CN110454367A - 一种基于压电驱动的微流控液体自动变色眼镜充液装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于压电驱动的微流控液体自动变色眼镜充液装置，包括微处理器，微处理器与供电模块相连接；所述供电模块与压电元件相连接，压电元件与泵膜相连接，泵膜设置在泵腔上，泵腔的一端与入口相连通，入口与储液容腔相连通，入口与泵腔之间设有入口微阀，入口微阀与供电模块相连接，泵腔的另一端与出口相连通，出口与液流脉动消减元件相连通，液流脉动消减元件与变色眼镜片相连通，出口与泵腔之间设有出口微阀，出口微阀与供电模块相连接。本发明结构简单、尺寸小，佩戴舒适，使用寿命长，能够实现有色液体在变色眼镜片和储液容腔之间的循环，完成自动、快速、均匀变色的功能。

Description

一种基于压电驱动的微流控液体自动变色眼镜充液装置

技术领域

本发明涉及变色眼镜技术领域，特别是指一种基于压电驱动的微流控液体自动变色眼镜充液装置。

背景技术

目前用于微流控变色眼镜充液方式主要有手动驱动式充液、热气动驱动式微泵充液、无阀压电驱动式微泵充液和形状记忆合金驱动微泵充液等。但由于手动驱动式充液方式实际使用中不便于手动直接操作，灵活性和可控性较差；热气动驱动式微泵充液方式由于气体的膨胀率较低，泵体输出的液体量较少，因此只适用于面积较小的变色结构，且快速性差；无阀压电驱动式微泵充液方式和SMA驱动充液方式系统结构复杂，输出流量小，变色系统响应速度慢，且泵出流量脉动大，不利于微流控变色系统的微型化和集成化。目前微流控液体变色眼镜充液装置主要存在以下不足：1）充液装置手动或半自动化，难以满足自动变色的需求；2）结构复杂、体积大，无法与自动变色眼镜进行精巧集成，不便于人们佩戴；3）有的驱动装置虽然体积很小，但泵出的液体少，流量脉动大，导致变色速度慢，无法满足快速、均匀变色的需求；4）易残留底色，可逆性效果不好；5）因材料等原因，造成泵膜易损伤，充液装置寿命短。

发明内容

针对现有微流控液体自动变色眼镜变色速度较慢、变色不均匀，充液装置寿命短，体积大、难以集成的技术问题，本发明提出了一种基于压电驱动的微流控液体自动变色眼镜充液装置，能够实现有色液体在变色眼镜片和储液容腔之间的循环，完成自动、快速、均匀变色功能，且结构简单、尺寸小，可达到毫米级别尺寸，不影响变色眼镜的整体体积，佩戴舒适，而且采用高弹聚二甲基硅氧烷（PDMS）有机材料，延长使用寿命。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于压电驱动的微流控液体自动变色眼镜充液装置，包括微处理器，微处理器与供电模块相连接；所述供电模块与压电元件相连接，压电元件与泵膜相连接，泵膜设置在泵腔上，泵腔的一端与入口相连通，入口与储液容腔相连通，入口与泵腔之间设有入口微阀，入口微阀与供电模块相连接，泵腔的另一端与出口相连通，出口与液流脉动消减元件相连通，液流脉动消减元件与变色眼镜片相连通，出口与泵腔之间设有出口微阀，出口微阀与供电模块相连接。

所述供电模块包括变换电路，变换电路分别与入口微阀、出口微阀和压电元件相连接。

所述液流脉动消减元件包括PDMS基片，PDMS基片内设有液流微流道，液流微流道内设有阻尼孔组，液流微流道的一端与出口相连通，液流微流道的另一端与变色眼镜片相连通。

所述液流微流道设有三个，三个液流微流道之间相连通，阻尼孔组设有三个，每个阻尼孔组均包括三个阻尼孔，三个阻尼孔组共包括九个阻尼孔，分别为阻尼孔V1、阻尼孔V2、阻尼孔V3、阻尼孔V4、阻尼孔V5、阻尼孔V6、阻尼孔V7、阻尼孔V8和阻尼孔V9。

