本发明涉及微流体泵领域。更具体地说，本发明涉及一种基于可变模拟输入的流量来分配流体的微流体泵。
背景技术：
使用微流体装置以在微尺寸结构内操纵并精确分配限定的微观体积的液体。例如，基于实验室的滴定系统可以包括微流体泵，该微流体泵被编程为将固定体积的试剂分配到孔板上。在这种情况下，待分配的液体量和分配所需的时间可以是固定的，以限定系统的流体流量。
微流体泵也可以用于将呼吸药物分配给患者。在这种情况下，患者使用泵的方式表现为非恒定的外部变量。在任何特定时间将被给予患者的药物量可能不是恒定的，由于这个原因，用于传送确定剂量的最有效手段可能不是固定的流量。在这种情况下，传送剂量的更有效的方法将是根据患者的行为来调整所分配的药物量。在这种情况下，当使用者的吸气力较大时，流量增大以传送更多流体。另一方面，当使用者的吸气力较轻时，流量减小以传送较少的流体。
微流体泵也用于喷墨印刷。在喷墨印刷应用中，墨水的输出流量是可变的。通常由热喷射器芯片确定流量，其可以将墨水通过空气路径直接分配到纸基材上。传统上，通过调节被选择用于点火的加热器的数量以及每个元件的点火速率来控制墨水流量。但是，这个过程需要多个数字输入，每个点火周期都必须更新。尽管这种控制级别对于印刷应用可能是必需的，但它增加了这些微流体设备的复杂性和成本，并且至少由于这些原因，对于所有应用来说这不是最佳的。
技术实现要素：
技术问题
需要一种可以被激活和控制(包括调节流量的能力)的微流体装置，以便以最少数量的输入来传送规定量的流体。
本公开内容有利地提供了一种微流体泵，用于执行点火序列以喷射流体，其中可以基于可变模拟输入来改变流量。
技术手段
在一个方面，流体泵包括：流体供应源，用于供应流体；点火室，用于输送由所述流体供应源供应的所述流体。点火室包括与所述点火室流体连通的喷嘴。与所述点火室流体连通的点火机构在点火序列期间通过所述喷嘴将流体喷射出所述点火室。所述点火序列至少包括点火步骤，在所述点火步骤中，所述点火机构被激活并且流体从所述点火室喷出，作为所述点火机构激活的结果，随后进行等待步骤，在所述等待步骤中，所述点火机构被去激活，以提供与后续点火步骤之间的时间延迟。
泵还包括电源电路，与所述点火机构电通信，用于响应于控制信号而激活和去激活所述点火机构。与所述电源电路电通信的逻辑电路发送所述控制信号至电源电路。控制信号控制点火序列中每个步骤的时长。控制信号取决于预定的固定频率信号并且控制点火步骤。控制信号也可以取决于可变频率信号以控制等待步骤。
分别由第一和第二振荡器提供预定的固定频率信号和可变频率信号。第一振荡器与所述逻辑电路电通信并且向逻辑电路发送预定的固定频率信号。固定频率信号是一系列时序脉冲，其中每个脉冲以固定的时间间隔分隔开。第二振荡器与逻辑电路电通信并且向逻辑电路发送可变频率信号。可变频率信号是一系列时序脉冲，其中每个脉冲以可变的时间间隔分隔开。
泵还包括用于向第二振荡器提供可变输入信号的第一输入。第二振荡器根据来自所述第一输入的可变输入信号来改变分隔所述可变频率信号的所述一系列时序脉冲中每个脉冲的时间间隔。所述逻辑电路被配置为根据来自所述第二振荡器的所述可变频率信号的频率来改变所述控制信号，以改变所述等待步骤的长度，并且因此改变与从点火室喷射出流体之间的时间。
发明的有益效果
根据本发明的流体泵可以执行点火序列以喷射流体，其中可以基于可变模拟输入来改变流量。
附图说明
[图1]图1是根据本公开的以基于可变输入的流量喷射流体的微流体泵的示意图。
[图2]图2是示出在点火序列期间从微流体泵喷射流体的事件序列的流程图。
[图3]图3是根据本公开替代实施例的以基于可变输入的流量来喷射流体的微流体泵的示意图。
[图4]图4是根据本公开的泵的某种程度的示意图。
[图5]图5是根据本公开另一替代实施例的电子烟的示意图。
具体实施方式
