一种光致伸缩材料驱动的微泵装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种光致伸缩材料驱动的微泵装置，包括泵膜、紫外光源、PLZT双晶片、位移放大平移机构、泵腔、入水阀、出水阀等。泵驱动放大机构通过柔性铰链与泵连接，泵以及泵的驱动放大机构对称布置，两泵腔的出水阀与出水阀相通，入水阀与入水阀相通，即两泵腔并联。当分别对PLZT双晶片双面进行照射时，PLZT双晶片向左或右弯曲,弯曲位移通过位移放大平移机构放大传递引起泵膜凹陷或凸起,使泵腔体积发生变化，从而实现泵水，异步控制泵驱动放大机构实现液体流量稳定。该光驱动微泵装置可以实现光控非接触式控制，且可避免电磁干扰，PLZT双晶片把光能直接转化为机械能，消除了中间机械传动误差，结构简单紧凑,有利于精确控制液体流量。
【专利说明】一种光致伸缩材料驱动的微泵装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微泵装置，特别是一种利用光致伸缩材料驱动的微泵装置。
【背景技术】
[0002] 微流体系统是微机电系统的一个重要分支，在医学、化学、生物工程、航空航天以 及汽车发动机燃料供给等领域均有广阔的应用前景。微泵是微流体系统的核心部件，是实 现微流量供给的动力元件，能精确地传输微小流量。目前较多的是通过驱动膜的往复变化 驱动泵腔体积变化，从而实现泵的功能。驱动膜的驱动方式有压电、静电、电磁、双金属致 动、形状记忆合金驱动等。压电驱动位移较小，需要驱动电压高，且易受电磁干扰；静电驱动 力较小，位移也较小且所需电压高；电磁驱动受电磁线圈尺寸限制，不易于结构微型化；双 金属致动利用热效应驱动胖胀系数不同的两种金属实现驱动，只是驱动能力较弱，效率比 较低，工作频率很低；形状记忆合金要通过温度变化进行驱动，因此频率较低，受温度影响 较大且可控性差。
[0003] 综上所述，以上各种方式均有各自的缺点，影响了微泵流量的精确控制或者限制 了微泵结构的微型化，相比之下，基于光致伸缩材料的光驱动微泵体现了其巨大的优势，光 驱动可实现远程非接触控制、无噪声无污染且不受电磁干扰，结构简单紧凑，易于实现结构 微型化，为微泵提供了广阔的应用前景。但是现有技术中尚无相关描述。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种光驱动的微泵装置。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种光驱动的微泵装置，包括上泵、下泵、上 泵驱动放大机构、下泵驱动放大机构、泵体、出水口和入水口，泵体的中部设有泵体中心面， 该泵体中心面位于泵体的中轴线上，所述上泵位于泵体中心面的上方，下泵位于泵体中心 面的下方，上泵驱动放大机构与上泵的上泵膜盖相连，用于驱动上泵实现泵水，下泵驱动放 大机构与下泵的下泵膜盖相连，用于驱动下泵实现泵水，其中上泵和下泵结构相同并关于 泵体中心面对称，上泵驱动放大机构和下泵驱动放大机构结构相同并关于泵体中心面对 称； 所述上泵包括上泵腔出水阀、上泵腔入水阀、上泵腔、上泵膜、上泵膜盖，上泵膜盖与上 泵膜粘接，其中上泵膜盖与上泵驱动放大机构通过柔性铰链相连，上泵腔出水阀和上泵腔 入水阀位于同一平面上，该平面与上泵膜相对设置，所述上泵膜、泵体和上泵腔出水阀所在 平面围成的空腔为上泵腔； 所述下泵包括下泵膜盖、下泵膜、下泵腔、下泵腔入水阀、下泵腔出水阀，下泵膜盖与下 泵膜粘接，其中下泵膜盖与下泵驱动放大机构通过柔性铰链相连，下泵腔入水阀和下泵腔 出水阀位于同一平面上，该平面与下泵膜相对设置，所述下泵膜、泵体和下泵腔出水阀所在 平面围成的空腔为下泵腔； 