CN113944615A - 一种一体化微压电液体泵送装置及其制造和驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种一体化微压电液体泵送装置及其制造和驱动方法，泵送装置包括微压电驱动器(1)、弹性板(2)、一体化腔体(3)和止回阀(4)；所述的微压电驱动器(1)包括压电陶瓷(11)、基板(12)、电极(13)和驱动块(14)，一体化腔体(3)包括进出口流道(31)和储存室(32)；所述的弹性板(2)设置在储存室(32)上，驱动块(14)连接弹性板(2)，止回阀(4)设置在进出口流道(31)上；所述的电极(13)包括上电极(131)和下电极(132)，上电极(131)连接压电陶瓷(11)，下电极(132)连接基板(12)。与现有技术相比，本发明具有加工步骤少、结构简单、驱动力大、防漏效果好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，具体涉及一种一体化微压电液体泵送装置及其制造和驱动方法。
背景技术
近年来，对微反应器、μ-TAS、Lab-on-Chips等医用微流控系统的研究得到积极推进。微型泵是实现这种微流体系统的基本技术。半导体制造设备、小型燃料电池用燃料供给泵等工业微型泵的研究也在积极进行中。传统上，它是基于机械泵小型化的想法通过机床加工制造的。目前，为了进一步小型化，正在积极推进使用比半导体加工技术更先进的MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术的微型泵的开发。
此外，作为目前正在开发的微型泵的具体问题，除了提高和缩小流量和产生的压力以提高排放量/容积比，提高流量控制的精度和降低驱动电压和电流。微型阀所需的具体问题包括构建无回流的结构以实现精确的流量控制、结构的简化以及通过选择材料或者加工方法降低成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种一体化微压电液体泵送装置及其制造和驱动方法，精准控制流体流量。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种一体化微压电液体泵送装置，包括微压电驱动器、弹性板、一体化腔体和止回阀；
所述的微压电驱动器包括压电陶瓷、基板、电极和驱动块，一体化腔体包括进出口流道和储存室；
所述的弹性板设置在储存室上，驱动块连接弹性板，止回阀设置在进出口流道上；
所述的电极包括上电极和下电极，上电极连接压电陶瓷，下电极连接基板。
优选地，所述的电极电压范围为负220V-正220V，微压电驱动器的位移输出在0.1um-500um范围。
在本发明中，一体化腔体主要包括进出口流道和储存室，同时作为装置的封装结构。
优选地，所述的压电陶瓷设置在基板顶部，所述的驱动块设置在基板底部。
进一步优选地，所述的压电陶瓷与基板的厚度比为1～3:1。
进一步优选地，所述的止回阀包括进水阀和出水阀，所述的进出口流道包括进口流道和出口流道，进水阀设置在进口流道入口侧，出水阀设置在出口流道入口侧。
优选地，所述的微压电驱动器采用悬臂梁结构。
进一步优选地，所述的压电陶瓷和基板一端固定，另一端为自由端，所述的驱动块设置在基板的自由端。
优选地，所述的压电陶瓷材质为PZT-5H，驱动块为Si块，弹性板为橡胶板，止回阀材质为硅橡胶。优选地，所述的驱动块通过树脂固化与弹性板接合。
优选地，所述的基板材质为Si、黄铜或铍青铜，电极材质为Au或Ag。
优选地，所述的一体化腔体通过3D打印技术构建，打印材料为光敏树脂。
一种上述一体化微压电液体泵送装置的制造方法，利用3D打印技术的微立体光固化成型技术，在进行UV聚合工艺的同时，将微压电驱动器、止回阀和弹性板插入，无需粘合。
