一種光致伸縮材料驅動的微泵裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種光致伸縮材料驅動的微泵裝置，包括泵膜、紫外光源、PLZT雙晶片、位移放大平移機構、泵腔、入水閥、出水閥等。泵驅動放大機構通過柔性鉸鏈與泵連接，泵以及泵的驅動放大機構對稱布置，兩泵腔的出水閥與出水閥相通，入水閥與入水閥相通，即兩泵腔并聯。當分別對PLZT雙晶片雙面進行照射時，PLZT雙晶片向左或右彎曲,彎曲位移通過位移放大平移機構放大傳遞引起泵膜凹陷或凸起,使泵腔體積發生變化，從而實現泵水，異步控制泵驅動放大機構實現液體流量穩定。該光驅動微泵裝置可以實現光控非接觸式控制，且可避免電磁干擾，PLZT雙晶片把光能直接轉化為機械能，消除了中間機械傳動誤差，結構簡單緊湊,有利于精確控制液體流量。
【專利說明】一種光致伸縮材料驅動的微泵裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種微泵裝置，特別是一種利用光致伸縮材料驅動的微泵裝置。
【背景技術】
[0002] 微流體系統是微機電系統的一個重要分支，在醫學、化學、生物工程、航空航天以 及汽車發動機燃料供給等領域均有廣闊的應用前景。微泵是微流體系統的核心部件，是實 現微流量供給的動力元件，能精確地傳輸微小流量。目前較多的是通過驅動膜的往復變化 驅動泵腔體積變化，從而實現泵的功能。驅動膜的驅動方式有壓電、靜電、電磁、雙金屬致 動、形狀記憶合金驅動等。壓電驅動位移較小，需要驅動電壓高，且易受電磁干擾；靜電驅動 力較小，位移也較小且所需電壓高；電磁驅動受電磁線圈尺寸限制，不易于結構微型化；雙 金屬致動利用熱效應驅動胖脹系數不同的兩種金屬實現驅動，只是驅動能力較弱，效率比 較低，工作頻率很低；形狀記憶合金要通過溫度變化進行驅動，因此頻率較低，受溫度影響 較大且可控性差。
[0003] 綜上所述，以上各種方式均有各自的缺點，影響了微泵流量的精確控制或者限制 了微泵結構的微型化，相比之下，基于光致伸縮材料的光驅動微泵體現了其巨大的優勢，光 驅動可實現遠程非接觸控制、無噪聲無污染且不受電磁干擾，結構簡單緊湊，易于實現結構 微型化，為微泵提供了廣闊的應用前景。但是現有技術中尚無相關描述。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種光驅動的微泵裝置。
[0005] 實現本發明目的的技術解決方案為：一種光驅動的微泵裝置，包括上泵、下泵、上 泵驅動放大機構、下泵驅動放大機構、泵體、出水口和入水口，泵體的中部設有泵體中心面， 該泵體中心面位于泵體的中軸線上，所述上泵位于泵體中心面的上方，下泵位于泵體中心 面的下方，上泵驅動放大機構與上泵的上泵膜蓋相連，用于驅動上泵實現泵水，下泵驅動放 大機構與下泵的下泵膜蓋相連，用于驅動下泵實現泵水，其中上泵和下泵結構相同并關于 泵體中心面對稱，上泵驅動放大機構和下泵驅動放大機構結構相同并關于泵體中心面對 稱； 所述上泵包括上泵腔出水閥、上泵腔入水閥、上泵腔、上泵膜、上泵膜蓋，上泵膜蓋與上 泵膜粘接，其中上泵膜蓋與上泵驅動放大機構通過柔性鉸鏈相連，上泵腔出水閥和上泵腔 入水閥位于同一平面上，該平面與上泵膜相對設置，所述上泵膜、泵體和上泵腔出水閥所在 平面圍成的空腔為上泵腔； 所述下泵包括下泵膜蓋、下泵膜、下泵腔、下泵腔入水閥、下泵腔出水閥，下泵膜蓋與下 泵膜粘接，其中下泵膜蓋與下泵驅動放大機構通過柔性鉸鏈相連，下泵腔入水閥和下泵腔 出水閥位于同一平面上，該平面與下泵膜相對設置，所述下泵膜、泵體和下泵腔出水閥所在 平面圍成的空腔為下泵腔； 上泵驅動放大機構包括上位移放大平移機構、光纖、第一紫外光源、第二紫外光源、上 