CN109899272A

CN109899272A - 一种基于ipmc材料的柔性微泵

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Publication number: CN109899272A
Application number: CN201910259956.6A
Authority: CN
Inventors: 王延杰; 杨文�; 王家乐; 李铸钊; 张霖; 骆敏舟
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2019-06-18

Abstract

本发明涉及一种基于IPMC材料的柔性微泵，包括腔体、进液管和出液管，所述进液管和所述出液管均连通所述腔体，围成所述腔体的侧壁包括驱动片，所述驱动片包括IPMC层，所述IPMC层连接有用于驱动所述IPMC层变形的驱动控制器，所述IPMC层上下表面覆盖有金属电极，所述驱动控制器通过所述金属电极向所述驱动片输送电压信号。该微泵可用于人体皮肤表面或内部的药物输送，具有较高的安全性和便携性。

Description

一种基于IPMC材料的柔性微泵

技术领域

本发明涉及一种微泵，尤其涉及一种基于IPMC材料的柔性微泵。

背景技术

微泵是微流体系统的一个重要组成部分，它作为微流体系统的“心脏”，反映了微流体系统的发展水平。同时，它作为一种重要的执行器件，被广泛的应用于药物输送，电子冷却，微型系统等方面。

按照驱动原理的不同，微泵通常可分为压电式、静电式、气动式和形状记忆合金式等，这些微泵有着驱动电压高，运动周期慢，体积较大，可靠性差等缺点，因而没有被广泛采用。

离子聚合物-金属复合材料（Ionic polymer-metal composites, IPMC）属于电致动聚合物材料（Electroactive polymer, EAP），IPMC是由离子交换膜经过浸泡还原镀等方法在上下两个表面镀上一层金属所形成的离子聚合物—金属复合材料，它是一种新型的功能材料，这类材料在较低的电压下可以产生较大的弯曲变形。同时，它还具有质量轻，运动灵活，柔韧性好等特点。

发明内容

本发明的目的在于提供在一种在低电压下即可驱动的微泵且该低电压不会对人体造成伤害，该微泵可用于人体皮肤表面或内部的药物输送，具有较高的安全性和便携性。

本发明所采取的技术方案为：一种基于IPMC材料的柔性微泵，包括腔体、进液管和出液管，所述进液管和所述出液管均连通所述腔体，围成所述腔体的侧壁包括相对设置的第一驱动片和第二驱动片，所述第一驱动片和第二驱动片包括IPMC层，所述IPMC层连接有用于驱动所述IPMC层变形的驱动控制器，所述IPMC上下两个表面覆盖有金属电极，所述驱动控制器通过所述金属电极向所述第一驱动片和第二驱动片输送电压信号，所述电压信号为正或负时，所述第一驱动片和所述第二驱动片向所述腔体外弯曲变形，所述腔体膨胀，改变所述电压信号方向，所述第一驱动片和所述第二驱动片向所述腔体内弯曲变形，所述腔体收缩。

进一步的，所述第一驱动片和第二驱动片还包括用于封装所述IPMC层的封装层，所述封装层由柔性材料制得。

进一步的，所述进液管包括连接腔体的第一端部和远离腔体的第二端部，所述第一端部管口内径大于所述第二端部管口内径。

进一步的，所述出液管包括连接腔体的第三端部和远离腔体的第四端部，所述第三端部管口内径小于第四端部管口内径。

进一步的，还包括有连接所述第一驱动片和第二驱动片的硅胶片，所述硅胶片上设置有通孔，所述第一驱动片和第二驱动片分别设置于所述通孔两端，所述第一驱动片、第二驱动片和所述通孔内壁围成所述腔体。

进一步的，所述进液管穿过所述通孔侧壁连接所述腔体，所述出液管穿过所述通孔侧壁连接所述腔体。

进一步的，所述第一驱动片与所述第二驱动片边缘固定连接所述硅胶片，所述硅胶片厚度为1-2.5mm

进一步的，所述进液管和出液管均为硅胶材料，所述进液管和所述出液管与所述硅胶片为一体结构。

进一步的，所述封装层采用PDMS材料制得。

进一步的，所述IPMC层中部切割有花瓣状通孔，所述金属电极包括分别覆盖在所述IPMC层上下两表面的第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极和第二金属电极均为环形结构，所述第一金属电极和第二金属电极相对设置，所述花瓣状通孔置于金属电极环形结构内。

