專利名稱：一種閉環(huán)壓電薄膜泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及微量流體傳輸與控制領(lǐng)域中的一種微小精密壓電泵，尤其涉及一種帶有流量檢測傳感器的壓電薄膜泵。
背景技術(shù)：
微泵是一種典型的微執(zhí)行器，它在微流量控制系統(tǒng)中起動(dòng)力源的作用。微泵在生物醫(yī)學(xué)、精細(xì)化工以及醫(yī)藥研究等領(lǐng)域有著廣泛需求。近年來，利用壓電元件(壓電片或壓電疊堆)作為換能器進(jìn)行流體傳輸?shù)膲弘姳帽粡V泛用于各種微小流體驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，該種壓電泵具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、驅(qū)動(dòng)力大、低泄漏、響應(yīng)時(shí)間短、耗能低、無噪聲、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。壓電薄膜泵是繼壓電超聲馬達(dá)之后又一種振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置，它將壓電薄膜激發(fā)的振動(dòng)直接作用于流體，從而形成壓力或流量輸出，具有完全不同于各類傳統(tǒng)泵的工作原理和特征結(jié)構(gòu)。壓電薄膜泵的具體原理是依靠壓電振子的變形和有閥泵的進(jìn)出口閥(或無閥泵的進(jìn)出口結(jié)構(gòu))協(xié)同工作，帶動(dòng)泵腔容積變化實(shí)現(xiàn)流體輸送，因此，在實(shí)際工作中流體粘度及泵體輸出端壓力變化等都會(huì)影響壓電膜的變形量，進(jìn)而影響泵輸出流量的準(zhǔn)確性。因此，在精密的微量流體傳輸與控制過程中，需要通過管路外加流量傳感器等檢測設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，不僅增加了系統(tǒng)的體積和復(fù)雜程度，同時(shí)也極大地限制了壓電泵應(yīng)用的空間范圍。相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，可參閱專利號(hào)為201110181208. 4，
公開日為2011年10月12日的實(shí)用新型專利申請(qǐng)，該實(shí)用新型專利申請(qǐng)揭示了一種驅(qū)動(dòng)-傳感一體化壓電晶片泵，該壓電晶片泵通過將壓電振子分割成兩部分，小面積用于做成傳感器，大面積用于動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)液體，實(shí)現(xiàn)流體驅(qū)動(dòng)和檢測的同步。這種通過檢測壓電振子的變形間接獲取驅(qū)動(dòng)流量的方法存在如下問題其一，壓電振子變形過程中閥的泄漏造成的流量變化無法被檢測，其二，壓電振子自身安裝應(yīng)力變形會(huì)造成檢測誤差。所以造成這種方法在檢測精度和實(shí)現(xiàn)上均不是很理想。因此，針對(duì)上述技術(shù)問題，有必要提供一種新型結(jié)構(gòu)的閉環(huán)壓電薄膜泵，以克服上述缺陷，并以此滿足現(xiàn)有市場對(duì)流體驅(qū)動(dòng)的高精度應(yīng)用需求。

實(shí)用新型內(nèi)容有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種體積小且驅(qū)動(dòng)流體精度高的閉環(huán)壓電
薄膜泵。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案一種閉環(huán)壓電薄膜泵，其包括壓電振子、流量傳感器、壓電泵基體、電路控制模塊以及控制流體運(yùn)動(dòng)方向的進(jìn)液閥與出液閥，所述壓電泵基體設(shè)有管路以及形成于泵基體內(nèi)的泵腔，所述壓電振子、進(jìn)液閥、出液閥均安裝于泵基體上，所述流量傳感器和壓電泵基體通過MEMS工藝集成為一整體結(jié)構(gòu)，所述流量傳感器設(shè)有一個(gè)用以接收流體的微通道及將流量傳感器檢測到的流體體積信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，所述微通道在出液閥開啟時(shí)與泵腔連通。優(yōu)選的，在上述閉環(huán)壓電薄膜泵中，所述壓電振子由壓電陶瓷薄膜與金屬薄膜粘接復(fù)合而成。優(yōu)選的，在上述閉環(huán)壓電薄膜泵中，所述進(jìn)液閥與出液閥由具有彈性的金屬或有機(jī)聚合物薄膜制成。優(yōu)選的，在上述閉環(huán)壓電薄膜泵中，所述電路控制模塊包括驅(qū)動(dòng)壓電振子運(yùn)動(dòng)變形的驅(qū)動(dòng)子模塊、比對(duì)流量體積的信號(hào)分析子模塊以及控制壓電振子運(yùn)動(dòng)變形的控制子模塊，所述驅(qū)動(dòng)子模塊與控制子模塊皆與壓電振子連接，所述信號(hào)分析子模塊與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型實(shí)施例的閉環(huán)壓電薄膜泵的有益效果是(I)通過將流量傳感器與壓電泵基體集成為一整體，減小了泵的體積且簡化了結(jié)構(gòu)；(2)通過流量傳感器與電路控制模塊的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了流體的流量閉環(huán)控制，提聞了驅(qū)動(dòng)流體的精度；(3)該閉環(huán)壓電薄膜泵可加工性好，便于進(jìn)行一致性批量制造。

