具有多通道主动控制能力的微流体泵的制作方法

专利名称：具有多通道主动控制能力的微流体泵的制作方法
技术领域：
本发明属于微流体机械技术领域，具体涉及一种实现具有多通道主动精确控制能力的微 流体泵。
背景技术：
随着微机械电子科学的迅猛发展，在化学分析与检测、药物释放、生物工程、集成电路 芯片、微型零部件、微型化生产系统(微型工厂)以及芯片实验室(Lab-on-Chip)等领域， 急需输送微小流量且精度高的流体输送装置。为此各国学者已提出并研究了多种结构形式的 流体泵。在研究过程中，关注的重点在于如何提高泵的流量控制精度和实现极低的流量控制。 对于如何从多个流体源获取流体和如何将同一泵腔的流体源泵送给多个对象没有很好的解决 方法。目前，还没有关于具有多通道主动控制能力的微流体泵的相关技术报道。

发明内容
本发明公开了一种多通道主动精确控制微流体泵的原理与具体的实施例，采用一种具有 圆环面边界的微流体主动控制阀构成多个进液阀和多个出液阀，其中，也可以让任意多个阀 关闭，采用同一电可控薄膜执行元件覆盖在泵体的圆柱形沉孔的开口面构成同一个泵腔，泵 腔与多个阀的圆环柱型(圆柱型中心孔)液腔相连，且多个阀的圆柱型中心孔(圆环柱型) 液腔分别与进液口和出液口相连。改变作用于多个阀与泵的薄膜执行元件的控制信号(周期 信号、正信号)的频率、幅值、相位关系控制泵流量、脉动性、输出压力。在没有驱动信号 时微流体阀的薄膜执行元件与圆环形边界具有预压紧力，处于关闭状态。本发明的多通道主 动精确控制能力的微流体泵为多向可控的具有主动精确控制能力的微流体泵，多个阀可以任 意设置为一个进液阀和多个出液阀，任意设置为多个进液阀和一个出液阀，也可以任意设置 为多个进液阀和多个出液阀，也可以让任意多个阀处于关闭状态。本发明可用于采用同一泵 对多个对象同时供给微流体、采用同一泵从多个对象同时获取微流体以及微流体混合等。
本发明是这样实现的
一种具有多通道主动控制能力的微流体泵，包括 一个圆柱形泵腔、多个圆环柱形阀腔
和分别与所述多个圆环柱形阀腔同轴的圆柱形中心孔， 一个圆环柱形阀腔和与其同轴的圆柱 形中心孔构成一个微流体阀，每个微流体阀的圆柱形中心孔与各自同轴的圆环柱形阀腔之间 形成一个圆环面边界，每个微流体阀的薄膜执行元件与各自的圆环面边界接触将所述圆柱形 中心孔与该圆柱形中心孔同轴的所述圆环柱形阀腔隔开，其中，所述多个微流体阀可以任意
设置为一个进液阀和多个出液阀，或任意设置为多个进液阀和一个出液阀，或任意设置为多 个进液阀和多个出液阀，也可以让其中任意多个微流体阀处于关闭状态，所述每个圆环柱形 阀腔分别通过过流通道与所述圆柱形泵腔相连，其特征在于将微流体泵的薄膜执行元件覆 盖在泵体的圆柱形泵腔上方形成密闭的泵腔，将所述每个微流体阀的薄膜执行元件覆盖在泵 体上的圆环柱形阀腔及与其同轴的所述微流体阀的圆柱形中心孔上方构成多个微流体阀，通 过所述多个微流体阀的薄膜执行元件以及微流体泵的薄膜执行元件的有序振动或位移使相应 的微流体阀主动开启和关闭来实现微流体泵的泵入、泵出、止流以及流量和压强的连续精确 主动控制。构成多个微流体阀的薄膜执行元件与构成微流体泵的薄膜执行元件的布置方式具 体如下
(1) 所述进液阀、出液阀与所述圆柱形泵腔在泵体的同一侧以所述圆柱形泵腔为中心呈 圆周布置，所述薄膜执行元件与泵腔和阀腔自然封闭，每一个阀腔和泵腔通过独自的密封圈 密封，并通过一个泵盖压紧在泵体上。
(2) 所述进液阀和出液阀的薄膜执行元件布置在圆柱型泵体的同一侧的表面上，所述的 微流体阀均布在同心的两个圆周上，位于内圆周上的微流体阀处于位于外圆周上的相邻两个 微流体阀的中间位置，构成微流体泵的薄膜执行元件布置在圆柱形泵体的相对的一侧的表面 且与构成进液阀和出液阀的薄膜执行元件呈对称状态，构成阀的薄膜执行元件与构成泵的薄 膜执行元件通过密封圈与泵体分别接触构成阀腔和泵腔，并通过阀盖和泵盖压紧在泵体上。
(3) 所述微流体阀在立方体泵体的五个表面的中心呈对称布置，所述圆柱形泵腔布置在 立方体泵体的第六面的中心。位于立方体泵体的两相对面的微流体阀的圆柱型中心孔直接相 连，位于与圆柱形泵腔相对表面的微流体阀的圆柱形中心孔直接与圆柱型泵腔相连，所有的 微流体阀的圆柱形中心孔均与圆柱形泵腔连通，薄膜执行元件与泵的薄膜执行元件通过密封 圈覆盖在阀腔和泵腔的表面，并通过阀盖和泵盖分别压紧在泵体上。所述的立方体泵体安装 微流体阀的每一个表面可以均布多个微流体阀，只要圆环柱体阀腔可以与在适当表面的进液 口/出液口相连，其圆柱形中心孔直接与泵腔相连，圆环柱体阀腔与安装在适当表面的进液口 /出液口相连。