所述供电模块的电池为钮扣式锂电池，入口微阀和出口微阀均为SAM驱动微阀。

所述压电元件包括压电薄膜和金属基片，压电薄膜与金属基片固定连接，压电薄膜与泵膜相连接，金属基片与变换电路相连接，金属基片是由铜、铝、黄铜或不锈钢金属制成的基片。

与现有现有微流控液体自动变色眼镜相比，本发明具有以下优点：

1）本发明充液量大，实现对微流控液体自动变色眼镜的自动、平稳充液，解决以往变色眼镜变色速度较慢的问题。

2）本发明设计基于阻尼孔的液流脉动消减元件，可实现对微流控液体变色眼镜的快速、平稳充液。

3）本发明结构简单、尺寸小，可达到毫米级别，不影响微流控液体自动变色眼镜的整体体积，佩戴舒适，解决了以往的充液结构复杂、体积庞大等问题。

4）本发明采用PDMS高弹材料，封接强度高，有益于延长微流控液体变色眼镜使用寿命。

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为本发明的结构示意图。

图2为本发明的有色液体流入变色眼镜的工作原理；其中，（a）为吸入模式，（b）为泵出模式。

图3为本发明的有色液体流出变色眼镜的工作原理；其中，（a）为吸入模式，（b）为泵出模式。

图4为本发明实施例1的液流脉动消减元件的剖视图。

图5为本发明实施例2的液流脉动消减元件的俯视图。

图中，101-微处理器，102-电源模块，102-1-变换电路，103-入口，104-入口微阀，105-压电元件，106-泵膜，107-泵腔，108-出口微阀，109-出口，110-液流脉动消减元件，110-1-PDMS基片，110-2-液流微流道，110-3-阻尼孔。

具体实施方式

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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于压电驱动的微流控液体自动变色眼镜充液装置，包括微处理器101，微处理器101与供电模块102相连接，供电模块102给微处理器101提供电源。所述供电模块102与压电元件105相连接，为压电元件105供电，压电元件105与泵膜106采用胶封的方式相连接，泵膜106的材料为PDMS，液态PDMS可充当胶水的作用，固化后使泵膜106和压电元件105粘接在一起，泵膜106可随着压电元件105的变形而变形，泵膜106设置在泵腔107上，利用泵膜106的机械变形来改变泵腔107的体积，最终实现有色液体的定向流动。

泵腔107的一端与入口103相连通，入口103与储液容腔相连通，当环境光较强时，储液容腔内的有色液体可通过入口103流入泵腔107内，入口103与泵腔107之间设有入口微阀104，入口微阀104与供电模块102相连接，供电模块102为入口微阀104提供电源，入口微阀104可控制入口103与泵腔107是否连通，控制有色液体是流入泵腔107还是流出泵腔107，泵腔107的另一端与出口109相连通，有色液体通过泵腔107流向出口109，出口109与液流脉动消减元件110相连通，液流脉动消减元件110与变色眼镜片相连通，有色液体通过出口109流入液流脉动消减元件110，进而流入变色眼镜片中，使眼睛变色；出口109与泵腔107之间设有出口微阀108，出口微阀108与供电模块102相连接，供电模块102为入口微阀104提供电源，出口微阀108可控制出口109与泵腔107是否连通，控制有色液体是流入泵腔107还是流出泵腔107。

所述供电模块102包括变换电路102-1，变换电路102-1用于把直流电压变换为交变电压，且电压值的大小不变，变换电路102-1分别与入口微阀104、出口微阀108和压电元件105相连接，用于给他们进行稳定的供电。所述压电元件105的结构比较简单，包括压电薄膜和金属基片，压电薄膜与金属基片通过胶粘合连接，金属基片的材质为铜、铝、黄铜或不锈钢金属，它们具有良好的弹性和导电性，而且容易加工；压电元件105的压电薄膜采用直径为7mm的PZT-5H压电陶瓷片，黄铜基片的直径为12mm。压电元件105是驱动装置的驱动部件，带动泵膜106一起变形，利用泵膜106的机械变形来改变泵腔107的体积，最终实现有色液体的定向流动。驱动装置主体采用非线性各向同性不可压缩PDMS材料，具有高弹易变形特性，无毒无味，绿色环保，且制备工艺简单可靠，封接强度高，可延长充液装置的使用寿命。压电元件105存在正、负压电效应，当上下电极存在交变电压时，压电晶体产生变形并上下运动，压电薄膜变形形状的截面类似于抛物线函数轨迹。

