CN103557143A - 闭环压电薄膜泵及其流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭环压电薄膜泵及其流量控制方法，闭环压电薄膜泵包括压电振子、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压电泵基体内的泵腔，所述压电振子、进液阀、出液阀均安装于压电泵基体上，流量传感器和压电泵基体集成为一整体结构，微通道和出液阀之间设有流量滤波器，流量滤波器控制流体的压力使流体匀速流入流量传感器中。本发明闭环压电薄膜泵体积小、驱动流体的精度高、可加工性好且一致性好。

Description

闭环压电薄膜泵及其流量控制方法

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，尤其涉及一种闭环压电薄膜泵及其流量控制方法。

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着微流量泵送过程的动力源的作用，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，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，被广泛用于各种微小流体驱动领域。

压电泵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的应用空间范围。

为此中国专利201110181208.4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。这种方法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，振子变形过程中阀的泄漏带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理想。尽管在泵的输出口串联流量检测传感器存在诸多问题，但目前仍是应用的主流。在此之前本人提出集成流量传感器与压电薄膜泵的方法(专利申请号：201210050805.8、201220072514.4)，由于压电薄膜泵工作产生的脉动波没有外部管路的滤波，尽管可以提高泵的精度，但实验证明存在如下问题：其一检测控制算法实现难度大，其二，检测精度受泵的工作状态影响很大。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种闭环压电薄膜泵及其流量控制方法，满足对流体驱动的更高精度的应用需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种闭环压电薄膜泵及其流量控制方法，其闭环压电薄膜泵无需额外添加流量检测设备、驱动流体精度高、且体积小。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

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压电泵基体内的泵腔，所述压电振子、进液阀、出液阀均安装于压电泵基体上，所述流量传感器和压电泵基体集成为一整体结构，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信号比较后控制压电振子的运动变形量，所述微通道和出液阀之间设有流量滤波器，所述流量滤波器控制流体的压力使流体匀速流入流量传感器中。

作为本发明的进一步改进，所述流量滤波器包括若干吸波腔体及对应设于吸波腔体上的吸波薄膜。

作为本发明的进一步改进，所述吸波腔体和吸波薄膜的数量设为两个或两个以上，所述不同吸波薄膜的厚度不同。

作为本发明的进一步改进，所述压电振子由压电陶瓷薄膜与金属薄膜粘接复合而成。

作为本发明的进一步改进，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。

作为本发明的进一步改进，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均与压电振子连接，所述信号分析子模块与信号转换模块连接。

相应地，一种闭环压电薄膜泵的流量控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、根据输送流体的目标流量信号，电路控制模块发出驱动信号，驱使压电振子产生运动变形；

S2、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；

S3、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滤波器中；

S4、流量滤波器控制流体的压力使流体匀速流入流量传感器的微通道中；

S5、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；

S6、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。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4包括：

S41、流体在脉冲波峰流入时，流量滤波器内部管路存在流阻，使得管壁上存在流体压力，流体压力推动流量滤波器上吸波薄膜的向吸波腔体内运动，进而增大流量滤波器内部管路的体积，降低了管路中的压力；

S42、流体在非脉冲波峰流入时，流量滤波器内部管路中的压力下降，吸波腔体上的吸波薄膜在弹性恢复力的作用下进行复位，流量滤波器内部管路的体积减小，进而促使整个流量滤波器输出压力均匀的流体。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4还包括：吸波腔体上的吸波薄膜的厚度不同，响应了不同频率和/或压力的脉冲波峰。

本发明具有以下有益效果：

流量传感器、流量滤波器和压电泵基体集成为一整体结构，减小了泵的体积且简化了结构；

流量滤波器能够控制流体的能量，使流过管路中的流体趋于匀速，提高了驱动流体的精度；

闭环压电薄膜泵可加工性好，可采用微加工工艺批量制造，且一致性好。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明一实施方式中闭环压电薄膜泵的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

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。

压电薄膜泵输出端管路串联流量传感器的缺点：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。

压电振子上集成流量传感器的缺点：其一，阀泄漏造成的流量变化无法被检测，影响检测精度；其二，安装过程中压电振子的变形不可控，容易造成传感器的检测误差。

在压电振子后端集成流量传感器的缺点：其一，检测控制算法实现难度大，其二，检测精度受泵的工作状态影响很大。

基于以上描述的现有技术中的缺陷，本发明提出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、进液阀与出液阀、以及流量滤波器，整个闭环压电薄膜泵体积小，驱动流体的精度高，可采用微加工工艺批量制造，且一致性好。

如图1所示，在本发明一实施方式中的闭环压电薄膜泵，其包括：

压电泵基体10、压电振子20、流量传感器40、流量滤波器50、电路控制模块(未图示)以及控制流体运动方向的进液阀31与出液阀32，压电泵基体设有管路12以及形成于压电泵基体10内的泵腔11，压电振子20、进液阀31、出液阀32均安装于压电泵基体10上。其中，压电振子20由压电陶瓷薄膜与金属薄膜粘接复合而成，进液阀31出液阀32由具有弹性的金属或有机聚合物薄膜制成。

流量传感器40、流量滤波器50和压电泵基体10通过MEMS工艺集成为一整体结构，流量传感器40设有一个用以接收流体的微通道41及一个信号转换模块(未图示)，微通道41在出液阀32开启时与泵腔11连通，流量传感器40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信号比较后控制压电振子的运动变形量。