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的有關(guān)本實(shí)用新型的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是本實(shí)用新型閉環(huán)壓電薄膜泵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型閉環(huán)壓電薄膜泵中壓電振子向上運(yùn)動(dòng)的示意圖；圖3是本實(shí)用新型閉環(huán)壓電薄膜泵中壓電振子向下運(yùn)動(dòng)的示意圖。其中1、壓電振子；2、流量傳感器；3、壓電泵基體；31、管路；32、泵腔；4、電路控制模塊；5、進(jìn)液閥；6、出液閥。
具體實(shí)施方式
壓電薄膜泵是一種振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置，它將壓電薄膜激發(fā)的振動(dòng)直接作用于流體，從而形成壓力或流量輸出。壓電薄膜泵的具體原理是依靠壓電振子的變形和有閥泵的進(jìn)出口閥(或無閥泵的進(jìn)出口結(jié)構(gòu))協(xié)同工作，帶動(dòng)泵腔容積變化實(shí)現(xiàn)流體輸送。在實(shí)際工作中流體粘度及泵體輸出端壓力變化等都會(huì)影響壓電膜的變形量，進(jìn)而影響泵輸出流量的準(zhǔn)確性。因此，在精密的微量流體傳輸與控制過程中，需要通過管路外加流量傳感器等檢測設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，不僅增加了系統(tǒng)的體積和復(fù)雜程度，同時(shí)也極大地限制了壓電泵基體應(yīng)用的空間范圍。一般現(xiàn)有技術(shù)中，大多采用在泵的輸出口串聯(lián)流量檢測傳感器，此種連接方式的缺點(diǎn)主要有兩個(gè)其一，整體結(jié)構(gòu)搭建復(fù)雜，體積大，無法滿足小空間的應(yīng)用需求；其二，管路的尺寸和形狀直接影響檢測的穩(wěn)定性和一致性。為了解決上述問題，現(xiàn)有技術(shù)中還有采用將壓電振子分割成兩部分，小面積用于做成傳感器，大面積用于動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)液體，實(shí)現(xiàn)流體驅(qū)動(dòng)和檢測的同步。這種在壓電振子上集成傳感器的方式的缺點(diǎn)主要是其一，壓電振子變形過程中閥的泄漏造成的流量變化無法被檢測，影響檢測精度；其二，壓電振子自身安裝應(yīng)力變形不可控，容易造成檢測誤差?；谝陨厦枋龅默F(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，為了提高壓電薄膜泵的輸出精度和可靠性，減小系統(tǒng)總體積，本實(shí)用新型提出一種集成壓電薄膜泵、流量傳感器、檢測及驅(qū)動(dòng)電路模塊的閉環(huán)壓電薄膜泵，該泵無需額外添加流量檢測設(shè)備，驅(qū)動(dòng)流體精度高，體積小。本實(shí)用新型揭示的閉環(huán)壓電薄膜泵，其主要包括壓電振子、流量傳感器、壓電泵基體、電路控制模塊以及控制流體運(yùn)動(dòng)方向的進(jìn)液閥與出液閥。壓電泵基體設(shè)有管路以及形成于泵基體內(nèi)的泵腔。壓電振子、進(jìn)液閥、出液閥均安裝于泵基體上。流量傳感器和壓電泵基體通過MEMS工藝集成為一整體結(jié)構(gòu)。如此設(shè)置，通過將流量傳感器及壓電泵基體集成為一整體，減小了整個(gè)閉環(huán)壓電薄膜泵的體積且簡化了結(jié)構(gòu)；同時(shí)，該閉環(huán)壓電薄膜泵可加工性好，便于進(jìn)行一致性批量制造。進(jìn)一步的，壓電振子由壓電陶瓷薄膜與金屬薄膜粘接復(fù)合而成。 進(jìn)一步的，進(jìn)液閥與出液閥由具有彈性的金屬或有機(jī)聚合物薄膜制成。進(jìn)一步的，電路控制模塊包括驅(qū)動(dòng)壓電振子運(yùn)動(dòng)變形的驅(qū)動(dòng)子模塊、比對(duì)流量體積的信號(hào)分析子模塊以及控制壓電振子運(yùn)動(dòng)變形的控制子模塊，所述驅(qū)動(dòng)子模塊與控制子模塊皆與壓電振子連接，所述信號(hào)分析子模塊與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊連接。