上泵驱动放大机构包括上位移放大平移机构、光纤、第一紫外光源、第二紫外光源、上 PLZT双晶片，上PLZT双晶片两边的泵体上设置第一紫外光源和第二紫外光源，上PLZT双 晶片一端固定在泵体上，形成悬臂梁结构，另一端粘接在上位移放大平移机构输入端上，所 述上位移放大平移机构分别通过两个柔性铰链与泵体的内壁连接，形成平行四边形平移机 构，上位移放大平移机构的输出端通过柔性铰链与上泵膜盖连接；紫外光源照射上PLZT双 晶片实现上PLZT双晶片的双向弯曲； 下泵驱动放大机构包括下位移放大平移机构、光纤、第三紫外光源、第四紫外光源、下 PLZT双晶片，下PLZT双晶片两边的泵体上设置第三紫外光源和第四紫外光源，下PLZT双 晶片一端固定在泵体上，形成悬臂梁结构，另一端粘接在下位移放大平移机构输入端上，所 述下位移放大平移机构分别通过两个柔性铰链与泵体的内壁连接，形成平行四边形平移机 构，下位移放大平移机构的输出端通过柔性铰链与下泵膜盖连接；紫外光源照射下PLZT双 晶片实现下PLZT双晶片的双向弯曲； 所述第一紫外光源与第四紫外光源位于同一侧，第二紫外光源和第三紫外光源位于同 一侧；所述出水口位于上泵腔出水阀和下泵腔出水阀的前方，入水口与出水口位于泵体的 同一平面上，该入水口与下泵腔入水阀位置相对应。
[0006] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明的光驱动的微泵装置利用光电陶 瓷的光致形变效应，使光能直接转化为机械能，取消了中间机械传动环节，使结构简单紧 凑。同时，该装置的驱动源为紫外光，可实现光控非接触式操作，避免了电磁噪声干扰。利 用PLZT双晶片双面照射双向弯曲以及较快的响应速度等特点，使泵腔并联，两PLZT双晶片 异步工作，从而保证液体运输连续不间断，液体扰动性小，便于精确控制输出流量。
[0007] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1为光驱动的微泵结构示意图。
[0009] 图2为悬臂梁式单向阀的结构示意图。
[0010] 图中标号所代表的含义为：1.上泵腔出水阀，2.上泵腔入水阀，3.上泵腔，4.上泵 膜，5.上泵膜盖，6.上位移放大平移机构，7.泵体，8.泵体中心面，9.第一紫外光源，10.第 二紫外光源，11.上PLZT双晶片，12.下PLZT双晶片，13.第三紫外光源，14.第四紫外光源， 15.下位移放大平移机构，16.下泵膜盖，17.下泵膜，18.下泵腔，19.下泵腔入水阀，20.下 泵腔出水阀，21.入水口，22.出水口，23.悬臂梁阀片，24.通水孔，25.胶层。
【具体实施方式】
[0011] 结合图1，本发明的一种光驱动的微泵装置，包括上泵、下泵、上泵驱动放大机构、 下泵驱动放大机构、泵体7、出水口 22和入水口 21，泵体7的中部设有泵体中心面8,该泵 体中心面8位于泵体7的中轴线上，所述上泵位于泵体中心面8的上方，下泵位于泵体中心 面8的下方，上泵驱动放大机构与上泵的上泵膜盖5相连，用于驱动上泵实现泵水，下泵驱 动放大机构与下泵的下泵膜盖16相连，用于驱动下泵实现泵水，其中上泵和下泵结构相同 并关于泵体中心面8对称，上泵驱动放大机构和下泵驱动放大机构结构相同并关于泵体中 心面8对称； 所述上泵包括上泵腔出水阀1、上泵腔入水阀2、上泵腔3、上泵膜4、上泵膜盖5，上泵膜 盖5与上泵膜4粘接，其中上泵膜盖5与上泵驱动放大机构通过柔性铰链相连，上泵腔出水 阀1和上泵腔入水阀2位于同一平面上，该平面与上泵膜4相对设置，所述上泵膜4、泵体和 上泵腔出水阀1所在平面围成的空腔为上泵腔3 ; 所述下泵包括下泵膜盖16、下泵膜17、下泵腔18、下泵腔入水阀19、下泵腔出水阀20， 