电路控制模块包括驱动压电振子20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20运动变形的控制子模块，驱动子模块与控制子模块均与压电振子20连接，信号分析子模块与流量传感器40中的信号转换模块连接。

微通道41和出液阀32之间设有流量滤波器50，流量滤波器50控制流体的压力使流体匀速流入流量传感器40中。

流量滤波器50包括若干吸波腔体51及对应设于吸波腔体上的吸波薄膜52，在脉动流的作用下薄膜通过变形，减小脉动的能量，促使流过管路中的流体趋于匀速，然后流入流量传感器。优选地，吸波腔体51和吸波薄膜52的数量设为两个或两个以上，且不同吸波薄膜52的厚度不同，保证了对不同频率和压力的波峰响应。

本发明中闭环压电薄膜泵的流量控制方法，具体包括以下步骤：

S1、根据输送流体的目标流量信号，电路控制模块发出驱动信号，驱使压电振子产生运动变形。

S2、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。

S3、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滤波器中。

S4、流量滤波器控制流体的压力使流体匀速流入流量传感器的微通道中。

S5、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。

S6、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。

结合图1所示，本发明一具体实施方式中，闭环压电薄膜泵的流量控制方法具体为：

根据输送流体的目标流量信号，电路控制模块发出驱动信号，驱使压电振子20产生运动变形。当压电振子20在电路控制模块的控制下向上运动至位置20’时，泵腔11体积变大，泵腔11内压力小于外部压力，形成负压，在压差作用下进液阀31被打开，出液阀32被关闭，流体流入泵腔11；当压电振子20在电路控制模块的控制下向下运动至位置20”时，泵腔11体积变小，泵腔11内压力大于外部压力，形成正压，在压差作用下进液阀31被关闭，出液阀32被打开，流体流出泵腔11并进入到流量滤波器50中。

流量滤波器50控制流体的压力使流体匀速流入流量传感器40的微通道41中。脉动流峰值流入时，由于流量滤波器50微小管路存在流阻，使得管壁上存在压力，流体压力推动流量滤波器50上吸波薄膜52的向外运动，进而减小吸波腔体51的体积(即增大了流量滤波器内部管路的体积)，降低了流量滤波器管路中的压力；而在非脉冲波期间，由于流量滤波器管路中的压力下降，吸波腔体51中吸波薄膜52在弹性恢复力的作用下进行复位，流量滤波器内部管路的体积减小，进而促使整个流量滤波器输出压力均匀的流体。

本实施方式中，由于流量滤波器50是由2个或2个以上的吸波腔体和吸波薄膜组成，每个吸波腔体中吸波薄膜的厚度不同，保证了对脉动流不同频率和压力的波峰响应。

流量传感器40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20的运动变形量。

上述控制方法实施简单，利用了闭环压电薄膜泵的闭环控制优点，可实现微量液体的泵送和检测，整套压电薄膜泵体积小，控制流体的体积精度高。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

流量传感器、流量滤波器和压电泵基体集成为一整体结构，减小了泵的体积且简化了结构；

流量滤波器能够控制流体的能量，使流过管路中的流体趋于匀速，提高了驱动流体的精度；

闭环压电薄膜泵可加工性好，可采用微加工工艺批量制造，且一致性好。

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 (9)

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压电泵基体内的泵腔，所述压电振子、进液阀、出液阀均安装于压电泵基体上，所述流量传感器和压电泵基体集成为一整体结构，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信号比较后控制压电振子的运动变形量，其特征在于，所述微通道和出液阀之间设有流量滤波器，所述流量滤波器控制流体的压力使流体匀速流入流量传感器中。

2.根据权利要求1所述的闭环压电薄膜泵，其特征在于，所述流量滤波器包括若干吸波腔体及对应设于吸波腔体上的吸波薄膜。

3.根据权利要求2所述的闭环压电薄膜泵，其特征在于，所述吸波腔体和吸波薄膜的数量设为两个或两个以上，所述不同吸波薄膜的厚度不同。

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

5.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。

6.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均与压电振子连接，所述信号分析子模块与信号转换模块连接。

7.一种闭环压电薄膜泵的流量控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、根据输送流体的目标流量信号，电路控制模块发出驱动信号，驱使压电振子产生运动变形；

S2、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；

S3、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滤波器中；

S4、流量滤波器控制流体的压力使流体匀速流入流量传感器的微通道中；

S5、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；

S6、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。

8.根据权利要求7所述的流量控制方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S41、流体在脉冲波峰流入时，流量滤波器内部管路存在流阻，使得管壁上存在流体压力，流体压力推动流量滤波器上吸波薄膜的向吸波腔体内运动，进而增大流量滤波器内部管路的体积，降低了管路中的压力；

S42、流体在非脉冲波峰流入时，流量滤波器内部管路中的压力下降，吸波腔体上的吸波薄膜在弹性恢复力的作用下进行复位，流量滤波器内部管路的体积减小，进而促使整个流量滤波器输出压力均匀的流体。

9.根据权利要求8所述的流量控制方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：吸波腔体上的吸波薄膜的厚度不同，响应了不同频率和/或压力的脉冲波峰。

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