CN103573592B - 一种锥形电致动聚合物驱动的单腔微泵 - Google Patents

Abstract

一种锥形EAP驱动的单腔微泵，其上泵盖（3）的两边开有进口（15）和出口（16），上泵盖正中位置开中间大孔（17）。泵体（2）上开有进、出口缓冲腔（7、11），一个泵腔（13）。进口（15）和出口（16）分别和进、出口缓冲腔（7）和（11）连通。泵腔（13）与进、出口缓冲腔（7）、（11）之间分别由进、出口锥形流道（14）和（12）沟通。上泵盖（3）的底面开有上环形槽（9），泵体（2）的上表面开有下环形槽（18）。上、下环形铜片电极（6）和（19）分别安置在上、下环形槽（9、18）里。电致动聚合物薄膜（10）放置在上、下环形铜片电极（6、19）之间。

Description

一种锥形电致动聚合物驱动的单腔微泵

技术领域

本发明涉及一种微流量液体的输送装置。

背景技术

微泵是微流体系统的重要执行部件，主要功能是产生液体的微量流动。微泵可分为有阀微泵和无阀微泵两种。

无阀微泵依靠入口和出口处不同的阻力特性来控制流动方向。无阀微泵的优点是工作原理新颖，结构和制造加工工艺简单，而且可控性好，泄漏量低；缺点是反向止流性能差。

无阀泵通过MEMS技术加工，结构比较简单，利于微型化；无阀泵的输出压力和流量偏低；无阀泵可以传输一些颗粒状的药用流体。

1992年，德国Richter等人首次提出在微泵设计中采用无阀结构的设想；1993年，瑞典Chalmers大学的Erik Stemme等人成功地采用扩散口/喷口结构制作了微泵，微泵尺寸只有几厘米，扩散口/喷口的形状为锥形，可用来输送液体和气体，在这种微泵中，薄膜式微泵的止回阀被扩散器/喷嘴单元在两个方向上的流阻不同，可以产生单方向的净流量。

1998年，英国南安普敦大学的M Koch，A G R Evans和A Brunnschweiler等人研制出一种用印刷的PZT压电薄膜来驱动的扩张管/收缩管微泵。而后，Jeong和Tsai分别研制出以热空气驱动和热气泡形式驱动的微泵。2003年，美国密歇根大学电子工程与计算机科学系的P.Sethu和C.H.Mastrangelo采用聚氧乙烯材料为热驱动材料来制造无阀泵。2004年，韩国Myongji大学的Jin-Ho Kim，C.J.Kang和Yong-Sang Kim研制出一种使用压电片来驱动的低成本且结构简单微型无阀泵。2003年，Shunichi Hayamizu等人设计出一种可以双向流动的压电无阀微泵，通过控制电压波形来改变流体的方向。2006年，北京工业大学和北京联合大学共同研制出非对称坡面腔底无阀压电泵。2006年，中科院电子研究所用15mm长的压电双晶片悬臂梁代替压电薄膜来驱动微泵。2006年，哈尔滨工业大学的王蔚等人研制了硅基压电式双向无阀微泵。2007年，台湾国立科学技术大学基于SDM（shape depositionmanufacturing）工艺，研制了基于压电材料的潜入式压电微泵。2009年大连理工大学李鑫等人设计了双腔无阀压电微泵。2004年清华大学的何枫等人研制的带无移动部件的单向阀微泵（专利申请号：03137756.4）。上海交通大学机械工程与动力学院崔琦峰，刘成良，XuanF.(William)Zha设计了一种串联无阀式微泵，通过压电振子驱动薄膜的运动。

上述主要采用压电膜做为驱动膜的无阀微泵装置，而下述中国专利03118917.2和99113953.4提出一种压电膜；99113953.4用的是形状记忆合金；201210488815.X提出的微泵采用压电膜；200810064355.1采用的是形状记忆合金驱动；201110462703.2采用的是硅橡胶；201110059444.9采用的是压电膜来做为驱动膜。

