TWM576757U - Micro piezoelectric pump module - Google Patents

Abstract

一種微型壓電泵模組，包含壓電泵、微處理器、驅動組件以及回授電路。壓電泵於一理想工作電壓運作時具有最佳效能。驅動組件電連接微處理器及壓電泵，且包含變壓件及逆變件，其中變壓件輸出有效工作電壓至壓電泵，逆變件控制壓電泵的第一電極與第二電極接收有效工作電壓或接地，使壓電泵的壓電件因壓電效應產生形變，用以輸送流體。回授電路電連接於壓電泵與微處理器之間，接收壓電泵輸出之有效工作電壓，並產生回授電壓至微處理器，以供微處理器調整變壓件輸出之有效工作電壓趨近理想工作電壓。

Description

微型壓電泵模組

本案係關於一種微型壓電泵模組，尤指一種利用回授電路輔助微處理器來精確調整壓電泵的工作電壓的微型壓電泵模組。

隨著科技的日新月異，流體輸送裝置的應用上亦愈來愈多元化，舉凡工業應用、生醫應用、醫療保健、電子散熱等等，甚至近來熱門的穿戴式裝置皆可見它的踨影，可見傳統的泵浦已漸漸有朝向裝置微小化的趨勢，但傳統的泵浦難以將尺寸縮小至公釐等級，故目前的微型流體輸送裝置僅能使用壓電泵結構來作為微型流體傳輸裝置。

而壓電泵是施加電壓至壓電件，壓電件因壓電效應產生形變，其內部壓力發生變化進帶動送流體傳輸的泵浦，因此壓電件上的工作電壓影響壓電泵的效能甚鉅，但是目前供給壓電件上的工作電壓會因損耗、熱源等影響造成工作電壓的浮動、不足，使得目前的壓電泵具有效能不穩、降低的問題。

本案之主要目的在於提供一種微型壓電泵結構，透過回授電路取得壓電件的工作電壓，並將其回傳至微處理器，使得微處理器能以控制壓電件上的工作電壓。

為達上述目的，本案之較廣義實施態樣為提供一種微型壓電泵模組，包含：一壓電泵，該壓電泵具有一第一電極、一第二電極及一壓電件，該壓電泵於一理想工作電壓運作時具有最佳效能；一微處理器，輸出 一控制訊號及一調變訊號；一驅動組件，電連接該微處理器及該壓電泵，該驅動組件包含：一變壓件，接收該調變訊號以輸出一有效工作電壓至該壓電泵；以及一逆變件，接收該調變訊號，藉由該調變訊號控制該壓電泵的第一電極與該第二電極係接收該有效工作電壓或接地，當該第一電極接收該有效工作電壓時，該第二電極係接地，當該第一電極接地時，該第二電極係接收該有效工作電壓，透過該第一電極與該第二電極的電壓差，使該壓電泵的該壓電件因壓電效應產生形變，用以輸送流體；以及一回授電路，電連接於該壓電泵與該微處理器之間，藉由該壓電泵該有效工作電壓產生一回授電壓；其中，該微處理器接收該回授電路所傳輸的該回授電壓，並依據該回授電壓調整該調變訊號，使該變壓件輸出之該有效工作電壓趨近該理想工作電壓。

