專(zhuān)利名稱(chēng)：基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)式微泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微流量液體的輸送裝置,屬于微流體控制、微機(jī)械技術(shù) 領(lǐng)域。(二) 背景技術(shù)近年來(lái)，微流量系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究是世界各國(guó)爭(zhēng)相投入的前沿課題，美 國(guó)、歐洲、日本等國(guó)的科研人員，正在這一領(lǐng)域開(kāi)展大規(guī)模的研究。微流量系統(tǒng) 能夠精確檢測(cè)和控制每分鐘微升量級(jí)的流量，在藥物微量輸送、釋放、微量液體 采樣、油料微量噴射、細(xì)胞分離、集成電子元件冷卻以及微量化學(xué)分析、航天等 領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。作為該系統(tǒng)核心部分的微型泵，已成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外 學(xué)者的研究熱點(diǎn)。另外微泵因能輸注定量液體，控制輸注速度，用來(lái)輸注要求用 量準(zhǔn)確、輸入速度穩(wěn)定的特殊藥物，如強(qiáng)心劑、血管活性藥物等，因而在生物醫(yī) 學(xué)中廣泛使用。例如，糖尿病人以往都是一次注射較大劑量的胰島素，這不僅造 成浪費(fèi)。而且藥效作用時(shí)問(wèn)也較短，因此極需要一種流量能微量控制的持續(xù)的滴 液裝置。在這類(lèi)流量精細(xì)控制和檢測(cè)系統(tǒng)中，微小型泵是一個(gè)基本元件。微泵的 研究始于20世紀(jì)80年代初Stanford大學(xué)的Wallmark和Smits。他們研究的泵 是蠕動(dòng)式微泵，沿泵體管道布置三個(gè)壓電片，順次通電，壓電片蠕動(dòng)使得流體從 進(jìn)口流動(dòng)到出口。其流量為3ul/min，驅(qū)動(dòng)電壓為80V，工作頻率為15Hz，背壓 為6kPa。 Benard首先將形狀記憶合金用于微泵的驅(qū)動(dòng)。通過(guò)給形狀記憶合金加 熱和冷卻可以為驅(qū)動(dòng)器提供動(dòng)力源。由于熱傳遞速度的限制，該泵的工作頻率不 高。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為0. 9A，頻率為0. 9 Hz時(shí)，該泵抽吸水的最大流量為49ul/min， 可以達(dá)到的最大背壓為4.23 kPa。申請(qǐng)者曾研制出一種通過(guò)記憶合金彈簧的收縮，從外部擠壓甭管的蠕動(dòng)式微 泵，該泵為單入單出外部驅(qū)動(dòng)的管狀結(jié)構(gòu)，能進(jìn)行單一液體的蠕動(dòng)式液體泵送， 驅(qū)動(dòng)電壓為5V，流量范圍為400ul/min-3200ul/min.還研制出電磁螺線管作為驅(qū) 動(dòng)器的在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的微泵。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在微泵研究方面取得了很多研究成果,但是到目前為止微泵的 驅(qū)動(dòng)電壓比較高，而且在同一時(shí)間只能輸送一種液體，無(wú)法滿足生物醫(yī)學(xué)及工業(yè) 控制上對(duì)多種不同液體的微量配給和微量輸送。(三) 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種具有低電壓驅(qū)動(dòng)，體積小、成本低、對(duì)多種不同的液體可以按照指定的比例混合輸出，且流量可控的基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的復(fù) 合型蠕動(dòng)式微泵。