CN208153304U - 一种隔膜泵系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种隔膜泵系统，该隔膜泵系统包括隔膜泵、与该隔膜泵可拆卸连接的流量传感器、与所述隔膜泵和所述流量传感器相连接的微控制器，其中隔膜泵用于泵送流体，流量传感器用于检测隔膜泵的功能异常并输出正常信号或异常信号；微控制器根据流量传感器输出的信号来调控隔膜泵。本实用新型的隔膜泵系统将隔膜泵和流量传感器可拆卸连接，结构简单，制作工艺简单，体积小且成本低，提高了泵送精度，还提高了可靠性。

Description

一种隔膜泵系统

技术领域

本实用新型涉及微流体泵送领域，特别地涉及一种具有检测功能的隔膜泵系统，本实用新型的隔膜泵系统能够检测出隔膜泵的诸如阻塞、泄露、气泡等的功能异常。

背景技术

MEMS是微电子技术与机械工程技术的有机结合，具体是指在几毫米甚至微米尺寸级别上的高科技装置。在微流体泵送领域中，微泵主要用于医疗溶剂的递送，而传统齿轮泵占据绝大多数比例。与传统的微泵相比，MEMS微隔膜泵具有高泵送精度、高可靠性、低成本、小体积等显著优势。

在医疗设备中功能异常的检测极其重要，因为患者的生命健康取决于医疗设备的正确工作。例如，在微流体泵送领域中，阻塞或泄露会导致注入病患体内药物的不足，继而影响患者健康甚至危及患者生命。而微泵的大部分功能异常皆可由泵送产生的流速与流量变化分析出来。因而使用流量传感器可以定量检测并分析微泵的功能异常并由微控制器进行调控。

在相关技术中，带有硅压力传感器的齿轮泵系统：齿轮泵是依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送液体或使之增压的回转泵。当齿轮转动时，齿轮脱开侧的空间的体积从小变大，形成真空，将液体吸入，齿轮啮合侧的空间的体积从大变小，而将液体挤入管路中去。吸入腔与排出腔是靠两个齿轮的啮合线来隔开的。齿轮泵通常使用两个分离式的硅压力传感器进行功能异常的定量检测，并发送检测信号，增加了布线的复杂性，可能会产生信号的干扰。另外，一般的隔膜泵则采用两个硅压力传感器及一个温度传感器结合对泵送管路中的异常进行检测。但是，现有的泵送泵存在体积较大，通常为隔膜泵的2-4倍；齿轮泵或硅压力传感器的成本均很高，并且需要额外的电机进行驱动，进一步增加了成本；模块众多，结构复杂；一体化设计，成本较高。因此，需要提供一种低成本、小体积且能对功能异常进行定量分析的隔膜泵系统。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种能对功能异常进行定量分析的隔膜泵系统，该隔膜泵系统包括隔膜泵、与该隔膜泵可拆卸连接的流量传感器、与所述隔膜泵和所述流量传感器相连接的微控制器，其中

所述隔膜泵用于泵送流体，所述隔膜泵包括具有可变容积的泵送室、位于该泵送室上方的制动器、与该泵送室相连通且具有入口阀的入口以及与该泵送室相连通且具有出口阀的出口，所述入口与入口管道相连通，所述出口与出口管道相连通；

所述流量传感器包括加热元件及位于该加热元件两侧的第一感温元件和第二感温元件，所述流量传感器用于检测所述隔膜泵的功能状态；

所述微控制器根据所述流量传感器输出所述隔膜泵的功能状态调控所述隔膜泵。

优选地，所述流量传感器以插入式设置在所述出口管道的管壁上。

优选地，所述入口阀、所述出口阀和所述制动器均为可动部件。

优选地，所述制动器通过压电制动方式来改变所述泵送室的容积。

优选地，所述泵送室的容积为5nL-20μL。

优选地，所述流量传感器还包括衬底、位于该衬底上的第一保护层和第二保护层，在该第二保护层上设有加热元件及对称位于该加热元件两侧的第一感温元件和第二感温元件，所述第一感温元件与所述第二感温元件用于测量流体的温度以得到所述流体的流速。

