CN103511230A - 一种双腔式电致动无阀微泵 - Google Patents

Abstract

一种双腔式电致动无阀微泵，包括驱动膜和微泵；微泵分为泵体和泵盖；泵体分为上泵体（2）和下泵体（1）；上泵体（2）和下泵体（1）的左右两端均开有进口腔和出口腔，进口腔和出口腔之间为上泵腔（9）和下泵腔（18），上泵腔（9）和下泵腔（18）相对。泵盖分为上泵盖（3）、中泵盖（13）和下泵盖（15）；上泵体（2）位于上泵盖（3）和中泵盖（13）之间，下泵体（1）位于中泵盖（13）和下泵盖（15）之间；上泵腔（9）和下泵腔（18）通过收缩流道和扩散流道与出口腔和进口腔连通；上泵体（2）的进口腔和下泵体（1）的出口腔通过中层小孔（14）相互连通；三块驱动膜分别覆盖上泵盖（3）、中泵盖（13）和下泵盖（15）上的大孔。

Description

一种双腔式电致动无阀微泵

技术领域

本发明涉及一种微流量液体的输送装置。

背景技术

微流量***能够精确检测和控制每分钟微升量级的流量。作为该***核心部件的微型泵，已成为近年来国内外学者的研究热点。微泵因能输注定量液体，控制输注速度，从而用来输注要求准确，输入速度稳定的特殊药物。如强心剂，血管活性药物等，因而在生物药学中广泛使用。例如，糖尿病人以往都是一次注射较大剂量的胰岛素，这不仅造成了浪费，而且药效作用时间也较短，因此极需要一种流量能微量控制的持续的滴液装置。在这类流量精细控制盒和检测***中，微小型泵是一个基本元件。

微泵根据有无可动阀片可分为有阀微泵和无阀微泵两种，当前国内外的研究主要集中于无阀微泵。因为相比有阀微泵，无阀微泵不存在机械可动部件，具有结构和制作工艺简单，强度高，寿命长，对液体不易阻塞，功能全面，易于控制，可靠性高，工艺兼容性好，成本低等优势。其中已有的无阀微泵主要包括：单腔单振子无阀微泵、单腔双振子无阀微泵、双腔体并联无阀微泵等。在提高微泵的性能，增加输出流量方面，双腔无阀微泵要远远优于单腔无阀微泵。

关于双腔体结构的无阀微泵，国内外已经取得了部分研究成果：1995年和1996年A.Olsson等人开始尝试制造双腔的无阀微泵，两个泵腔为平行状态，均采用压电驱动，驱动相位相反，这样可以大大减小微泵输出的流量脉动。而后，Olsson等人又分别采用各向同性湿法腐蚀和反应离子刻蚀加工出以硅为主体结构的双腔微泵。2004年，韩国Myongji大学的Jin-Ho Kim，C.J.Kang和Yong-Sang Kim研制出一种使用压电片来驱动的微型无阀泵，两个泵腔也是平行的。这种微泵上部泵体采用聚二甲基硅氧烷（PDMS），利用微复制工艺制成。泵膜的位移随着压电片上施加电压的升高而增加，因而泵的流速也逐渐增大。大连理工大学陈怡儒2009年设计了双腔并联式无阀压电微泵，微泵由两个并联的泵腔组成，每个泵腔都有对应的收缩/扩散管对，以实现流动的单向性，两个泵腔共用一个压电驱动装置。压电振子在交变电压驱动下，做上下往复振动。通过流道和缓冲腔将两个并联微泵的进水口、出水口分别连通起来，就形成了并联式泵送结构。从双腔并联式无阀微泵的工作过程来看，它有二次吸液、二次泵液。而单腔无阀微泵在一个振动周期中只有一次吸液、一次泵液。因此在理论上双腔并联式无阀微泵的效率更高。

专利CN1442612A提出的无阀薄膜型微泵是一种双腔三振子一体化串联无阀微泵。同双腔体并联微泵相比，双腔三振子一体化串联无阀微泵每个泵腔体积的变化都是由两个振子共同驱动的，因此体积变化的幅度较大，并且减小了泵腔内的死体积，流量得到大幅提升，大约为并联双腔微泵的两倍。另外通过中间膜把上下两个腔体连接成一体，使得微泵结构紧凑，从而节省了空间，适应微型化的需要。其薄膜采用压电驱动薄膜。