现在参照附图，示出图1，图1是表示根据本公开实施例的微流体泵100的示意图。泵100通常包括流体102和用于储存和供应流体的流体供应源104。流体供应源104将流体102供应到点火室106。点火室106包括喷嘴108和点火机构110。点火机构110被配置为在点火序列期间通过喷嘴将流体102喷射出点火室106。点火机构110的一个示例是在喷墨印刷应用中使用的加热器阵列。通常地，在每个点火序列期间喷射大致相同体积的流体。因此，泵100的流量根据这些喷射发生的频率而改变，而不改变在每个点火序列期间所喷射的流体量。
参考图2，基本的点火序列200包括点火步骤202，在点火步骤202中，点火机构被激活并且因此流体从点火室喷出。在点火步骤202之后，序列200中的下一个步骤是等待步骤204，其中点火机构被去激活并且什么也不做。在等待步骤204之后，点火序列完成并且然后可以重复。泵的流量与给定时间内发生的点火步骤202(即，流体喷射)的次数有关。等待步骤204的长度确定点火步骤202发生的频率。随着等待步骤204缩短，点火步骤202更频繁地发生，这导致更高的流量。当等待步骤204被延长时，点火步骤202发生得较少，这导致较低的流量。因此，等待步骤204的长度直接影响泵的流量。
点火序列200可以被扩展以包括预点火步骤206和熄灭步骤(dead step)208，预点火步骤206和熄灭步骤208的组合允许流体在点火步骤202之前被预加热。在预点火步骤206期间，点火机构被按照以下方式激活，使得流体不会从点火室喷出。例如，点火机构可以仅仅被激活非常短的时间，然后被去激活。在随后的熄灭步骤208期间，点火机构保持去激活。熄灭步骤208是时间延迟，其允许来自点火机构的热量在点火步骤202之前加热流体。以这种方式预加热流体不是必需的，但与不预加热流体相比，可以使得点火步骤202更精确和可预测。准确性和可预测性对于微流体泵的某些应用(例如喷墨印刷应用)是有用的且经常需要的，但是其它类型的应用可能不需要。
回到图1，电源电路112与点火机构110电通信，并且响应于控制信号使得点火机构被激活和去激活。通过与电源电路电通信的逻辑电路114将控制信号提供给电源电路112。控制信号确定点火序列中每个步骤的时序，包括每个步骤何时发生以及每个步骤持续多长时间。控制信号取决于预定的固定频率信号，并且它控制预点火步骤、熄灭步骤和点火步骤何时发生以及每个步骤持续多长时间。控制信号也可以取决于可变频率信号，并且它控制等待步骤何时发生以及等待步骤持续多长时间。下面将更详细地讨论固定频率信号和可变频率信号。在一个实施例中，电源电路是继电器，例如连接在电源与点火机构之间的功率FET。控制信号是打开或关闭信号，其打开或关闭继电器并且由此向点火机构110供电或者不向点火机构110供电。
预定的固定频率信号和可变频率信号分别是由第一振荡器116和第二振荡器118提供给逻辑电路114的信号。由第一振荡器116产生的预定的固定频率信号是一系列时序脉冲，其中每个时序脉冲由固定的时间间隔分隔开，该时间间隔随时间保持恒定。预点火步骤、熄灭步骤和点火步骤取决于控制信号，而控制信号又取决于固定的频率信号。出于这个原因，从一个点火序列到下一个点火序列，这些序列步骤的时序和长度保持恒定。因此，这些步骤可能会被非常严密地控制，并随着时间推移保持一致。例如，在用于传送呼吸药物的泵的情况下，这种受控的、一致的行为确保在每次点火步骤中传送一致量的药物。
另一方面，由第二振荡器118产生的可变频率信号是一系列时序脉冲，其中每个时序脉冲由可随时间变化的可变时间间隔分隔开。换言之，第二振荡器118根据分隔时序脉冲的时间间隔的长度以更快或更慢的速度产生脉冲。等待步骤取决于可变频率信号。出于这个原因，等待步骤的时序和长度可能会随时间变化。