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的每個(gè)蠕動(dòng)式微泵由至少一個(gè)微泵單元組成，每個(gè)微泵單元由外部泵管、內(nèi)部彈性乳膠膜管和SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器組成，內(nèi)部彈性乳 膠膜管置于外部泵管內(nèi)， 一組SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器并排布置于內(nèi)部彈性乳膠膜管內(nèi)， 每個(gè)SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器由呈球形分布的彈性膨脹桿、固定在彈性膨脹桿內(nèi)的兩個(gè)固 定接頭和連接在兩個(gè)固定接頭之間的SMA彈簧組成，SMA彈簧通過(guò)導(dǎo)線與單片機(jī) 控制電路相連。本發(fā)明還可以包括1、 每個(gè)蠕動(dòng)式微泵由兩個(gè)或兩個(gè)以上微泵單元并聯(lián)組成，每個(gè)微泵單元有 獨(dú)立的進(jìn)水口，每個(gè)微泵單元的出口處匯合成一路輸出。2、 每個(gè)蠕動(dòng)式微泵由三個(gè)微泵單元并聯(lián)，三個(gè)微泵單元呈三角形排列。3、 內(nèi)部彈性乳膠膜管與外部泵管完全隔離，內(nèi)部彈性乳膠膜管上有用來(lái)進(jìn) 行散熱、充當(dāng)通氣孔以及走線的外界通孔。本發(fā)明的復(fù)合型蠕動(dòng)式微泵系統(tǒng)采用形狀記憶合金微驅(qū)動(dòng)器，可以在較低 的電壓下工作，并且可以根據(jù)流量要求使各微泵單元協(xié)調(diào)工作，以達(dá)到整個(gè)微泵 系統(tǒng)可以對(duì)多種液體按照指定比例混合輸出的要求。本發(fā)明的一種應(yīng)用是進(jìn)行人 體靜脈輸液，通過(guò)采集人體脈搏、血壓信號(hào)作為反饋控制來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整混合藥物的 比例和輸液量。如圖l所示。該蠕動(dòng)式微泵系統(tǒng)具有低電壓驅(qū)動(dòng)，體積小、成本低、對(duì)多種不同的液體可 以按照指定的比例混合輸出，且流量可控等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療領(lǐng)域中的藥物配給輸送 方面有著廣泛的應(yīng)用前景。采用形狀記憶合金(SMA)作為驅(qū)動(dòng)器，將多個(gè)驅(qū)動(dòng)膨脹單元連同管狀結(jié)構(gòu)的泵體串聯(lián)在一起，組成一個(gè)微泵單元。驅(qū)動(dòng)器靠低電壓作用導(dǎo)致本體溫度升高 直接驅(qū)動(dòng)其形變。進(jìn)行內(nèi)部膨脹輸送方式的創(chuàng)新研究，由內(nèi)部膨脹和收縮引起管 體體積的變化，多個(gè)驅(qū)動(dòng)器按照一定的形式交替工作，類(lèi)似于腸道蠕動(dòng)的形式， 完成液體的輸送。由于驅(qū)動(dòng)電壓較小，能源由微小電池提供。根據(jù)不同作業(yè)的特 點(diǎn)，可以將多個(gè)微泵單元并聯(lián)到一起，組成微泵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液體按一定比例的配 置、混合。整個(gè)微泵系統(tǒng)由2伏的低電壓供電，可以通過(guò)調(diào)整控制信號(hào)對(duì)各個(gè)微 泵單元的輸出流量進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)整個(gè)微泵系統(tǒng)的輸出流量和輸出比例進(jìn)行控制。泵體的內(nèi)部機(jī)構(gòu)和整個(gè)微泵系統(tǒng)的整體構(gòu)造對(duì)系統(tǒng)的工作性能有重要的影 響。本發(fā)明中SMA驅(qū)動(dòng)的膨脹單元外包彈性乳膠膜，利用SMA彈簧的加熱收縮帶 動(dòng)彈性支架撐開(kāi)泵管，形成局部膨脹，液體被擠出泵管，該單元加熱結(jié)束后彈簧 在泵管彈性膜的壓力、彈性桿的回復(fù)力以及自身的散熱條件下，冷卻恢復(fù)到拉伸 狀態(tài)，如圖2所示，管狀彈性乳膠膜收縮，與此同時(shí)下一個(gè)單元的SMA彈簧開(kāi)始 加熱，完成同樣的動(dòng)作，如圖3所示，液體進(jìn)入下一個(gè)單元。同一根泵管由至少 3個(gè)膨脹單元串聯(lián)起來(lái)交替工作，產(chǎn)生蠕動(dòng)式的效果，如圖4所示(l為外側(cè)泵 管，2為彈性乳膠膜，3為導(dǎo)線)，每一個(gè)膨脹單元都有獨(dú)立的控制線。復(fù)合式微 泵整體結(jié)構(gòu)是由3根這樣的泵管并聯(lián)起來(lái)分別進(jìn)行控制，完成不同液體、不同比 例的混合型輸入，如圖5所示。