CN1233446C

CN1233446C - 封闭式电渗驱动方法及电渗鼓

Info

Publication number: CN1233446C
Application number: CN 03113129
Authority: CN
Inventors: 林祥钦; 蒋晓华; 何友昭
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2005-12-28
Anticipated expiration: 2023-04-04
Also published as: CN1535757A

Abstract

本发明公开了一种封闭式电渗驱动方法及电渗鼓，特征在于有二个鼓腔，鼓腔中装有电渗溶液，鼓腔之间用电渗柱连通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔内各设置电极，电渗溶液和电极构成电渗泵，在两个电极上通过极性交替变化的电流并保持每周期两个方向的电解电量积分相等，形成电渗液在电渗柱中往复流动，从而引起鼓膜振动，输出机械振动作为电渗驱动源，成为一种封闭式电动器件。可方便地进行串联、并联和组合构造复杂的动作系统；本发明克服了现有开放式电渗装置的电渗漏、电解产物污染、易产生气泡堵塞和不方便使用的不足，可成为标准化的电动元件进行生产和应用，在微量液体传输、微芯片制作、微动控制、低频振动发生与检测等方面具有广泛的应用前景。

Description

封闭式电渗驱动方法及电渗鼓

技术领域

本发明属于电化学技术领域，特别是涉及电渗驱动方法及其装置。

背景技术

电渗现象在微流动控制方面有广泛的应用，例如美国专利申请US005965001A提出的一种微流动装置，利用电渗流驱动管道中的流体，使传输过程精确可控，容易自动化；美国专利申请US006012902A将这种技术发展为可以缩微制作在微小芯片上的微泵；中国专利CN 2286429Y使用砂芯柱电渗泵做液体传输。

上述技术主要使用单向电解电流驱动液体传输，一般不用隔膜将电渗液和被传输液隔离，都属于开放式电渗装置，因而电极上电解产物会污染被传输液，电渗电流会渗漏进被传输液，易产生气泡造成堵塞，而电渗液的输入输出管道使得装置很复杂而不方便使用，这些都制约了电渗技术更广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种封闭式电渗驱动方法及一种新的驱动装置——电渗鼓，以克服现有技术的上述缺陷。

这种封闭式电渗驱动方法，特征在于设置一个电渗鼓，有二个鼓腔，鼓腔中装有电渗溶液，鼓腔之间用电渗柱连通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔内各设置电极，电渗溶液和电极构成电渗泵，在两个电极上通过极性交替变化的电流并保持每周期两个方向的电解电量积分相等，使得电渗液发生氧化还原化学反应，形成电渗液在电渗柱中往复流动，从而引起鼓膜振动，输出机械振动作为电渗驱动源。

所述电渗溶液，为纯水或低浓度化学添加剂的5＜pH＜10缓冲溶液。

所述化学添加剂包括氨、有机胺类，浓度范围为0～50m mol/l；所述有机胺包括二乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺或三羟甲基氨基甲烷。

所述保持电流每周期两个方向的电解电量积分相等，采用双向阶跃恒电流、循环三角波扫描电流、正弦波函数电流或不对称波形任意函数电流。其波形有正弦波、三角波、方波、或正负半周非对称的生物波。

所述在两个电极上通过极性交替变化的电流并保持每周期两个方向的电解电量积分相等时，各个电渗鼓振动的相位由驱动信号的相位控制；两个以上电渗鼓组合的系统中，各个电渗鼓振动的相位按程序规定次序逐个相差，从而使之按程序规定次序动作，构造成组合动作系统。

若在鼓面上施加周期变化的外力使之振动，而将电极接往示波器，则能够显示两鼓面上的压力差及其变化。

本发明的电渗鼓，特征在于有二个鼓腔，鼓腔中装有电渗溶液，鼓腔之间用电渗柱连通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔内各设置电极，鼓腔上有进液口。