优选地，所述流量传感器为热电堆式或热电阻式。

优选地，所述微控制器能够提高或者降低隔膜泵的泵送频率及发出警报以调控所述隔膜泵。

优选地，所述微控制器使用单片机系统。

本实用新型的有益效果：

与现有技术相比，本实用新型的隔膜泵系统将隔膜泵和流量传感器可拆卸连接，结构简单，制作工艺简单，体积小且成本低，提高了泵送精度，还提高了可靠性。具体地，传统的齿轮泵和隔膜泵需要至少两个硅压力传感器来发送检测信号，增加了布线的复杂性，可能会产生信号的干扰，而本实用新型对异常的检测仅通过一个流量传感器来完成，即检测信号仅从流量传感器发送到微控制器，因此没有其它信号的干扰。另外，传统的齿轮泵和隔膜泵的两个硅压力传感器距离较远，一般一个监测泵送入口，一个监测泵送出口，可能受不同温度影响，因此需要额外的温度传感器来进行温度补偿，无形当中降低了检测精度，而本实用新型采用的流量传感器的两个感温元件间距很小，受流体温度影响几乎一样，因此自带温度补偿效果。

附图说明

图1为本实用新型的隔膜泵系统的示意图。

图2为本实用新型的隔膜泵的结构剖面示意图。

图3为本实用新型的流量传感器的结构剖面示意图。

图4本实用新型的隔膜泵和流量传感器的结构剖面示意图。

图5为本实用新型的隔膜泵出口管道的结构剖视示意图。

图6为本实用新型的泵送周期内的流速曲线图表。

图7为使用本实用新型的隔膜泵系统的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本实用新型的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型提供了一种隔膜泵和流量传感器相结合的隔膜泵系统，该隔膜泵系统包括隔膜泵1、与该隔膜泵1可拆卸连接的流量传感器2、与该隔膜泵1和流量传感器2相连接的微控制器3，该隔膜泵1系统用于泵送流体，其中，隔膜泵1包括可变容积的泵送室11，该隔膜泵1是通过MEMS制造工艺制成的MEMS隔膜泵；流量传感器2用于检测隔膜泵1的诸如阻塞、泄露、气泡等的功能异常并输出正常信号或异常信号；微控制器3用于对正常信号和异常信号的分析及对隔膜泵1的泵送频率或其它方面的控制。需要说明的是，流体可以为液体或者气体，进一步地，流体例如为水、医用药剂等。另外，微控制器3还包括相配合使用的外围电路(图中未示出)。

如图2所示，隔膜泵1包括第一结构层11、位于该第一结构层11上下两侧的第二结构层12和第三结构层13，具体地，第一结构层11、第二结构层12和第三结构层13形成具有可变容积的泵送室14，该隔膜泵1还包括位于该泵送室14上方的制动器15、与该泵送室14相连通且具有入口阀161的入口16以及与泵送室14相连通且具有出口阀171的出口17，其中，该制动器15能够改变泵送室14的容积，以使泵送室14的容积在5nL-20uL的范围内变化；该泵送室14还包括与入口16相连通的入口管道162以及与出口17相连通的出口管道172。

在本实施方式中，第一结构层11为硅层，厚度为30nm-300μm，第二结构层12和第三结构层13均为玻璃层，厚度为30nm-50μm，其中，第一结构层11被包裹在第二结构层12和第三结构层13、即两层玻璃层之间；入口阀161、出口阀171和制动器15均为可动部件，其中，入口阀161和出口阀171能够以开闭的方式来打开或者关闭泵送室14，制动器15采用压电制动方式来控制泵送室14的容积。

