專利名稱：一種閉環(huán)壓電薄膜泵及流量控制方法
技術領域：
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，尤其涉及一種帶有流量檢測傳感器的壓電薄膜泵。
背景技術：
微泵是一種典型的微執(zhí)行器，它在微流量控制系統(tǒng)中起動力源的作用。微泵在生物醫(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)膲弘姳帽粡V泛用于各種微小流體驅動領域，該種壓電泵具有結構簡單、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。
壓電薄膜泵是繼壓電超聲馬達之后又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，具有完全不同于各類傳統(tǒng)泵的工作原理和特征結構。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，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應用的空間范圍。
相關的現(xiàn)有技術，可參閱專利號為201110181208. 4，
公開日為2011年10月12日的發(fā)明專利申請，該發(fā)明專利申請揭示了一種驅動-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，大面積用于動力源驅動液體，實現(xiàn)流體驅動和檢測的同步。這種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，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)上均不是很理本巨o
因此，針對上述技術問題，有必要提供一種新型結構的閉環(huán)壓電薄膜泵，以克服上述缺陷，并以此滿足現(xiàn)有市場對流體驅動的高精度應用需求。發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種體積小且驅動流體精度高的閉環(huán)壓電薄膜栗。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案
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泵基體內的泵腔，所述壓電振子、進液閥、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體積信號比較后控制壓電振子的運動變形量。
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合而成。
優(yōu)選的，在上述閉環(huán)壓電薄膜泵中，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。
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皆與壓電振子連接，所述信號分析子模塊與信號轉換模塊連接。
一種采用上述的閉環(huán)壓電薄膜泵進行流量控制的流量控制方法，該流量控制方法具體包括如下步驟
(I)根據(jù)輸送流體的目標流量體積信號，電路控制模塊發(fā)出驅動信號，驅使壓電振子產生運動變形；
(2)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；
(3)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傳感器的微通道中；
(4)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；
(5)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。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明實施例的閉環(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構；
(2)通過流量傳感器與電路控制模塊的協(xié)同工作，實現(xiàn)了流體的流量閉環(huán)控制，提聞了驅動流體的精度；
(3)該閉環(huán)壓電薄膜泵可加工性好，便于進行一致性批量制造。


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，下面描述中的有關本發(fā)明的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，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。
圖I是本發(fā)明閉環(huán)壓電薄膜泵的結構示意圖2是本發(fā)明閉環(huán)壓電薄膜泵中壓電振子向上運動的示意圖3是本發(fā)明閉環(huán)壓電薄膜泵中壓電振子向下運動的示意圖。
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、進液閥；6、出液閥。
具體實施方式
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。
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基體應用的空間范圍。一般現(xiàn)有技術中，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主要有兩個其一，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。
為了解決上述問題，現(xiàn)有技術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，大面積用于動力源驅動液體，實現(xiàn)流體驅動和檢測的同步。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力變形不可控，容易造成檢測誤差。
基于以上描述的現(xiàn)有技術中的缺陷，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，本發(fā)明提出一種集成壓電薄膜泵、流量傳感器、檢測及驅動電路模塊的閉環(huán)壓電薄膜泵，該泵無需額外添加流量檢測設備，驅動流體精度高，體積小。
本發(fā)明揭示的閉環(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泵基體內的泵腔。壓電振子、進液閥、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構。如此設置，通過將流量傳感器及壓電泵基體集成為一整體，減小了整個閉環(huán)壓電薄膜泵的體積且簡化了結構；同時，該閉環(huán)壓電薄膜泵可加工性好，便于進行一致性批量制造。
進一步的，壓電振子由壓電陶瓷薄膜與金屬薄膜粘接復合而成。
進一步的，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。
進一步的，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皆與壓電振子連接，所述信號分析子模塊與信號轉換模塊連接。
進一步的，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，微通道在出液閥開啟時與泵腔連通，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，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。此種控制方式，實現(xiàn)了流體的流量閉環(huán)控制，提高了驅動流體的精度。
