閉環(huán)壓電薄膜泵及其流量控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種閉環(huán)壓電薄膜泵及其流量控制方法，閉環(huán)壓電薄膜泵包括壓電振子、流量傳感器、壓電泵基體、電路控制模塊以及控制流體運動方向的進液閥與出液閥，壓電泵基體設有管路以及形成于壓電泵基體內的泵腔，所述壓電振子、進液閥、出液閥均安裝于壓電泵基體上，流量傳感器和壓電泵基體集成為一整體結構，微通道和出液閥之間設有流量濾波器，流量濾波器控制流體的壓力使流體勻速流入流量傳感器中。本發(fā)明閉環(huán)壓電薄膜泵體積小、驅動流體的精度高、可加工性好且一致性好。
【專利說明】閉環(huán)壓電薄膜泵及其流量控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及微量流體傳輸與控制領域中的一種微小精密壓電泵，尤其涉及一種閉環(huán)壓電薄膜泵及其流量控制方法。
【背景技術】
[0002]微泵是一種典型的微執(zhí)行器，它在微流量控制系統(tǒng)中起著微流量泵送過程的動力源的作用，在生物醫(yī)學、精細化工以及醫(yī)藥研究等領域有著廣泛需求。近年來，利用壓電元件(壓電片或壓電疊堆)作為換能器進行流體傳輸?shù)膲弘姳茫哂薪Y構簡單、體積小、重量輕、驅動力大、低泄漏、響應時間短、耗能低、無噪聲、無電磁干擾等優(yōu)點，被廣泛用于各種微小流體驅動領域。
[0003]壓電泵依靠壓電振子的變形和有閥泵的進出口閥(或無閥泵的進出口結構)協(xié)同工作，帶動泵腔容積變化實現(xiàn)流體輸送，因此在實際工作中流體粘度及泵體輸出端壓力變化等都會影響壓電膜的變形量，進而影響泵輸出流量的準確性。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備進行實時監(jiān)測，不僅增加了系統(tǒng)的體積和復雜程度，同時也極大地限制了壓電泵的應用空間范圍。
[0004]為此中國專利201110181208.4通過將壓電振子分割成兩部分，小面積用于做成傳感器，大面積用于動力源驅動液體，實現(xiàn)流體驅動和檢測的同步。這種方法通過檢測壓電振子的變形間接獲取驅動流量的方法存在如下問題:其一，振子變形過程中閥的泄漏帶造成的流量變化無法被檢測，其二，壓電振子自身安裝應力變形會造成檢測誤差。所以造成這種方法在檢測精度和實現(xiàn)上均不是理想。盡管在泵的輸出口串聯(lián)流量檢測傳感器存在諸多問題，但目前仍是應用的主流。在此之前本人提出集成流量傳感器與壓電薄膜泵的方法(專利申請?zhí)?201210050805.8,201220072514.4)，由于壓電薄膜泵工作產(chǎn)生的脈動波沒有外部管路的濾波，盡管可以提高泵的精度，但實驗證明存在如下問題:其一檢測控制算法實現(xiàn)難度大，其二，檢測精度受泵的工作狀態(tài)影響很大。
[0005]因此，針對上述技術問題，有必要提供一種閉環(huán)壓電薄膜泵及其流量控制方法，滿足對流體驅動的更高精度的應用需求。

【發(fā)明內容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明提出了一種閉環(huán)壓電薄膜泵及其流量控制方法，其閉環(huán)壓電薄膜泵無需額外添加流量檢測設備、驅動流體精度高、且體積小。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供的技術方案如下:
[0008]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動方向的進液閥與出液閥，所述壓電泵基體設有管路以及形成于壓電泵基體內的泵腔，所述壓電振子、進液閥、出液閥均安裝于壓電泵基體上，所述流量傳感器和壓電泵基體集成為一整體結構，所述流量傳感器設有一個用以接收流體的微通道及一個信號轉換模塊，所述微通道在出液閥開啟時與泵腔連通，所述流量傳感器檢測流體的體積并將檢測結果轉化成電信號后反饋給電路控制模塊，所述電路控制模塊根據(jù)反饋的流量信號和目標流量信號比較后控制壓電振子的運動變形量，所述微通道和出液閥之間設有流量濾波器，所述流量濾波器控制流體的壓力使流體勻速流入流量傳感器中。
[0009]作為本發(fā)明的進一步改進，所述流量濾波器包括若干吸波腔體及對應設于吸波腔體上的吸波薄膜。