电致动聚合物（EAP）是一种新型智能材料，生物兼容性好，在电场作用下可产生300%的大幅变形，其变形远大于现有的压电材料，将其应用于微泵的致动器中可解决现有微泵存在的流量小的缺点，增大阀的冲程体积和体积流量。该材料具有机电转换效率及疲劳寿命高等优点，因此在微流体控制中是一种非常有潜力的新型材料。采用电磁驱动方式，驱动器设置方便，还可以进行远程驱动；调整驱动线圈的频率可以方便地控制振动膜的振动频率和振幅。

西安交通大学夏冬梅，庞宣明，陈晓南，李博文（西安交通大学学报第43卷第7期p:92～95.2009年7月）则提出基于EAP驱动的无阀微泵，以高分子为主要结构材料，并且生物兼容性较好。但该文献中无阀微泵的驱动膜上下振动的距离较小，造成流量较小。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的用电致动聚合物（EAP）制造的无阀微泵流量小的缺点，提出一种锥形电致动聚合物驱动的单腔微泵。本发明将电致动聚合物薄膜预拉伸成角度较大的锥形，得以增大了电致动聚合物（EAP）薄膜的偏移量；并且通过施加预载荷，提高了电致动聚合物的响应速度，进而提高了微泵的工作频率，最终得到流量大，结构简单，流量控制精确的微泵。

本发明微泵由电致动聚合物（EAP）驱动，通过工作过程中扩散管和收缩管两端的端差变化使流体单向输送。

本发明锥形电致动聚合物驱动的单腔微泵包括泵体，上、下泵盖，凹形支架，预载荷弹性元件，上、下环形铜片电极，以及电致动聚合物薄膜。所述的泵体和上、下泵盖的材料为有机玻璃。泵体位于上泵盖和下泵盖之间。

所述上泵盖的两端开有进口和出口，上泵盖正中位置开有中间大孔。

所述泵体的两端开有进口缓冲腔和出口缓冲腔，泵体的正中位置开有一个泵腔。所述的泵腔与上泵盖的中间大孔相对。所述进口和进口缓冲腔连通，所述出口和出口缓冲腔连通。所述泵腔与进口缓冲腔和出口缓冲腔之间分别由进口锥形流道、出口锥形流道沟通。

所述上泵盖的底面开有上环形槽，泵体的上表面开有下环形槽。上环形铜片电极安置在上环形槽内。下环形铜片电极安置在下环形槽内。

所述的电致动聚合物薄膜由电子型电致动聚合物材料制作成方形，夹在上环形铜片电极和下环形铜片电极之间。上环形铜片电极和下环形铜片电极作为电致动聚合物薄膜的电极和直流高压发生器相连。

所述的泵体与上、下泵盖通过下泵盖，上泵盖和泵体四角的螺旋孔键合成一体。

所述凹形支架倒扣安装在上泵盖的上方，预载荷弹性元件的一端固定在凹形支架的横梁上，另一端连接在预载荷圆盘上。预载荷圆盘粘贴在电致动聚合物（EAP）薄膜的下方。利用预载荷弹性元件的弹力和预载荷圆盘共同作用将方形的电致动聚合物薄膜拉伸成锥形，向上穿过上泵盖正中位置的中间大孔。