但该结构是单膜结构，上下腔体共用一个膜，其流量受到影响，不能充分利用其腔体空间容量。

专利CN101042130A基于电磁驱动的无脉动式输出的微泵也是单膜结构的双腔三振子一体化串联无阀微泵，但采用的是电磁驱动薄膜的方式。

夏冬梅，庞宣明，陈晓南，李博文提出的基于电致动智能材料驱动的单腔无阀微泵（西安交通大学学报第43卷第7期p:92～95.2009年7月），以高分子为主要结构材料，并且生物兼容性较好。但是，由于单腔结构上固有的缺陷，它还存在一些缺点：由于单膜驱动能力有限，死体积较大，流量输出偏小，工作效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的无阀微泵输出能力较低，易产生周期性脉动流的缺点，提出一种双腔式电致动无阀微泵。本发明可减轻液流的脉动性，改善现有无阀微泵工作效率低，存在脉动性干扰的问题。本发明初始容积和静容积比较小、压缩比大、再现性好、可靠性高。

本发明技术方案如下：

本发明双腔式电致动无阀微泵包括驱动膜和微泵。所述的微泵分为泵体和泵盖两部分。所述的泵体分为上泵体和下泵体。所述的泵体的材料为硅片或厚膜光阻SU-8。上泵体和下泵体的左右两端均开有进口腔和出口腔，进口腔和出口腔之间为上泵腔和下泵腔。上泵腔和下泵腔相对，上、下泵腔通过收缩流道和扩散流道与出口腔和进口腔连通。

所述的泵盖分为上、中、下三个泵盖，所述的泵盖的材料为pyrex7740玻璃或厚膜光阻SU-8。上泵***于上泵盖和中泵盖之间，下泵***于中泵盖和下泵盖之间，泵盖与泵体如此间隔重叠，构成微泵。上泵盖上开有出口小孔，中泵盖上开有中层小孔，下泵盖上开有进口小孔。上泵体的进口腔和下泵体的出口腔通过中泵盖上的中层小孔相互连通。在上泵盖、中泵盖和下泵盖上还开有大孔，三块驱动膜分别覆盖上泵盖、中泵盖和下泵盖上的大孔，第一驱动膜覆盖上泵盖上的大孔，第二驱动膜覆盖中泵盖上的大孔，第三驱动膜覆盖下泵盖上的大孔。

本发明双腔式电致动无阀微泵的工作原理和工作过程如下：

当第一驱动膜和第三驱动膜下凸形变，第二驱动膜上凸形变时，下泵腔的容积变大，液体由所述的进口小孔进入到下泵体第二进口腔，穿过下泵体第二扩散流道进入到下泵腔，与此同时上泵腔的容积变小，上泵腔内的液体通过上泵体第一收缩流道进入上泵体的第一出口腔，而后第一驱动膜和第三驱动膜下凸形变为上凸形变，第二驱动膜由上凸形变变为下凸形变，下泵腔的容积变小，下泵腔的液体通过下泵体的第二收缩流道进入下泵体的第二出口腔，与此同时上泵腔的容积变大，上泵体第一进口腔的液体通过上泵体第一扩散流道进入上泵腔内，下泵体出口腔的液体由于压差原因穿过所述的中层小孔进入到上泵体第一进口腔内补充流到上泵腔的液体。驱动膜在电压信号的控制下，连续反复形变，以此达到连续泵出液体的目的。

同双腔体并联微泵相比，本发明双腔无阀微泵的每个泵腔体积的变化都是由三个驱动膜共同驱动的，因此体积变化的幅度较大，并且减小了泵腔内的死体积，流量得到大幅提升，大约为并联双腔微泵的两倍。