所述多个微流体阀可以任意设置为一个进液阀和多个出液阀，任意设置为多个进液阀和 一个出液阀，可以任意设置为多个进液阀和多个出液阀，也可以让任意多个阀处于关闭状态， 但是至少有一个微流体阀构成进液阀和至少有一个微流体阀构成出液阀。构成进液阀和出液 阀的微流体阀在没有驱动信号作用时处于关闭状态(自然状态)，且阈的薄膜执行元件与圆环 面边界具有一定的预压紧力，使微流体泵具有良好的止流特性(止流状态)。在实现泵入和泵出时采用同频率的周期信号驱动多个进液阀和多个出液阀的薄膜执行元 件与泵薄膜执行元件，且作用于进液阀的薄膜执行元件的控制信号首先有效，作用于泵薄膜 执行元件的控制信号相位滞后作用于进液阀的薄膜执行元件的控制信号1/4周期有效，作用 于出液阔的薄膜执行元件的控制信号比作用于泵的薄膜执行元件的控制信号滞后1/4周期有 效；处于工作状态的泵转为止流状态时，在最后一个泵入状态完成后作用于进液阀薄膜执行 元件的控制信号首先无效，经1/4周期后泵薄膜执行元件控制信号无效，再经l/4周期后出液 阀薄膜执行元件的控制信号无效，泵转入止流状态。作用于驱动进液阀和出液阀的薄膜执行 元件与泵薄膜执行元件的控制信号可以是方波信号、正弦信号或其他周期信号，在采用线性 电可控执行元件驱动薄膜执行元件时可以达到方波信号的效果，改变作用于驱动进液阀和出 液阀的薄膜执行元件与泵薄膜执行元件的控制信号的频率、幅值、相位关系可以改变泵流量、 脉动性、输出压力。
构成进液阀和出液阀以及泵的薄膜执行元件可以是粘贴在弹性膜片上的圆盘形压电陶瓷 片、圆盘形电致伸缩陶瓷片构成的振子，也可以是线性电可控执行元件连接的弹性膜片，且 弹性膜片被与执行器为中心的阀盖或泵盖的圆环形边缘压紧在泵体上，阀盖或泵盖边缘未压 到的弹性膜片的中心区域为振动或者变形区域。构成进液阀和出液阀的薄膜执行元件与泵的 薄膜执行元件在与液体接触侧的另外一侧粘贴执行器(如圆盘形压电陶瓷片、圆盘形电致伸 縮陶瓷片)构成振子和连接线性电可控制执行器，保证薄膜执行元件向液体外侧变形和位移， 同时达到绝缘的目的。
本发明的有益效果是；
1. 本发明的多通道主动精确控制能力的微流体泵为多向可控的具有主动精确控制能力 的微流体泵，多个阀可以任意设置为一个进液阀和多个出液阀，任意设置为多个进液阀和一 个出液阀，也可以任意设置为多个进液阀和多个出液阀，也可以让任意多个阀处于关闭状态。 本发明可用于采用同一泵对多个对象同时供给微流体、采用同一泵从多个对象同时获取微流 体以及微流体混合等。
2. 本发明的多通道主动精确控制能力的微流体泵采用一种具有圆环面边界的微流体主 动控制阀构成多个进液阀和出液阀，具有主动控制流体的能力，能达到极低的流量和极高的 控制精度；
3. 本发明的多通道主动精确控制能力的微流体泵采用一种具有圆环面边界的微流体主 动控制阀构成多个进液阀和出液阀，且阀的执行元件与圆环面边界在不作用控制信号时有预 压紧力，使得泵在止流状态时达到极高的止流能力；
4. 本发明的多通道主动精确控制能力的微流体泵的阀腔及泵腔分布在泵体的同一侧，采 用一个泵盖压紧，具有结构简单、体积小、重量轻、工艺简单的优点。
5. 本发明的多通道主动精确控制能力的微流体泵的阀腔及泵腔靠薄膜执行元件自然封
闭，且实现控制的执行元件及其信号接头均不与液体接触，绝缘性能好；
6. 本发明的多通道主动精确控制能力的微流体泵通过主动控制阀的主动开启和关闭可 以减少阀的滞后现象，提高工作效率；
7. 本发明的多通道主动精确控制能力的微流体泵可以通过改变作用于驱动进液阀和出 液阀的薄膜执行元件与泵薄膜执行元件的控制信号(位移)的频率、幅值、相位关系可以改 变泵流量、脉动性、输出压力等；
8. 本发明的多通道主动精确控制能力的微流体泵为双向可控的具有主动精确控制能力 的微流体泵，任何一个阀都可以成为进液阀(出液阀)，则另外一通道自然成为出液阀(进液阀)。


图1是本发明八通道主动控制微流体泵实施例的剖视图； 图2A是移出图1中的泵盖和薄膜执行元件后的俯视图； 图2B和图2C是移出图1中的泵盖后的俯视图3是本发明图1和2所示八通道主动控制微流体泵实施例的阀盖的剖视图； 图4是本发明图1和2所示八通道主动控制微流体泵实施例的阀盖的俯视图； 图5是本发明图1和2所示八通道主动精确控制微流体泵的阀和泵的薄膜执行元件工作 时的驱动信号及薄膜执行元件的时序图6和是本发明八通道主动精确控制微流体泵实施例的控制系统电路原理图7是本发明八通道主动精确控制微流体泵另一实施例的剖视图8是移出图7中的薄膜执行元件后的俯视图9是本发明八通道主动精确控制微流体泵一种实施例的剖视图IOA是移出图9中的泵盖和薄膜执行元件后的俯视图10B是移出图9中的泵盖后的俯视图11是本发明八通道主动控制微流体泵另外一种实施例的剖视图； 图12A是移出图11中的泵盖和薄膜执行元件后的俯视图12B是移出图11中的泵盖后的俯视图13是本发明16通道主动精确控制微流体泵实施例的剖视图14是本发明16通道主动精确控制微流体泵实施例的移去泵盖及薄膜执行元件后的俯 视图15是本发明16通道主动精确控制微流体泵另一实施例的剖视图； 图16是图15所示的本发明16通道主动精确控制徼流体泵另一实施例的移去泵盖及薄膜 执行元件后的俯视图17是本发明5通道主动精确控制微流体泵实施例的主视图18是图17所示的本发明5通道主动精确控制微流体泵实施例的A-A剖视图19是图17所示的本发明5通道主动精确控制微流体泵实施例的B-B剖视图20是本发明5通道主动精确控制微流体泵另一实施例的主视图21是图20所示的本发明5通道主动精确控制微流体泵实施例的A-A剖视图22是图20所示的本发明5通道主动精确控制微流体泵实施例的B-B剖视图23是本发明5通道主动精确控制微流体泵第三种实施例的主视图24是图23所示的本发明5通道主动精确控制微流体泵第三种实施例的A-A剖视图25是图23所示的本发明5通道主动精确控制微流体泵第三种实施例的B-B剖视图26是本发明5通道主动精确控制微流体泵第四种实施例的主视图27是图26所示的本发明5通道主动精确控制微流体泵第四种实施例的A-A剖视图28是图26所示的本发明5通道主动精确控制微流体泵第四种实施例的B-B剖视图。
