CN105822527B - 利用压电陶瓷驱动的多功能流体分配系统及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用压电陶瓷驱动的多功能流体分配系统，包括单片机控制系统、信号放大电路、压电陶瓷驱动的多功能流体分配装置；主泵腔是一盖状的圆柱型腔体，压电陶瓷片I覆盖在主泵腔的顶端，主泵腔的侧壁上均匀设有N个通道；N个微型液压阀布置在主泵腔周围，所述N个液体通道II与N个通道对应连通，每一微型液压阀对应连通每一液体/入口连通；单片机控制系统的输出信号经信号放大器放大后驱动N个压电陶瓷片II以不同幅度振动；单片机控制系统的输出信号经信号放大器放大后驱动个压电陶瓷片II以不同幅度和相位振动；该系统能够驱动多个通道，且在不提供驱动力时，状态可控，且该系统的出/入口可根据用户的需求进行转换。
Description
技术领域
本发明属于压电陶瓷领域，具体涉及一种利用压电陶瓷驱动的多功能流体分配系统及其驱动方法。
背景技术
目前市场上应用于微流体驱动系统的驱动装置主要有：注射泵、渗透压驱动装置、驻波驱动装置、压电陶瓷和MEMS机械驱动装置等。所述驱动装置存在的缺点如下：所售注射泵体积过于庞大、较难控制、可靠性较差；所述渗透压驱动装置对驱动液体要求较高，应用面较窄；驻波驱动装置提供的压力较小，进而引起驱动力较小，并且会造成液体回流；由于压电陶瓷机械驱动装置具有体积小、控制精度相对较高、可靠性也相对较高、提供的驱动力相对渗透压驱动装置和驻波驱动装置较高，因此针对微流体驱动系统，目前市场上压电陶瓷机械驱动装置的应用广泛，但该类驱动装置也存在相应的缺点，如采用振片与单向阀相结合，只能提供单方向的流体驱动；在不提供驱动力时状态单一，可控性较差；压电陶瓷驱动系统多为单通路驱动，并不具有多通道驱动的能力；传统驱动系统的出口与入口固定，降低了驱动系统的灵活性与普适性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种利用压电陶瓷驱动的多功能流体分配系统及其驱动方法，不仅能够驱动多个通道，且在不提供驱动力时，状态可控，而且该系统的出口和入口可根据用户的需求进行转换。
实现本发明的具体实施方案为：
一种利用压电陶瓷驱动的多功能流体分配系统，包括单片机控制系统、信号放大电路及压电陶瓷驱动的多功能流体分配装置；压电陶瓷驱动的多功能流体分配装置包括N个液体出/入口、N个微型液压阀、主泵腔及压电陶瓷片I；微型液压阀包括压电陶瓷片II、腔体、柔性薄膜及基板；所述腔体是一盖状的圆柱体，且底面设有通孔；压电陶瓷片II置于腔体的开口上，其与腔体形成的空腔结构，记为液压腔；柔性薄膜粘结于腔体内底面处并覆盖通孔；基板是刨面为T字型的圆柱体，基板置于腔体下方，基板的垂直短柱体插入腔体的通孔，基板与柔性薄膜和腔体间的缝隙形成液体通道II；主泵腔是一盖状的圆柱型腔体，压电陶瓷片I覆盖在主泵腔的顶端，主泵腔的侧壁上均匀设有N个通道；N个微型液压阀环绕布置在主泵腔周围，N个液体通道II与N个通道对应连通，每一微型液压阀对应连通一个液体/入口连通；单片机控制系统的输出信号经信号放大器放大后驱动N个压电陶瓷片II以不同幅度振动。
进一步地，所述柔性薄膜的材料为OCA光学胶或PDMS。
进一步地，所述信号放大电路为L298N H桥控制电路或信号控制模块。
进一步地，单片机控制系统为国产STC系列或CC2X30系列的微处理器。
进一步地，所述压电陶瓷驱动的多功能流体分配装置通过多层PMMA基于热键合的方式形成多阀主泵腔一体化结构。