锥形电致动聚合物驱动的单腔微泵通过控制施加在电致动聚合物薄膜上的电压的变化改变电致动聚合物薄膜的形变方向，从而改变上泵腔的容积，泵出液体。

本发明锥形电致动聚合物驱动的单腔微泵的工作原理和工作过程如下：

本发明微泵有两种工作模式，一种是供给模式，方形的电致动聚合物薄膜由于受到预载荷弹性元件和预载荷圆盘的共同作用预拉伸为锥形。当给所述薄膜施加电压时，锥形电致动聚合物薄膜的顶部往上偏移，流体从进口和出口向泵腔内流入，这时进口锥形流道为渐扩管，两端压差为△P1，流量为Q1，出口锥形流道为渐缩管，两端压差为△P2，流量为Q2，两个端压差的大小关系为△P1>△P2，因此Q1>Q2。本发明微泵的另一种工作模式是泵出模式，此时方形的电致动聚合物薄膜不加电压，原先往上偏移的锥形电致动聚合物薄膜的顶部往下偏移，流体通过进口和出口从泵腔内向外流出，这时进口锥形流道为渐缩管，其两端压差为△P3，流量为Q3，出口锥形流道为渐扩管，其两端压差为△P4，流量为Q4，两个端压差的大小关系为△P3<△P4，因此Q3<Q4。本发明微泵在两个工作模式中的净流量的大小和整个微泵的净流量相等：△Q=Q1-Q2=Q4-Q3。

本发明具有如下特点：

1.本发明由于采用了锥形电致动聚合物薄膜，明显的提高了微泵的流量。微泵的密封性好，结构简单，因此工作可靠。并且控制简便，流量控制精确。

2.本发明具有体积小，成本低，所使用材料对人体无害等特点，适用于医学上的药物配给，药物输送等领域。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是本发明的整体微泵全剖视图；

图3是上泵盖顶视图；

图4是泵体顶视图；

图5下泵盖顶视图；

图6是微泵供给模式图；

图7是微泵泵出模式图；

图8是本发明的结构示意图；

图9是本发明控制电路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，所述的微泵包括泵体，上泵盖3、下泵盖1，凹形支架4，预载荷弹性元件5，上环形铜片电极6、下环形铜片电极19，电致动聚合物薄膜10。

泵体2位于上泵盖3和下泵盖1之间。

上泵盖3的两端开有进口15和出口16，上泵盖3的正中位置开有中间大孔17。

泵体2的两端开有进口缓冲腔7和出口缓冲腔11，泵体2的正中位置开有泵腔13。所述的泵腔13与上泵盖3的中间大孔相对。进口15和进口缓冲腔7连通，出口16和出口缓冲腔11连通。泵腔13与进口缓冲腔7和出口缓冲腔11之间分别由进口锥形流道14、出口锥形流道12沟通。

上泵盖3的底面开有上环形槽9，泵体2的上表面开有下环形槽18。上环形铜片电极6安置在上环形槽9内。下环形铜片电极19安置在下环形槽18内。泵体2与上泵盖3、下泵盖1通过下泵盖1、上泵盖3和泵体2四角的螺旋孔键合成一体，用环形电致动聚合物密封垫密封。上泵盖3、泵体2、下泵盖1依次顺序组装在一起。

上环形铜片电极6和下环形铜片电极19作为电致动聚合物薄膜的电极和直流高压发生器相连。方形的电致动聚合物薄膜夹在上环形铜片电极6和下环形铜片电极19之间。

凹形支架4倒扣安置在上泵盖3的正上方，也即泵腔13的正上方。预载荷弹性元件5的一端固定在凹形支架4的横梁上，另一端接在预载荷圆盘8上。预载荷圆盘8利用电致动聚合物薄膜材料自身的粘性粘在电致动聚合物材料薄膜10的下方。利用预载荷弹性元件的弹力和预载荷圆盘共同工作用将方形电致动聚合物薄膜拉伸成锥形，向上穿过上泵盖3上的中间大孔17。

