料，硅橡胶泵膜的厚度为0.25mm，这一厚度是通过仿真模拟得到的，它能够使泵膜产生最大形变。
上述一种薄膜压缩型无阀微泵，其特征在于所述其泵体11是有机玻璃、玻璃、硅或者铁片。
本发明一种薄膜压缩型无阀微泵的优点在于：所提供的无阀微泵，依据流体流动性质在锥形扩散通道和锥形收缩通道产生的正反流压力差不同这一特性，实现了液体的单向流动，避免了一般单向阀具有可动部件、容易引起可动部件疲劳损坏的缺点，延长了微泵的使用寿命，提高了微泵的工作稳定性；同时该微泵具有结构简单，容易加工，使用上便于控制的优点。
附图说明：
图1是无阀微泵的结构图
图2是无阀微泵的俯视图，图中：1微型振动电机，2纽扣电池，3泵膜，4泵腔，5锥形扩散通道，6锥形收缩通道，7左侧水孔，8右侧水孔，9微泵入口，10微泵出口，11泵体，12纽扣电池座，13弹簧片
具体实施方式
实施方式1
如图1、图2所示，在泵体11上有泵腔4、锥形扩散通道5、锥形收缩通道6、左侧水孔7和右侧水孔8，在泵体11的上表面有一层硅橡胶泵膜3，硅橡胶泵膜3上方用树脂胶与微型振动电机1相粘接，微型振动电机1上安装纽扣电池座12，纽扣电池安装在纽扣电池座中，纽扣电池座上有弹簧片13，弹簧片13和纽扣电池2之间有塑料薄片，微泵工作时可将塑料薄片抽掉，微泵停止工作时可将塑料薄片插入。泵腔4通过锥形扩散通道5与左侧水孔7相连，通过锥形收缩通道6与右侧水孔8相连，左侧水孔7和右侧水孔8分别与2厘米长的金属管相连，构成微泵入口9和微泵出口10，微泵入口9和微泵入口10再与橡胶软管相连，延长了微泵入口和微泵出口的长度。
微泵的锥形扩散通道5和锥形收缩通道6的窄口宽度为100μm，宽口宽度为500μm，长度为2.3mm，角度为10°；微泵泵腔的直径为8mm，深度为0.5mm；微泵泵膜的厚度为0.25mm，以上尺寸都是通过仿真模拟后得到的最佳值，泵体11采用有机玻璃材料。
微泵工作时，泵膜在微型振动电机的驱动下发生近似抛物球面状的变形，从而使泵腔的体积发生增大和减小的交替变化。微泵入口为进水端，微泵出口为出水端，当微型振动电机带动泵膜向上运动时，泵腔4的体积增加，压强减小，水分别从微泵入口和微泵出口流入泵腔，设从锥形扩散通道5流入的流量为Q1，从锥形收缩通道6流入的流量为Q2，由于锥形扩散通道和锥形收缩通道在流体流向上呈锥形，根据锥形扩散通道、锥形收缩通道内流体的流动特性，Q1＞Q2，也即泵腔4处于吸入状态。当微型振动电机带动泵膜向下运动时，泵腔4的体积减小，压强增加，水分别从微泵入口和微泵出口流出泵腔，设从锥形扩散通道5流出的流量为Q3，从锥形收缩通道6流出的流量为Q4，根据锥形扩散通道、锥形收缩通道内流体的流动特性，Q3＜Q4，也即泵腔4水域泵出状态。因此，在一个工作周期中，从微泵入口流入的流量大于从微泵入口流出的流量，而从微泵出口流出的流量大于从微泵出口流入的流量，从而实现了流体的单向流动。
本发明的主要技术指标可达到：外形尺寸为15mm×10mm×6mm(长×宽×高)，腔体尺寸为8mm×0.5mm(直径×高)，流量可以达到150μm/min；最高泵压为2.2Kpa。
实施方式2
微泵的锥形扩散通道5和锥形收缩通道6的窄口宽度为100μm，宽口宽度为500μm，长度为2.3mm，角度为10°；微泵泵腔的直径为8mm，深度为0.5mm；微泵泵膜的厚度为0.25mm，以上尺寸都是通过仿真模拟后得到的最佳值，泵体11采用玻璃材料，其它同实施方式1。
实施方式3
微泵的锥形扩散通道5和锥形收缩通道6的窄口宽度为100μm，宽口宽度为500μm，长度为2.3mm，角度为10°；微泵泵腔的直径为8mm，深度为0.5mm；微泵泵膜的厚度为0.25mm，以上尺寸都是通过仿真模拟后得到的最佳值，泵体11采用硅材料，其它同实施方式1。
实施方式4
泵体11采用铁片材料，其它同实施方式1。
Claims (3)
1.一种薄膜压缩型无阀微泵，其特征在于是一种可在3V低电压下工作的，采用微型振动电机驱动的无阀微泵，它包括微型振动电机(1)、纽扣电池(2)、硅橡胶泵膜(3)、泵腔(4)、锥形扩散通道(5)、锥形收缩通道(6)、左侧水孔(7)、右侧水孔(8)、微泵入口(9)、微泵出口(10)、泵体(11)、纽扣电池座(12)和弹簧片(13)，泵腔(4)与驱动装置相连，该驱动装置采用膜片振动驱动结构，主要包括泵腔(4)、粘贴在泵腔(4)上的硅橡胶泵膜(3)和驱动泵膜振动的微型振动电机(1)、纽扣电池座(12)和纽扣电池(2)，纽扣电池座(12)上还设有弹簧片(13)，纽扣电池(2)通过纽扣电池座(12)安装在微型振动电机(1)的上方并给其供电，减小了整个微泵的体积；在泵腔(4)与微泵入口(9)和微泵出口(10)间采用正反流压力损失不同的锥形扩散通道(5)和锥形收缩通道(6)，锥形扩散通道(5)的一端与微泵入口(9)相连，另一端与泵腔(4)相连；锥形收缩通道(6)的一端与泵腔(4)相连，另一端与微泵出口(10)相连；微泵泵腔(4)的直径为8mm，深度为0.5mm；锥形扩散通道(5)和锥形收缩通道(6)的窄口宽度为100μm，宽口宽度为500μm，长度为2.3mm，锥形角度为10°；微型振动电机(1)粘贴在硅橡胶泵膜(3)的上方，硅橡胶泵膜(3)紧贴在泵腔(4)上，泵腔(4)的位置与微型振动电机(1)的位置正对；锥形扩散通道(5)和锥形收缩通道(5)的两端分别设有左侧水孔(7)和右侧水孔(8)，左侧水孔(7)和右侧水孔(8)上分别安装有金属管作为微泵入口(9)和微泵出口(10)，微泵入口(9)和微泵出口(10)再与橡胶软管相连，微型振动电机(1)由纽扣电池(2)供电引起振动，从而引起硅橡胶泵膜(3)的振动，使泵腔(4)的体积发生变化，在锥形扩散通道(5)和锥形收缩通道(6)的作用下，实现液体的单方向流动。
2.按照权利要求1所述的一种薄膜压缩型无阀微泵，其特征在于所述的硅橡胶泵膜(3)，其采用弹性模量较小、韧性好、不易破裂、封装和粘贴时不易损坏的硅橡胶泵膜的厚度为0.25mm，这一厚度是通过仿真模拟得到的，它能够使泵膜产生最大形变。
3.按照权利要求1所述的一种薄膜压缩型无阀微泵，其特征在于所述其泵体(11)是有机玻璃、玻璃、硅或者铁片。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120711 |