如图4所示实施例1，所述液流脉动消减元件110包括PDMS基片110-1、PDMS基片110-1内设有液流微流道110-2，液流微流道110-2内设有阻尼孔组110-3，液流微流道110-2的一端与出口109相连通，用于消减出口109处的液流微流道110-2内的流量脉动，液流微流道110-2的另一端与变色眼镜片相连通，实现有色液体能够在液流微流道110-2和变色眼镜片之间相互流通。所述阻尼孔组110-3包括三个阻尼孔，分别为阻尼孔V1、阻尼孔V2和阻尼孔V3，阻尼孔V1、阻尼孔V2和阻尼孔V3的长度均为0.5mm，宽度均为0.2mm，阻尼孔V1的弧形高度为0.09mm，阻尼孔V2的弧形高度为0.07mm，阻尼孔V3的弧形高度为0.05mm，阻尼孔V1、阻尼孔V2和阻尼孔V3依次对液流微流道110-2内液流脉动进行消减，直到液流微流道110-2内液流脉动减弱至合理范围内或消失。

如图5所示实施例2，所述液流脉动消减元件110包括连通的三个液流微流道110-2，三个液流微流道110-2共包括9个阻尼孔分别为阻尼孔V1、阻尼孔V2、阻尼孔V3、阻尼孔V4、阻尼孔V5、阻尼孔V6、阻尼孔V7、阻尼孔V8和阻尼孔V9，有色液体流经阻尼孔时，由于阻尼孔的阻尼和流道壁的摩擦，使得部分脉动液压能转化为热能而消耗掉，从而达到减弱微流道内液流脉动的目的。阻尼孔V1、阻尼孔V2、阻尼孔V3、阻尼孔V4、阻尼孔V5、阻尼孔V6、阻尼孔V7、阻尼孔V8和阻尼孔V9的长度和宽度的尺寸都相同，长度均为0.5mm，宽度均为0.2mm，但弧形高度不同。其中，阻尼孔V1、阻尼孔V4和阻尼孔V7弧形高度相同为0.09mm，阻尼孔V2、阻尼孔V5和阻尼孔V8弧形高度相同为0.07mm，阻尼孔V3、阻尼孔V6和阻尼孔V9弧形高度相同为0.05mm。各阻尼孔宽度一样，但高度不同，高度越小，代表体积越小，体积越小的阻尼孔对液流脉动消减的作用越强，出口流量越平稳。

所述微控制器101采用的单片机型号为STM32F103VET6，供电模块102的电池为钮扣式锂电池，供电模块102内置变换电路102-1，把10V直流电压变换为交变电压（交变电压不是交流电压），用于给入口微阀104、出口微阀108和压电元件105供电，其中，入口微阀104和出口微阀108各需要一节纽扣式锂电池，压电元件105需要两节纽扣式锂电池串联。压电元件105与2个交变电压输出端相连接，入口微阀104和出口微阀108分别与2对直流电源线相连接，入口微阀104和出口微阀108均采用技术成熟的、体积为mm³级的SMA驱动微阀，驱动电压为5V,利用一节纽扣式锂电池，控制器采用PWM(脉冲宽度调制)控制方法逻辑控制入口微阀104和出口微阀108的开启和关闭。

本发明的总体宽度为25mm、总体长度为30mm、总体高度为11mm；本发明固定在左边或右边眼镜腿上部。泵膜106的厚度大约在0.1mm左右，既保证其变形在弹性变化范围内，又不容易造成坍塌或撕裂，除泵膜106外，泵腔壁的厚度为2mm，可以避免在较大压力时造成液流微流道110-2的扩大变形或弯曲。泵腔107的深度为1mm，直径为15mm，大于压电薄膜的直径；压电元件105电源需要交变电压，电压值为10V，把两节纽扣式锂电池串联起来，并利用变换电路102-1把纽扣式锂电池电压变换为交变电压，变换电路102-1集成在供电模块102中。泵腔107的出口即为液流脉动消减元件110的入口，泵腔出口和液流脉动消减元件110在封装时自动连为一体，首先设计出将要加工的本发明的图样，其次将图样转移到掩模板上，通过光刻、刻蚀技术制备阳膜模具，然后采用复模法复制器件各部分，最后封装得到充液装置。