下泵膜盖16与下泵膜17粘接，其中下泵膜盖16与下泵驱动放大机构通过柔性铰链相连， 下泵腔入水阀19和下泵腔出水阀20位于同一平面上，该平面与下泵膜17相对设置，所述 下泵膜17、泵体和下泵腔出水阀20所在平面围成的空腔为下泵腔18 ; 上泵驱动放大机构包括上位移放大平移机构6、光纤、第一紫外光源9、第二紫外光源 10、上PLZT双晶片11，上PLZT双晶片11两边的泵体7上设置第一紫外光源9和第二紫外 光源10,上PLZT双晶片11 一端固定在泵体7上，形成悬臂梁结构，另一端粘接在上位移放 大平移机构6输入端上，所述上位移放大平移机构6分别通过两个柔性铰链与泵体7的内 壁连接，形成平行四边形平移机构，上位移放大平移机构6的输出端通过柔性铰链与上泵 膜盖5连接；紫外光源照射上PLZT双晶片11实现上PLZT双晶片的双向弯曲； 下泵驱动放大机构包括下位移放大平移机构15、光纤、第三紫外光源13、第四紫外光 源14、下PLZT双晶片12,下PLZT双晶片12两边的泵体7上设置第三紫外光源13和第四 紫外光源14,下PLZT双晶片12 -端固定在泵体7上，形成悬臂梁结构，另一端粘接在下位 移放大平移机构15输入端上，所述下位移放大平移机构15分别通过两个柔性铰链与泵体7 的内壁连接，形成平行四边形平移机构，下位移放大平移机构15的输出端通过柔性铰链与 下泵膜盖16连接；紫外光源照射下PLZT双晶片12实现下PLZT双晶片的双向弯曲； 所述第一紫外光源9与第四紫外光源14位于同一侧，第二紫外光源10和第三紫外光 源13位于同一侧；所述出水口 22位于上泵腔出水阀1和下泵腔出水阀20的前方，入水口 21与出水口 22位于泵体的同一平面上，该入水口 21与下泵腔入水阀19位置相对应。
[0012] 所述上泵膜盖5与下泵膜盖16通过环氧树脂粘结剂分别与上泵膜4和下泵膜17 粘接在一起，且泵膜盖面积小于泵膜。
[0013] 上位移放大机构11与下位移放大平移机构15均采用铍青铜材料，上泵膜盖5和 下泵膜盖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与下泵腔18相并联，即上泵腔出水阀1与下泵腔出水阀20相接，上 泵腔入水阀2与下泵腔入水阀19相接。
[0015] 所述第一紫外光源9与第三紫外光源13同时导通，第二紫外光源10与第四紫外 光源14同时导通。
[0016] 所述上泵腔出水阀1、上泵腔入水阀2、下泵腔出水阀20与下泵腔入水阀19均为 悬臂梁式单向阀。
[0017] 下面进行更详细的描述：本发明的一种光驱动的微泵装置，包括泵体、PLZT双晶 片、位移放大平移机构、泵膜盖、泵膜、泵腔、出水阀、入水阀等。
[0018] 上PLZT双晶片11两侧均设有第一紫外光源9和第二紫外光源10,上PLZT双晶片 11 一端固定在泵体7上，形成悬臂梁结构，另一端与上位移放大平移机构6连接，上位移放 大平移机构6通过柔性铰链与泵体7连接，输出端通过柔性铰链与上泵膜盖5连接，上泵膜 盖5与上泵膜4粘结，上泵腔3具有两个单向阀：上泵腔出水阀1以及上泵腔入水阀2 ;上 泵包括上泵腔出水阀1、上泵腔入水阀2、上泵腔3、上泵膜4与上泵膜盖5,上泵驱动放大机 构包括上位移放大平移机构6、第一紫外光源9、第二紫外光源10与上PLZT双晶片11，下 泵包括下泵腔出水阀20、下泵腔入水阀19、下泵腔18、下泵膜17与下泵膜盖16,下泵驱动 放大机构包括下位移放大平移机构15、第三紫外光源13、第四紫外光源14与下PLZT双晶 片12,上泵与下泵关于泵体中心面8对称布置，上泵驱动放大机构与下泵驱动放大机构也 关于泵体中心面8对称布置。上泵腔出水阀1与下泵腔出水阀20相接，上泵腔入水阀2与 下泵腔入水阀19相接，即上泵腔3与下泵腔18并联。