鼓腔为刚性绝缘体，工作时全密封。

所述电极为惰性金属基材的电子导体，包括铂网电极、铂黑电极、金膜电极或或铂铑合金电极；所述电渗柱为带表面电荷微孔洞的柱型体，包括石英毛细管、玻璃砂芯、陶瓷片、SiO₂凝胶柱或有机聚合物整体柱；所述鼓膜为弹性膜，可以蒙在鼓腔的端面或上面。

电渗柱的电阻是其长度与面积的函数，可以依实际需要调整(比较典型的可为0.1～10MΩ)，电极表面的电容主要是面积与表面粗糙度的函数，可以依实际需要调整(比较典型的可为0.1-10μf)，使得谐振周期可以在此期间0.01～100s之间调节，因此，本发明适合于对低频-极低频波段(0.01～100Hz)的响应。

可以将两个以上的鼓膜位于鼓腔侧端面的电渗鼓串联、并联、或其他组合，和其他阀门、管道一起构造成组合动作系统。

与现有技术相比较，本发明电渗鼓具有如下优点：

1、由于本发明的电渗鼓将电渗单元封装在鼓型结构中，成为一个不漏电、不漏液、不拖带流体管道的封闭式的电渗装置，因此可望成为一种标准化电动器件进行生产和应用。

2、本发明电渗鼓使用极性交替变化的电流驱动电渗，每周期的两个方向的电解电量积分相等，因此各电极上的充电与放电电量相等，氧化与还原反应的电量相等，这样就不易产生氢气和氧气释出，避免了气泡堵塞，并使电渗液的pH值稳定不变，延长了使用寿命。若不能保持每周期两个方向的电解电量积分相等的方法驱动电渗，容易造成鼓腔中发生气泡释出、电渗效能降低和电渗鼓寿命降低以至于电渗鼓的破坏。

3、本发明电渗鼓是一种独立的电动器件，因此可以方便地进行并联、串联和组合应用，构造复杂的动作系统，可望在微量液体传输、微芯片制作、微动控制、低频振动发生与检测等方面得到广泛应用。

附图说明：

图1是本发明电渗鼓中的横隔鼓的侧面透视图。

图2是横隔鼓的轴向透视图。

图3是本发明电渗鼓中的纵隔鼓的顶面透视图。

图4是纵隔鼓的侧面透视图。

图5是本发明电渗鼓中的横隔电渗鼓串联的示意图。

图6是本发明电渗鼓中的纵隔电渗鼓并联的示意图。

图7是本发明电渗鼓中的横隔电渗鼓组合的流动注射泵示意图。

图8是本发明封闭式电渗驱动方法电路原理示意图。

图9是本发明电渗驱动方法的双向阶跃电流驱动法的信号波形图。

图10是本发明电渗驱动方法的循环三角波扫描电流驱动法的信号波形图。

图11是本发明电渗驱动方法的正弦波函数电流驱动法的信号波形图。

图12是本发明电渗驱动方法的不对称波形任意函数电流驱动法的信号波形图。

具体实施方式

实施例1：本发明电渗鼓中的横隔鼓

在一个由有机玻璃车制的鼓体1的中部，有机玻璃鼓隔2将鼓腔横向分隔为前鼓腔3和后鼓腔4，鼓腔3和4的开口处各蒙一硅橡胶膜为鼓膜5和6，一根玻璃砂芯电渗柱7贯穿鼓隔2并以环氧树脂封接，鼓腔3和4中分别装有铂黑电极8和9，其电极线分别引出至封闭的鼓体外；鼓腔3和4相应的鼓体上分别设有不锈钢阀门10和11，通过阀门10和11分别向鼓腔3和4中注入并充满含有浓度为0～1.0m mol/l二乙醇胺或三乙醇胺的电渗液后关闭阀门10和11，即成为如附图1(侧面透视图)和附图2(轴向透视图)所示的横隔鼓。