進(jìn)一步的，流量傳感器設(shè)有一個(gè)用以接收流體的微通道及一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，微通道在出液閥開啟時(shí)與泵腔連通，流量傳感器檢測流體的體積并將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后反饋給電路控制模塊，電路控制模塊根據(jù)反饋的流量信號(hào)和目標(biāo)流量體積信號(hào)比較后控制壓電振子的運(yùn)動(dòng)變形量。此種控制方式，實(shí)現(xiàn)了流體的流量閉環(huán)控制，提高了驅(qū)動(dòng)流體的精度。下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。如圖I及圖2所示，閉環(huán)壓電薄膜泵包括一個(gè)壓電振子I、流量傳感器2、壓電泵基體3、電路控制模塊4以及控制流體運(yùn)動(dòng)方向的進(jìn)液閥5與出液閥6。壓電泵基體3設(shè)有管路31以及形成于泵體內(nèi)的泵腔32。壓電振子I、進(jìn)液閥5、出液閥6均安裝于泵基體3上。流量傳感器2與壓電泵基體3通過MEMS工藝集成為一整體結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型采用MEMS工藝將流量傳感器2與壓電泵基體3集成為一整體，減小了整個(gè)閉環(huán)壓電薄膜泵的體積且簡化了結(jié)構(gòu)；同時(shí)，該閉環(huán)壓電薄膜泵可加工性好，便于進(jìn)行一致性批量制造。流量傳感器2設(shè)有一個(gè)用以接收流體的微通道及一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，微通道在出液閥6開啟時(shí)與泵腔32連通，流量傳感器2檢測流體的體積并將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后反饋給電路控制模塊4，電路控制模塊4根據(jù)反饋的流量信號(hào)和目標(biāo)流量體積信號(hào)比較后控制壓電振子的運(yùn)動(dòng)變形量。如此設(shè)置，通過流量傳感器2與電路控制模塊4的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了流體的流量閉環(huán)控制，提高了驅(qū)動(dòng)流體的精度。在本實(shí)用新型實(shí)施方式中，壓電振子I由壓電陶瓷薄膜與金屬薄膜粘接復(fù)合而成。進(jìn)液閥5與出液閥6由具有彈性的金屬或有機(jī)聚合物薄膜制成。[0034]電路控制模塊4包括電路控制模塊包括驅(qū)動(dòng)壓電振子運(yùn)動(dòng)變形的驅(qū)動(dòng)子模塊、比對(duì)流量體積的信號(hào)分析子模塊以及控制壓電振子運(yùn)動(dòng)變形的控制子模塊，所述驅(qū)動(dòng)子模塊與控制子模塊皆與壓電振子連接，所述信號(hào)分析子模塊與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊連接。本實(shí)用新型實(shí)施例的閉環(huán)壓電薄膜泵僅僅通過一個(gè)電路控制模塊4完成驅(qū)動(dòng)、檢測、比較及控制的操作，簡化了整個(gè)閉環(huán)壓電薄膜泵的結(jié)構(gòu)，提高了閉環(huán)壓電薄膜泵的可加工性。如圖2及圖3所示，本實(shí)用新型實(shí)施例的閉環(huán)壓電薄膜泵的工作原理是根據(jù)輸送流體的目標(biāo)體積，電路控制模塊4發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)壓電振子I產(chǎn)生變形運(yùn)動(dòng)，當(dāng)壓電振子在電路控制模塊4的控制下朝第一方向(圖2中為向上的方向)運(yùn)動(dòng)時(shí)，泵腔32體積變大，泵腔32內(nèi)壓力小于外部壓力，形成負(fù)壓，在壓差作用下進(jìn)液閥5被打開，出液閥6被關(guān)閉，流體如圖2的箭頭所示向上流入泵腔32 ;當(dāng)壓電振子在電路控制模塊4的控制下朝第二方向(圖3中為向下的方向)運(yùn)動(dòng)時(shí)，泵腔32體積變小，泵腔32內(nèi)壓力大于外部壓力，形成正壓，在壓差作用下進(jìn)液閥5被關(guān)閉，出液閥6被打開，流體如圖3的箭頭所示向下流 出泵腔32，進(jìn)入到流量傳感器2的微通道中；流量傳感器2檢測出流體的體積并借助信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將檢測信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)返回給電路控制模塊4 ;電路控制模塊4根據(jù)反饋的流量信號(hào)和目標(biāo)流量繼續(xù)控制壓電振子I的運(yùn)動(dòng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型實(shí)施例的閉環(huán)壓電薄膜泵的有益效果是(I)通過將流量傳感器2與壓電泵基體3集成為一整體，減小了泵的體積且簡化了結(jié)構(gòu)；(2)通過流量傳感器2與電路控制模塊4的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了流體的流量閉環(huán)控制，提聞了驅(qū)動(dòng)流體的精度；(3)該閉環(huán)壓電薄膜泵可加工性好，便于進(jìn)行一致性批量制造。