隔膜泵1的工作原理

当给制动器15施加交流电时，制动器15在电场作用下根据交流电频率沿着径向伸缩，当制动器15向上弯曲时，泵送室14体积变大，压力减小，入口阀161打开，出口阀171保持关闭，液体从入口阀161进入泵送室14，当泵送室14压力恢复到与入口管道162压力相同时，入口16阀自动关闭。当制动器15向下弯曲时，泵送室14体积变小，压力变大，出口17阀打开，入口阀161保持关闭，液体从出口阀171流出泵送室14，当泵送室14压力恢复到与出口管道172压力相同时，出口阀171自动关闭。

在本实施方式中，流量传感器2为MEMS热式流量传感器，该流量传感器2通过热式原理进行流量的测量，可以是热电堆或热电阻式；微控制器3使用单片机系统。

图3示意性示出了流量传感器2的结构剖面。如图3所示，流量传感器2包括衬底21、位于衬底21上方的第一保护层22和第二保护层23、设置在第二保护层23上的加热元件24以及对称设置在该加热元件24两侧的第一感温元件25和第二感温元件26，其中，第一感温元件25与第二感温元件26用于测量流体的温度以得到该流体的流速。进一步地，该第一保护层22的厚度为0.01μm-10μm；该第二保护层23的厚度为0.01μm-10μm。

流量传感器2的工作原理

当加热元件24时，热场会均匀分布在加热元件24，因而第一感温元件25和第二感温元件26上的温度相同。如果此时有流体从左向右或从右向左(即从图3的左侧向右侧或从右侧向左侧)流动，那么热场平衡将被打破，流体会带走部分热量造成第一感温元件25和第二感温元件26之间存在温度差，通过测量该温度差即可得到具体流速。

图4示意性示出了隔膜泵系统中的隔膜泵1和流量传感器2结合的结构剖面。如图4所示，在隔膜泵1中，出口管道172的管壁的靠近入口16的一侧设置有可拆卸的流量传感器2，该流量传感器2能够检测从泵送室14泵送的流体的流量变化。图5示出了隔膜泵1的出口管道172的剖视示意图，从图5中可知，流量传感器2以可拆卸且插入式地设置在隔膜泵1中的出口管道172。上述仅用于说明，但是不限于此，该流量传感器2还可以设置在出口管道172的管壁的远离入口16的一侧或者其它需要的位置。

图6为一个泵送周期内的典型的流速曲线图表。在图6中，在t₁时制动器15向下弯曲，泵送室14压力突然变大，向出口17排水，流速快速上升，之后泵送室14内压力减小，流速开始下降直至t₂流速变为0。在t₃时制动器15向上弯曲，流体进入泵送室14，此时无流体流过流量传感器2，因而流速为0。

微控制器3经过对流量传感器2输出的信号进行分析，可以执行例如提高或降低隔膜泵1的泵送频率并发出警报(特别是在严重阻塞、流量计损坏等情况下)等措施以调控隔膜泵1。综上，通过流量传感器2能够定量检测隔膜泵1所泵送的流体流量，并分析隔膜泵1的功能异常，再由微控制器3对隔膜泵1进行调控。

参照图4和图7，在使用实施例1中的隔膜泵系统时，隔膜泵1开始泵送例如药物等的流体，通过制动器15向上弯曲使泵送室14的容积变大，压力减小，入口阀161打开，流体从入口16进入泵送室14，当泵送室14的压力恢复到与入口管道162的压力相等时，入口阀161自动关闭。通过制动器15向下弯曲使泵送室14的容积变小，压力变大，出口阀171打开且入口阀161保持关闭，流体从出口17流出泵送室14并流入出口管道172，流体经过流量传感器2，流量传感器2检测隔膜泵1是否存在诸如阻塞、泄露、气泡等的功能异常，并输出正常信号或异常信号。其中，流量传感器2用来测量泵送的流速，通过对t₂与t₁的时间差、最高流速值、流速在上升与下降的速率(斜率)、通过对流速进行积分得到的总流量等一系列数据，由此检测隔膜泵系统的功能异常。例如，当隔膜泵1遇到轻微阻塞时，总的流量基本不变但因为水流压力变大所以最高流速值略微变大，流速上升与下降的速率变大。再例如，当隔膜泵1遇到轻微泄露时，总的流量下降，最高流速值下降，流速上升与下降的速率变小。