[0010]作為本發(fā)明的進一步改進，所述吸波腔體和吸波薄膜的數(shù)量設為兩個或兩個以上，所述不同吸波薄膜的厚度不同。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進，所述壓電振子由壓電陶瓷薄膜與金屬薄膜粘接復合而成。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，所述進液閥與出液閥由具有彈性的金屬或有機聚合物薄膜制成。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進，所述電路控制模塊包括驅動壓電振子運動變形的驅動子模塊、比對流量體積的信號分析子模塊以及控制壓電振子運動變形的控制子模塊，所述驅動子模塊與控制子模塊均與壓電振子連接，所述信號分析子模塊與信號轉換模塊連接。
[0014]相應地，一種閉環(huán)壓電薄膜泵的流量控制方法，所述方法包括以下步驟:
[0015]S1、根據(jù)輸送流體的目標流量信號，電路控制模塊發(fā)出驅動信號，驅使壓電振子產(chǎn)生運動變形；
[0016]S2、當壓電振子在電路控制模塊的控制下朝第一方向運動時，泵腔體積變大，泵腔內壓力小于外部壓力，形成負壓，在壓差作用下進液閥被打開，出液閥被關閉，流體流入泵腔；
[0017]S3、當壓電振子在電路控制模塊的控制下朝第二方向運動時，泵腔體積變小，泵腔內壓力大于外部壓力，形成正壓，在壓差作用下進液閥被關閉，出液閥被打開，流體流出泵腔并進入到流量濾波器中；
[0018]S4、流量濾波器控制流體的壓力使流體勻速流入流量傳感器的微通道中；
[0019]S5、流量傳感器檢測流體的體積并將檢測結果轉化成電信號后反饋給電路控制模塊；
[0020]S6、電路控制模塊根據(jù)反饋的流量信號和目標流量體積信號比較后控制壓電振子的運動變形量。
[0021]作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S4包括:
[0022]S41、流體在脈沖波峰流入時，流量濾波器內部管路存在流阻，使得管壁上存在流體壓力，流體壓力推動流量濾波器上吸波薄膜的向吸波腔體內運動，進而增大流量濾波器內部管路的體積，降低了管路中的壓力；
[0023]S42、流體在非脈沖波峰流入時，流量濾波器內部管路中的壓力下降，吸波腔體上的吸波薄膜在彈性恢復力的作用下進行復位，流量濾波器內部管路的體積減小，進而促使整個流量濾波器輸出壓力均勻的流體。
[0024]作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S4還包括:吸波腔體上的吸波薄膜的厚度不同，響應了不同頻率和/或壓力的脈沖波峰。
[0025]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0026]流量傳感器、流量濾波器和壓電泵基體集成為一整體結構，減小了泵的體積且簡化了結構；
[0027]流量濾波器能夠控制流體的能量，使流過管路中的流體趨于勻速，提高了驅動流體的精度；
[0028]閉環(huán)壓電薄膜泵可加工性好，可采用微加工工藝批量制造，且一致性好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0030]圖1為本發(fā)明一實施方式中閉環(huán)壓電薄膜泵的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0031 ] 為了使本【技術領域】的人員更好地理解本發(fā)明中的技術方案，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0032]壓電薄膜泵是一種振動能量轉換裝置，它將壓電薄膜激發(fā)的振動直接作用于流體，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出口閥(或無閥泵的進出口結構)協(xié)同工作，帶動泵腔容積變化實現(xiàn)流體輸送。
[0033]壓電薄膜泵輸出端管路串聯(lián)流量傳感器的缺點:其一，整體結構搭建復雜，體積大，無法滿足小空間的應用需求；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。
[0034]壓電振子上集成流量傳感器的缺點:其一，閥泄漏造成的流量變化無法被檢測，影響檢測精度；其二，安裝過程中壓電振子的變形不可控，容易造成傳感器的檢測誤差。
[0035]在壓電振子后端集成流量傳感器的缺點:其一，檢測控制算法實現(xiàn)難度大，其二，檢測精度受泵的工作狀態(tài)影響很大。
[0036]基于以上描述的現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明提出一種閉環(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、進液閥與出液閥、以及流量濾波器，整個閉環(huán)壓電薄膜泵體積小，驅動流體的精度高，可采用微加工工藝批量制造，且一致性好。
