專利名稱：波紋管式壓電液致動微流控伺服閥及其驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波紋管式壓電液致動微流控伺服閥及其驅(qū)動裝置，屬于微流體控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，微泵、微閥是微流控系統(tǒng)中主要的控制元件，也是微流控系統(tǒng)最重要的組成部分，微流體控制伺服閥的結(jié)構(gòu)，對于微流控系統(tǒng)的工作性能發(fā)揮著重要作用。微流體控制伺服閥作為一種重要的微流控元件，可以實現(xiàn)高精度微流體流動控制?，F(xiàn)有的微流控伺服微閥，雖然具有精度高、發(fā)熱少、響應(yīng)速度較快等優(yōu)點，但存在驅(qū)動電壓高、輸出力小、運(yùn)動范圍小或動態(tài)響應(yīng)差等缺點，因此需要開發(fā)一種綜合性能較好、新型的微流體伺服閥。壓電 驅(qū)動是微流控領(lǐng)域最主要的驅(qū)動方式，壓電驅(qū)動通常是將壓電膜片直接固定在被驅(qū)動執(zhí)行器上，具有結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高的優(yōu)點。但是，壓電膜片的最大變形量約為幾十微米，如果需要達(dá)到毫米級的形變，則需要采用位移放大器，液壓放大器是微流控領(lǐng)域主要的放大原件，能夠?qū)弘娔て奈⑿∽冃畏糯髱妆渡踔翈资?，其動態(tài)響應(yīng)速度快、位移控制精度高，由于液體本身具有一定的粘度，在實際控制中，液壓放大器可有效提高系統(tǒng)的阻尼比，保證微流控系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。不過，液壓放大器在實際工作中，隨著系統(tǒng)工作壓力升高，密封性能變差，油液容易產(chǎn)生泄漏，使液壓放大器的實際放大倍數(shù)變小，放大能力不能滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有微流控技術(shù)中將壓電驅(qū)動與液壓放大器配合使用的方式，存在密封可靠性差，并且液壓放大的放大倍數(shù)不穩(wěn)定的問題，提供一種波紋管式壓電液致動微流控伺服閥及其驅(qū)動裝置。本發(fā)明所述波紋管式壓電液致動微流控伺服閥，它包括壓電膜片，它還包括第一容腔保持架、波紋管、第二容腔保持架和彈性膜片，第一容腔保持架為圓桶形，且該圓桶的中心底部設(shè)置有通孔，該通孔為第一容腔保持架的出口 ；第二容腔保持架呈圓筒形，壓電膜片覆蓋并固定在第一容腔保持架上，第一容腔保持架的出口側(cè)與第二容腔保持架的入口側(cè)通過波紋管實現(xiàn)密封連通，彈性膜片覆蓋并固定在第二容腔保持架的出口偵U，壓電膜片、第一容腔保持架、波紋管、第二容腔保持架和彈性膜片圍成封閉容腔，該封閉容腔內(nèi)充滿粘液液體。第二容腔保持架的內(nèi)徑與第一容腔保持架上的通孔的內(nèi)徑相同。一種上述波紋管式壓電液致動微流控伺服閥的驅(qū)動裝置，它包括壓電伺服放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和壓力傳感器，壓力傳感器用于采集被測聚二甲基硅氧烷微流道的壓力信號，壓力傳感器的采樣信號輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣信號輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號輸出端連接微處理器的采樣信號輸入端，微處理器的控制信號輸出端連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號輸入端，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸出端連接壓電伺服放大器的壓力反饋信號輸入端，壓電伺服放大器用于輸出電壓信號給壓電膜片使其產(chǎn)生形變。當(dāng)壓電伺服放大器的輸入電壓為300V時，壓電膜片的軸向的最大變形為40um，壓電膜片、第一容腔保持架、波紋管、第二容腔保持架和彈性膜片形成的封閉容腔的放大倍數(shù)為10 20倍，該封閉容腔的最高工作壓力為IMpa。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明所述微流控伺服閥的壓電膜片、第一容腔保持架、波紋管、第二容腔保持架和彈性膜片形成的封閉容腔能夠?qū)弘娔て奈⒚准壸冃畏糯蟮胶撩准?。所述微流控伺服閥在使用時，與聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜緊貼在一起，這樣，壓電膜片的變形通過封閉容腔內(nèi)的粘液液體使PDMS薄膜產(chǎn)生變形，改變微流道的過流面積，與固定節(jié)流口共同配合，即可實現(xiàn)微流體的流動控制。其中波紋管因為具有良好的彈性，又具有較好的密封性能，能夠通過伸縮產(chǎn)生毫米級的位移輸出。 封閉容腔內(nèi)充滿的粘性液體，具有液壓阻尼特性，可有效提高系統(tǒng)阻尼比，抑制諧振峰值，保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。本發(fā)明將將壓電驅(qū)動和液壓驅(qū)動技術(shù)融合為一體，屬于混合微驅(qū)動，它具有微米級的定位精度和毫米級的運(yùn)動能力，能應(yīng)用于微驅(qū)動、微操作及微電子等領(lǐng)域。