第二振荡器118的时序脉冲之间的时间间隔基于可变输入信号而变化。例如，在某些实施例中，第二振荡器118可以包括压控振荡器(VCO)，其产生VCO信号，其中该VCO信号的频率基于输入而改变。泵100包括第一输入120，其用于向第二振荡器提供可变输入信号以改变VCO信号的频率。第一输入120可以包括例如传感器，诸如压力传感器、刻度盘或其它类似类型的输入设备。第二振荡器118改变VCO信号的频率，其中VCO信号可以是由一段时间间隔分开的一系列时序脉冲。可以根据来自第一输入120的可变输入信号，通过改变分隔每个时序脉冲的时间间隔来改变VCO信号的频率。在成正比例关系的情况下，增大可变输入信号导致可变频率信号中每个时序脉冲之间更大的时间间隔(即，更低的频率信号)。相反，在成反比例关系的情况下，增大可变输入信号将导致可变频率信号中每个时序脉冲之间更短的时间间隔(即，更高的频率信号)。取决于其被应用的特定应用，可以使用任一类型的振荡器118。
逻辑电路114被配置(例如通过编程)为根据来自第二振荡器118的可变频率信号的频率改变控制信号，这导致等待步骤被延长或缩短。在成正比例关系的情况下，增大频率会导致延长等待步骤的控制信号。相反地，在成反比例关系的情况下，增大频率会导致缩短等待步骤的控制信号。后者的关系通常是大多数应用的首选。通过延长或缩短等待步骤，点火步骤之间的时间也会变化。随着等待时段时间的减少，点火步骤发生地更频繁，从而导致更高的泵的流量。随着等待时段时间的减少，点火步骤发生的频率降低，导致更低的泵的流量。因此，本公开提供了一种微流体泵，其中可以基于单个可变输入来确定泵的流量。在一个实施例中，逻辑电路114可以是被程序化的固定的逻辑，即，逻辑电路的原始设计是其程序。在不物理地改变电路的情况下，这种固定逻辑可以不被重新编程。固定逻辑的优点是简单、成本低、稳定性、可靠性和抗篡改性。在许多应用中，这种低成本的实施例是合乎需要的。在其它应用中，可能需要更大的灵活性，这可能需要可重编程的逻辑。
参考图3，示出具有流体302、流体供应源304、点火室306、喷嘴308、点火机构310、电源电路312、逻辑电路314、第一振荡器316、第二振荡器318和第一输入320的可重编程的微流体泵300的实施例。这些中的每个与先前讨论的等同元件大致类似。
另外，该泵300还包括存储器322，用来存储用于设定每个点火序列步骤的长度的控制变量。在前面图1中描述并示出的泵100中，每个点火步骤的长度是预先确定的并且被固定到逻辑电路114中。然而，在本示例中，可以通过输入324将新的控制变量输入到存储器322中，来改变点火序列步骤的长度。逻辑电路314、第一振荡器316、第二振荡器318和存储器322可以组合为单个系统，诸如可编程逻辑控制器或完全可编程处理器。
可以通过第二输入324(例如键盘、刻度盘等)来输入控制变量。单独的变量可以被分配给点火序列中的每个步骤，并且该控制变量将确定该步骤将持续多长时间。特别地，序列中的每个步骤都会持续到固定频率信号或可变频率信号(取决于所涉及的序列步骤)等于分配给该特定步骤的控制变量。一旦已经经过指定的时间量(通过计数脉冲确定)，逻辑电路314就向电源电路312发送控制信号以顺序地开始下一个步骤。作为一个简单的示例，由控制信号控制点火步骤，其中该控制信号又基于由第一振荡器316产生的预定的固定频率信号。如果将500个时序脉冲的控制变量分配给点火步骤，则点火步骤将持续到固定频率信号指示已经经过500个时序脉冲。此时，逻辑电路314将向电源电路312发送控制信号，以结束点火步骤并开始序列中的下一个步骤。如上所述，点火序列中的每个步骤可以被分配一个不同的控制变量。这使得点火序列是高度可定制的，同时最小化实现它所需的输入数量。由可变的频率信号控制等待步骤。如果将控制变量1000分配给等待步骤，则逻辑电路314将维持等待步骤，直到已经计数了VCO信号的1000个脉冲。由于VCO信号的频率可变，所以等待步骤的时长也是可变的。在等待步骤结束之后，当逻辑已经计数了VCO信号的1000个脉冲时，逻辑314再次开始点火序列。
图3所示的泵300的最后一个方面是剂量计数器326，其可以被编程为一旦已经喷射预定剂量数量的流体就关闭泵的操作。如同上面讨论的控制变量一样，期望的剂量数量可以被保存到存储器322。点火机构310被配置为在点火序列完成时向剂量计数器326发送信号。由于在每个点火序列期间喷射的流体的体积保持不变，所以可以通过简单地知道已经发生的点火序列的次数来计算喷射的流体的体积。就这一点而言，剂量计数器326将来自点火机构310的信号记录为剂量数量，其中该剂量数量被添加到存储在存储器322中的总用药剂量数量。逻辑电路314从存储器322中读取总用药剂量数量并且被编程为一旦用药剂量数量等于预编程的期望剂量数量就向电源电路312提供终止信号。响应于该终止信号，电源电路312去激活点火机构310并中止点火序列。