一种基于多功能流体分配系统的流体分配系统的流体分配驱动方法，具体步骤如下：
步骤1、在N个微型液压阀9的腔体25内注满非压缩性液体；
步骤2、单片机控制系统对选定的液体出/入口a连通的微型液压阀的压电陶瓷片II通入正向脉冲，所述压电陶瓷片II凸起带动柔性薄膜凸起，液体出/入口a对应的液体通道II畅通；单片机控制系统向其余N-1个压电陶瓷片II输入负向脉冲，N-1个压电陶瓷片II均下陷带动对应的柔性薄膜凹下，相应的N-1个液体通道II阻塞；
步骤3，单片机控制系统向主泵腔上的压电陶瓷片I输入正向脉冲，液体由于负压作用从液体出/入口a流入主泵腔；
步骤4，单片机控制系统向液体出/入口a对应的微型液压阀的压电陶瓷片II输入反向脉冲，阻塞液体由液体出/入口a对应的液体通道II流通；
步骤5，单片机控制系统对选定的液体出/入口b连通的压电陶瓷片II通入正向脉冲，同时对主泵腔的压电陶瓷片I输入反向脉冲，液体由液体出/入口b排出，达到液体从液体出/入口a吸入，从液体出/入口b排出的一个过程，记为1个周期。
有益效果：
1.本发明多能提供具有多通道驱动的能力、可控性强、驱动流速控制简单。
2.传统驱动系统的出口与入口固定，降低了驱动系统的灵活性与普适性。而本发明实现了一种作为流体阀结构，同时实现微流体任意方向驱动的微流体分配装置，以及相应的驱动方法。
3.本发明不仅能够驱动多个通道，且在不提供驱动力时，状态可控，而且该系统的出口和入口可根据用户的需求进行转换。
附图说明
图1为多向驱动系统的整体逻辑示意图。
图2为微型液压阀的结构示意图。
图3为双向驱动方式的结构示意图。
图4为多方向驱动方式的部分结构示意图。
其中，1-单片机控制系统；2-信号放大电路；3-压电陶瓷驱动的多功能流体分配装置；8-液体出/入口；9-微型液压阀；10-主泵腔；12-压电陶瓷片I；21-压电陶瓷片II；22-柔性薄膜；23-液压腔；24-液体通道II；25-腔体；26-基板。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提出一种基于多片压电陶瓷，柔性薄膜以及微型液压装置的微流体驱动装置及其使用方法；在微流体层面使用多片压电陶瓷，柔性隔膜以及液压结构，可以同时作为流体阀结构和实现微流体精确任意方向驱动的微流体驱动及流体分配装置以及相应的驱动方法。通过主泵腔周期性压缩扩张的总频率以及各阀的开关频率之间的关系，以达到按照不同流速分配液体的目的。
实现本发明的具体实施方案为：
一种利用压电陶瓷驱动的多功能流体分配系统，包括单片机控制系统1、信号放大电路2及压电陶瓷驱动的多功能流体分配装置3；压电陶瓷驱动的多功能流体分配装置包括N个液体出/入口8、N个微型液压阀9、主泵腔10及压电陶瓷片I12；微型液压阀9包括压电陶瓷片II21、腔体25、柔性薄膜22及基板26；所述腔体25是一盖状的圆柱体，且底面设有通孔；压电陶瓷片II21置于腔体25的开口上，其与腔体25形成的空腔结构，记为液压腔23；柔性薄膜22粘结于腔体25内底面处并覆盖通孔；基板26是刨面为T字型的圆柱体，基板26置于腔体下方，基板26的垂直短柱体插入腔体25的通孔，基板26与柔性薄膜22和腔体25间的缝隙形成液体通道II24；主泵腔10是一盖状的圆柱型腔体，压电陶瓷片I12覆盖在主泵腔10的顶端，主泵腔10的侧壁上均匀设有N个通道；N个微型液压阀9环绕布置在主泵腔10周围，N个液体通道II(24)与N个通道对应连通，每一微型液压阀9对应连通一个液体/入口8连通；单片机控制系统1的输出信号经信号放大电路2放大后驱动N个压电陶瓷片II21以不同幅度振动。