此外，本发明的上泵腔和下泵腔的扩散流道/收缩流道口设计为由一个总的流道供给流体或输送流体。这样设计的好处是：当上泵腔处于供给模式，即吸入流体，下泵腔处于泵送模式，即输送流体时，由于上泵腔吸入流体的压力和流量大于下泵腔排出压力和流量，故下泵腔回流的液体的一部分又被上泵腔吸入，只有一小部分回流到下泵体的进口腔中。同理，当上泵腔处于泵送模式，即输送流体，下泵腔处于供给模式，即吸入流体时，下泵腔排出的液体可带走上泵腔回流要吸入液体的一部分，也只有一小部分回流到上泵体出口腔中，所以，它在一定程度上减小了回流量。

本发明通过控制电压信号的改变使驱动膜振动。将脉动电压施加在采用电致动聚合物薄膜制成的三块驱动膜上，使得驱动膜上下振动，无阀微泵的供给模式和泵出模式交替工作。改变方波直流脉动电压的频率调整微泵的流量，方波直流脉动电压的频率就是微泵的工作频率。方波直流脉动电压的驱动位移递减速度最慢，直流脉动电压的驱动效果明显优于交流电压，不仅稳定，变形时间较长，驱动频率较高，而且变形过程稳定。

由以上分析可知，本发明无阀微泵的输出流量和效率均得到大幅提升。

本发明还具有如下优点：

1.本发明采用了双腔三振子一体化结构，通过控制电压信号的变化来使驱动膜振动，使两个腔体的体积交替发生变化，以达到液体的输出。具有结构简单，流量和压力大，能耗低等特点。

2.本发明体积小，成本低，所使用材料对人体无害，适用于医学上药物配给，药物输送等方面。

附图说明

图1是本发明结构的剖视图，图中：1下泵体、2上泵体、9上泵腔、18下泵腔、3上泵盖、13中泵盖、15下泵盖，5第一出口腔、16第二出口腔、12第一进口腔、23第二进口腔、6第一收缩流道、11第一扩散流道、17第二收缩流道、22第二收缩流道，4出口小孔、14中层小孔、24进口小孔，7上泵盖3上的大孔、10中泵盖13上的大孔、21下泵盖15上的大孔，8第一驱动膜、19第二驱动膜、20第三驱动膜；

图2是本发明的液体流向流量图；

图3是本发明的外视图；

图4是本发明的结构分解图；

图5是本发明的控制电路连接图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明包括驱动膜和微泵两部分。所述的微泵分为泵体和泵盖两部分，所述的泵体分为上泵体2和下泵体1。所述的泵盖分为上泵盖3、中泵盖13和下泵盖15。上泵体2位于上泵盖3和中泵盖13之间，下泵体1位于中泵盖13和下泵盖15之间，泵盖与泵体如此间隔重叠，构成微泵。上泵盖3正中位置开有大孔7，大孔7的左端是出口小孔4，中泵盖13正中间开有大孔10，大孔10的右端是中层小孔14，下泵盖15正中间开有大孔21，大孔21的左端是进口小孔24。第一驱动膜8利用其自身粘性粘贴于上泵体2上，并夹在上泵体2和泵盖3之间，覆盖上泵盖3的大孔7并密封，隔离外界并起到密封作用；第二驱动膜19利用其自身粘性粘贴于中泵盖13上，并夹在中泵盖13和上泵体2之间，覆盖中泵盖13的大孔10并密封，隔离上泵腔9和下泵腔18；第三驱动膜20利用其自身粘性粘贴于下泵盖15上，并夹在下泵盖15和下泵体1之间，覆盖下泵盖15的大孔21并密封，起到密封和隔离外界的作用。

上泵体2的右端为第一进口腔12，左端为第一出口腔5，中间为上泵腔9，上泵腔9通过第一收缩流道6、第一扩散流道11分别与第一出口腔5和第一进口腔12连通。下泵体1的左端是第二进口腔23，右端是第二出口腔16，中间是下泵腔18。上泵腔9和下泵腔18相对。下泵腔18通过第二收缩流道17、第二扩散流道22分别与第二出口腔16和第二进口腔23连通。