本发明所产生的有益效果：IPMC材料是一种三层的结构，该结构的中间部分为离子交换膜，上下两个表面为附着的金属层。在中间的离子交换膜中有金属阳离子和溶剂分子，当在IPMC材料的上下两表面施加电压时，会在材料中形成电场，在电场力的作用下，阳离子会带着溶剂分子向着阴极一侧移动，使得阴极膨胀，阳极收缩，从而产生弯曲变形，此种特性可用于驱动。若使IPMC材料产生一定程度的变形，那么其内部的阳离子便会向某一侧聚集，使得两侧产生一定的电位差，此种特性可用于传感。本发明利用IPMC材料作为驱动材料，进行对微泵的驱动，其优点在于驱动电压很低，3-5V即可，这种低电压对人体不会造成危害，同时若泵体其他部分也采用生物兼容性的柔性材料，那么这种全柔性的微泵便可用于人体皮肤表面或内部的药物输送，具有较高的安全性和便携性。

本发明中的进液管中第一端部管口内径大于所述第二端部管口内径，出液管中第三端部管口内径小于第四端部管口内径，这种结构会使得液体从小管径端流向大管径端比较容易，而从大管径端流向小管径端相对困难。这样在微泵体积收缩时，进液管中流入的液体会大于出液管中流入的液体；而微泵的体积增大时，出液管中流出的液体会大于进液管中流出的液体，微泵在一个周期内液体的整体表面为从一端流向另一端，在不需要阀门的情况下即可实现单向泵送的要求，避免安装阀门，无阀的方式可以避免有阀微泵的阀片在长时间工作后阀片疲劳导致的堵塞风险。本发明中采用双驱动片驱动可以产生更大的驱动力，从而获得更大的流量，而全柔性的材料对人体的兼容性较好，可以将微泵放置于人体皮肤的表面或者内部以进行药物的输送。

本发明中的IPMC层中部挖取有花瓣状通孔，可保证驱动时具有较理想的变形效果。

本发明中微泵的整体结构简单，腔体连接进液管和出液管，然后腔体的上下两面使用驱动片进行驱动即可，使用时用导线把驱动片的电极和驱动控制器连接起来，在泵中注入一定量的液体，然后打开驱动控制器的开关，输入适当波形的电压，在电压的作用下，会使得上下两个驱动片产生方向相反的弯曲变形，从而使泵腔产生周期性的体积变化，以达到液体从一端流向另一段的目的。

附图说明

图1为微泵的整体剖视图

图2为驱动片内部剖视图

图3为腔体连接进、出液管后的三维透视图

图4为进液管的三维透视图

图5为出液管的三维透视图

图中：1、进液管，2、出液管，3、腔体，4、硅胶片，5、通孔，6、第一驱动片，7、第二驱动片，8、第一金属电极，9、第二金属电极，10、IPMC层，11、花瓣状通孔，12、封装层，13、第一管段，14、第二管段，15、第三管段，16、第四管段。

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详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图所示，本发明中的微泵主要包括进液管1、出液管2、腔体3、第一驱动片6、第二驱动片7和驱动控制器。本发明中的腔体3是以硅胶片4为载体，当然也可以是其它柔性材料，在硅胶片4上沿厚度方向开设贯穿上下侧面的通孔5，硅胶片4具有一定的厚度，以便在侧壁开设通向孔连接进液管1（出液管2）和腔体3；第一驱动片6和第二驱动片7上下相对设置，两驱动片分别置于通孔5的两端，驱动片的边缘与硅胶片4固定连接，通孔5侧壁、第一驱动片6和第二驱动片7围成腔体3。进液管1和出液管2均穿过通孔5侧壁连通腔体3。

第一驱动片6和第二驱动片7为相同的结构，第一驱动片6和第二驱动片7由IPMC材料和封装材料组成。IPMC材料形成IPMC层，封装材料形成封装层12，封装层12包覆于IPMC层外围，IPMC 层10上下两侧覆盖有环形的金属电极，金属电极包括第一金属电极8和第二金属电极9。为保证驱动时具有较为理想的驱动力，将驱动部分的IPMC层制为悬臂梁状，并采用并联将多个悬臂梁连接在一起以组成环形结构，构成类似“花瓣”状的圆形驱动片。在IPMC层的悬臂梁末端上下两面覆盖环形或其他形状的金属电极，该电极可以采用铜箔片或其他金属导电材料；即在IPMC 层中部切割花瓣状通孔，在通孔外周的IPMC 材料上下表面覆盖环形的金属电极，封装材料可以采用聚四氟乙烯（PTFE）或聚二甲基硅氧烷（PDMS）等柔性材料。