使用时，通过电极线在电极8和9之间施加一定频率的、并保持每周期两个方向的电解电量积分相等的交变电压或电流，即可在弹性鼓面5和6上得到相应频率的振动输出。

反之，若在鼓面5和6上施加周期变化的外力使之振动，而将电极8和9接往示波器，则能够显示两鼓面上的压力差及其变化。

实施例2：本发明电渗鼓中的纵隔鼓

在一个由聚四氟乙烯车制的的鼓体1中，有一个纵向鼓隔2将鼓腔分隔为左分鼓腔23和右分鼓腔24，鼓腔23和24的两端各蒙有电绝缘材料的弹性膜鼓膜5和6，一根石英毛细管电渗柱7贯穿鼓隔2并以环氧树脂封接，鼓腔23和24中分别设有铂网电极8和9，左右两鼓体上分别设置有阀门10和11，通过阀门10和11分别向鼓腔23和24中充满浓度为0～1.0m mol/l的氨水作为电渗液，关闭阀门10和11，即为如附图3(顶面透视图)和附图4(侧面透视图)所示的纵隔鼓。

使用时，在电极8和9之间施加一定频率的、并保持每周期两个方向的电解电量积分相等的交变电压或电流，即在左右两分鼓鼓面上得到相应频率的振动输出。

实施例3：串联横隔电渗鼓

将两个以上的横隔电渗鼓12按相同方向首尾排列并固定在基座13上，前一个电渗鼓的鼓膜通过连接块14和后一个电渗鼓的鼓膜粘接，如附图5所示，即为串联横隔鼓。

使用时，在各个电渗鼓的两个电极上分别施加一定周期和相位的、并保持每周期两个方向的电解电量积分相等的交变电压或电流，可在串联横隔电渗鼓的前后两端鼓面上得到波形和强度相叠加的振动输出。典型的情形是，在各电渗鼓的两个电极上分别施加幅度相同相位也相同的交变电压或电流，则在串联横隔鼓上得到波形相同而能量相加的输出，即可使用较低电压而得到较高驱动力输出。

实施例4：并联纵隔电渗鼓

将两个以上的纵隔电渗鼓15按相同方向叠放在一起，用左连接块16粘接前后两纵隔电渗鼓的左鼓，用右连接块17粘接前后两纵隔电渗鼓的右鼓，如附图6所示，即为并联纵隔鼓。

使用时，在各单个纵隔电渗鼓的两个电极上分别施加保持每周期两个方向的电解电量积分相等的交变电压或电流，即可在并联纵隔鼓上产生依相位叠加的扭动。典型的情形是，在各个单鼓的两个电极上分别施加的交变电压或电流，按从前到后的顺序逐个相差一个相位角，则可在并联纵隔电渗鼓上得到蛇形的扭动。

实施例5：电渗鼓组合的流动注射泵

将两个以上横隔电渗鼓12的前后鼓膜表面各粘一块压力传导块25后并排放置在一个固体凹槽18中，一根内部灌充有待输送液体的弹性软橡胶管19穿过压力传导块25与凹槽18的壁之间的间隙作S型缠绕，如附图7所示，即成为电渗鼓组合流动注射泵。

使用时，在各个单鼓的两个电极上施加保持每周期两个方向的电解电量积分相等的交变电压或电流，按顺序逐个相差一个相位角，则可在弹性软橡胶管19中得到单方向的液体输送。

实施例6：双向阶跃电流驱动法

如图8所示，将运算放大器20的正输入端接地，负输入端和输出端接往纵隔电渗鼓12或横隔电渗鼓15的两电极，从商售信号发生器21经过电阻22输入一正负幅值相等的方波电压信号到运算放大器20的负输入端，则在电渗鼓12或15的两电极之间产生双向阶跃的恒定电流驱动，其信号电压的波形曲线如附图9所示；保持阶跃信号的时间间隔相等，则可保证一周期中的两个方向的电解电量积分相等。