PLZT雙晶片，上PLZT雙晶片兩邊的泵體上設置第一紫外光源和第二紫外光源，上PLZT雙 晶片一端固定在泵體上，形成懸臂梁結構，另一端粘接在上位移放大平移機構輸入端上，所 述上位移放大平移機構分別通過兩個柔性鉸鏈與泵體的內壁連接，形成平行四邊形平移機 構，上位移放大平移機構的輸出端通過柔性鉸鏈與上泵膜蓋連接；紫外光源照射上PLZT雙 晶片實現上PLZT雙晶片的雙向彎曲； 下泵驅動放大機構包括下位移放大平移機構、光纖、第三紫外光源、第四紫外光源、下 PLZT雙晶片，下PLZT雙晶片兩邊的泵體上設置第三紫外光源和第四紫外光源，下PLZT雙 晶片一端固定在泵體上，形成懸臂梁結構，另一端粘接在下位移放大平移機構輸入端上，所 述下位移放大平移機構分別通過兩個柔性鉸鏈與泵體的內壁連接，形成平行四邊形平移機 構，下位移放大平移機構的輸出端通過柔性鉸鏈與下泵膜蓋連接；紫外光源照射下PLZT雙 晶片實現下PLZT雙晶片的雙向彎曲； 所述第一紫外光源與第四紫外光源位于同一側，第二紫外光源和第三紫外光源位于同 一側；所述出水口位于上泵腔出水閥和下泵腔出水閥的前方，入水口與出水口位于泵體的 同一平面上，該入水口與下泵腔入水閥位置相對應。
[0006] 本發明與現有技術相比，其顯著優點為：本發明的光驅動的微泵裝置利用光電陶 瓷的光致形變效應，使光能直接轉化為機械能，取消了中間機械傳動環節，使結構簡單緊 湊。同時，該裝置的驅動源為紫外光，可實現光控非接觸式操作，避免了電磁噪聲干擾。利 用PLZT雙晶片雙面照射雙向彎曲以及較快的響應速度等特點，使泵腔并聯，兩PLZT雙晶片 異步工作，從而保證液體運輸連續不間斷，液體擾動性小，便于精確控制輸出流量。
[0007] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008] 圖1為光驅動的微泵結構示意圖。
[0009] 圖2為懸臂梁式單向閥的結構示意圖。
[0010] 圖中標號所代表的含義為：1.上泵腔出水閥，2.上泵腔入水閥，3.上泵腔，4.上泵 膜，5.上泵膜蓋，6.上位移放大平移機構，7.泵體，8.泵體中心面，9.第一紫外光源，10.第 二紫外光源，11.上PLZT雙晶片，12.下PLZT雙晶片，13.第三紫外光源，14.第四紫外光源， 15.下位移放大平移機構，16.下泵膜蓋，17.下泵膜，18.下泵腔，19.下泵腔入水閥，20.下 泵腔出水閥，21.入水口，22.出水口，23.懸臂梁閥片，24.通水孔，25.膠層。
【具體實施方式】
[0011] 結合圖1，本發明的一種光驅動的微泵裝置，包括上泵、下泵、上泵驅動放大機構、 下泵驅動放大機構、泵體7、出水口 22和入水口 21，泵體7的中部設有泵體中心面8,該泵 體中心面8位于泵體7的中軸線上，所述上泵位于泵體中心面8的上方，下泵位于泵體中心 面8的下方，上泵驅動放大機構與上泵的上泵膜蓋5相連，用于驅動上泵實現泵水，下泵驅 動放大機構與下泵的下泵膜蓋16相連，用于驅動下泵實現泵水，其中上泵和下泵結構相同 并關于泵體中心面8對稱，上泵驅動放大機構和下泵驅動放大機構結構相同并關于泵體中 心面8對稱； 所述上泵包括上泵腔出水閥1、上泵腔入水閥2、上泵腔3、上泵膜4、上泵膜蓋5，上泵膜 蓋5與上泵膜4粘接，其中上泵膜蓋5與上泵驅動放大機構通過柔性鉸鏈相連，上泵腔出水 閥1和上泵腔入水閥2位于同一平面上，該平面與上泵膜4相對設置，所述上泵膜4、泵體和 上泵腔出水閥1所在平面圍成的空腔為上泵腔3 ; 所述下泵包括下泵膜蓋16、下泵膜17、下泵腔18、下泵腔入水閥19、下泵腔出水閥20， 下泵膜蓋16與下泵膜17粘接，其中下泵膜蓋16與下泵驅動放大機構通過柔性鉸鏈相連， 