在图4中提供了包括所示的每个组件的输入和输出的泵400的另一个实施例的编程和某些方面的某种程度的表示。存储器402存储泵400使用的数据和变量，包括期望的剂量和总用药剂量以及用于预点火步骤、熄灭步骤、点火步骤和等待步骤的控制变量。该数据由脉冲发生器404读取，以设定每个点火序列步骤的时序。脉冲发生器404可以被理解为以与上述电源电路312和逻辑电路314类似的方式操作。第一振荡器406产生由脉冲发生器404读取的固定频率时序脉冲，以控制预点火步骤、熄灭步骤和点火步骤的时序。第二振荡器408(这里示为VCO)产生由脉冲发生器404读取的可变频率(VCO)时序脉冲，以控制等待步骤的时序。模拟输入410向第二振荡器408提供输入信号，以改变可变频率时序脉冲。一旦点火序列完成，则将液滴计数信号发送给液滴计数器412，指示已经喷射了设定量的流体。这些总计被保存到存储器402。脉冲发生器404将使得点火序列重复，并且液滴计数器412基于点火序列或液滴数的数目继续总计所喷射的流体量，直到喷射的流体量等于所需的剂量数量。一旦脉冲发生器404读取到上述量相等，它就停止重复点火序列并关闭泵。
在操作中，由第一振荡器提供的固定频率信号基本上用作以恒定间隔提供脉冲的时钟。每个时间要求严格的步骤按相继次序开始并持续特定量的时间或持续到由来自第一振荡器的预定的固定频率信号给出的特定数量的固定频率时间(Tf)脉冲已经过去。等待步骤按相继次序发生并持续到由来自第二振荡器的可变频率信号给出的一定数量可变频率时间(Tv)脉冲已经过去。例如，可以配置(编程)逻辑电路，使得预点火步骤、熄灭步骤和点火步骤持续Tf＝5、3和1的固定频率脉冲，其中每个时序脉冲等于1秒。逻辑电路也可以被编程为等待步骤持续Tv＝2个脉冲。在这种情况下，一旦第一振荡器被激活，逻辑电路就会向电源电路112发送控制信号(通电信号)以启动预点火步骤。控制信号打开电源电路，以启动预点火步骤并激活点火机构5个时间脉冲。在5个时间脉冲之后，逻辑电路将发送另一个控制信号(断电信号)，该控制信号使得电源电路去激活点火机构，从而结束预点火步骤并启动熄灭步骤。在3个额外的时间脉冲之后，逻辑电路将发送另一个控制信号(通电信号)，该控制信号使得电源电路重新激活点火机构单个时间脉冲，从而结束熄灭步骤并激活点火步骤。在1个固定的频率脉冲之后，逻辑电路将发送控制信号(断电)，指示点火机构去激活2个可变频率时间脉冲，从而结束点火步骤并启动等待步骤。根据来自第一输入的输入信号，2个可变频率时间脉冲所需的实际时间量会不同。例如，在第一个输入处，每个时序脉冲可能需要1秒。但是，在第二个输入处，每个时序脉冲可能需要5秒。在2个可变频率时间脉冲之后，整个点火序列将重复。
现在参照图5，示出电子烟(电子蒸汽香烟)500并构成本发明的另一个实施例。气流沿箭头502和504指示的方向通过电子烟。在电子烟500的输出附近(左侧，如图5所示)设置压力传感器506。当使用者吸气时，电子烟500内的受限制的气流在压力传感器506附近产生低压区。压力传感器506可以被设计为检测电子烟500外部的大气压力和香烟500内部的压力。随着吸气强度的增加，电子烟500中的真空增加，因此与大气压力相比，传感器506处的压力下降。因此，当用户吸气时，大气压力与电子烟500内的压力之间的差异增加。传感器506产生模拟输出，优选地，电压信号。该电压信号被施加到一对微流体泵508和510。如果需要，可以使用任何数量的微流体泵，包括单个泵。微流体泵508和510将液体泵送到加热表面512上，并且液体在加热表面512上蒸发。当使用者吸气时，蒸汽被吸入使用者的肺中。