一种基于权利要求1所述多功能流体分配系统的流体分配系统的流体分配驱动方法，具体步骤如下：
一种利用压电陶瓷驱动的多功能流体分配系统，包括单片机控制系统、信号放大电路及压电陶瓷驱动的多功能流体分配装置；压电陶瓷驱动的多功能流体分配装置包括N个液体出/入口、N个微型液压阀、主泵腔及压电陶瓷片I；微型液压阀包括压电陶瓷片II、腔体、柔性薄膜及基板；所述腔体是一盖状的圆柱体，且底面设有通孔；压电陶瓷片II置于腔体的开口上，其与腔体形成的空腔结构，记为液压腔；柔性薄膜粘结于腔体内底面处并覆盖通孔；基板是刨面为T字型的圆柱体，基板置于腔体下方，基板的垂直短柱体插入腔体的通孔，基板与柔性薄膜和腔体间的缝隙形成液体通道II；主泵腔是一盖状的圆柱型腔体，压电陶瓷片I覆盖在主泵腔的顶端，主泵腔的侧壁上均匀设有N个通道；N个微型液压阀环绕布置在主泵腔周围，N个液体通道II与N个通道对应连通，每一微型液压阀对应连通一个液体/入口连通；单片机控制系统的输出信号经信号放大器放大后驱动N个压电陶瓷片II以不同幅度振动。
进一步地，所述柔性薄膜的材料为OCA光学胶或PDMS。
进一步地，所述信号放大电路为L298N H桥控制电路或信号控制模块。
进一步地，单片机控制系统为国产STC系列或CC2X30系列的微处理器。
进一步地，所述压电陶瓷驱动的多功能流体分配装置通过多层PMMA基于热键合的方式形成多阀主泵腔一体化结构。
一种基于权利要求1所述多功能流体分配系统的流体分配系统的流体分配驱动方法，具体步骤如下：
步骤1、在N个微型液压阀9的腔体25内注满非压缩性液体；
步骤2、单片机控制系统1对选定的液体出/入口a连通的微型液压阀9的压电陶瓷片II21通入正向脉冲，所述压电陶瓷片II21凸起带动柔性薄膜22凸起，液体出/入口a对应的液体通道II24畅通；单片机控制系统1向其余N-1个压电陶瓷片II(21)输入负向脉冲，N-1个压电陶瓷片II21均下陷带动对应的柔性薄膜22凹下，相应的N-1个液体通道II24阻塞；
步骤3，单片机控制系统1向主泵腔10上的压电陶瓷片I12输入正向脉冲，液体由于负压作用从液体出/入口a流入主泵腔10；
步骤4，单片机控制系统1向液体出/入口a对应的微型液压阀9的压电陶瓷片II21输入反向脉冲，阻塞液体由液体出/入口a对应的液体通道II24流通；
步骤5，单片机控制系统1对选定的液体出/入口b连通的压电陶瓷片21通入正向脉冲，同时对主泵腔10的压电陶瓷片I12输入反向脉冲，液体由液体出/入口b排出，达到液体从液体出/入口a吸入，从液体出/入口b排出的一个过程，记为1个周期。
由附图1所示，可编程且具有外部资源接口的单片机，通过总线连接至信号放大电路。信号放大电路中置有电压及功率放大器，其功能为将单片机的输入信号进行电压放大后输入指定压电陶瓷片的电极。
压电陶瓷片分为主泵腔振片和液压阀两个部分，其中，液压阀的一端连接至相应的液体出/入口，另一端连接至主泵腔。单片机的输出信号经信号放大器放大后驱动各压电陶瓷以不同幅度和相位振动。即：不需要液体流通的液压阀保持闭合，详见液压阀相关实施方式，流体输入与输出端口对应的液压阀与主泵腔压电陶瓷以指定相位关系，详见多方向驱动方式等频振动。单片机持续输出相关周期信号，即可对液体按照预先编程的方式进行流速及流量的分配。
液压阀相关实施方式:
液压阀的结构示意图附图2所示，其中压电陶瓷片的两级连接放大电路的指定输出端口。由于压电陶瓷具有压电特性，故当输入正向电压信号时，压电陶瓷向上凸起。同理，当电压为负向时，压电陶瓷向下凹陷。在忽略内部液压负载时，其理论上升幅值σ可记为：