优选地，所述的制造方法包括以下步骤：通过在3D打印机的树脂槽中加入一定量的树脂材料，并控制可升降打印平台下降到所述树脂槽液面以下的目标深度，然后控制UV光进行扫描，使得被扫描区域的材料固化；控制所述可升降打印平台上升以离开所述树脂槽，在预设时间后下降至距上一次打印深度高一个层厚的距离，再次控制激光束进行扫描固化，与此同时，将微压电驱动器、止回阀、弹性板按照所在层插入扫描区；重复上述步骤，直至整个微压电流体泵送器件打印结束。
一种上述一体化微压电液体泵送装置的驱动方法，当下电极接地、上电极接0至正电压时，微压电驱动器不断向上弯折，进水阀开通，实现流体的吸入，当下电极接地、上电极从正电压至负电压变化时，微压电驱动器向下弯折，出水阀开通，实现流体的泵送。
在本发明中，微压电驱动器的弯折带动弹性板发生形变，导致储存室容积产生变化，储存室压力的变化驱动软质的进水阀或出水阀运动，使进口流道或出口流道开启或关闭。
优选地，所述的驱动方法为：当下电极接地、上电极接0至正100V电压时，微压电驱动器不断向上弯折，进水阀开通，实现流体的吸入，当下电极接地、上电极从100V至负100V变化时，微压电驱动器向下弯折，出水阀开通，可实现流体的泵送。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明采用逆压电效应的泵送装置，通过向上电极和下电极施加正负电压，能通过正负电压的调控精准控制流体流量，来达到精准输送液体的目的；
2.本发明采用悬臂梁结构的微压电驱动器，可大幅增加驱动力，与微泵常用的桥式压电薄膜相比，可提高装置排放量；
3.本发明一体化微压电液体泵送装置结构简单、加工工艺简便、驱动力大、防漏效果好；
4.本发明结合3D打印技术使得结构简单、制造成本低，具有较少的加工工艺，整个器件不需要粘合，具有较好的气泡耐受性，且防漏效果显著。
附图说明
图1为本发明一种一体化微压电液体泵送装置的结构示意图；
图2为本发明一种一体化微压电液体泵送装置的工作原理示意图一；
图3为本发明一种一体化微压电液体泵送装置的工作原理示意图二；
图4为本发明实施例的微压电驱动器位移驱动实验数据图；
图中：1-微压电驱动器，11-压电陶瓷，12-基板，13-电极，131-上电极，132-下电极，14-驱动块，2-弹性板，3-一体化腔体，31-进出口流道，32-储存室，4-止回阀，41-进水阀，42-出水阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种一体化微压电液体泵送装置，如图1所示，包括微压电驱动器1、止回阀4、弹性板2和一体化腔体3。微压电驱动器1主要包括压电陶瓷(PZT)11、基板12、电极13和驱动块14；止回阀4包括进水阀41和出水阀42；一体化腔体3主要包括进出口流道31和储存室32，同时作为装置的封装结构；电极13包括上电极131和下电极132。
微压电驱动器1结构为悬臂梁结构，压电陶瓷11材料为PZT-5H。弹性板2材质为橡胶板，驱动块14为Si块，止回阀4为硅橡胶。其中驱动块14通过树脂固化与弹性板2接合。一体化腔体3通过3D打印技术构建，打印材料为光敏树脂。微压电驱动器1的基板12为Si，电极13为Au。微压电驱动器1的PZT与基板12厚度比为2，电压范围为负100V-正100V时，压电器件的位移输出在1um-28.12um范围。其中微压电驱动器1的驱动块14尺寸为5mm×5mm×0.5mm，压电层(压电陶瓷11)尺寸为15mm×5mm×0.3mm，基板12尺寸为20mm×5mm×0.15mm。
本实施例所述的一种一体化微压电液体泵送装置，其一体化封装的具体流程为，通过在3D打印机的树脂槽中加入一定量的树脂材料，并控制可升降打印平台下降到所述树脂槽液面以下的目标深度，然后控制UV光进行扫描，使得被扫描区域的材料固化；控制所述可升降打印平台上升以离开所述树脂槽，在预设时间后下降至距上一次打印深度高一个层厚的距离，再次控制激光束进行扫描固化，与此同时，将微压电驱动器1、止回阀4、弹性板2按照所在层插入扫描区；重复上述步骤，直至整个微压电流体泵送器件打印结束。