在上泵体2的中间位置为上泵腔9，上泵腔9的左侧是第一收缩流道6和第一出口腔5，上泵腔9的右侧是第一扩散流道11和第一进口腔12。第一收缩流道6和第一扩散流道11为锥形。第一收缩流道6直径较小的一端与上泵腔9相连通，第一收缩流道6直径较大的一端与第一出口腔5相连通；第一扩散流道11直径较大的一端与上泵腔9相连通，第一扩散流道11直径较小的一端与第一进口腔12相连通。下泵腔18位于下泵体1的正中间，下泵腔18的左侧是第二扩散流道22和第二进口腔23，下泵腔18的右侧是第二收缩流道17和第二出口腔16。第二扩散流道22和第二收缩流道17为锥形。第二扩散流道22直径较大的一端与下泵腔18相连通，第二扩散流道22直径较小的一端与第二出口腔23相连通；第二收缩流道17直径较小的一端与下泵腔18相连通，第二扩散流道17直径较大的一端与第二进口腔16相连通。上泵腔9通过第一收缩流道6和第一出口腔5与上泵盖3的出口小孔4连通；上泵腔9通过第一扩散流道11和第一进口腔12与中泵盖13上的小孔14相连。下泵腔18通过第二扩散流道22和第二进口腔23与下泵盖15上的进口小孔24连通，下泵腔18通过第二收缩流道17和第二出口腔16与中泵盖13上的中层小孔14连通。上泵体2和下泵体1通过中泵盖13上的中层小孔14连通。第一收缩流道6、第二扩散流道11、第二收缩流道17、第二扩散流道22的锥形角度均相同。

上泵盖3、中泵盖13和下泵盖15上分别开有大孔7、10、21，三个大孔7、10、21的位置正对上泵腔9和下泵腔18，上泵腔9和下泵腔18相对。第一驱动膜8夹在上泵盖3和上泵体2之间，位于上泵盖3的大孔7的下侧，覆盖上泵盖3的大孔7并密封，隔开上泵腔9和外界；第二驱动膜19夹在中泵盖13和上泵体2之间，位于中泵盖13的大孔10的上侧，覆盖中泵盖13的大孔10，隔开上泵腔9和下泵腔18；第三驱动膜20夹在下泵盖15和下泵体1之间，位于下泵盖15的大孔21的上侧，覆盖下泵盖15的大孔21，隔绝下泵腔18和外界；第一驱动膜8、第二驱动膜19和第三驱动膜20既正对上泵腔9和下泵腔18，又分别正对上泵盖3的大孔7、中泵盖13的大孔10和下泵盖15的大孔21。所述的驱动膜是由电活性聚合物（electroactive polymer，EAP）制成的电致动聚合物薄膜。

液体在本微泵的流道流通过程如图2所示：

液体由进口小孔24进入到第二进口腔23，穿过第二扩散流道22进入到下泵腔18，再穿过第二收缩流道17进入第二出口腔16，进入第二出口腔16的液体通过中层小孔14进入第一进口腔12，穿过第一扩散流道11进入上泵腔9，再穿过第一收缩流道6进入第一出口腔5，再由出口小孔4流出微泵。

本发明通过外加的控制信号来控制驱动膜的凹凸形变。控制电路的连接方式如图5所示。本发明采用三菱公司的PLC来产生脉冲信号驱动继电器，使和继电器连接的直流高压发生器产生方波直流脉动电压，然后把脉动电压施加在采用电致动聚合物薄膜制成的三块驱动膜上，使得驱动膜上下振动，无阀微泵的供给模式和泵出模式交替工作。改变方波直流脉动电压的频率调整微泵的流量，方波直流脉动电压的频率即是微泵的工作频率。方波直流脉动电压的驱动位移递减速度最慢，直流脉动电压的驱动效果明显优于交流电压，不仅稳定变形时间较长，驱动频率较高，而且变形过程稳定。