100‧‧‧微型壓電泵模組

1‧‧‧微處理器

11‧‧‧控制單元

12‧‧‧轉換單元

13‧‧‧通訊單元

2‧‧‧驅動組件

21‧‧‧變壓件

211‧‧‧電壓輸出端

212‧‧‧變壓回授端

213‧‧‧變壓回授電路

213a‧‧‧第一端點

213b‧‧‧第二端點

213c‧‧‧第三端點

213d‧‧‧第四端點

22‧‧‧逆變件

221‧‧‧緩衝閘

221a‧‧‧緩衝輸入端

221b‧‧‧緩衝輸出端

222‧‧‧反相器

222a‧‧‧反相輸入端

222b‧‧‧反向輸出端

223‧‧‧第一P型金氧半場效電晶體

224‧‧‧第二P型金氧半場效電晶體

225‧‧‧第一N型金氧半場效電晶體

226‧‧‧第二N型金氧半場效電晶體

3‧‧‧壓電泵

31‧‧‧第一電極

32‧‧‧第二電極

4‧‧‧回授電路

41a‧‧‧第一接點

41b‧‧‧第二接點

42a‧‧‧第三接點

42b‧‧‧第四接點

43a‧‧‧第五接點

43b‧‧‧第六接點

44a‧‧‧第七接點

44b‧‧‧第八接點

C‧‧‧電容

D‧‧‧汲極

G‧‧‧閘極

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

R3‧‧‧第三電阻

R4‧‧‧第四電阻

R5‧‧‧第五電阻

S‧‧‧源極

第1圖為本案微型壓電泵模組的方塊圖。

第2圖為本案微型壓電泵模組的電路示意圖。

第3A圖為第一控制步驟下其回授電路的等效電路圖。

第3B圖為第二控制步驟下其回授電路的等效電路圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非用以限制本案。

請參閱第1圖所示，微型壓電泵模組100包含：一微處理器1、一驅動組件2、一壓電泵3及一回授電路4，壓電泵3於一理想工作電壓下運作時具有最佳效能。微處理器1輸出一控制訊號及一調變訊號至驅動 組件2，驅動組件2電連接壓電泵3，並藉由控制訊號及調變訊號提供一有效工作電壓給壓電泵3運作，回授電路4將壓電泵3的有效工作電壓回授給微處理器1，微處理器1再通過調變訊號使驅動組件的有效工作電壓趨近於壓電泵3的理想工作電壓。

請參閱第2圖所示，微處理器1具有一控制單元11、一轉換單元12以及一通訊單元13，驅動組件2具有一變壓件21以及一逆變件22，壓電泵3具有一第一電極31、一第二電極32以及一壓電件33，通訊單元13電連接至該變壓件21，以輸出調變訊號給變壓件21，變壓件21依據調變訊號將電壓調變為有效工作電壓，再將有效工作電壓傳輸給逆變件22，控制單元11電連接至逆變件22，用以透過逆變件22控制壓電泵3的第一電極31與第二電極32所接收到的是有效工作電壓或是接地。其中，上述之定電壓於本實施例為5V，理想工作電壓為15V，僅提供參考，並不以此為限制。

請繼續參閱第2圖所示，回授電路4電連接於壓電泵3與微處理器1之間，回授電路4包含有一第一電阻R1、一第二電阻R2、一第三電阻R3及一電容C，第一電阻R1具有一第一接點41a及一第二接點41b，第二電阻R2具有一第三接點42a及一第四接點42b，第三電阻R3具有一第五接點43a及一第六接點43b，電容C具有一第七接點44a及一第八接點44b，其中，第一電阻R1的第一接點41a電連接壓電泵3的第一電極31，第二電阻R2的第三接點42a電連接壓電泵3的第二電極32，第三電阻R3的第六接點43b電連接電容C的第八接點44b並接地，第三電阻R3的第五接點43a電連接電容C的第七接點44a，使第三電阻R3與電容C並聯後電連接至第一電阻R1的第二接點41b、第二電阻R2的第四接點42b及微處理器1，令壓電泵3的第一電極31與第二電極32之間的有效工作電壓進行分壓，以產生回授電壓回授至微處理 器1的轉換單元12。其中，第一電阻R1跟第二電阻R2的電阻值相同，但不以此為限。此外，電容C其功能為濾波，避免雜訊干擾回授電壓。