具体实施例方式
参照附图，下文将详细介绍本发明多通道主动控制微流体泵的具体实施方式
。 附图中1、 168为泵体，3、 14、 21、 85、 112、 123、 124、 125、 191、 203、 209、 217、 231、 226、 256、 259、 264、 266、 270、 274、 284、 285、 286、 21、 287、 288、 289、 307、 308、 309、 310、 311、 312、 313、 314为薄膜执行元件，39、 43、 51、 56、 28、 59、 66、 73、 164、 191、 195、 201、 219、 234、 228为圆环面凸台，38、 44、 52、 57、 26、 60、 65、 74、 118、 194、 202、 216、 233、 227为阀的圆柱形中心孔，104、 149、 150、 153、 157、 95、 99、 146、 106、 108、 155、 158、 97、 101、 102、 189、 206、 214、 237、 222为进液通道(出液通道)， 27、 37、 100、 161、 103、 105、 147、 148、 107、 151、 109、 152、 154、 156、 159、 94、 96、
98、 181、 187、 172、 178、 188为进液口 (出液口)， 35、 46、 47、 53、 31、 64、 70、 71为过 流通道，33、 167、 163、 212、 238为圆柱形泵腔，5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75、 239、 240、 241、 242、 243、 244、 245、 246、 86、 87、 88、 89、 90、 91、 92、 93、 248、 249、 250、 251、 252、 253、 254、 255、 184、 192、 179、 173、 180、 267、 260、 263、 272、 276为进液 阀(出液阀)，40、 45、 50、 55、 24、 62、 67、 72、 117、 215、 198、 199、 235、 229为圆环 柱形阀腔，2、 22、 16、 110、 220、 197、 200、 211、 230、 224、 315、 316、 317、 318、 319、 320、 321、 322、 306为弹性膜片，4、 20、 15、 84、 111、 218、 193、 204、 210、 232、 225为 圆盘形压电陶瓷圆盘片/圆盘形电致伸縮陶瓷片，36、 41、 49、 58、 29、 63、 69、 76、 81、 116、 221、 174、 205、 207、 223、 236为密封圈，23、 83、 281、 283、 169、 280为泵盖,25、 170、 186、 196、 176为连接螺栓，77、 78、 79、 122、 268、 261、 262、 271、 275、 278、 323、 324、 325、 78、 326、 327、 328为线性电可控执行器(叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶 瓷执行器、磁致伸縮执行器以及其他微位移执行器)，282、 283、 185、 190、 177、 171、 182、 257、 258、 265、 269、 273为阀盖，10、 17、 6、 115、 166为导线，7、 11、 18、 113、 120为 固定导线的粘胶，9、 165为导线固定夹子，34、 30、 130、 131、 133、 135、 139、 141、 144、 124、 129、 131、 127、 114为过线槽，8、 121为过线孔。