其中t表示压电陶瓷镀层厚度，k为常数，R、r分别为压电陶瓷震动铜箔和压电陶瓷镀层的半径，U为驱动电压。由公式(1)可得，直径为20mm，镀层为0.5mm，镀层直径为14mm的压电陶瓷，在驱动电压为20V的条件下振幅不足20uM，在具有明显阻力时该值会进一步降低，故需采用液压增幅系统以形成可操作的液压阀。
针对微型液压阀9，假设液压剂为理想流体，对压电陶瓷的阻力为0，那么当驱动系统对压电陶瓷施加正向电压时，压电陶瓷的上升幅值为σ，而由其振动所引起的液体容量变化v理论上可记为：
其中d31、k为常数，R代表压电陶瓷振动铜箔的半径，U为电压，可以看出，压电陶瓷理论上震动所引起的腔室容积变化与R的四次方成正比，θ为压电陶瓷片形成的拱形顶所对应的圆心角。
此时将柔性薄膜等效为可上下振动的平面，设柔性薄膜振幅为h，半径为r，则其振幅变为：
可知，当柔性薄膜与压电陶瓷的面积不同时，薄膜的振幅与R/r的二次方成正比。即：如图所示液压腔I23构成的系统可以放大压电陶瓷所产生的振幅，其倍率与压电陶瓷与薄膜半径比的平方成正比。
由于压电陶瓷的伸张与收缩幅度均可由电压控制，故单片机可通过该液压系统以及改变驱动电压幅值和方向的方式对液压阀实现动态精确控制。
双向驱动方式：
双向驱动的结构示意图如图3所示，采用该结构可实现双向驱动。其方法如下：
首先，单片机向液压阀A输入反向电压，液压阀B输入正向电压，则阀A完全开启而B完全闭合。记该过程为0’
此时对主泵腔输入反向电压。泵腔产生负压，该负压将导致液体由左侧入液口注入泵腔，记该过程为1’。主泵腔理论上吸取的液体量可由公式2计算获得。
当该过程结束后，单片机向液压阀A输入正向电压，此时主泵腔两侧的液压阀全部封闭；记该过程为2’。
向液压阀B输入反向电压以打开液压阀B，记该过程为记该过程为3’。
此时，对主泵腔的压电陶瓷施以正向电压，主泵腔容积减小，产生正压，使液体由右侧出液口导出，记该过程为4’。
按0’ -1’ -2’ -3’ -4’ -0’...的周期循环方式驱动，则驱动方向为由左至右。
按0’ -4’ -2’ -3’ -1’ -0’...的周期循环方式驱动，则驱动方向为由右至左。
利用该方式可实现液体的双向驱动。
多向驱动方式：
多向驱动的物理结构如图4所示；当1秒内主泵腔10的压电陶瓷振动N次，若n表示出口序号，则有:对于任意n均满足n≤S-1，S为出/入口总数量，振动周期个数为Xn，X1+X2+X3+……Xn+……+XS-1＝N；液体在第n个出口被分配的液体比例为：Xn/N；实现了液体的驱动以及多流体分配。
具体实施方式可参考如下示例：
由液体输入口A向B，C，D液体输入/输出端口同时注入液体，设A的总速度为AuL/s，B，C，D分别为b*100％/A，c*100％/A，d*100％/A，其中(a+b+c＝100)uL/s。则单片机程序流程为：
采用双向驱动模式进行工作，设置其单次驱动周期为t，定义总周期为T＝A*t。
在周期T中，在b个t周期内控制液体方向为A-B,在c个周期内控制方向为A-C，d个周期内控制方向为A-D。
按2所述方式循环驱动信号，即可按指定流速以及比率对液体流量及流速进行分配。