工作原理：当有色液体需要被泵入变色眼镜片内的时，给压电元件105施加正向电压，压电薄膜向上变形，泵腔107体积增大，入口微阀104打开，出口微阀108关闭，液体从入口103流入泵腔107，此为吸入模式，如图2（a）所示；给压电元件105施加负相电压，压电薄膜恢复变形，泵腔107体积减小，入口微阀104关闭，出口微阀108打开，液体从出口109流出泵腔107，此为泵出模式，如图2（b）所示。因此在交变电压驱动下，压电薄膜的变形导致泵腔107体积发生周期性连续变化，有色液体从入口103连续向出口109流动，把储液容腔内的有色液体通过液流微流道110-2连续泵送给变色眼睛片。当微流控变色眼镜片内的有色液体需要被泵出时，给压电元件105施加正向电压，压电薄膜向上变形，泵腔107体积增大，出口微阀108打开，入口微阀104关闭，液体从出口109流入泵腔107，此为吸入模式，如图3（a）所示；给压电元件105施加负相电压，压电薄膜恢复变形，泵腔107体积减小，出口微阀108关闭，入口微阀104打开，液体从入口103流出泵腔107，此为泵出模式，如图3（b）所示。因此在交变电压驱动下，压电薄膜的变形导致泵腔107体积发生周期性连续变化，有色液体从出口109连续向入口103流动，把变色眼睛片内的有色液体通过液流微流道110-2连续泵送回到储液容腔。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种基于压电驱动的微流控液体自动变色眼镜充液装置，包括微处理器（101），微处理器（101）与供电模块（102）相连接；其特征在于，所述供电模块（102）与压电元件（105）相连接，压电元件（105）与泵膜（106）相连接，泵膜（106）设置在泵腔（107）上，泵腔（107）的一端与入口（103）相连通，入口（103）与储液容腔相连通，入口（103）与泵腔（107）之间设有入口微阀（104），入口微阀（104）与供电模块（102）相连接，泵腔（107）的另一端与出口（109）相连通，出口（109）与液流脉动消减元件（110）相连通，液流脉动消减元件（110）与变色眼镜片相连通，出口（109）与泵腔（107）之间设有出口微阀（108），出口微阀（108）与供电模块（102）相连接。

2.根据权利要求1所述的基于压电驱动的微流控液体自动变色眼镜充液装置，其特征在于，所述供电模块（102）包括变换电路（102-1），变换电路（102-1）分别与入口微阀（104）、出口微阀（108）和压电元件（105）相连接。

3.根据权利要求1所述的基于压电驱动的微流控液体自动变色眼镜充液装置，其特征在于，所述液流脉动消减元件（110）包括PDMS基片（110-1），PDMS基片（110-1）内设有液流微流道（110-2），液流微流道（110-2）内设有阻尼孔组（110-3），液流微流道（110-2）的一端与出口（109）相连通，液流微流道（110-2）的另一端与变色眼镜片相连通。

4.根据权利要求1或3所述的基于压电驱动的微流控液体自动变色眼镜充液装置，其特征在于，所述液流微流道（110-2）设有三个，三个液流微流道（110-2）之间相连通，阻尼孔组（110-3）设有三个，每个阻尼孔组（110-3）均包括三个阻尼孔，三个阻尼孔组（110-3）共包括九个阻尼孔，分别为阻尼孔V1、阻尼孔V2、阻尼孔V3、阻尼孔V4、阻尼孔V5、阻尼孔V6、阻尼孔V7、阻尼孔V8和阻尼孔V9。

5.根据权利要求1所述的基于压电驱动的微流控液体自动变色眼镜充液装置，其特征在于，所述供电模块（102）的电池为钮扣式锂电池，入口微阀（104）和出口微阀（108）均为SAM驱动微阀。

6.根据权利要求1或2所述的基于压电驱动的微流控液体自动变色眼镜充液装置，其特征在于，所述压电元件（105）包括压电薄膜和金属基片，压电薄膜与金属基片固定连接，压电薄膜与泵膜（106）相连接，金属基片与变换电路（102-1）相连接，金属基片是由铜、铝、黄铜或不锈钢金属制成的基片。