承上所述，變壓件21更包含一電壓輸出端211、一變壓回授端212及一變壓回授電路213，該電壓輸出端211電連接至逆變件22，變壓回授電路213電連接微處理器1及該變壓回授端212之間，其中，變壓回授電路213包含有一第四電阻R4及一第五電阻R5，第四電阻R4具有一第一端點213a及一第二端點213b，第五電阻R5具有一第三端點213c及一第四端點213d，第四電阻R4的第一端點213a電連接電壓輸出端211，第五電阻R5的第三端點213c電連接第四電阻R4的第二端點213b及變壓回授端212，而第五電阻R5的第四端點213d則接地。其中，第五電阻R5為一可變電阻，於本實施例中，第五電阻R5為一數位可變電阻，具有一通訊介面213e，通訊介面213e電連接至微處理器1的通訊單元13，讓通訊單元13得以傳輸調變訊號至數位可變電阻(第五電阻R5)來調整其電阻值，變壓件21的電壓輸出端211所輸出的有效工作電壓經過變壓回授電路213的第四電阻R4及第五電阻R5分壓後，將分壓後的有效工作電壓由變壓回授端212回傳至變壓件21，供變壓件21參考其輸出之有效工作電壓是否符合理想工作電壓，若其有效工作電壓與理想工作電壓有差異，則再次調變輸出之有效工作電壓使其不斷地調整以趨近理想工作電壓，最後將有效工作電壓調整到與理想工作電壓一致。

請繼續參閱第2圖，逆變件22包含有：一緩衝閘221、一反相器222、一第一P型金氧半場效電晶體223、一第二P型金氧半場效電晶體224、一第一N型金氧半場效電晶體225及一第二N型金氧半場效電晶體226。緩衝閘221具有一緩衝輸入端221a及一緩衝輸出端221b，反相器222具有一反相輸入端222a及一反相輸出端222b，而第一P型金氧半場效 電晶體223、第二P型金氧半場效電晶體224、第一N型金氧半場效電晶體225及第二N型金氧半場效電晶體226皆分別具有一閘極G、一汲極D及一源極S。其中，緩衝閘221的緩衝輸入端221a及反相器222的反相輸入端222a電連接微處理器1的控制單元11，用以接收控制訊號，且該控制訊號可為但不限為一脈波寬度調變訊號，緩衝閘221的緩衝輸出端221b電連接第一P型金氧半場效電晶體223的閘極G及第一N型金氧半場效電晶體225的閘極G，反相器222的反相輸出端222b電連接第二P型金氧半場效電晶體224的閘極G及第二N型金氧半場效電晶體226的閘極G，第一P型金氧半場效電晶體223的汲極D與第二P金氧半場效電晶體224的汲極D電連接變壓件21的電壓輸出端211，來接收變壓件21輸出的有效工作電壓，第一P型金氧半場效電晶體223的源極S電連接第一N型金氧半場效電晶體225的汲極D及壓電泵3的第二電極32，第二P型金氧半場效電晶體224的源極S電連接第二N型金氧半場效電晶體226的汲極D及壓電泵3的第一電極31，第一N型金氧半場效電晶體225的源極S電連接第二N型金氧半場效電晶體226的源極S並接地。

承上所述，上述之第一P型金氧半場效電晶體223、第二P型金氧半場效電晶體224、第一N型金氧半場效電晶體225及第二N型金氧半場效電晶體226形成一H橋的架構，用以將變壓件21輸出的有效工作電壓(直流)轉為交流給壓電泵3，故第一P型金氧半場效電晶體223與第二P型金氧半場效電晶體224需接受相反訊號，第一N型金氧半場效電晶體225與第二N型金氧半場效電晶體226亦同，故將微處理器1所傳輸的控制訊號傳遞至第二P型金氧半場效電晶體224前先通過反相器222，使第二P型金氧半場效電晶體224的控制訊號與第一P型金氧半場效電晶體223為反相，但第一P型金氧半場效電晶體223必須 要與第二P型金氧半場效電晶體224一起接到控制訊號，所以於第一P型金氧半場效電晶體223前設緩衝閘221，讓第一P型金氧半場效電晶體223與第二P型金氧半場效電晶體224能夠同步接到相反的訊號，第一N型金氧半場效電晶體225與第二N型金氧半場效電晶體226亦同；於第一控制步驟中，第一P型金氧半場效電晶體223、第二N型金氧半場效電晶體226為導通，第二P型金氧半場效電晶體224、第一N型金氧半場效電晶體225為關閉的狀態下，有效工作電壓將通過第一P型金氧半場效電晶體223傳遞至壓電泵3的第二電極32，壓電泵3的第一電極31因第二N型金氧半場效電晶體226導通而接地，於第二控制步驟中，第一P型金氧半場效電晶體223、第二N型金氧半場效電晶體226為關閉，第二P型金氧半場效電晶體224、第一N型金氧半場效電晶體225為導通的情況下，有效工作電壓將通過第二P型金氧半場效電晶體224傳遞至壓電泵3的第一電極31，壓電泵3的第二電極32因第一N型金氧半場效電晶體225導通而接地，透過重複以上的第一控制步驟與第二控制步驟，讓壓電泵3的壓電件33能夠因第一電極31與第二電極32所接受的有效工作電壓(或接地)透過壓電效應而產生形變，帶動壓電泵3內部的腔室(未圖示)壓力產生變化，來持續的傳輸流體。