压电陶瓷片和柔性薄膜可被直接集成至微流控芯片。柔性薄膜可采用OCA光学胶以及PDMS等柔性材料制成。信号放大系统可采用L298N等H桥控制电路以及信号控制模块。控制单片机可采用国产STC系列以及CC2X30系列低成本微处理器等。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种利用压电陶瓷驱动的多功能流体分配系统，其特征在于，包括单片机控制系统(1)、信号放大电路(2)及压电陶瓷驱动的多功能流体分配装置(3)；压电陶瓷驱动的多功能流体分配装置包括N个液体出/入口(8)、N个微型液压阀(9)、主泵腔(10)及压电陶瓷片I(12)；微型液压阀(9)包括压电陶瓷片II(21)、腔体(25)、柔性薄膜(22)及基板(26)；所述腔体(25)是一盖状的圆柱体，且底面设有通孔；压电陶瓷片II(21)置于腔体(25)的开口上，其与腔体(25)形成的空腔结构，记为液压腔(23)；柔性薄膜(22)粘结于腔体(25)内底面处并覆盖通孔；基板(26)是刨面为T字型的圆柱体，基板(26)置于腔体下方，基板(26)的垂直短柱体插入腔体(25)的通孔，基板(26)与柔性薄膜(22)和腔体(25)间的缝隙形成液体通道II(24)；主泵腔(10)是一盖状的圆柱型腔体，压电陶瓷片I(12)覆盖在主泵腔(10)的顶端，主泵腔(10)的侧壁上均匀设有N个通道；N个微型液压阀(9)环绕布置在主泵腔(10)周围，N个液体通道II(24)与N个通道对应连通，每一微型液压阀(9)对应连通一个液体出/入口(8)；单片机控制系统(1)的输出信号经信号放大电路(2)放大后驱动N个压电陶瓷片II(21)以不同幅度振动。
2.如权利要求1所述一种利用压电陶瓷驱动的多功能流体分配系统，其特征在于，所述柔性薄膜(22)的材料为OCA光学胶或PDMS。
3.如权利要求1所述一种利用压电陶瓷驱动的多功能流体分配系统，其特征在于，所述信号放大电路(2)为L298N H桥控制电路或信号控制模块。
4.如权利要求1所述一种利用压电陶瓷驱动的多功能流体分配系统，其特征在于，单片机控制系统(1)为国产STC系列或CC2X30系列的微处理器。
5.如权利要求1所述一种利用压电陶瓷驱动的多功能流体分配系统，其特征在于，所述压电陶瓷驱动的多功能流体分配装置(3)通过多层PMMA基于热键合的方式形成多阀主泵腔一体化结构。
6.一种基于权利要求1所述多功能流体分配系统的流体分配驱动方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、在N个微型液压阀(9)的腔体(25)内注满非压缩性液体；
步骤2、单片机控制系统(1)对选定的液体出/入口a连通的微型液压阀(9)的压电陶瓷片II(21)通入正向脉冲，所述压电陶瓷片II(21)凸起带动柔性薄膜(22)凸起，液体出/入口a对应的液体通道II(24)畅通；单片机控制系统(1)向其余N-1个压电陶瓷片II(21)输入负向脉冲，N-1个压电陶瓷片II(21)均下陷带动对应的柔性薄膜(22)凹下，相应的N-1个液体通道II(24)阻塞；
步骤3，单片机控制系统(1)向主泵腔(10)上的压电陶瓷片I(12)输入正向脉冲，液体由于负压作用从液体出/入口a流入主泵腔(10)；
步骤4，单片机控制系统(1)向液体出/入口a对应的微型液压阀(9)的压电陶瓷片II(21)输入反向脉冲，阻塞液体由液体出/入口a对应的液体通道II(24)流通；
步骤5，单片机控制系统(1)对选定的液体出/入口b连通的压电陶瓷片II(21)通入正向脉冲，同时对主泵腔(10)的压电陶瓷片I(12)输入反向脉冲，液体由液体出/入口b排出，达到液体从液体出/入口a吸入，从液体出/入口b排出的一个过程，记为1个周期。
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