[0037]如圖1所示，在本發(fā)明一實施方式中的閉環(huán)壓電薄膜泵，其包括:
[0038]壓電泵基體10、壓電振子20、流量傳感器40、流量濾波器50、電路控制模塊(未圖示)以及控制流體運動方向的進液閥31與出液閥32，壓電泵基體設有管路12以及形成于壓電泵基體10內的泵腔11，壓電振子20、進液閥31、出液閥32均安裝于壓電泵基體10上。其中，壓電振子20由壓電陶瓷薄膜與金屬薄膜粘接復合而成，進液閥31出液閥32由具有彈性的金屬或有機聚合物薄膜制成。
[0039]流量傳感器40、流量濾波器50和壓電泵基體10通過MEMS工藝集成為一整體結構，流量傳感器40設有一個用以接收流體的微通道41及一個信號轉換模塊(未圖示)，微通道41在出液閥32開啟時與泵腔11連通，流量傳感器40檢測流體的體積并將檢測結果轉化成電信號后反饋給電路控制模塊，電路控制模塊根據(jù)反饋的流量信號和目標流量信號比較后控制壓電振子的運動變形量。
[0040]電路控制模塊包括驅動壓電振子20運動變形的驅動子模塊、比對流量體積的信號分析子模塊以及控制壓電振子20運動變形的控制子模塊，驅動子模塊與控制子模塊均與壓電振子20連接，信號分析子模塊與流量傳感器40中的信號轉換模塊連接。
[0041]微通道41和出液閥32之間設有流量濾波器50，流量濾波器50控制流體的壓力使流體勻速流入流量傳感器40中。
[0042]流量濾波器50包括若干吸波腔體51及對應設于吸波腔體上的吸波薄膜52，在脈動流的作用下薄膜通過變形，減小脈動的能量，促使流過管路中的流體趨于勻速，然后流入流量傳感器。優(yōu)選地，吸波腔體51和吸波薄膜52的數(shù)量設為兩個或兩個以上，且不同吸波薄膜52的厚度不同，保證了對不同頻率和壓力的波峰響應。
[0043]本發(fā)明中閉環(huán)壓電薄膜泵的流量控制方法，具體包括以下步驟:
[0044]S1、根據(jù)輸送流體的目標流量信號，電路控制模塊發(fā)出驅動信號，驅使壓電振子產(chǎn)生運動變形。
[0045]S2、當壓電振子在電路控制模塊的控制下朝第一方向運動時，泵腔體積變大，泵腔內壓力小于外部壓力，形成負壓，在壓差作用下進液閥被打開，出液閥被關閉，流體流入泵腔。
[0046]S3、當壓電振子在電路控制模塊的控制下朝第二方向運動時，泵腔體積變小，泵腔內壓力大于外部壓力，形成正壓，在壓差作用下進液閥被關閉，出液閥被打開，流體流出泵腔并進入到流量濾波器中。
[0047]S4、流量濾波器控制流體的壓力使流體勻速流入流量傳感器的微通道中。
[0048]S5、流量傳感器檢測流體的體積并將檢測結果轉化成電信號后反饋給電路控制模塊。
[0049]S6、電路控制模塊根據(jù)反饋的流量信號和目標流量體積信號比較后控制壓電振子的運動變形量。
[0050]結合圖1所示，本發(fā)明一【具體實施方式】中，閉環(huán)壓電薄膜泵的流量控制方法具體為:
[0051]根據(jù)輸送流體的目標流量信號，電路控制模塊發(fā)出驅動信號，驅使壓電振子20產(chǎn)生運動變形。當壓電振子20在電路控制模塊的控制下向上運動至位置20’時，泵腔11體積變大，泵腔11內壓力小于外部壓力，形成負壓，在壓差作用下進液閥31被打開，出液閥32被關閉，流體流入泵腔11 ;當壓電振子20在電路控制模塊的控制下向下運動至位置20”時，泵腔11體積變小，泵腔11內壓力大于外部壓力，形成正壓，在壓差作用下進液閥31被關閉，出液閥32被打開，流體流出泵腔11并進入到流量濾波器50中。
[0052]流量濾波器50控制流體的壓力使流體勻速流入流量傳感器40的微通道41中。脈動流峰值流入時，由于流量濾波器50微小管路存在流阻，使得管壁上存在壓力，流體壓力推動流量濾波器50上吸波薄膜52的向外運動，進而減小吸波腔體51的體積(即增大了流量濾波器內部管路的體積)，降低了流量濾波器管路中的壓力；而在非脈沖波期間，由于流量濾波器管路中的壓力下降，吸波腔體51中吸波薄膜52在彈性恢復力的作用下進行復位，流量濾波器內部管路的體積減小，進而促使整個流量濾波器輸出壓力均勻的流體。
[0053]本實施方式中，由于流量濾波器50是由2個或2個以上的吸波腔體和吸波薄膜組成，每個吸波腔體中吸波薄膜的厚度不同，保證了對脈動流不同頻率和壓力的波峰響應。
[0054]流量傳感器40檢測流體的體積并將檢測結果轉化成電信號后反饋給電路控制模塊；電路控制模塊根據(jù)反饋的流量信號和目標流量體積信號比較后控制壓電振子20的運動變形量。
[0055]上述控制方法實施簡單，利用了閉環(huán)壓電薄膜泵的閉環(huán)控制優(yōu)點，可實現(xiàn)微量液體的泵送和檢測，整套壓電薄膜泵體積小，控制流體的體積精度高。