实施例一参照图1和2A-2C (图2A是移出图1中的泵盖和薄膜执行元件后的俯视图， 图2B和图2C是移出图1中的泵盖后的俯视图)，是本发明八通道主动控制微流体泵第一种 实施例的剖视图和俯视图。泵体1的一侧中心开有圆柱形泵腔33和与圆柱形泵腔33的中心 相同的圆周284上均布的圆环柱形阀腔40、 45、 50、 55、 24、 62、 67、 72，和分别与圆环柱 形阀腔40、 45、 50、 55、 24、 62、 67、 72的中心同轴的圆柱形中心孔38、 44、 52、 57、 26、 60、 65、 74。薄膜执行元件14覆盖在泵体1的圆柱形空腔上方构成泵腔33，薄膜执行元件 14与泵体1的上表面之间设置密封圈32防止泄漏。薄膜执行元件3、 284、 285、 286、 21、 287、 288、 289分别覆盖在泵体1上的圆环柱形阀腔40、 45、 50、 55、 24、 62、 67、 72的上 面构成阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75，薄膜执行元件3、 284、 285、 286、 21、 287、 288、 289与泵体1分别通过密封圈36、 41、 49、 58、 29、 63、 69、 76密封防止流体泄漏。阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75的圆环柱型阀腔40、 45、 50、 55、 24、 62、 67、 72通过过流 通道35、 46、 47、 53、 31、 64、 70、 71分别与圆柱型泵腔33相连，构成阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75的圆柱型中心孔38、 44、 52、 57、 26、 60、 65、 74分别与进液口/出液口 27、 37、 100、 161、 103、 105、 147、 148相连。微流体阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75的圆 环面边界39、 43、 51、 56、 28、 59、 66、 73分别与薄膜执行元件3、 284、 285、 286、 21、
287、 288、 289密切接触并分别将圆环柱形阀腔40、 45、 50、 55、 24、 62、 67、 72与圆柱形
中心孔38、 44、 52、 57、 26、 60、 65、 74中的流体隔开。微流体阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75的薄膜执行元件3、 284、 285、 286、 21、 287、 288、 289分别由圆盘形压电陶瓷圆盘 片/圆盘形电致伸縮陶瓷片4、 294、 295、 296、 20、 297、 298、 299连接弹性膜片2、 300、 301、 302、 22、 303、 304、 305构成。微流体泵的薄膜执行元件14由圆盘形压电陶瓷圆盘片/圆盘 形电致伸缩陶瓷片15连接弹性膜片16构成。微流体阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75和 微流体泵的薄膜执行元件也可以是在同一片弹性膜片306上粘贴圆盘形压电陶瓷圆盘片/圆盘 形电致伸縮陶瓷片4、 294、 295、 296、 20、 297、 298、 299、 15构成。在没有将驱动信号作 用于薄膜执行元件3、 284、 285、 286、 21、 287、 288、 289时,薄膜执行元件3、 284、 285、 286、 21、 287、 288、 289不变形且与圆环面边界39、 43、 51、 56、 28、 59、 66、 73密切接 触，且薄膜执行元件3、 284、 285、 286、 21、 287、 288、 289保持足够的预变形以提高泵外 流体向泵内流动的难度。只要不是由于供给流体的压力变化太大使得薄膜执行元件3、 284、 285、 286、 21、 287、 288、 289离开圆环面边界39、 43、 51、 56、 28、 59、 66、 73，这时进 液口/出液口 27、 37、 100、 161、 103、 105、 147、 148之间断开，流体不流动，处于止流状 态。阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75中的任意一个都可以设置成进液阀、出液阀、常关 状态。
参照图3和4，是图1和2给出的本发明多通道具有主动精确控制能力的微流体泵的泵 盖23的剖视图和俯视图。变形空间123、 128、 132、 134、 136、 138、 140、 143分别为阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75的薄膜执行元件3、 284、 285、 286、 21、 287、 288、 289在与 泵盖之间形成的变形空间，变形空间142为泵的薄膜执行元件14在其与泵盖之间的变形空间。 阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75的薄膜执行元件3、 284、 285、 286、 21、 287、 288、 289 的导线分别通过各自的过线槽124、 129、 131、 133、 135、 139、 141、 144引入环形过线槽 130后通过过线孔8引出。微流体泵的薄膜执行元件14的导线通过微流体泵的过线槽127引 入环形过线槽130后通过过线孔8引出。