下泵腔入水閥19和下泵腔出水閥20位于同一平面上，該平面與下泵膜17相對設置，所述 下泵膜17、泵體和下泵腔出水閥20所在平面圍成的空腔為下泵腔18 ; 上泵驅動放大機構包括上位移放大平移機構6、光纖、第一紫外光源9、第二紫外光源 10、上PLZT雙晶片11，上PLZT雙晶片11兩邊的泵體7上設置第一紫外光源9和第二紫外 光源10,上PLZT雙晶片11 一端固定在泵體7上，形成懸臂梁結構，另一端粘接在上位移放 大平移機構6輸入端上，所述上位移放大平移機構6分別通過兩個柔性鉸鏈與泵體7的內 壁連接，形成平行四邊形平移機構，上位移放大平移機構6的輸出端通過柔性鉸鏈與上泵 膜蓋5連接；紫外光源照射上PLZT雙晶片11實現上PLZT雙晶片的雙向彎曲； 下泵驅動放大機構包括下位移放大平移機構15、光纖、第三紫外光源13、第四紫外光 源14、下PLZT雙晶片12,下PLZT雙晶片12兩邊的泵體7上設置第三紫外光源13和第四 紫外光源14,下PLZT雙晶片12 -端固定在泵體7上，形成懸臂梁結構，另一端粘接在下位 移放大平移機構15輸入端上，所述下位移放大平移機構15分別通過兩個柔性鉸鏈與泵體7 的內壁連接，形成平行四邊形平移機構，下位移放大平移機構15的輸出端通過柔性鉸鏈與 下泵膜蓋16連接；紫外光源照射下PLZT雙晶片12實現下PLZT雙晶片的雙向彎曲； 所述第一紫外光源9與第四紫外光源14位于同一側，第二紫外光源10和第三紫外光 源13位于同一側；所述出水口 22位于上泵腔出水閥1和下泵腔出水閥20的前方，入水口 21與出水口 22位于泵體的同一平面上，該入水口 21與下泵腔入水閥19位置相對應。
[0012] 所述上泵膜蓋5與下泵膜蓋16通過環氧樹脂粘結劑分別與上泵膜4和下泵膜17 粘接在一起，且泵膜蓋面積小于泵膜。
[0013] 上位移放大機構11與下位移放大平移機構15均采用鈹青銅材料，上泵膜蓋5和 下泵膜蓋16采用聚丙烯材料，上泵膜4和下泵膜17采用柔性高分子材料。
[0014] 所述上泵腔3與下泵腔18相并聯，即上泵腔出水閥1與下泵腔出水閥20相接，上 泵腔入水閥2與下泵腔入水閥19相接。
[0015] 所述第一紫外光源9與第三紫外光源13同時導通，第二紫外光源10與第四紫外 光源14同時導通。
[0016] 所述上泵腔出水閥1、上泵腔入水閥2、下泵腔出水閥20與下泵腔入水閥19均為 懸臂梁式單向閥。
[0017] 下面進行更詳細的描述：本發明的一種光驅動的微泵裝置，包括泵體、PLZT雙晶 片、位移放大平移機構、泵膜蓋、泵膜、泵腔、出水閥、入水閥等。
[0018] 上PLZT雙晶片11兩側均設有第一紫外光源9和第二紫外光源10,上PLZT雙晶片 11 一端固定在泵體7上，形成懸臂梁結構，另一端與上位移放大平移機構6連接，上位移放 大平移機構6通過柔性鉸鏈與泵體7連接，輸出端通過柔性鉸鏈與上泵膜蓋5連接，上泵膜 蓋5與上泵膜4粘結，上泵腔3具有兩個單向閥：上泵腔出水閥1以及上泵腔入水閥2 ;上 泵包括上泵腔出水閥1、上泵腔入水閥2、上泵腔3、上泵膜4與上泵膜蓋5,上泵驅動放大機 構包括上位移放大平移機構6、第一紫外光源9、第二紫外光源10與上PLZT雙晶片11，下 泵包括下泵腔出水閥20、下泵腔入水閥19、下泵腔18、下泵膜17與下泵膜蓋16,下泵驅動 放大機構包括下位移放大平移機構15、第三紫外光源13、第四紫外光源14與下PLZT雙晶 片12,上泵與下泵關于泵體中心面8對稱布置，上泵驅動放大機構與下泵驅動放大機構也 關于泵體中心面8對稱布置。上泵腔出水閥1與下泵腔出水閥20相接，上泵腔入水閥2與 下泵腔入水閥19相接，即上泵腔3與下泵腔18并聯。