而回授電路4則是不斷地接收壓電泵3的第一電極31與第二電極32的有效工作電壓(或接地)，於上述第一控制步驟時，第二電極32為有效工作電壓，第一電極31為接地，此時回授電路4的等效電路如第3A圖所示，第一電阻R1將會與第三電阻R3並聯，此時的回授電壓為(R1//R3)÷[(R1//R3)+R2]×有效工作電壓，此外，於第二控制步驟時第一電極31為有效工作電壓，第二電極32為接地，此時回授電路4的等效電路如第3B圖所示，第二電阻R2將與第三電阻R3並聯，此時的回授 電壓為(R2//R3)÷[(R2//R3)+R1]×有效工作電壓，回授電路4將回授電壓傳遞至微處理器1，微處理器1接收該回授電壓來判斷當下壓電泵3的有效工作電壓，並與理想工作電壓比對，若有效工作電壓與理想工作電壓不同時，透過轉換單元12將回授電壓轉為數位訊號，來將轉為數位訊號的調變訊號由通訊單元13傳遞至通訊介面213e來調整第五電阻R5(數位可變電阻)，最後變壓件21的電壓輸出端211所輸出的有效工作電壓經過變壓回授電路213的第四電阻R4及第五電阻R5分壓後，將分壓後的有效工作電壓由變壓回授端212回傳至變壓件21，供變壓件參考其輸出之有效工作電壓是否符合理想工作電壓，若其有效工作電壓與理想工作電壓有差異，則再次調變輸出之有效工作電壓使其不斷地調整以趨近理想工作電壓，最後將有效工作電壓調整到與理想工作電壓一致，透過以上步驟讓壓電泵3所接受的有效工作電壓能夠一直維持在理想工作電壓，來讓壓電泵3能夠持續地在最佳效能下運作。

綜上所述，本案提供一種微型壓電泵模組，利用回授電路將壓電泵的有效工作電壓回傳至微處理器，讓微處理器能夠依據回授電壓來使變壓件調整輸出的有效工作電壓，讓有效工作電壓能更趨近理想工作電壓並調整到與理想工作電壓相同，讓壓電泵能夠持續在理想工作電壓下運作，保持最佳的傳輸效能，而本新型能夠解決先前技術中，壓電泵的有效工作電壓不穩、浮動、或是不足造成效能不彰、不一致的問題，極具產業之利用價值，爰依法提出申請。

本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

Claims (10)