[0019] 当上PLZT双晶片11受到第二紫外光源10照射时，上PLZT双晶片11悬臂梁结构 会向右发生弯曲，弯曲挠度通过上位移放大平移机构6放大并传递，驱动上泵膜盖5向右移 动变形，引起上泵膜4向上泵腔3凹陷，从而使上泵腔3体积变小，上泵腔3内压力增大，当 腔内压力大于出水口 22外的压力和上泵腔出水阀1材料的弹性力时，上泵腔出水阀1被打 开，液体从出水口 22流出。同时，下PLZT双晶片12在第四紫外光源14照射下会向左弯曲， 弯曲挠度经过下位移放大平移机构15放大并传递，驱动下泵膜盖16向左移动变形，引起下 泵膜17向下泵腔18外凸起，从而使下泵腔18体积变大，则下泵腔18内压力减小，当入水 口 21外的压力大于下泵腔18内压力和下泵腔入水阀19材料的弹性力时，下泵腔入水阀19 被打开，液体从入水口 21流入下泵腔18内。
[0020] 本微泵的上泵腔3与下泵腔18采用并联方式，上PLZT双晶片11与下PLZT双晶 片12采用异步驱动工作方式，即当上PLZT双晶片11在第二紫外光源10照射下向右弯曲 驱动上泵膜4凹陷，上泵腔3体积减小，液体经上泵腔出水阀1排出上泵腔3,此时下PLZT 双晶片12在第四紫外光源14照射下向左弯曲驱动下泵膜17凸起，下泵腔18体积增大，液 体经下泵腔入水阀19进入下泵腔18,当上PLZT双晶片11与下PLZT双晶片12弯曲均达 到最大时，则用第一紫外光源9照射上PLZT双晶片11，第三紫外光源13照射下PLZT双晶 片12,此时上泵腔3吸入液体而下泵腔18排出液体，如此循环往复，从而实现稳定持续不断 地进行泵水，并且提高了响应速度。
[0021] 本光致伸缩材料驱动微泵中的上泵腔出水阀1、上泵腔入水阀2、下泵腔出水阀20 以及下泵腔入水阀19必须都使用单向阀，此处采用悬臂梁式单向阀，其截面简图如图2所 示。单向阀悬臂梁阀片23采用较软的聚乙烯，采用环氧树脂类粘结剂将单向阀悬臂梁阀片 23粘在泵体7上，悬臂梁式单向阀在压力作用下发生弯曲从而实现开启和关闭。
[0022] 简而言之，该微泵利用PLZT双晶片驱动，PLZT双晶片式悬臂梁在其两侧的紫外光 源分别照射下，产生向左或向右的弯曲位移，经过位移放大平移机构放大传递，控制泵膜的 凸起与凹陷，从而引起泵腔体积变化，在单向阀的作用下实现泵水。上泵腔3与下泵腔18 并联，上PLZT双晶片11与下PLZT双晶片12进行异步驱动，实现上泵腔3吸入液体时下泵 腔18排出液体，泵腔体积分别达到饱和时，通过改变紫外光源照射，使下泵腔18吸入液体 而上泵腔3排出液体，两泵腔交替吸排液体，从而液体流量稳定不扰动，提高单位时间内液 体流量，有利于液体流量的精确控制。
【权利要求】
1. 一种光驱动的微泵装置，其特征在于，包括上泵、下泵、上泵驱动放大机构、下泵驱动 放大机构、泵体[7]、出水口 [22]和入水口 [21]，泵体[7]的中部设有泵体中心面[8]，该泵 体中心面[8]位于泵体[7]的中轴线上，所述上泵位于泵体中心面[8]的上方，下泵位于泵 体中心面[8]的下方，上泵驱动放大机构与上泵的上泵膜盖[5]相连，用于驱动上泵实现泵 水，下泵驱动放大机构与下泵的下泵膜盖[16]相连，用于驱动下泵实现泵水，其中上泵和 下泵结构相同并关于泵体中心面[8]对称，上泵驱动放大机构和下泵驱动放大机构结构相 同并关于泵体中心面[8]对称； 所述上泵包括上泵腔出水阀[1]、上泵腔入水阀[2]、上泵腔[3]、上泵膜[4]、上泵膜盖 [5]，上泵膜盖[5]与上泵膜[4]粘接，其中上泵膜盖[5]与上泵驱动放大机构通过柔性铰 链相连，上泵腔出水阀[1]和上泵腔入水阀[2]位于同一平面上，该平面与上泵膜[4]相对 