本發(fā)明還具有以下優(yōu)點(diǎn)-1. SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器位于液體中間，與液體通道隔離，自成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng) 并與外界空氣聯(lián)通。2. 整體采用透明材料，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)情況及液體流動(dòng)情況清晰可見(jiàn)。3. 無(wú)外部動(dòng)作機(jī)構(gòu)。4. 三根泵管各自獨(dú)立，控制電壓和頻率分別可調(diào)。5. 具有體積小、成本低等特點(diǎn)，適用于醫(yī)學(xué)上藥物配給、藥物輸送等方面。 本發(fā)明的微泵單元可以組合成并聯(lián)式的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多種不同液體的微量配給和微量輸送。(四)


圖1是本發(fā)明的應(yīng)用狀態(tài)連接框圖；圖2是本發(fā)明的SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器拉伸冷卻狀態(tài)下膨脹單元示意圖；圖3是本發(fā)明的SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器加熱時(shí)膨脹單元狀態(tài)示意圖；圖4是本發(fā)明的單個(gè)微泵單元示意圖；圖5為本發(fā)明的整體復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明中三組控制信號(hào)的一種控制時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖4，每個(gè)微泵單元由至少三個(gè)膨脹單元組成，微泵單元由外部泵管l、 內(nèi)部彈性乳膠膜管2和SMA彈簧驅(qū)動(dòng)的膨脹單元4組成，內(nèi)部彈性乳膠膜管置于 外部泵管內(nèi)， 一組膨脹單元并排布置于內(nèi)部彈性乳膠膜管內(nèi)，同時(shí)結(jié)合圖2和圖 3，每個(gè)膨脹單元由呈球形分布的彈性膨脹桿5、固定在彈性膨脹桿內(nèi)的兩個(gè)固定接頭6和連接在兩個(gè)固定接頭之間的SMA彈簧7組成，SMA彈簧通過(guò)導(dǎo)線3與 單片機(jī)控制電路相連。結(jié)合圖5，本發(fā)明的微泵在整體上具有復(fù)合結(jié)構(gòu)，將三個(gè)微泵單元并聯(lián)組成 復(fù)合式蠕動(dòng)式微泵，每個(gè)微泵單元有獨(dú)立的進(jìn)水口，每個(gè)微泵單元的出口處匯合 成一路輸出。內(nèi)部彈性乳膠膜管與外部泵管完全隔離，內(nèi)部彈性乳膠膜管上有用 來(lái)進(jìn)行散熱、充當(dāng)通氣孔以及走線的外界通孔。微泵工作過(guò)程自由狀態(tài)時(shí)，形狀記憶合金彈簧在彈性膨脹桿的張力及彈性 膜的收縮力下被拉伸，球體呈橢圓形。通電加熱時(shí)形狀記憶合金收縮，球體膨脹 成圓形，管內(nèi)通道幾乎封閉，液體向球膨脹部位的兩端流去，與此同時(shí)下一個(gè)膨 脹單元開(kāi)始通電變形，由于第一個(gè)膨脹單元此刻的形狀記憶合金由于散熱需要時(shí) 間，仍處于收縮狀態(tài)，該處的管內(nèi)通道仍處于近似封閉的狀態(tài)，起到單向閥的作 用，大部分液體向下一個(gè)單元處流動(dòng)。同理接下來(lái)第三個(gè)單元膨脹，液體則從泵 管出口被擠出。當(dāng)二、三單元處于膨脹狀態(tài)的時(shí)候第一單元已經(jīng)受力冷卻，彈簧 恢復(fù)到拉伸狀態(tài)，膨脹體變?yōu)闄E圓形變小，由于二、三單元的膨脹堵住泵管出口 方向，液體不容易回流，故只能從入口進(jìn)入液體。每一步動(dòng)作都保證液體向出口 流動(dòng)，有效的減少了逆流。再通過(guò)一個(gè)周期的蠕動(dòng)，該部分液體也被輸送到出口。 整個(gè)微泵系統(tǒng)協(xié)調(diào)地、持續(xù)地動(dòng)作即能完成不同液體按比例的混合輸送。不同的控制電壓及控制信號(hào)頻率可以使SMA形成不同的加熱速度及加熱程 度，從而使彈簧收縮引起的內(nèi)部膨脹有所不同，同時(shí)，泵管內(nèi)部體積變化也不同， 所以可以利用對(duì)每根泵管電壓和頻率的分別控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出不同流量、不同比 例的控制。