参照图5，是本发明图1和2所示八通道主动精确控制微流体泵的阀和泵的薄膜执行元 件工作时的驱动信号及薄膜执行元件的时序图。在图5中，阀5、 42设置为进液阀，阀54、 19、 61、 68、 75设置为出液阀，阀48设置为常关闭状态，构成2通道输入、5通道输出、1 通道关闭的多输入/多输出微流体主动控制泵。图5显示了本发明多通道具有主动精确控制能 力的微流体泵由止流状态转入工作状态(泵入和泵出)、工作状态、由工作状态转入止流状态 时的驱动信号及薄膜执行元件的时序图；在实现泵入和泵出时采用同频率的周期信号(正信 号)驱动进液阀和出液阀的薄膜执行元件与泵薄膜执行元件，且作用于2个进液阀5、 42的
薄膜执行元件的控制信号首先有效，作用于泵薄膜执行元件的控制信号相位滞后作用于进液 阀5、 42的薄膜执行元件的控制信号1/4周期有效，作用于5个出液阀54、 19、 61、 68、 75 的薄膜执行元件的控制信号比作用于泵的薄膜执行元件的控制信号滞后1/4周期有效；处于 工作状态(泵入和泵出)的泵转为止流状态时在最后一个泵入状态完成后作用于进液阀5、 42的薄膜执行元件的控制信号无效(变为零)，经1/4周期后作用于泵薄膜执行元件的控制信 号无效，再过1/4周期后作用于出液阀薄膜执行元件的控制信号无效，泵转入止流状态；改 变作用于驱动2个进液阔和5个出液阀的薄膜执行元件与泵薄膜执行元件的控制信号的频率、 幅值、相位关系可以改变泵流量、脉动性、输出压力等。其中，阀48的执行元件一直处于关 闭状态。
参照图6，是图1和2所示的本发明八通道主动精确控制微流体泵实施例的控制系统电 路原理图。通过控制界面293可以将阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75中的任意一个设置 为进液阀、出液阀和常关状态以及设置相应得流量和压力。控制模块292根据控制界面293 的输入信息将用户需求转换为相应的控制信号通过8通道模数转换器291转换为模拟控制电 压信号送到功率驱动模块290，通过功率模块290进行功率放大后驱动泵的薄膜执行元件14 和阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75的薄膜执行元件3、 284、 285、 286、 21、 287、 288、 289，使其产生相应的变形。
实施例二参照图7和8 (图8是移出图7中的薄膜执行元件后的俯视图)，是本发明八 通道主动精确控制微流体泵第二种实施例的剖视图和俯视图。图7和8给出的本发明八通道 主动精确控制微流体泵实施例与图1和2给出的本发明八通道主动精确控制微流体泵实施例 的主要区别在于泵腔167和泵腔33不同。图7和8给出的本发明八通道主动精确控制微流体 泵实施例的泵腔167是位于圆柱形泵体1的中心的圆柱形通孔，在微流体泵的薄膜执行元件 14的相对一侧有另外一个薄膜执行元件85,薄膜执行元件14和85分别通过密封圈32和81 与泵体密封，从而构成泵腔167。在工作时薄膜执行元件14和85同步运动，可以增大泵腔 体积的变化，提高微流体泵的流量和输出压力。
实施例三参照图9和IOA、 10B (图10A是移出图9中的泵盖和薄膜执行元件后的俯 视图，图10B是移出图9中的泵盖后的俯视图)，是本发明八通道主动精确控制微流体泵第 三种实施例的剖视图和移去泵盖及薄膜执行元件后的俯视图。图9和10A、 IOB给出的本发 明八通道主动精确控制微流体泵实施例与图1和2给出的本发明八通道主动精确控制微流体 泵实施例的主要区别在于构成微流体阀的薄膜执行元件不同。构成微流体阀239、 240、 241、 242、 243、 244、 245、 246的薄膜执行元件307、 308、 309、 310、 311、 312、 313、 314分别 由线性电可控执行元件(叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸縮陶瓷执行器、磁致伸縮执 行器以及其他微位移执行器)77、 323、 324、 325、 78、 326、 327、 328连接在弹性膜片315、 316、 317、 318、 319、 320、 321、 322上构成。微流体泵的薄膜执行元件14由圆盘形压电陶 瓷圆盘片/圆盘形电致伸縮陶瓷片15连接弹性膜片16构成。