本发明具体工作原理如图2所示。在第一驱动膜8、第二驱动膜19和第三驱动膜20上涂上导电膏，将引线贴在导电膏和驱动膜之间，通过引线连接高压发生器。将第一、第二、第三三个驱动膜8、19、20并联在同一方波高压发生器下，在第一驱动膜8和第三驱动膜20上施加同一方波电压，使第一驱动膜8和第三驱动膜20保持相同频率，相同方向的凹凸形变，在第二驱动膜19上施加与第一驱动膜8和第三驱动膜20电压正负极相反的电压，使第二驱动膜10与第一、第三驱动膜的频率相同，实现不同方向凹凸形变。以第一、第二、第三三个驱动膜的上下振动周期性的震动，使上泵腔9和下泵腔18的容积发生周期性的增加和减少。

假设驱动膜在正电压时下凸形变，在负电压时上凸形变。控制电路对驱动膜施加电压信号，第一驱动膜8和第三驱动膜20在相同的正电压时下凸形变，第二驱动膜19在负电压时上凸形变，如图2a所示，此时下泵腔18的容积增大，上泵腔9的容积减小，下泵腔18处于吸入状态，上泵腔9处于泵出状态。经过半个周期后，加在第一驱动膜8和第三驱动膜20上的正电压变为负电压，第二驱动膜19的负电压变为正电压，第一驱动膜8、第三驱动膜20由下凸形变转变为上凸形变，第二驱动膜19由上凸形变转变为下凸形变，如图2b所示，此时下泵腔18的容积减小，处于泵出状态，上泵腔9的容积增大，处于吸入状态，到此完成一个周期的变化，进入到下一个周期的电压。由此通过改变控制信号的方向，使下泵体1输出的流体流入上泵体2，实现了压力和流量大的微泵。

具体过程如下，液体从下泵盖15的进口小孔24进入下泵体1的第二进口腔23，通过第二扩散流道22进入下泵腔18内，当第一、第三驱动膜8、20下凸形变，第二驱动膜19上凸形变时，下泵腔18的容积变大，上泵腔9的容积变小，如图2a所示，设下泵体1左端的锥形第二扩散流道22的输入流量为Q₁，下泵体1右端的锥形第二收缩流道17的输出流量为Q₂，根据锥形流道内流体的流动特性，此时的流量Q₁>Q₂，产生的净流量为△Q，流体从下泵盖15的进口小孔24流入。当第一、第三驱动膜8、20上凸形变，第二驱动膜19下凸形变时，下泵腔18的容积变小，上泵腔9的容积变大，如图2b所示，设上泵体2左端的锥形第一收缩流道6的输出流量为Q₃，上泵体2右端的锥形第一扩散流道11输出的流量为Q₄，根据锥形流道内流体的流动特性，此时的流量Q₃>Q₄，产生的净流量为△Q，流体从上泵盖2的出口小孔4流出。控制信号使第一、第三驱动膜8、20和第二驱动膜19在同一时刻产生不同的凹凸形变状态，在一个工作周期内，改变控制信号的正负，使下泵体1输出的流体流入上泵体2，实现了压力和流量大的微泵。通过改变控制信号的频率可以改变薄膜的振动速度，从而也可以改变微泵的输出流量。

Claims (9)

1.一种双腔式电致动无阀微泵，其特征在于：所述的微泵包括驱动膜和微泵两部分；所述的微泵分为泵体和泵盖；所述的泵体分为上泵体（2）和下泵体（1）；上泵体（2）和下泵体（1）的左右两端均开有进口腔和出口腔，进口腔和出口腔之间为上泵腔（9）和下泵腔（18），上泵腔（9）和下泵腔（18）相对；所述的泵盖分为上泵盖（3）、中泵盖（13）和下泵盖（15）；上泵体（2）位于上泵盖（3）和中泵盖（13）之间，下泵体（1）位于中泵盖（13）和下泵盖（15）之间；上泵腔（9）和下泵腔（18）通过收缩流道和扩散流道与出口腔和进口腔连通；上泵盖（3）上开有出口小孔（4），中泵盖（13）上开有中层小孔（14），下泵盖（15）上开有进口小孔（24）；上泵体（2）的进口腔和下泵体（1）的出口腔通过中泵盖（3）上的中层小孔（14）相互连通；在上泵盖（3）、中泵盖（13）和下泵盖（15）上还开有大孔，三块驱动膜分别覆盖上泵盖（3）、中泵盖（13）和下泵盖（15）上的大孔。