设置，所述上泵膜[4]、泵体和上泵腔出水阀[1]所在平面围成的空腔为上泵腔[3]; 所述下泵包括下泵膜盖[16]、下泵膜[17]、下泵腔[18]、下泵腔入水阀[19]、下泵腔出 水阀[20]，下泵膜盖[16]与下泵膜[17]粘接，其中下泵膜盖[16]与下泵驱动放大机构通 过柔性铰链相连，下泵腔入水阀[19]和下泵腔出水阀[20]位于同一平面上，该平面与下泵 膜[17]相对设置，所述下泵膜[17]、泵体和下泵腔出水阀[20]所在平面围成的空腔为下泵 腔[18]; 上泵驱动放大机构包括上位移放大平移机构[6]、光纤、第一紫外光源[9]、第二紫外 光源[10]、上PLZT双晶片[11]，上PLZT双晶片[11]两边的泵体[7]上设置第一紫外光源 [9]和第二紫外光源[10]，上PLZT双晶片[11] 一端固定在泵体[7]上，形成悬臂梁结构，另 一端粘接在上位移放大平移机构[6]输入端上，所述上位移放大平移机构[6]分别通过两 个柔性铰链与泵体[7]的内壁连接，形成平行四边形平移机构，上位移放大平移机构[6]的 输出端通过柔性铰链与上泵膜盖[5]连接；紫外光源照射上PLZT双晶片[11]实现上PLZT 双晶片的双向弯曲； 下泵驱动放大机构包括下位移放大平移机构[15]、光纤、第三紫外光源[13]、第四紫 外光源[14]、下PLZT双晶片[12]，下PLZT双晶片[12]两边的泵体[7]上设置第三紫外光 源[13]和第四紫外光源[14]，下PLZT双晶片[12] -端固定在泵体[7]上，形成悬臂梁结 构，另一端粘接在下位移放大平移机构[15]输入端上，所述下位移放大平移机构[15]分别 通过两个柔性铰链与泵体[7]的内壁连接，形成平行四边形平移机构，下位移放大平移机 构[15]的输出端通过柔性铰链与下泵膜盖[16]连接；紫外光源照射下PLZT双晶片[12] 实现下PLZT双晶片的双向弯曲； 所述第一紫外光源[9]与第四紫外光源[14]位于同一侧，第二紫外光源[10]和第三 紫外光源[13]位于同一侧；所述出水口 [22]位于上泵腔出水阀[1]和下泵腔出水阀[20] 的前方，入水口 [21]与出水口 [22]位于泵体的同一平面上，该入水口 [21]与下泵腔入水 阀[19]位置相对应。
2. 根据权利要求1所述的光驱动的微泵装置，其特征在于：上泵膜盖[5]与下泵膜盖 [16]通过环氧树脂粘结剂分别与上泵膜[4]和下泵膜[17]粘接在一起，且泵膜盖面积小于 泵膜。
3. 根据权利要求1所述的光驱动的微泵装置，其特征在于：上位移放大机构[11]与下 位移放大平移机构[15]均采用铍青铜材料，上泵膜盖[5]和下泵膜盖[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. 根据权利要求1所述的光驱动的微泵装置，其特征在于：上泵腔[3]与下泵腔[18] 相并联，即上泵腔出水阀[1]与下泵腔出水阀[20]相接，上泵腔入水阀[2]与下泵腔入水 阀[19]相接。
5. 根据权利要求1所述的光驱动的微泵装置，其特征在于，第一紫外光源[9]与第三紫 外光源[13]同时导通，第二紫外光源[10]与第四紫外光源[14]同时导通。
6. 根据权利要求1所述的光驱动的微泵装置，其特征在于，上泵腔出水阀[1]、上泵腔 入水阀[2]、下泵腔出水阀[20]与下泵腔入水阀[19]均为悬臂梁式单向阀。
【文档编号】F04B43/02GK104110355SQ201410309506
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】王新杰, 黄家瀚, 王炅, 陆静, 黄学功 申请人:南京理工大学