实施例四参照图11和12A、 12B (图12A是移出图11中的泵盖和薄膜执行元件后的 俯视图，图12B是移出图11中的泵盖后的俯视图)，是本发明的主动精确控制微流体泵第四 种实施例的剖视图和移去泵盖及薄膜执行元件后的俯视图。图11和12A、 12B给出的本发明 八通道主动精确控制微流体泵实施例与图1和2给出的本发明八通道主动精确控制微流体泵 实施例的主要区别在于构成微流体阀和微流体泵的薄膜执行元件不同。构成微流体阀239、 240、 241、 242、 243、 244、 245、 246的薄膜执行元件307、 308、 309、 310、 311、 312、 313、 314分别由线性电可控执行元件(叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸縮陶瓷执行器、磁 致伸縮执行器以及其他微位移执行器)77、 323、 324、 325、 78、 326、 327、 328连接在弹性 膜片315、 316、 317、 318、 319、 320、 321、 322上构成。构成微流体泵的薄膜执行元件125 由线性电可控执行元件(叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸縮执 行器以及其他微位移执行器)79连接弹性膜片329上构成。
实施例五；参照图13和14,是本发明多通道主动精确控制微流体泵第五实施例的剖视 图和移去泵盖及薄膜执行元件后的俯视图。圆柱形泵体1的一侧中心开有圆柱形泵腔163。 薄膜执行元件85覆盖在泵体1的圆柱形空腔上方构成泵腔163，薄膜执行元件85与泵体1 的上表面之间设置密封圈81防止泄漏。在泵体1的另一侧的较大的圆周284上均布微流体阀 5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75，在泵体1的同一侧的另一与圆周284同心的较小的圆周 285上均布微流体阀87、 88、 89、 90、 91、 92、 93、 86。阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75、 87、 88、 89、 90、 91、 92、 93、 86的圆环柱型阀腔分别通过进液通道(出液通道)101、 102、 146、 106、 108、 155、 158、 97、 162、 104、 149、 150、 153、 157、 95、 99与进液口 (出 液口) 100、 103、 147、 107、 109、 154、 159、 96、 161、 105、 148、 151、 152、 156、 94、 98 相连。构成阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75、 87、 88、 89、 90、 91、 92、 93、 86的圆柱 型中心孔均与泵腔163相连。构成16个微流体阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75、 87、 88、 89、 90、 91、 92、 93、 86的薄膜执行元件分别由圆盘形压电陶瓷圆盘片/圆盘形电致伸缩陶瓷 片连接弹性膜片构成。微流体泵的薄膜执行元件85由圆盘形压电陶瓷圆盘片/圆盘形电致伸 縮陶瓷片84连接弹性膜片82构成。构成16个微流体阀的薄膜执行元件分别与各自的圆环面 边界密切接触并分别将圆环柱形阔腔与圆柱形中心孔中的流体隔开。构成16个微流体阀的薄
膜执行元件与泵体1通过各自的密封圈密封防止流体泄漏。在没有将驱动信号作用于薄膜执 行元件时，薄膜执行元件不变形且与圆环面边界密切接触，且薄膜执行元件在圆环面边界的 作用下保持足够的预变形以提高泵外流体向泵内流动的难度。只要不是由于供给流体的压力 变化太大使得薄膜执行元件离开相应得圆环面边界，这时进液口/出液口 100、 103、 147、 107、 109、 154、 159、 96、 161、 105、 148、 151、 152、 156、 94、 98之间断开，流体不流动，处 于止流状态。阀5、 42、 48、 54、 19、 61、 68、 75、 87、 88、 89、 90、 91、 92、 93、 86中的 任意一个都可以设置成进液阀、出液阀、常关状态。
实施例六参照图15和16,是本发明多通道主动精确控制微流体泵第六种实施例的剖
视图和移去泵盖及薄膜执行元件后的俯视图。图15和16所示的16通道主动精确控制微流体 泵实施例的与图13和14所示的16通道主动精确控制微流体泵实施例的主要区别在于构成 16支微流体阀的薄膜执行元件不同。以图15和16所示的16通道主动精确控制微流体泵实 施例中的阀239、 253的薄膜执行元件123、 112为例，123是线性电可控执行元件(叠堆型 压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸縮陶瓷执行器、磁致伸縮执行器以及其他微位移执行器)77 连接弹性膜片2构成，112是线性电可控执行元件(叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸 縮陶瓷执行器、磁致伸縮执行器以及其他微位移执行器)122连接弹性膜片110构成。