圖I為實施方式一所述的波紋管式壓電液致動微流控伺服閥的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實施方式三的驅(qū)動裝置的閉環(huán)控制原理圖，圖中箭頭所示為微流體的流動方向，附圖標(biāo)記A處連接微流控芯片。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖I說明本實施方式，本實施方式所述波紋管式壓電液致動微流控伺服閥，它包括壓電膜片1，它還包括第一容腔保持架2、波紋管3、第二容腔保持架4和彈性膜片5，第一容腔保持架2為圓桶形，且該圓桶的中心底部設(shè)置有通孔，該通孔為第一容腔保持架2的出口 ；第二容腔保持架4呈圓筒形，壓電膜片I覆蓋并固定在第一容腔保持架2上，第一容腔保持架2的出口側(cè)與第二容腔保持架4的入口側(cè)通過波紋管3實現(xiàn)密封連通，彈性膜片5覆蓋并固定在第二容腔保持架4的出口側(cè)，壓電膜片I、第一容腔保持架2、波紋管3、第二容腔保持架4和彈性膜片5圍成封閉容腔13，該封閉容腔13內(nèi)充滿粘液液體。由于波紋管3的管壁較薄，其與第一容腔保持架2和第二容腔保持架4的連接可通過特種焊接實現(xiàn)。本實施方式的實現(xiàn)充分利用了所述封閉容腔的放大能力、液體阻尼的穩(wěn)定調(diào)節(jié)特性、壓電驅(qū)動微米級的位移精度等優(yōu)勢，將壓電膜片I微米級的微小變形經(jīng)過放大后，產(chǎn)生微米級的定位精度和毫米級的運(yùn)動能力。
具體實施方式
二 下面結(jié)合圖I說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一的進(jìn)一步說明，第二容腔保持架4的內(nèi)徑與第一容腔保持架2上的通孔的內(nèi)徑相同。
具體實施方式
三下面結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式所述實施方式一所述的波紋管式壓電液致動微流控伺服閥的驅(qū)動裝置，它包括壓電伺服放大器6、數(shù)模轉(zhuǎn)換器7、微處理器8、模數(shù)轉(zhuǎn)換器9和壓力傳感器10，壓力傳感器10用于采集被測聚二甲基硅氧烷微流道的壓力信號，壓力傳感器10的采樣信號輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器9的采樣信號輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器9的數(shù)字信號輸出端連接微處理器8的采樣信號輸入端，微處理器8的控制信號輸出端連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器7的數(shù)字信號輸入端，數(shù)模轉(zhuǎn)換器7的模擬信號輸出端連接壓電伺服放大器6的壓力反饋信號輸入端，壓電伺服放大器6用于輸出電壓信號給壓電膜片I使其產(chǎn)生形變。圖2所示，本實施方式在使用時，彈性膜片5與被測PDMS微流道11側(cè)壁上設(shè)置的 PDMS薄膜緊貼在一起，壓力傳感器10設(shè)置在微流道11的外側(cè)壁上，被測PDMS微流道11上設(shè)置有固定節(jié)流口 12、壓電膜片I、第一容腔保持架2、波紋管3、第二容腔保持架4和彈性膜片5形成的封閉容腔13形成了一個液壓放大器，粘液液體作為液壓放大器的工作介質(zhì)。本實施方式能夠?qū)弘娔て琁的微米級變形放大到毫米級，達(dá)到PDMS微流道11的最大形變要求。根據(jù)微流控系統(tǒng)的控制需要，本實施方式可以實現(xiàn)微流道11的壓力、流量等閉環(huán)控制。
具體實施方式
四下面結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式三的進(jìn)一步說明，當(dāng)壓電伺服放大器6的輸入電壓為300V時，壓電膜片I的軸向的最大變形為40um，壓電膜片I、第一容腔保持架2、波紋管3、第二容腔保持架4和彈性膜片5形成的封閉容腔的放大倍數(shù)為10 20倍，該封閉容腔的最高工作壓力為IMpa。下面以微流道11的壓力閉環(huán)控制為例，說明本發(fā)明實現(xiàn)微流道壓力閉環(huán)控制的工作原理。圖2中所示，在微流道11的側(cè)面接入微小壓力傳感器10，封閉容腔13由大腔和小腔組成。壓電伺服放大器6給壓電膜片I輸入一定頻率的電壓信號，使壓電膜片I產(chǎn)生變形，由壓電膜片I驅(qū)動液體封閉容腔的大腔動作，使得液體封閉容腔內(nèi)的粘性液體受到作用力，由于粘性液體的可壓縮性較小，可以忽略不計，這樣，液體封閉容腔13的大腔容積減小，而液體總體積不變，所以液體封閉容腔小腔，即波紋管容腔的體積要變大，最后，在粘性液體作用力和波紋管3彈性力的綜合作用下，波紋管3將沿軸向產(chǎn)生變形。這樣，給壓電膜片I輸入電壓，使其產(chǎn)生微米級的微小變形，經(jīng)過液壓放大器放大后，能夠使波紋管產(chǎn)生毫米級的位移輸出，實現(xiàn)位移放大。