根据上面尤其是关于图1至图3描述的微流体泵构造微流体泵508和510。在该实施例中，每个泵508和510包括压控振荡器，其频率相对于传感器506产生的电压而变化。当传感器506检测到大气压或接近大气压时，其产生零电压输出。泵508和510中的压控振荡器通过产生零频率输出或非常低的频率输出来响应零电压输出。因此，当用户没有吸气时，微流体泵508和510将零流体泵送到加热器512上。可替代地，即使当没有吸入时，电子烟500也可以被设计成稍微冒烟。在该实施例中，当传感器506检测到大气压或接近大气压时，压控振荡器产生低频信号，并且泵508和510将随着时间以非常低的输出响应低频信号。换言之，泵会喷射一些流体，等待很长时间，然后再喷射一些流体。较长的等待时间在加热器512上产生非常低的流体流量。
当使用者吸气并且传感器506检测到低于大气压的压力时，它将产生更高的电压信号。由506产生的输出信号的电压与由传感器506检测到的负压成比例。换言之，随着电子烟500内的气压降低，由传感器506产生的电压增加。响应于来自传感器506的输出的增大的电压，因为等待时间随着压控振荡器的频率增加而减小，所以泵508和510在加热器512上产生更大的流体流量。流体分别通过供应管线514和516被传送到泵508和510，供应管线514和516被分别连接到储存器518和520。当传感器506检测到与电子烟使用者的正常吸气相对应的压力时，泵508和510两者都被编程为传送正常剂量或期望剂量的流体。当用户轻轻吸气时，环境大气压与电子烟500内的压力之间的差将小于正常吸气过程中经历的压力差，并且因此传感器506的输出电压将更小，压控振荡器的频率将更少，并且从泵508和510流到加热器512上的流体量将更少。
泵508和510可以被配置为连续地增大流量，直到当压控振荡器信号的频率等于无穷大时将出现的泵的最大输出。因此，通过标定每个泵508和510的最大输出的大小并且通过限制电子烟中泵的数量，可以将液体的最大流量设计到电子烟中。可替代地，可以将额外的逻辑合并到泵508和510中，以使泵将要传送的液体流量存在硬限制或切断量。然而，优选使用模拟控制系统，这意味着泵508和510的输出将保持与传感器506的输出电压成比例。在这种情况下，将由传感器506的最大输出电压确定泵508和510的最大流量。
传感器506可以产生与其输出不同类型的模拟信号，并且该模拟信号可以用于间接地控制压控振荡器。例如，传感器506可以产生输出信号，其中信号的安培数与感测的压力成比例地变化。在这种实施例中，输出信号的安培数可以被转换为电压信号并且用于控制压控振荡器。类似地，可以在传感器506的输出中检测到其它类型的模拟特性，并且可以将这些模拟特性转换为用于控制泵的压控振荡器的电压。
已经出于说明和描述的目的，呈现了本公开的优选实施例的前述描述。它们并非旨在穷尽或将本公开限制为所公开的确切形式。根据上述教导可以进行明显的修改或变化。选择和描述这些实施例是为了提供对本公开的原理及其实际应用的最佳说明，并且由此使得本领域的普通技术人员能够以各种实施例并且以适合的各种修改来利用本发明达到预期的特定用途。当根据公平地、合法地和公正地授权的范围来解释时，所有这些修改和变化在由所附权利要求确定的本公开的范围内。
附图标记列表
100、300、400、508、510：微流体泵
102、302：流体
104、304：流体供应源
106、306：点火室
108、308：喷嘴
110、310：点火机构
112、312：电源电路
114、314：逻辑电路
116、316、406：第一振荡器
118、318、408：第二振荡器
120、320：第一输入
200：点火序列
202：点火步骤
204：等待步骤
206：预点火步骤
208：熄灭步骤
322、402：存储器
324：第二输入
326：剂量计数器
404：脉冲发生器
410：模拟输入
412：液滴计数器
500：电子烟
502、504：箭头
506：压力传感器
512：加热表面
514、516：供应管线
518、520：储存器