2.按照权利要求1所述的一种双腔式电致动无阀微泵，其特征在于：所述的上泵盖（3）的正中位置开有大孔（7），大孔（7）的左端是出口小孔（4），中泵盖（13）的正中位置开有大孔（10），大孔（10）的右端是中层小孔（14），下泵盖（15）的正中位置开有大孔（21），大孔（21）的左端是进口小孔（24）；第一驱动膜（8）粘贴于上泵体（2）上，位于上泵体（2）和泵盖（3）之间，覆盖上泵盖（3）的大孔（7）并密封；第二驱动膜（19）利用其自身粘性粘贴于中泵盖（13）上，在中泵盖（13）和上泵体（20）之间，覆盖中泵盖（13）的大孔（10）并密封；第三驱动膜（20）利用其自身粘性粘贴于下泵盖（15）上，在下泵盖（15）和下泵体（1）之间，覆盖下泵盖（15）的大孔（21）并密封。

3.按照权利要求1所述的一种双腔式电致动无阀微泵，其特征在于：所述的上泵体（2）的右端为进口腔（12），左端为出口腔（5），中间为上泵腔（9）；上泵腔（9）通过其左侧的第一收缩流道（6）与第一出口腔（5）连通，通过其右侧的第一扩散流道（11）与第一进口腔（12）连通；下泵体（1）的左端是进口腔（23），右端是出口腔（16），中间是下泵腔（18）；下泵腔（18）通过其右侧的第二收缩流道（17）与第二出口腔（16）连通，通过其左侧的第二扩散流道（22）与第二进口腔（23）连通。

4.按照权利要求3所述的一种双腔式电致动无阀微泵，其特征在于：所述的第一收缩流道（6）和第一扩散流道（11）为锥形；第一收缩流道（6）直径较小的一端与上泵腔（9）相连通，第一收缩流道（6）直径较大的一端与第一出口腔（5）相连通；第一扩散流道（11）直径较大的一端与上泵腔（9）相连通，第一扩散流道（11）直径较小的一端与第一进口腔（12）相连通；所述的第二扩散流道（22）和第二收缩流道（17）为锥形；第二扩散流道（22）直径较大的一端与下泵腔（18）相连通，第二扩散流道（22）直径较小的一端与第二出口腔（23）相连通；第二收缩流道（17）直径较小的一端与下泵腔（18）相连通，第二扩散流道（17）直径较大的一端与第二进口腔（16）相连通；第一收缩流道（6）、第二扩散流道（11）、第二收缩流道（17）和第二扩散流道（22）的锥形角度均相同。

5.按照权利要求1所述的一种双腔式电致动无阀微泵，其特征在于：所述的上泵腔（9）通过第一收缩流道（6）和第一出口腔（5）与上泵盖（3）的出口小孔（4）连通；上泵腔（9）通过第一扩散流道（11）和第一进口腔（12）与中泵盖（13）上的小孔（14）相连；下泵腔（18）通过第二扩散流道（22）和第二进口腔（23）与下泵盖（15）上的进口小孔（24）连通，下泵腔（18）通过第二收缩流道（17）和第二出口腔（16）与中泵盖（13）上的中层小孔（14）连通；上泵体（2）和下泵体（1）通过中泵盖（13）上的中层小孔（14）连通。

6.按照权利要求1所述的一种双腔式电致动无阀微泵，其特征在于：所述的驱动膜（8、19、20）采用电致动聚合物薄膜。

7.按照权利要求1所述的一种双腔式电致动无阀微泵，其特征在于：所述的泵盖的材料为pyrex7740玻璃或厚膜光阻SU-8。

8.按照权利要求1所述的一种双腔式电致动无阀微泵，其特征在于所述的泵体的材料为硅片或厚膜光阻SU-8。

9.按照权利要求1所述的一种双腔式电致动无阀微泵，其特征在于通过控制施加在三块所述的驱动膜上的电压的变化改变驱动膜的形变方向，从而改变上下泵腔的容积，泵出液体。

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