由壓電伺服放大器6給壓電膜片I輸入電壓信號，改變壓電膜片I的變形量，經(jīng)過液壓放大器作用后實現(xiàn)波紋管3的伸縮，經(jīng)彈性膜片5作用于PDMS薄膜使其產(chǎn)生變形，通過增大或減小PDMS薄膜的變形量，可以改變微流道11的過流面積，這樣，在微流道11中形成一個可變節(jié)流口。當(dāng)微流道11的壓力發(fā)生改變時，由微小壓力傳感器10測量，給伺服控制系統(tǒng)輸入壓力反饋信號，通過與設(shè)定壓力比較，由壓電伺服放大器6給壓電膜片I輸出電壓信號，使壓電膜片I的變形量發(fā)生變化，經(jīng)過液壓放大器作用后，PDMS薄膜的變形量改變，微流道可變節(jié)流口的開度也相應(yīng)變化。這樣，調(diào)節(jié)可變節(jié)流口的開度，即彈性膜片5處形成的開度，與固定節(jié)流口 12共同配合調(diào)節(jié)，可以改變微流道11中的壓力分布，實現(xiàn)微流道壓力的閉環(huán)控制。
使用中，根據(jù)微流控系統(tǒng)的控制需要，可在微流道11中接入壓力、流量等測量元件。
權(quán)利要求
1.一種波紋管式壓電液致動微流控伺服閥，它包括壓電膜片(1)，其特征在于它還包括第一容腔保持架(2)、波紋管(3)、第二容腔保持架(4)和弾性膜片(5)， 第一容腔保持架(2)為圓桶形，且該圓桶的中心底部設(shè)置有通孔，該通孔為第一容腔保持架(2)的出口 ；第二容腔保持架(4)呈圓筒形， 壓電膜片(I)覆蓋并固定在第一容腔保持架(2)上，第一容腔保持架(2)的出口側(cè)與第ニ容腔保持架(4)的入口側(cè)通過波紋管(3)實現(xiàn)密封連通，弾性膜片(5)覆蓋并固定在第二容腔保持架(4)的出口側(cè)， 壓電膜片(I)、第一容腔保持架(2)、波紋管(3)、第二容腔保持架(4)和弾性膜片(5)圍成封閉容腔(13 )，該封閉容腔(13 )內(nèi)充滿粘液液體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波紋管式壓電液致動微流控伺服閥，其特征在于第二容腔保持架(4)的內(nèi)徑與第一容腔保持架(2)上的通孔的內(nèi)徑相同。
3.—種權(quán)利要求I所述波紋管式壓電液致動微流控伺服閥的驅(qū)動裝置，其特征在干，它包括壓電伺服放大器(6)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(7)、微處理器(8)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)和壓カ傳感器(10)， 壓カ傳感器(10)用于采集被測聚ニ甲基硅氧烷微流道的壓カ信號，壓カ傳感器(10)的采樣信號輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)的采樣信號輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)的數(shù)字信號輸出端連接微處理器(8)的采樣信號輸入端，微處理器(8)的控制信號輸出端連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器(7)的數(shù)字信號輸入端,數(shù)模轉(zhuǎn)換器(7)的模擬信號輸出端連接壓電伺服放大器(6)的壓力反饋信號輸入端，壓電伺服放大器(6 )用于輸出電壓信號給壓電膜片(I)使其產(chǎn)生形變。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的波紋管式壓電液致動微流控伺服閥的驅(qū)動裝置，其特征在于，當(dāng)壓電伺服放大器(6 )的輸入電壓為300V時，壓電膜片(I)的軸向的最大變形為40um，壓電膜片(I)、第一容腔保持架(2)、波紋管(3)、第二容腔保持架(4)和弾性膜片(5)形成的封閉容腔的放大倍數(shù)為10 20倍，該封閉容腔的最高工作壓カ為IMpa。
全文摘要
波紋管式壓電液致動微流控伺服閥及其驅(qū)動裝置，屬于微流體控制技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有微流控技術(shù)中將壓電驅(qū)動與液壓放大器配合使用的方式，存在密封可靠性差，并且液壓放大的放大倍數(shù)不穩(wěn)定的問題。伺服閥的第一容腔保持架為圓桶形，且該圓桶的中心底部設(shè)置有通孔，壓電膜片覆蓋并固定在第一容腔保持架上，第一容腔保持架的出口側(cè)與第二容腔保持架的入口側(cè)通過波紋管實現(xiàn)密封連通，彈性膜片覆蓋并固定在第二容腔保持架的出口側(cè)；驅(qū)動裝置包括壓電伺服放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和壓力傳感器。本發(fā)明適用于壓電液致動微流控系統(tǒng)中。
文檔編號F16K31/02GK102818069SQ20121031002
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者李松晶, 曾文, 佟志忠, 劉旭玲 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)