实施例七图17、 18、 19是本发明多通道主动精确控制微流体泵第七实施例的主视图、 A-A剖视图、B-B剖视图。微流体阀184、 192、 179、 173、 180在立方体泵体168的五个表 面的中心呈对称布置，所述圆柱形泵腔212布置在立方体泵体168的第六面的中心。位于立 方体泵体的两相对面的微流体阀184、 179的圆柱型中心孔216、 202直接相连，位于立方体 泵体的两相对面的微流体阀173、 180的圆柱型中心孔233、 227直接相连，位于与圆柱形泵 腔212相对表面的微流体阀192的圆柱形中心孔194通过过流通道213与圆柱型泵腔212相 连，所有的微流体阀的圆柱形中心孔在泵体的中心相交并与圆柱形泵腔212连通，微流体阀 184、 192、 179、 173、 180的薄膜执行元件217、 191、 203、 231、 226通过各自的密封圈221、 174、 205、 236、 223覆盖在阀腔的表面，并通过阀盖185、 190、 177、 171、 182分别压紧在 泵体168上。泵的薄膜执行元件209覆盖在泵腔212上，并通过泵盖169压紧在泵体上。微 流体阀184、 192、 179、 173、 180的圆环柱体阀腔215、 198、 199、 235、 229分别通过过流 通道与进液口/出液口相连。微流体阀的薄膜执行元件217、 191、 203、 231、 226分别由圆盘 形压电陶瓷圆盘片/圆盘形电致伸縮陶瓷片218、 193、 204、 232、 225连接弹性膜片220、 197、 200、 230、 224构成。微流体泵的薄膜执行元件209由圆盘形压电陶瓷圆盘片/圆盘形电致伸 縮陶瓷片210连接弹性膜片221构成。所述的立方体泵体安装微流体阀的每一个表面可以均
布多个微流体阀，只要圆环柱体阀腔可以与在适当表面的进液口/出液口相连，其圆柱形中心 孔直接与泵腔相连，圆环柱体阀腔与安装在适当表面的进液口/出液口相连。
实施例八图20、 21、 22是本发明多通道主动精确控制微流体泵第八种实施例的主视图、 A-A剖视图、B-B剖视图。图20、 21、 22是本发明5通道主动精确控制微流体泵实施例，其 与图17、 18、 19所示的5通道主动精确控制微流体泵实施例的主要区别在于泵腔的不同。在 图20、 21、 22给出的本发明5通道主动精确控制微流体泵实施例中，圆柱形泵腔238通过了 泵体的中心，使得所有的微流体阀184、 192、 179、 173、 180的圆柱形中心孔216、 202、 194、 233、 227可以直接与泵腔相连。
实施例九图23、 24、 25是本发明多通道主动精确控制微流体泵第九实施例的主视图、 A-A剖视图、B-B剖视图。图23、 24、 25本发明5通道主动精确控制微流体泵实施例与图 17、 18、 19所示的5通道主动精确控制微流体泵实施例的主要区别在于构成微流体阀的薄膜 执行元件不同。在图23、 24、 25本发明5通道主动精确控制微流体泵实施例中，构成微流体 阀267、 260、 263、 260、 276的薄膜执行元件266、 259、 264、 270、 274分别由线性电可控 执行元件(叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸縮执行器以及其他 微位移执行器)268、 261、 262、 261、 275连接弹性膜片220、 197、 200、 230、 224上构成。
实施例十图26、 27、 28是本发明多通道主动精确控制微流体泵第十实施例的主视图、 A-A剖视图、B-B剖视图。图26、 27、 28是本发明5通道主动精确控制微流体泵实施例与图 23、 24、 25所示的5通道主动精确控制微流体泵实施例的主要区别在于构成泵的薄膜执行元 件的不同。在图26、 27、 28是本发明5通道主动精确控制微流体泵实施例中，泵的薄膜执行 元件279由由线性电可控执行元件(叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸縮陶瓷执行器、 磁致伸縮执行器以及其他微位移执行器)278连接弹性膜片211上构成。
对于所属领域的技术人员而言，基于本发明所述原理对多通道主动精确控制微流体泵的 明显改动和显而易见的变形都没有脱离本发明的范围和精神。虽然本发明联系具体实施例进 行详尽描述，但是并不仅仅局限于所述实施例。只要不背离该发明范围和精神的变化形式都 应认定为属于本发明权利要求的保护范围之内。
权利要求
1.一种具有多通道主动控制能力的微流体泵，包括一个圆柱形泵腔、多个圆环柱形阀腔和分别与所述多个圆环柱形阀腔同轴的圆柱形中心孔，每一个圆环柱形阀腔和与其同轴的圆柱形中心孔构成一个微流体阀，每个微流体阀的圆柱形中心孔与各自同轴的圆环柱形阀腔之间形成一个圆环面边界，每个微流体阀的薄膜执行元件与各自的圆环面边界接触将所述圆柱形中心孔与该圆柱形中心孔同轴的所述圆环柱形阀腔隔开，其中，所述多个微流体阀可以任意设置为一个进液阀和多个出液阀，或任意设置为多个进液阀和一个出液阀，或任意设置为多个进液阀和多个出液阀，也可以让其中任意多个微流体阀处于关闭状态，所述每个圆环柱形阀腔分别通过过流通道与所述圆柱形泵腔相连，其特征在于将微流体泵的薄膜执行元件覆盖在泵体的圆柱形泵腔上方将泵腔密闭，将所述每个微流体阀的薄膜执行元件覆盖在泵体上的圆环柱形阀腔及与其同轴的所述微流体阀的圆柱形中心孔上方构成多个微流体阀，通过所述多个微流体阀的薄膜执行元件以及微流体泵的薄膜执行元件的有序振动或位移使相应的微流体阀主动开启和关闭来实现微流体泵的泵入、泵出、止流以及流量和压强的连续精确主动控制。