微控制器3对流量传感器2输出的正常信号或异常信号进行分析。如果是正常信号，则隔膜泵继续泵送流体。如果是异常信号，则对隔膜泵1执行例如提高或降低隔膜泵1的泵送频率、发出警报(特别是在严重阻塞、流量计损坏的情况下)等措施，以实现对隔膜泵1的调控，由此保证隔膜泵系统的正常工作。

与现有技术相比，本实用新型的隔膜泵系统将隔膜泵和流量传感器可拆卸连接，结构简单，制作工艺简单，体积小且成本低，提高了泵送精度，还提高了可靠性。具体地，传统的齿轮泵和隔膜泵需要至少两个硅压力传感器来发送检测信号，增加了布线的复杂性，可能会产生信号的干扰，而本实用新型对异常的检测仅通过一个流量传感器来完成，即检测信号仅从流量传感器发送到微控制器，因此没有其它信号的干扰。另外，传统的齿轮泵和隔膜泵的两个硅压力传感器距离较远，一般一个监测泵送入口，一个监测泵送出口，可能受不同温度影响，因此需要额外的温度传感器来进行温度补偿，无形当中降低了检测精度，而本实用新型采用的流量传感器的两个感温元件间距很小，受流体温度影响几乎一样，因此自带温度补偿效果。

以上所述，仅为本实用新型专利较佳的具体实施方式，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种隔膜泵系统，其特征在于，该隔膜泵系统包括隔膜泵、与该隔膜泵可拆卸连接的流量传感器、与所述隔膜泵和所述流量传感器相连接的微控制器，其中

所述隔膜泵用于泵送流体，所述隔膜泵包括具有可变容积的泵送室、位于该泵送室上方的制动器、与该泵送室相连通且具有入口阀的入口以及与该泵送室相连通且具有出口阀的出口，所述入口与入口管道相连通，所述出口与出口管道相连通；

所述流量传感器包括加热元件及位于该加热元件两侧的第一感温元件和第二感温元件，所述流量传感器用于检测所述隔膜泵的功能状态；

所述微控制器根据所述流量传感器输出所述隔膜泵的功能状态调控所述隔膜泵。

2.根据权利要求1所述的隔膜泵系统，其特征在于，所述流量传感器以插入式设置在所述出口管道的管壁上。

3.根据权利要求1所述的隔膜泵系统，其特征在于，所述入口阀、所述出口阀和所述制动器均为可动部件。

4.根据权利要求3所述的隔膜泵系统，其特征在于，所述制动器通过压电制动方式来改变所述泵送室的容积。

5.根据权利要求4所述的隔膜泵系统，其特征在于，所述泵送室的容积为5nL-20μL。

6.根据权利要求1所述的隔膜泵系统，其特征在于，所述流量传感器还包括衬底、位于该衬底上的第一保护层和第二保护层，在该第二保护层上设有加热元件及对称位于该加热元件两侧的第一感温元件和第二感温元件，所述第一感温元件与所述第二感温元件用于测量流体的温度以得到所述流体的流速。

7.根据权利要求6所述的隔膜泵系统，其特征在于，所述流量传感器为热电堆式或热电阻式。

8.根据权利要求1所述的隔膜泵系统，其特征在于，所述微控制器能够提高或者降低隔膜泵的泵送频率及发出警报以调控所述隔膜泵。

9.根据权利要求6所述的隔膜泵系统，其特征在于，所述微控制器使用单片机系统。