本实施例所述的一种一体化微压电液体泵送装置，其驱动方法为，如图2，当下电极132接地、上电极131接0至正100V电压时，微压电驱动器1不断向上弯折直至49um，进水阀41开通，实现流体的吸入，如图3，当下电极132接地、上电极131从100V至负100V变化时，微压电驱动器1向下弯折直至60um，出水阀42开通，实现流体的泵送。微压电驱动器1的位移情况如图4所示。
和现在制造的微泵器件通常所采用的刻蚀工艺及掩膜工艺相比，本发明结合3D打印技术使得结构简单、制造成本低，具有较少的加工工艺步骤，整个器件不需要粘合，具有较好的气泡耐受性和防漏效果显著。采用逆压电效应的泵送装置，能通过正负电压的调控精准控制流体流量。与微泵常用的桥式压电薄膜相比，采用悬臂梁式的压电装置驱动力大，可提高装置排放量。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种一体化微压电液体泵送装置，其特征在于，包括微压电驱动器(1)、弹性板(2)、一体化腔体(3)和止回阀(4)；
所述的微压电驱动器(1)包括压电陶瓷(11)、基板(12)、电极(13)和驱动块(14)，一体化腔体(3)包括进出口流道(31)和储存室(32)；
所述的弹性板(2)设置在储存室(32)上，驱动块(14)连接弹性板(2)，止回阀(4)设置在进出口流道(31)上；
所述的电极(13)包括上电极(131)和下电极(132)，上电极(131)连接压电陶瓷(11)，下电极(132)连接基板(12)。
2.根据权利要求1所述的一体化微压电液体泵送装置，其特征在于，所述的压电陶瓷(11)设置在基板(12)顶部，所述的驱动块(14)设置在基板(12)底部。
3.根据权利要求2所述的一体化微压电液体泵送装置，其特征在于，所述的止回阀(4)包括进水阀(41)和出水阀(42)，所述的进出口流道(31)包括进口流道和出口流道，进水阀(41)设置在进口流道入口侧，出水阀(42)设置在出口流道入口侧。
4.根据权利要求1所述的一体化微压电液体泵送装置，其特征在于，所述的微压电驱动器(1)采用悬臂梁结构。
5.根据权利要求4所述的一体化微压电液体泵送装置，其特征在于，所述的压电陶瓷(11)和基板(12)一端固定，另一端为自由端，所述的驱动块(14)设置在基板(12)的自由端。
6.根据权利要求1所述的一体化微压电液体泵送装置，其特征在于，所述的压电陶瓷(11)材质为PZT-5H，驱动块(14)为Si块，弹性板(2)为橡胶板，止回阀(4)材质为硅橡胶。
7.根据权利要求1所述的一体化微压电液体泵送装置，其特征在于，所述的基板(12)材质为Si、黄铜或铍青铜，电极(13)材质为Au或Ag。
8.根据权利要求1所述的一体化微压电液体泵送装置，其特征在于，所述的一体化腔体(3)通过3D打印技术构建，打印材料为光敏树脂。
9.一种如权利要求1～8任一项所述的一体化微压电液体泵送装置的制造方法，其特征在于，利用3D打印技术的微立体光固化成型技术，在进行UV聚合工艺的同时，将微压电驱动器(1)、止回阀(4)和弹性板(2)插入。
10.一种如权利要求1～8任一项所述的一体化微压电液体泵送装置的驱动方法，其特征在于，下电极(132)接地、上电极(131)接0至正电压，微压电驱动器(1)不断向上弯折，实现流体的吸入，下电极(132)接地、上电极(131)从正电压至负电压变化，微压电驱动器(1)向下弯折，实现流体的泵送。
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