驱动控制器用于给予IPMC层连续的激励信号，通过导线连接到IPMC层的金属电极上，从而使得上驱动片和下驱动片发生连续的变形，以达到所需的泵送要求。

本发明中进液管1为直管，其管内径沿进入微泵方向逐渐扩张，进液管1包括连接腔体3的第一端部和远离腔体3的第二端部，第一端部管内径大于第二端部管内径，第一端部和第二端部之间包括第一管段13和第二管段14，第一管段13靠近第二端部，第二管段14靠近第一端部，第一管段13内径均一，第二管段14内径呈圆台形变化，小口端连接第一管段13，大口端连通腔体3；出液管2包括连接腔体3的第三端部和远离腔体3的第四端部，第三端部管口内径小于第四端部管口内径，第三端部与第四端部之间设有第三管段15和第四管段16，第三管段15内径呈圆台形变化，小口端连通腔体3，大口端连接第四管段16，第四管段16内径与第三管段15大口端内径相当。这种结构会使得液体从小口端流向大口端比较容易，而从大口端流向小口端相对困难。这样在微泵体积收缩时，进液管1中流入的液体会大于出液管2中流入的液体；而微泵的体积增大时，出液管2中流出的液体会大于进液管1中流出的液体，微泵在一个周期内液体的整体表面为从一端流向另一端。采用无阀的方式可以避免有阀微泵的阀片在长时间工作后阀片疲劳导致的堵塞风险，采用双驱动片驱动可以产生更大的驱动力，从而获得更大的流量，而全柔性的材料对人体的兼容性较好，可以将微泵放置于人体皮肤的表面或者内部以进行药物的输送。

进液管1、出液管2和腔体3部分可以采用硅胶材料铸成一个整体，以保证整体具有较好的密封性。驱动片的封装材料采用PDMS材料，具有较高的弹性同时也可以防止IPMC内部水分的散失。在腔体3的体积增大时，进液管1和出液管2均有液体流进入，但是出液管2对液体流入的阻力更大，因而整体表现为从进液管1流入；同理，当腔体3的体积减小时，整体表现为从出液管2流出。

具体工作过程：由驱动控制器产生周期方波信号，当电压为正时，驱动第一驱动片6和第二驱动片7向外弯曲，腔体3的体积增大，进液管1中流入的液体大于出液管2流入的液体，液体整体表现为从进液管1进入；当电压为负时，驱动第一驱动片6和第二驱动片7向内弯曲，腔体3的体积减小（如图1中的虚线位置），出液管2流出的液体大于从进液管1流出的液体，液体的整体表现为从出液管2中流出。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种基于IPMC材料的柔性微泵，包括腔体、进液管和出液管，所述进液管和所述出液管均连通所述腔体，其特征在于：围成所述腔体的侧壁包括驱动片，所述驱动片包括IPMC层，所述IPMC层连接有用于驱动所述IPMC层变形的驱动控制器，所述IPMC层连接有金属电极，所述驱动控制器通过所述金属电极向所述驱动片输送电压信号，所述电压信号为正或负时，所述第一驱动片和所述第二驱动片向所述腔体外弯曲变形，所述腔体膨胀，改变所述电压信号方向，所述第一驱动片和所述第二驱动片向所述腔体内弯曲变形，所述腔体收缩。

2.根据权利要求1所述的基于IPMC材料的柔性微泵，其特征在于：所述驱动片还包括用于封装所述IPMC层的封装层，所述封装层由柔性材料制得。

3.根据权利要求1所述的基于IPMC材料的柔性微泵，其特征在于：所述进液管包括连接腔体的第一端部和远离腔体的第二端部，所述第一端部管口内径大于所述第二端部管口内径。

4.根据权利要求1所述的基于IPMC材料的柔性微泵，其特征在于：所述出液管包括连接腔体的第三端部和远离腔体的第四端部，所述第三端部管口内径小于第四端部管口内径。

5.根据权利要求1所述的基于IPMC材料的柔性微泵，其特征在于：所述驱动片包括有相对设置的第一驱动片和第二驱动片。

6.根据权利要求5所述的基于IPMC材料的柔性微泵，其特征在于：还包括有连接所述第一驱动片和第二驱动片的硅胶片，所述硅胶片上设置有通孔，所述第一驱动片和第二驱动片分别设置于所述通孔两端，所述第一驱动片、第二驱动片和所述通孔内壁围成所述腔体。

7.根据权利要求6所述的基于IPMC材料的柔性微泵，其特征在于：所述进液管穿过所述通孔侧壁连接所述腔体，所述出液管穿过所述通孔侧壁连接所述腔体。

8.根据权利要求6所述的基于IPMC材料的柔性微泵，其特征在于：所述第一驱动片与所述第二驱动片边缘固定连接所述硅胶片，所述硅胶片厚度为0.5-2.5mm。

9.根据权利要求6所述的基于IPMC材料的柔性微泵，其特征在于：所述进液管和出液管均为硅胶材料，所述进液管和所述出液管与所述硅胶片为一体结构。

10.根据权利要求1所述的基于IPMC材料的柔性微泵，其特征在于：所述IPMC层中部切割有花瓣状通孔，所述金属电极包括分别覆盖在所述IPMC层两表面的第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极和第二金属电极均为环形结构，所述第一金属电极和第二金属电极相对设置，所述花瓣状通孔置于金属电极环形结构内。