本發(fā)明還公開了一種采用上述的閉環(huán)壓電薄膜泵進行流量控制的流量控制方法， 該流量控制方法具體步驟是根據(jù)輸送流體的目標流量體積信號，電路控制模塊發(fā)出驅動信號，驅使壓電振子產生運動變形；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；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傳感器的微通道中；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；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。此種流量控制方法利用了閉環(huán)壓電薄膜泵的閉環(huán)控制優(yōu)點，提聞了驅動流體的精度。
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詳細的描述，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)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
如圖I及圖2所示，閉環(huán)壓電薄膜泵包括一個壓電振子I、流量傳感器2、壓電泵基體3、電路控制模塊4以及控制流體運動方向的進液閥5與出液閥6。壓電泵基體3設有管路31以及形成于泵體內的泵腔32。壓電振子I、進液閥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構。本發(fā)明采用MEMS工藝將流量傳感器2與壓電泵基體3集成為一整體，減小了整個閉環(huán)壓電薄膜泵的體積且簡化了結構；同時，該閉環(huán)壓電薄膜泵可加工性好，便于進行一致性批量制造。
流量傳感器2設有一個用以接收流體的微通道及一個信號轉換模塊，微通道在出液閥6開啟時與泵腔32連通，流量傳感器2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4，電路控制模塊4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。如此設置，通過流量傳感器2與電路控制模塊4的協(xié)同工作， 實現(xiàn)了流體的流量閉環(huán)控制，提高了驅動流體的精度。
在本發(fā)明實施方式中，壓電振子I由壓電陶瓷薄膜與金屬薄膜粘接復合而成。進液閥5與出液閥6由具有彈性的金屬或有機聚合物薄膜制成。
電路控制模塊4包括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皆與壓電振子連接，所述信號分析子模塊與信號轉換模塊連接。本發(fā)明實施例的閉環(huán)壓電薄膜泵僅僅通過一個電路控制模塊4完成驅動、檢測、比較及控制的操作，簡化了整個閉環(huán)壓電薄膜泵的結構，提高了閉環(huán)壓電薄膜泵的可加工性。
如圖2及圖3所示，本發(fā)明實施例的閉環(huán)壓電薄膜泵的工作原理是根據(jù)輸送流體的目標體積，電路控制模塊4發(fā)出驅動信號，驅動壓電振子I產生變形運動，當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)運動時，泵腔32體積變大， 泵腔32內壓力小于外部壓力，形成負壓，在壓差作用下進液閥5被打開，出液閥6被關閉， 流體如圖2的箭頭所示向上流入泵腔32 ;當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)運動時，泵腔32體積變小，泵腔32內壓力大于外部壓力，形成正壓，在壓差作用下進液閥5被關閉，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轉換模塊將檢測信號轉化成電信號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CN 102536755 A號和目標流量繼續(xù)控制壓電振子I的運動。
本發(fā)明還揭示了一種采用上述的閉環(huán)壓電薄膜泵進行流量控制的流量控制方法， 該流量控制方法具體包括如下步驟
I)根據(jù)輸送流體的目標流量體積信號，電路控制模塊發(fā)出驅動信號，驅使壓電振子產生運動變形；
2)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；
3)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傳感器的微通道中；
4)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；
5)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。
上述方法實施簡單，利用了閉環(huán)壓電薄膜泵的閉環(huán)控制優(yōu)點，提高了驅動流的精度。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明實施例的閉環(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構；
(2)通過流量傳感器2與電路控制模塊4的協(xié)同工作，實現(xiàn)了流體的流量閉環(huán)控制，提聞了驅動流體的精度；
(3)該閉環(huán)壓電薄膜泵可加工性好，便于進行一致性批量制造。
最后，還需要說明的是，在本文中，諸如術語“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......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
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。
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泵基體內的泵腔，所述壓電振子、進液閥、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體積信號比較后控制壓電振子的運動變形量。
2.根據(jù)權利要求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合而成。
3.根據(jù)權利要求I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。
4.根據(jù)權利要求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皆與壓電振子連接，所述信號分析子模塊與信號轉換模塊連接。
5.一種采用權利要求I至4任一所述的閉環(huán)壓電薄膜泵進行流量控制的流量控制方法，其特征在于該流量控制方法具體包括如下步驟1)根據(jù)輸送流體的目標流量體積信號，電路控制模塊發(fā)出驅動信號，驅使壓電振子產生運動變形；2)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；3)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傳感器的微通道中；4)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；5)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。
全文摘要
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構，所述流量傳感器設有微通道及信號轉換模塊，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體積信號比較后控制壓電振子的運動變形量。本發(fā)明實施例的閉環(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，實現(xiàn)了流體的流量閉環(huán)控制，提高了驅動流體的精度，該閉環(huán)壓電薄膜泵可加工性好，便于進行一致性批量制造。
文檔編號F04B43/04GK102536755SQ20121005080
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月1日 優(yōu)先權日2012年3月1日
發(fā)明者劉吉柱, 汝長海, 潘明強, 王蓬勃, 賀文元, 陳濤, 陳立國 申請人:蘇州大學