如图1、图2所示：液体按照以下顺序流通：进口15→进口缓冲腔7→进口锥形流道14→泵腔13→出口锥形流道12→出口缓冲腔11→出口16。

本发明微泵的工作原理和工作过程如图6和图7所示。本发明微泵有两种工作模式，一个是如图6所示的供给模式，方形的电致动聚合物薄膜由于受到预载荷弹性元件和预载荷圆盘的共同作用预拉伸为锥形，当给所述薄膜施加电压时，锥形电致动聚合物薄膜的顶部往上偏移，流体从进口15和出口16向泵腔13内流入，这时进口锥形流道14为渐扩管，两端压差为△P1，流量为Q1，出口锥形流道12为渐缩管，两端压差为△P2，流量为Q2，两个端压差的大小关系为△P1>△P2，因此Q1>Q2。本发明微泵的另一种工作方式是如图7所示的泵出模式，方形的电致动聚合物薄膜10不加电压，原先往上偏移的锥形电致动聚合物薄膜的顶部往下偏移，流体通过进口15和出口16从泵腔13内向外流出，这时进口锥形流道14为渐缩管，其两端压差为△P3，流量为Q3，出口锥形流道12为渐扩管，其两端压差为△P4，流量为Q4，两个端压差的大小关系为△P3<△P4，因此Q3<Q4。微泵在两个工作模式中的净流量的大小和整个微泵的净流量相等：△Q=Q1-Q2=Q4-Q3。

本发明微泵还包括控制电路。如图9所示，控制电路由计算机、PLC、干簧继电器和直流高压发生器构成。计算机实现PLC的梯形图编程，由PLC控制干簧继电器，干簧继电器切换从直流高压发生器来的直流高压电，最终得到方波直流脉动电压，所述的方波直流脉动电压施加于锥形电致动聚合物薄膜上，驱动微泵工作。本发明采用的是北京市机电研究院高电压技术公司生产的BGG直流高压发生器(0～120kV)，MEDER公司生产的HE干簧继电器和三菱公司的FX系列PLC。

Claims (5)

1.一种锥形电致动聚合物驱动的单腔微泵，其特征在于，所述的微泵包括泵体(2)，上、下泵盖(3、1)，凹形支架(4)，预载荷弹性元件(5)，预载荷圆盘(8)，上环形铜片电极(6)、下环形铜片电极(19)，以及电致动聚合物薄膜(10)；所述的泵体(2)位于上泵盖(3)和下泵盖(1)之间，按照上泵盖(3)、泵体(2)、下泵盖(1)的顺序组装在一起；所述的凹形支架(4)倒扣安装在上泵盖(3)的上方；预载荷弹性元件(5)的一端固定在支架(4)上，另一端接在预载荷圆盘(8)上；预载荷圆盘(8)粘贴在电致动聚合物(EAP)薄膜(10)的下方；上泵盖(3)的底面开有上环形槽(9)，泵体(2)的上表面开有下环形槽(18)；上环形铜片电极(6)安置在上环形槽(9)内，下环形铜片电极(19)安置在下环形槽(18)内；所述的电致动聚合物薄膜(10)夹在上环形铜片电极(6)和下环形铜片电极(19)之间；上环形铜片电极(6)和下环形铜片电极(19)作为电致动聚合物薄膜(10)的电极和直流高压发生器相连；

所述的上泵盖(3)的两端开有进口(15)和出口(16)，上泵盖(3)的正中位置开中间大孔(17)；所述泵体(2)的两端开有进口缓冲腔(7)和出口缓冲腔(11)，泵体(2)的正中位置开有泵腔(13)，所述的泵腔(13)与上泵盖(3)的中间大孔(17)相对；所述的进口(15)和进口缓冲腔(7)连通，所述的出口(16)和出口缓冲腔(11)连通；所述泵腔(13)与进口缓冲腔(7)和出口缓冲腔(11)之间分别由进口锥形流道(14)和出口锥形流道(12)沟通。

2.按照权利要求1所述的单腔微泵，其特征在于，所述的电致动聚合物薄膜(10)受预载荷弹性元件(5)和预载荷圆盘(8)的共同作用预拉伸为锥形。

3.按照权利要求1所述的单腔微泵，其特征在于，所述的泵体(2)与上泵盖(3)、下泵盖(1)通过下泵盖(1)，上泵盖(3)和泵体(2)四角的螺旋孔键合成一体。

4.按照权利要求1所述的单腔微泵，其特征在于，所述的泵体(2)和上泵盖(3)和下泵盖(1)的材料为有机玻璃。

5.按照权利要求1所述的单腔微泵，其特征在于所述的微泵通过控制施加在电致动聚合物薄膜(10)上的电压的变化改变电致动聚合物薄膜(10)的形变方向，从而改变泵腔(13)的容积，泵出液体。