实施例7：循环三角波扫描电流法

使用图8所示电路，从信号发生器21经过电阻22输入一循环三角波扫描电压信号到运算放大器20的负输入端，则在电渗鼓12或15的两电极之间产生循环三角波扫描电流驱动，其信号电压的波形曲线如附图10所示；保持循环三角波扫描信号的对称性，则可保证一周期中的两个方向的电解电量积分相等。

实施例8：正弦波函数电流法

使用图8所示电路，从信号发生器21经过电阻22输入一正弦波扫描电压信号到运算放大器20的负输入端，则在电渗鼓12或15的两电极之间产生正弦波扫描电流驱动，其信号电压的波形曲线如附图11所示；保持正弦波扫描信号的对称性，则可保证一周期中的两个方向的电解电量积分相等。

实施例9：不对称波形任意函数电流法

使用图8所示电路，从信号发生器21经过电阻22输入一不对称任意函数波形扫描电压信号，如类似于心脏血压或血液流动的波形如图12所示，到运算放大器20的负输入端，则在电渗鼓12或15的两电极之间产生同样波型的扫描电流驱动；保持该扫描信号的正负波的积分面积相等，则可保证一周期中的两个方向的电解电量积分相等。

Claims

1、一种封闭式电渗驱动方法，特征在于设置一个电渗鼓，有二个鼓腔，鼓腔中装有电渗溶液，鼓腔之间用电渗柱连通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔内各设置电极，电渗溶液和电极构成电渗泵，在两个电极上通过极性交替变化的电流并保持每周期两个方向的电解电量积分相等，使得电渗液发生氧化还原化学反应，形成电渗液在电渗柱中往复流动，从而引起鼓膜振动，输出机械振动作为电渗驱动源。

2、如权利要求1所述的封闭式电渗驱动方法，特征在于所述电渗溶液，为纯水或低浓度化学添加剂的5＜pH＜10缓冲溶液。

3、如权利要求2所述的封闭式电渗驱动方法，特征在于所述化学添加剂包括氨、有机胺类，浓度范围为0～50mmol/l；所述有机胺类包括二乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺或三羟甲基氨基甲烷。

4、如权利要求1所述的封闭式电渗驱动方法，特征在于所述保持电流每周期两个方向的电解电量积分相等，采用双向阶跃恒电流、循环三角波扫描电流、正弦波函数电流或不对称波形任意函数电流，其波形有正弦波、三角波、方波、或正负半周非对称的生物波。

5、如权利要求1所述封闭式电渗驱动方法，特征在于所述在两个电极上通过极性交替变化的电流并保持每周期两个方向的电解电量积分相等时，各个电渗鼓振动的相位由驱动信号的相位控制；两个以上电渗鼓组合的系统中，各个电渗鼓振动的相位按程序规定次序逐个相差，从而使之按程序规定次序动作，构造成组合动作系统。

6、如权利要求1所述封闭式电渗驱动方法，特征在于若在鼓面上施加周期变化的外力使之振动，而将电极接往示波器，则能够显示两鼓面上的压力差及其变化。

7、一种电渗鼓，特征在于有二个鼓腔，鼓腔中装有电渗溶液，鼓腔之间用电渗柱连通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔内各设置电极，鼓腔上有进液口。

8、如权利要求7所述的电渗鼓，特征在于鼓腔为刚性绝缘体，工作时全密封。

9、如权利要求7所述的电渗鼓，特征在于所述电极为惰性金属基材的电子导体，包括铂网电极、铂黑电极、金膜电极或铂铑合金电极；所述电渗柱为带表面电荷微孔洞的柱型体，包括石英毛细管、玻璃砂芯、陶瓷片、SiO₂凝胶柱或有机聚合物整体柱；所述鼓膜为弹性膜，蒙在鼓腔的端面或上面。

10、如权利要求7所述的电渗鼓，特征在于将两个以上的鼓膜位于鼓腔侧端面的电渗鼓串联、并联、或其他组合，和其他阀门、管道一起构造成组合动作系统。