最后，還需要說明的是，在本文中，諸如術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或
者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個(gè)......”限定的要素，
并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本實(shí)用新型不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本實(shí)用新型的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本實(shí)用新型內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。
權(quán)利要求1.一種閉環(huán)壓電薄膜泵，其包括壓電振子、流量傳感器、壓電泵基體、電路控制模塊以及控制流體運(yùn)動(dòng)方向的進(jìn)液閥與出液閥，所述壓電泵基體設(shè)有管路以及形成于泵基體內(nèi)的泵腔，所述壓電振子、進(jìn)液閥、出液閥均安裝于泵基體上，其特征在于所述流量傳感器和壓電泵基體通過MEMS工藝集成為一整體結(jié)構(gòu)，所述流量傳感器設(shè)有一個(gè)用以接收流體的微通道及將流量傳感器檢測到的流體體積信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，所述微通道在出液閥開啟時(shí)與泵腔連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的閉環(huán)壓電薄膜泵，其特征在于所述壓電振子由壓電陶瓷薄膜與金屬薄膜粘接復(fù)合而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的閉環(huán)壓電薄膜泵，其特征在于所述進(jìn)液閥與出液閥由具有彈性的金屬或有機(jī)聚合物薄膜制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的閉環(huán)壓電薄膜泵，其特征在于所述電路控制模塊包括驅(qū)動(dòng)壓電振子運(yùn)動(dòng)變形的驅(qū)動(dòng)子模塊、比對(duì)流量體積的信號(hào)分析子模塊以及控制壓電振子運(yùn)動(dòng)變形的控制子模塊，所述驅(qū)動(dòng)子模塊與控制子模塊皆與壓電振子連接，所述信號(hào)分析子模塊與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊連接。
專利摘要一種閉環(huán)壓電薄膜泵，其包括壓電振子、流量傳感器、壓電泵基體、電路控制模塊、進(jìn)液閥以及出液閥，所述流量傳感器和壓電泵基體通過MEMS工藝集成為一整體結(jié)構(gòu)，所述流量傳感器設(shè)有微通道及信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，所述流量傳感器檢測流體的體積并將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后反饋給電路控制模塊，所述電路控制模塊根據(jù)反饋的流量信號(hào)和目標(biāo)流量體積信號(hào)比較后控制壓電振子的運(yùn)動(dòng)變形量。本實(shí)用新型實(shí)施例的閉環(huán)壓電薄膜泵通過將流量傳感器和壓電泵基體集成為一整體，減小了泵的體積；并通過流量傳感器與電路控制模塊的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了流體的流量閉環(huán)控制，提高了驅(qū)動(dòng)流體的精度，該閉環(huán)壓電薄膜泵可加工性好，便于進(jìn)行一致性批量制造。
文檔編號(hào)F04B43/04GK202468239SQ20122007251
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者劉吉柱, 汝長海, 潘明強(qiáng), 王蓬勃, 賀文元, 陳濤, 陳立國 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)