例如在同樣的電壓幅值下，若要實(shí)現(xiàn)三種液體按照近似2:1:3比例進(jìn) 行輸出，所需要的各單元控制信號(hào)的頻率關(guān)系見(jiàn)圖6。本發(fā)明的一種實(shí)施方式的技術(shù)指標(biāo)為微泵外形的整體尺寸為8cmX3cmX 2.8cm (長(zhǎng)X寬X高)，總重量為16.3g，使用的鎳鈦SMA彈簧長(zhǎng)度為lcm，絲徑 0.8mrn，彈簧內(nèi)徑4.5mm，相變溫度為50度。泵管為醫(yī)用橡膠管，采用乳膠膜作 為彈性膨脹膜。本發(fā)明的SMA彈簧由螺絲固定在擴(kuò)張圓球內(nèi)部、兩端的泵管接頭處由四通接 頭連接，泵管的所有接頭處均用防水膠做密封處理。
權(quán)利要求
1、基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)式微泵，每個(gè)蠕動(dòng)式微泵由至少一個(gè)微泵單元組成，其特征是每個(gè)微泵單元由外部泵管、內(nèi)部彈性乳膠膜管和SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器組成，內(nèi)部彈性乳膠膜管置于外部泵管內(nèi)，一組SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器并排布置于內(nèi)部彈性乳膠膜管內(nèi)，每個(gè)SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器由呈球形分布的彈性膨脹桿、固定在彈性膨脹桿內(nèi)的兩個(gè)固定接頭和連接在兩個(gè)固定接頭之間的SMA彈簧組成，SMA彈簧通過(guò)導(dǎo)線與單片機(jī)控制電路相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)式微泵，其特征是 每個(gè)蠕動(dòng)式微泵由兩個(gè)或兩個(gè)以上微泵單元并聯(lián)組成，每個(gè)微泵單元有獨(dú)立的 進(jìn)水口，每個(gè)微泵單元的出口處匯合成一路輸出。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)式微泵，其特征是 每個(gè)蠕動(dòng)式微泵由三個(gè)微泵單元并聯(lián)，三個(gè)微泵單元呈三角形排列。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)式微泵， 其特征是內(nèi)部彈性乳膠膜管與外部泵管完全隔離，內(nèi)部彈性乳膠膜管上有用 來(lái)進(jìn)行散熱、充當(dāng)通氣孔以及走線的外界通孔。
全文摘要
本發(fā)明提供的是基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的復(fù)合型蠕動(dòng)式微泵。整個(gè)微泵由三個(gè)獨(dú)立控制的微泵單元組成，每個(gè)微泵單元由外部泵管、內(nèi)部彈性乳膠膜管和膨脹單元組成，每個(gè)蠕動(dòng)式微泵內(nèi)包含三個(gè)按串聯(lián)方式排列的膨脹單元，每根形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)一個(gè)膨脹單元，內(nèi)部彈性乳膠膜管置于外部泵管內(nèi)，膨脹單元置于內(nèi)部彈性乳膠膜管內(nèi)。每個(gè)膨脹單元由呈球形分布的彈性膨脹桿、固定在彈性膨脹桿內(nèi)的兩個(gè)固定接頭和連接在兩個(gè)固定接頭之間的SMA彈簧組成，SMA彈簧通過(guò)導(dǎo)線與單片機(jī)控制電路相連。本發(fā)明具有低電壓驅(qū)動(dòng)，體積小、成本低、對(duì)多種不同的液體可以按照指定的比例混合輸出，且流量可控等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療領(lǐng)域中的藥物配給輸送方面有著廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)F04B43/12GK101324228SQ20081006494
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月18日
發(fā)明者嚴(yán)孝男, 葉秀芬, 孫雪松, 郭書(shū)祥 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)