2. 如权利要求l所述的具有多通道主动控制能力的微流体泵，其特征在于构成每个微 流体阀的圆环柱形阀腔分别通过过流通道与圆柱形泵腔相连，构成每个微流体阀的圆柱形中 心孔直接与进液口或出液口相连。
3. 如权利要求1所述的具有多通道主动控制能力的微流体泵，其特征在于所述进液阀、 出液阀和所述圆柱形泵腔在泵体的同一侧，并且所述进液阀、出液阀以所述圆柱形泵腔为中 心呈圆周布置，所述薄膜执行元件与泵腔和阀腔自然封闭，每一个阀腔和泵腔通过独自的密 封圈密封，并通过一个泵盖压紧在泵体上。
4. 如权利要求1所述的具有多通道主动控制能力的微流体泵，其特征在于所述进液阀、 出液阀位于泵体的一侧，而所述圆柱形泵腔位于泵体的与所述进液阀、出液阀相对的另一侧， 所述的微流体阀均布在同心的两个圆周上，位于内圆周上的微流体阀处于位于外圆周上的相 邻两个微流体阀的中间位置，构成微流体泵的薄膜执行元件布置在圆柱形泵体的相对的一侧 的表面且与构成进液阀和出液阀的薄膜执行元件呈对称状态。
5. 如权利要求1所述的具有多通道主动控制能力的微流体泵，其特征在于所述微流体 泵为一个立方体泵体，所述微流体阀在立方体泵体的五个表面的中心呈对称布置，所述圆柱 形泵腔布置在立方体泵体的第六面的中心，位于立方体泵体的两相对面的微流体阀的圆柱形 中心孔直接相连，位于与圆柱形泵腔相对表面的微流体阀的圆柱形中心孔直接与圆柱形泵腔 相连，所述的立方体泵体安装微流体阀的每一个表面也可以均布多个微流体阈，圆环柱形阀 腔与在适当表面的进液口/出液口相连，其圆柱形中心孔直接与泵腔相连，圆环柱体阀腔与安 装在适当表面的进液口/出液口相连。
6. 如权利要求1所述的具有多通道主动控制能力的微流体泵，其特征在于构成进液阀 和出液阀的微流体阀在没有驱动信号作用时处于关闭状态，且微流体阀的薄膜执行元件与圆 环面边界具有预压紧力。
7. 如权利要求1所述的具有多通道主动控制能力的微流体泵，其特征在于在实现泵入 和泵出时，采用同频率的周期信号驱动多个进液阀和多个出液阀的薄膜执行元件与泵薄膜执 行元件，且作用于进液阀的薄膜执行元件的控制信号首先有效，作用于泵薄膜执行元件的控 制信号相位滞后作用于进液阀的薄膜执行元件的控制信号1/4周期有效，作用于出液阀的薄 膜执行元件的控制信号比作用于微流体泵的薄膜执行元件的控制信号滞后1/4周期有效；处 于工作状态的微流体泵转为止流状态时，在最后一个泵入状态完成后作用于进液阔薄膜执行 元件的控制信号首先无效，经1/4周期后微流体泵的薄膜执行元件控制信号无效，再经1/4 周期后出液阀薄膜执行元件的控制信号无效，微流体泵转入止流状态。
8. 如权利要求7所述的具有多通道主动控制能力的微流体泵，其特征在于作用于驱动 进液阀和出液阀的薄膜执行元件与作用于微流体泵的薄膜执行元件的控制信号是方波信号、 正弦信号或其他周期信号；改变作用于驱动进液阀和出液阀的薄膜执行元件与微流体泵的薄 膜执行元件的控制信号的频率、幅值、相位关系以改变微流体泵的流量、脉动性、输出压力。
9. 如权利要求l所述的具有多通道主动控制能力的微流体泵，其特征在于构成进液阀 和出液阀以及微流体泵的薄膜执行元件可以是粘贴在弹性膜片上的圆盘形压电陶瓷片、圆盘 形电致伸縮陶瓷片构成的振子，也可以是线性电可控执行元件连接的弹性膜片，且弹性膜片 被与执行器为中心的阀盖或泵盖的圆环形边缘压紧在泵体上，阀盖或泵盖边缘未压到的弹性 膜片的中心区域为振动或者变形区域，构成进液阀和出液阀的薄膜执行元件与微流体泵的薄 膜执行元件在与液体接触侧的另外一侧粘贴执行器构成振子和连接线性电可控制执行器。
10. 如权利要求9所述的具有多通道主动控制能力的微流体泵，其特征在于所述的线性 电可控执行元件微叠堆型压电陶瓷执行器或叠堆型电致伸縮陶瓷执行器或磁致伸縮执行器以 及其它微位移执行器。
全文摘要
本发明公开了一种多通道主动控制微流体泵，采用具有圆环面边界的微流体主动控制阀构成多个进液阀和多个出液阀，采用同一电可控薄膜执行元件覆盖在泵体的圆柱形沉孔的开口面构成同一个泵腔，泵腔与多个微流体阀的圆环柱形液腔相连，且多个微流体阀的圆柱形中心孔液腔分别与进液口和出液口相连。通过作用于多个微流体阀与泵的薄膜执行元件的控制信号控制泵流量、脉动性、输出压力。本发明的微流体泵为多向可控的具有主动精确控制能力的微流体泵，多个微流体阀可以任意设置进液阀和出液阀，也可以让任意个微流体阀处于关闭状态。本发明可用于采用同一泵对多个对象同时供给微流体、采用同一泵从多个对象同时获取微流体以及微流体混合等。
文档编号F04B53/00GK101354029SQ200810069379
公开日2009年1月28日 申请日期2008年2月20日 优先权日2008年2月20日
发明者王代华 申请人:重庆大学