1. 一種微型壓電泵模組，包含： 一壓電泵，該壓電泵具有一第一電極、一第二電極及一壓電件，該壓電泵於一理想工作電壓運作時具有最佳效能； 一微處理器，輸出一控制訊號及一調變訊號； 一驅動組件，電連接該微處理器及該壓電泵，該驅動組件包含： 一變壓件，接收該調變訊號以輸出一有效工作電壓至該壓電泵；以及 一逆變件，接收該調變訊號，藉由該調變訊號控制該壓電泵的該第一電極與該第二電極接收該有效工作電壓或接地，當該第一電極接收該有效工作電壓時，該第二電極係接地，當該第一電極接地時，該第二電極係接收該有效工作電壓，透過該第一電極與該第二電極的電壓差，使該壓電泵的該壓電件因壓電效應產生形變，用以輸送流體；以及 一回授電路，電連接於該壓電泵與該微處理器之間，藉由該壓電泵該有效工作電壓產生一回授電壓； 其中，該微處理器接收該回授電路所傳輸的該回授電壓，並依據該回授電壓調整該調變訊號，使該變壓件輸出之該有效工作電壓趨近該理想工作電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微型壓電泵模組，其中該回授電路包含一第一電阻、一第二電阻、一第三電阻及一電容，該第一電阻具有一第一接點及一第二接點，該第二電阻具有一第三接點及一第四接點，該第三電阻具有一第五接點及一第六接點，該電容具有一第七接點及一第八接點，該第一電阻的該第一接點電連接該壓電泵的該第一電極，該第二電阻的該第三接點電連接該壓電泵的該第二電極，該第三電阻的該第六接點電連接該電容的該第八接點並接地，該第三電阻的該第五接點電連接該電容的該第七接點，使該第三電阻與該電容並聯後，電連接至該第一電阻的該第二接點、該第二電阻的該第四接點及該微處理器，令該壓電泵的該第一電極與該第二電極之間的該有效工作電壓分壓後產生該回授電壓回授至該微處理器。
3. 如申請專利範圍第2項所述之微型壓電泵模組，其中該第一電阻與該第二電阻之電阻值相同。
4. 如申請專利範圍第3項所述之微型壓電泵模組，其中該變壓件更包含一電壓輸出端、一變壓回授端及一變壓回授電路，該電壓輸出端電連接至該逆變件，該變壓回授電路電連接該微處理器及該變壓回授端之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述之微型壓電泵模組，其中該變壓回授電路包含有一第四電阻及一第五電阻，該第四電阻具有一第一端點及一第二端點，該第五電阻具有一第三端點及一第四端點，該第四電阻的該第一端點電連接該電壓輸出端，該第五電阻的該第三端點電連接該第四電阻的該第二端點及該變壓回授端，該第四端點接地。
6. 如申請專利範圍第5項所述之微型壓電泵模組，其中該第五電阻係一可變電阻。
7. 如申請專利範圍第5項所述之微型壓電泵模組，其中該第五電阻係一數位可變電阻。
8. 如申請專利範圍第7項所述之微型壓電泵模組，其中該微處理器更包含一轉換單元及一通訊單元，該通訊單元連接該數位可變電阻，該轉換單元接收該回授電壓，並將該回授電壓轉換為數位訊號的該調變訊號，再通過該通訊單元傳輸至該數位可變電阻，藉由改變該數位可變電阻來調變該變壓件輸出之該有效工作電壓，使該有效工作電壓趨近該理想工作電壓。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微型壓電泵模組，其中該逆變件包含有： 一緩衝閘，具有一緩衝輸入端及一緩衝輸出端； 一反相器，具有一反相輸入端及一反相輸出端； 一第一P型金氧半場效電晶體、一第二P型金氧半場效電晶體、一第一N型金氧半場效電晶體及一第二N型金氧半場效電晶體，該第一P型金氧半場效電晶體、該第二P型金氧半場效電晶體、該第一N型金氧半場效電晶體及該第二N型金氧半場效電晶體皆分別具有一閘極、一汲極及一源極； 其中，該緩衝閘的該緩衝輸入端及該反相器的該反相輸入端電連接該微處理器，用以接收該控制訊號，該緩衝閘的該緩衝輸出端電連接該第一P型金氧半場效電晶體的閘極及該第一N型金氧半場效電晶體的閘極，該反相器的該反相輸出端電連接該第二P型金氧半場效電晶體的閘極及該第二N型金氧半場效電晶體的閘極，該第一P型金氧半場效電晶體的汲極與該第二P型金氧半場效電晶體的汲極電連接該變壓件的電壓輸出端，來接收該有效工作電壓，該第一P型金氧半場效電晶體的源極電連接該第一N型金氧半場效電晶體的源極及該壓電泵的該第二電極，該第二P型金氧半場效電晶體的源極電連接該第二N型金氧半場效電晶體的汲極及該壓電泵的該第一電極，該第一N型金氧半場效電晶體的源極電連接該第二N型金氧半場效電晶體的源極並接地。
10. 如申請專利範圍第9項所述之微型壓電泵模組，其中該控制訊號為一脈波寬度調變訊號。