[0019] 當上PLZT雙晶片11受到第二紫外光源10照射時，上PLZT雙晶片11懸臂梁結構 會向右發生彎曲，彎曲撓度通過上位移放大平移機構6放大并傳遞，驅動上泵膜蓋5向右移 動變形，引起上泵膜4向上泵腔3凹陷，從而使上泵腔3體積變小，上泵腔3內壓力增大，當 腔內壓力大于出水口 22外的壓力和上泵腔出水閥1材料的彈性力時，上泵腔出水閥1被打 開，液體從出水口 22流出。同時，下PLZT雙晶片12在第四紫外光源14照射下會向左彎曲， 彎曲撓度經過下位移放大平移機構15放大并傳遞，驅動下泵膜蓋16向左移動變形，引起下 泵膜17向下泵腔18外凸起，從而使下泵腔18體積變大，則下泵腔18內壓力減小，當入水 口 21外的壓力大于下泵腔18內壓力和下泵腔入水閥19材料的彈性力時，下泵腔入水閥19 被打開，液體從入水口 21流入下泵腔18內。
[0020] 本微泵的上泵腔3與下泵腔18采用并聯方式，上PLZT雙晶片11與下PLZT雙晶 片12采用異步驅動工作方式，即當上PLZT雙晶片11在第二紫外光源10照射下向右彎曲 驅動上泵膜4凹陷，上泵腔3體積減小，液體經上泵腔出水閥1排出上泵腔3,此時下PLZT 雙晶片12在第四紫外光源14照射下向左彎曲驅動下泵膜17凸起，下泵腔18體積增大，液 體經下泵腔入水閥19進入下泵腔18,當上PLZT雙晶片11與下PLZT雙晶片12彎曲均達 到最大時，則用第一紫外光源9照射上PLZT雙晶片11，第三紫外光源13照射下PLZT雙晶 片12,此時上泵腔3吸入液體而下泵腔18排出液體，如此循環往復，從而實現穩定持續不斷 地進行泵水，并且提高了響應速度。
[0021] 本光致伸縮材料驅動微泵中的上泵腔出水閥1、上泵腔入水閥2、下泵腔出水閥20 以及下泵腔入水閥19必須都使用單向閥，此處采用懸臂梁式單向閥，其截面簡圖如圖2所 示。單向閥懸臂梁閥片23采用較軟的聚乙烯，采用環氧樹脂類粘結劑將單向閥懸臂梁閥片 23粘在泵體7上，懸臂梁式單向閥在壓力作用下發生彎曲從而實現開啟和關閉。
[0022] 簡而言之，該微泵利用PLZT雙晶片驅動，PLZT雙晶片式懸臂梁在其兩側的紫外光 源分別照射下，產生向左或向右的彎曲位移，經過位移放大平移機構放大傳遞，控制泵膜的 凸起與凹陷，從而引起泵腔體積變化，在單向閥的作用下實現泵水。上泵腔3與下泵腔18 并聯，上PLZT雙晶片11與下PLZT雙晶片12進行異步驅動，實現上泵腔3吸入液體時下泵 腔18排出液體，泵腔體積分別達到飽和時，通過改變紫外光源照射，使下泵腔18吸入液體 而上泵腔3排出液體，兩泵腔交替吸排液體，從而液體流量穩定不擾動，提高單位時間內液 體流量，有利于液體流量的精確控制。
【權利要求】
1. 一種光驅動的微泵裝置，其特征在于，包括上泵、下泵、上泵驅動放大機構、下泵驅動 放大機構、泵體[7]、出水口 [22]和入水口 [21]，泵體[7]的中部設有泵體中心面[8]，該泵 體中心面[8]位于泵體[7]的中軸線上，所述上泵位于泵體中心面[8]的上方，下泵位于泵 體中心面[8]的下方，上泵驅動放大機構與上泵的上泵膜蓋[5]相連，用于驅動上泵實現泵 水，下泵驅動放大機構與下泵的下泵膜蓋[16]相連，用于驅動下泵實現泵水，其中上泵和 下泵結構相同并關于泵體中心面[8]對稱，上泵驅動放大機構和下泵驅動放大機構結構相 同并關于泵體中心面[8]對稱； 所述上泵包括上泵腔出水閥[1]、上泵腔入水閥[2]、上泵腔[3]、上泵膜[4]、上泵膜蓋 [5]，上泵膜蓋[5]與上泵膜[4]粘接，其中上泵膜蓋[5]與上泵驅動放大機構通過柔性鉸 鏈相連，上泵腔出水閥[1]和上泵腔入水閥[2]位于同一平面上，該平面與上泵膜[4]相對 設置，所述上泵膜[4]、泵體和上泵腔出水閥[1]所在平面圍成的空腔為上泵腔[3]; 