[0056]由以上技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0057]流量傳感器、流量濾波器和壓電泵基體集成為一整體結構，減小了泵的體積且簡化了結構；
[0058]流量濾波器能夠控制流體的能量，使流過管路中的流體趨于勻速，提高了驅動流體的精度；
[0059]閉環(huán)壓電薄膜泵可加工性好，可采用微加工工藝批量制造，且一致性好。
[0060]對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發(fā)明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0061]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【權利要求】
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動方向的進液閥與出液閥，所述壓電泵基體設有管路以及形成于壓電泵基體內的泵腔，所述壓電振子、進液閥、出液閥均安裝于壓電泵基體上，所述流量傳感器和壓電泵基體集成為一整體結構，所述流量傳感器設有一個用以接收流體的微通道及一個信號轉換模塊，所述微通道在出液閥開啟時與泵腔連通，所述流量傳感器檢測流體的體積并將檢測結果轉化成電信號后反饋給電路控制模塊，所述電路控制模塊根據(jù)反饋的流量信號和目標流量信號比較后控制壓電振子的運動變形量，其特征在于，所述微通道和出液閥之間設有流量濾波器，所述流量濾波器控制流體的壓力使流體勻速流入流量傳感器中。
2.根據(jù)權利要求1所述的閉環(huán)壓電薄膜泵，其特征在于，所述流量濾波器包括若干吸波腔體及對應設于吸波腔體上的吸波薄膜。
3.根據(jù)權利要求2所述的閉環(huán)壓電薄膜泵，其特征在于，所述吸波腔體和吸波薄膜的數(shù)量設為兩個或兩個以上，所述不同吸波薄膜的厚度不同。
4.根據(jù)權利要求1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合而成。
5.根據(jù)權利要求1所述的閉環(huán)壓電薄膜泵，其特征在于，所述進液閥與出液閥由具有彈性的金屬或有機聚合物薄膜制成。
6.根據(jù)權利要求1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動壓電振子運動變形的驅動子模塊、比對流量體積的信號分析子模塊以及控制壓電振子運動變形的控制子模塊，所述驅動子模塊與控制子模塊均與壓電振子連接，所述信號分析子模塊與信號轉換模塊連接。
7.—種閉環(huán)壓電薄膜泵的流量控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: S1、根據(jù)輸送流體的目標流量信號，電路控制模塊發(fā)出驅動信號，驅使壓電振子產(chǎn)生運動變形； S2、當壓電振子在電路控制模塊的控制下朝第一方向運動時，泵腔體積變大，泵腔內壓力小于外部壓力，形成負壓，在壓差作用下進液閥被打開，出液閥被關閉，流體流入泵腔； S3、當壓電振子在電路控制模塊的控制下朝第二方向運動時，泵腔體積變小，泵腔內壓力大于外部壓力，形成正壓，在壓差作用下進液閥被關閉，出液閥被打開，流體流出泵腔并進入到流量濾波器中； S4、流量濾波器控制流體的壓力使流體勻速流入流量傳感器的微通道中； S5、流量傳感器檢測流體的體積并將檢測結果轉化成電信號后反饋給電路控制模塊； S6、電路控制模塊根據(jù)反饋的流量信號和目標流量體積信號比較后控制壓電振子的運動變形量。
8.根據(jù)權利要求7所述的流量控制方法，其特征在于，所述步驟S4包括: S41、流體在脈沖波峰流入時，流量濾波器內部管路存在流阻，使得管壁上存在流體壓力，流體壓力推動流量濾波器上吸波薄膜的向吸波腔體內運動，進而增大流量濾波器內部管路的體積，降低了管路中的壓力； S42、流體在非脈沖波峰流入時，流量濾波器內部管路中的壓力下降，吸波腔體上的吸波薄膜在彈性恢復力的作用下進行復位，流量濾波器內部管路的體積減小，進而促使整個流量濾波器輸出壓力均勻的流體。
9.根據(jù)權利要求8所述的流量控制方法，其特征在于，所述步驟S4還包括:吸波腔體上的吸波薄膜的厚度不 同，響應了不同頻率和/或壓力的脈沖波峰。
【文檔編號】F04B49/06GK103557143SQ201310560145
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權日:2013年11月12日
【發(fā)明者】潘明強, 陳立國, 賀文元, 孫立寧, 王陽俊, 劉吉柱, 陳濤 申請人:蘇州大學