所述下泵包括下泵膜蓋[16]、下泵膜[17]、下泵腔[18]、下泵腔入水閥[19]、下泵腔出 水閥[20]，下泵膜蓋[16]與下泵膜[17]粘接，其中下泵膜蓋[16]與下泵驅動放大機構通 過柔性鉸鏈相連，下泵腔入水閥[19]和下泵腔出水閥[20]位于同一平面上，該平面與下泵 膜[17]相對設置，所述下泵膜[17]、泵體和下泵腔出水閥[20]所在平面圍成的空腔為下泵 腔[18]; 上泵驅動放大機構包括上位移放大平移機構[6]、光纖、第一紫外光源[9]、第二紫外 光源[10]、上PLZT雙晶片[11]，上PLZT雙晶片[11]兩邊的泵體[7]上設置第一紫外光源 [9]和第二紫外光源[10]，上PLZT雙晶片[11] 一端固定在泵體[7]上，形成懸臂梁結構，另 一端粘接在上位移放大平移機構[6]輸入端上，所述上位移放大平移機構[6]分別通過兩 個柔性鉸鏈與泵體[7]的內壁連接，形成平行四邊形平移機構，上位移放大平移機構[6]的 輸出端通過柔性鉸鏈與上泵膜蓋[5]連接；紫外光源照射上PLZT雙晶片[11]實現上PLZT 雙晶片的雙向彎曲； 下泵驅動放大機構包括下位移放大平移機構[15]、光纖、第三紫外光源[13]、第四紫 外光源[14]、下PLZT雙晶片[12]，下PLZT雙晶片[12]兩邊的泵體[7]上設置第三紫外光 源[13]和第四紫外光源[14]，下PLZT雙晶片[12] -端固定在泵體[7]上，形成懸臂梁結 構，另一端粘接在下位移放大平移機構[15]輸入端上，所述下位移放大平移機構[15]分別 通過兩個柔性鉸鏈與泵體[7]的內壁連接，形成平行四邊形平移機構，下位移放大平移機 構[15]的輸出端通過柔性鉸鏈與下泵膜蓋[16]連接；紫外光源照射下PLZT雙晶片[12] 實現下PLZT雙晶片的雙向彎曲； 所述第一紫外光源[9]與第四紫外光源[14]位于同一側，第二紫外光源[10]和第三 紫外光源[13]位于同一側；所述出水口 [22]位于上泵腔出水閥[1]和下泵腔出水閥[20] 的前方，入水口 [21]與出水口 [22]位于泵體的同一平面上，該入水口 [21]與下泵腔入水 閥[19]位置相對應。
2. 根據權利要求1所述的光驅動的微泵裝置，其特征在于：上泵膜蓋[5]與下泵膜蓋 [16]通過環氧樹脂粘結劑分別與上泵膜[4]和下泵膜[17]粘接在一起，且泵膜蓋面積小于 泵膜。
3. 根據權利要求1所述的光驅動的微泵裝置，其特征在于：上位移放大機構[11]與下 位移放大平移機構[15]均采用鈹青銅材料，上泵膜蓋[5]和下泵膜蓋[16]采用聚丙烯材 料，上泵膜[4]和下泵膜[17]采用柔性高分子材料。
4. 根據權利要求1所述的光驅動的微泵裝置，其特征在于：上泵腔[3]與下泵腔[18] 相并聯，即上泵腔出水閥[1]與下泵腔出水閥[20]相接，上泵腔入水閥[2]與下泵腔入水 閥[19]相接。
5. 根據權利要求1所述的光驅動的微泵裝置，其特征在于，第一紫外光源[9]與第三紫 外光源[13]同時導通，第二紫外光源[10]與第四紫外光源[14]同時導通。
6. 根據權利要求1所述的光驅動的微泵裝置，其特征在于，上泵腔出水閥[1]、上泵腔 入水閥[2]、下泵腔出水閥[20]與下泵腔入水閥[19]均為懸臂梁式單向閥。
【文檔編號】F04B43/02GK104110355SQ201410309506
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月2日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】王新杰, 黃家瀚, 王炅, 陸靜, 黃學功 申請人:南京理工大學