專利名稱：自感知壓電隔膜泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微流體傳輸與控制領(lǐng)域應(yīng)用的微小精密壓電泵，具體涉及一種自感知壓電隔膜泵。
背景技術(shù)：
作為壓電驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)重要分支，壓電隔膜泵以其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、反應(yīng)快、無電磁干擾、易于操作、流量/壓力可控性好等諸多優(yōu)勢，在醫(yī)療、化學(xué)分析、航空航天、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及燃料電池的燃料供給、微機(jī)電液系統(tǒng)等方面都有廣泛的應(yīng)用前景，其研制開發(fā)備受世界各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。為滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求，人們提出了多種結(jié)構(gòu)形式的壓電隔膜泵。盡管所提出的壓電隔膜泵結(jié)構(gòu)形式及性能差異較大，但都是利用薄片型壓電振子在電場作用下產(chǎn)生的彎曲變形實(shí)現(xiàn)流體驅(qū)動(dòng)的。因壓電隔膜泵的每個(gè)工作循環(huán)輸出的流體即為薄片型壓電振子變形所引起的泵腔的容積變化量，故可實(shí)現(xiàn)流量及壓力的精確控制，尤其適用于藥品控釋(如中國專利200610016573.9,200610030183. 7)、化學(xué)試劑配比 (如中國專利200810050550. 9)等方面。然而，在實(shí)際工作中壓電隔膜泵的輸出流量及壓力受工作條件的影響較大，除驅(qū)動(dòng)電壓、頻率外，流體粘度、溫度以及輸出壓力等變化也都會影響壓電振子的變形量(即壓電泵的流量)。因此，單純地采用調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓和頻率的方法尚無法獲得較高的輸出精度，在藥品控釋、化學(xué)分析以及燃料電池等要求流量及壓力控制精確較高的場合仍需采用流量及壓力測量儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，這不僅增加了使用成本，也增加了系統(tǒng)的體積、重量及復(fù)雜程度，嚴(yán)重地阻礙了壓電隔膜泵在微機(jī)電系統(tǒng)及便攜類產(chǎn)品中的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為提高壓電隔膜泵的輸出精度和可控性、降低成本、減小系統(tǒng)總體的體積和重量， 本發(fā)明提出一種自感知壓電隔膜泵，即利用包含驅(qū)動(dòng)器及傳感器的復(fù)合型薄片式壓電振子同步實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)與性能監(jiān)測，無需其它壓力及流量測量儀器。本發(fā)明的自感知壓電隔膜泵，至少包括一個(gè)復(fù)合型薄片式壓電振子、一個(gè)泵體、一個(gè)泵蓋、一組控制流體運(yùn)動(dòng)方向的單向閥以及一個(gè)控制電源。所述復(fù)合型薄片式壓電振子由泵體和泵蓋夾持，所述泵體上安裝有進(jìn)口閥和出口閥；所述進(jìn)出口閥、泵體、壓電振子共同構(gòu)成泵腔；所述復(fù)合型薄片式壓電振子是由驅(qū)動(dòng)器(PZT壓電晶片)、金屬基板及傳感器 (PVDF壓電薄膜粘)接而成的復(fù)合結(jié)構(gòu)；所述壓電振子的傳感器及驅(qū)動(dòng)器分別經(jīng)導(dǎo)線與控制電源相連。本發(fā)明的特征在于，當(dāng)壓電振子的驅(qū)動(dòng)器受外加電壓作用產(chǎn)生彎曲變形時(shí)，所述傳感器也受迫彎曲并產(chǎn)生電能；其特征還在于，傳感器生成的電能經(jīng)適當(dāng)轉(zhuǎn)換處理后用于表征壓電泵的輸出壓力和流量。當(dāng)所述控制電源開啟并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，壓電振子的驅(qū)動(dòng)器受電壓(輸入電壓、一0 —Vtl)作用使其向泵腔內(nèi)彎曲，泵腔容積減小(流體壓力增加)、進(jìn)口閥關(guān)閉、出口閥開啟，所述泵腔內(nèi)的流體經(jīng)出口閥排出，此為流體排出過程；在所述流體排出過程中，壓電振子的傳感器也隨同壓電振子向泵腔內(nèi)部彎曲，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能(電壓逐步增加，-vg —0 —vg)。當(dāng)控制電源的輸出電壓換向后(K —0 —-Vtl),驅(qū)動(dòng)器使壓電振子向泵腔的外部彎曲，致使所述泵腔容積增加、進(jìn)口閥開啟、出口閥關(guān)閉，流體由進(jìn)口閥進(jìn)入泵腔， 此為吸入過程；在吸入過程中，壓電振子的傳感器受力狀態(tài)發(fā)生變化，并使其輸出電壓開始下降(Vg — 0 — -Vg)。在頻率及驅(qū)動(dòng)電壓確定時(shí)，壓電泵輸出流量和輸出壓力之間存在較好的線性關(guān)系當(dāng)輸出壓力為零時(shí)壓電振子變形量(泵腔容積變化量或流量)最大，所對應(yīng)傳感器的輸出電壓也最大；相反，輸出壓力最大時(shí)，壓電振子變形量(泵腔容積變化量或流量)最小，所對應(yīng)的傳感單元輸出的電壓也最小。因此，根據(jù)壓電振子中傳感器的輸出電壓即可求得壓電泵的輸出壓力及流量。本發(fā)明特點(diǎn)及優(yōu)勢在于利用包含驅(qū)動(dòng)器及傳感器的復(fù)合型薄片式壓電振子同步實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)與傳感監(jiān)測，無需額外的壓力及流量測量儀器即可獲得壓電泵輸出流量及壓力。


圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中自感知壓電隔膜泵的結(jié)構(gòu)及其剖面示意2是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中自感知壓電隔膜泵排程、吸程結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中壓電驅(qū)動(dòng)器輸入電壓及傳感器輸出電壓波形
具體實(shí)施例方式如圖1所示，復(fù)合型薄片式壓電振子1安裝于泵體2的內(nèi)部，并通過泵蓋3夾緊； 所述泵體2和泵蓋3通過螺釘4連接；所述泵體2上安裝有進(jìn)口閥6和出口閥7 ；壓電振子 1、泵體2、進(jìn)口閥6和出口閥7共同構(gòu)成泵腔5。復(fù)合型薄片式壓電振子1由PZT壓電晶片驅(qū)動(dòng)器10、金屬基板11和PVDF壓電薄膜傳感器12粘接而成；所述PZT壓電驅(qū)動(dòng)器10和 PVDF壓電傳感器12分別通過導(dǎo)線組81和導(dǎo)線組82與控制電源8相連。如圖2、圖3所示，當(dāng)所述控制電源8開啟并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，壓電驅(qū)動(dòng)器10受電壓(輸入電壓-K —0 —Vtl)作用使壓電振子1向泵腔5的內(nèi)彎曲，進(jìn)而使所述泵腔5的容積減小(流體壓力增加)、進(jìn)口閥6關(guān)閉、出口閥7開啟，所述泵腔5內(nèi)的流體經(jīng)出口閥7排出，此為流體排出過程；在所述流體排出過程中，壓電傳感器12也隨同壓電振子1向泵腔5 內(nèi)部彎曲，所述壓電傳感器12的輸出電壓逐步增加(_Vg —0 —Vg)。當(dāng)控制電源8的輸出電壓換向后％ —0 —-Vtl),壓電驅(qū)動(dòng)器10使壓電振子1向泵腔5的外部彎曲，致使所述泵腔5容積增加、進(jìn)口閥6開啟、出口閥7關(guān)閉，流體由進(jìn)口閥6進(jìn)入，此為吸入過程；進(jìn)入吸入過程后，壓電傳感器的受力狀態(tài)發(fā)生變化，并使輸出電壓開始下降(Vg — 0 — -Vg)。在上述實(shí)施例壓電泵的排程與吸程過程中，壓電泵的瞬時(shí)輸出壓力、流量以及傳感器12的輸出電壓都是由壓電振子1的彎曲變形狀態(tài)所確定的。此外，當(dāng)頻率及驅(qū)動(dòng)電壓確定時(shí)，壓電泵輸出流量和輸出壓力之間存在較好的線性關(guān)系泵的輸出壓力為零時(shí)，壓電振子1的變形量(泵腔5容積變化量或泵的流量)最大，所對應(yīng)壓電傳感器12的輸出電壓也最大；相反，泵的輸出壓力最大時(shí)，壓電振子1的變形量(泵腔5的容積變化量或泵的流量)最小，所對應(yīng)的壓電驅(qū)動(dòng)器12的輸出電壓也最小。因此，本發(fā)明采用壓電傳感器12的輸出電壓來表征壓電泵的輸出壓力和流量。
權(quán)利要求
1.一種自感知壓電隔膜泵，由一個(gè)驅(qū)動(dòng)-傳感一體的復(fù)合型薄片式壓電振子、一個(gè)泵體、一個(gè)泵蓋、一組安裝于泵體上的單向閥以及一個(gè)控制電源構(gòu)成。其特征在于，所述復(fù)合型薄片式壓電振子由PZT壓電晶片、金屬基板和PVDF壓電薄膜依次粘接而成，其中PZT壓電晶片和PVDF壓電薄膜分別用于驅(qū)動(dòng)和傳感；其特征還在于，當(dāng)所述PZT壓電晶片受外加電壓作用發(fā)生彎曲變形時(shí)，所述PVDF壓電薄膜也發(fā)生彎曲變形并產(chǎn)生電能，所產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后用于表征壓電泵的輸出壓力和流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的自感知壓電隔膜泵，其特征在于，PVDF壓電薄膜粘接在PZT壓電晶片上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自感知壓電隔膜泵，至少包括一個(gè)復(fù)合型薄片式壓電振子、一個(gè)泵體、一個(gè)泵蓋、一組控制流體運(yùn)動(dòng)方向的單向閥以及一個(gè)控制電源。其特征在于，所述的復(fù)合型薄片式壓電振子由PZT壓電晶片(用作驅(qū)動(dòng)器)、金屬基板和PVDF壓電薄膜(用作傳感器)依次粘接而成，所述壓電驅(qū)動(dòng)器和壓電傳感器分別通過導(dǎo)線控制電源相連；當(dāng)壓電驅(qū)動(dòng)器受外加電壓作用發(fā)生彎曲變形時(shí)，所述壓電傳感器也發(fā)生彎曲變形并產(chǎn)生電能所產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)適當(dāng)轉(zhuǎn)換處理后用于表征壓電泵的輸出壓力與流量。本發(fā)明優(yōu)勢在于利用一個(gè)復(fù)合型薄片式壓電振子實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)與傳感監(jiān)測兩種功能，無需其它壓力及流量測量儀器即可實(shí)現(xiàn)壓電泵輸出性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
文檔編號F04B43/04GK102374158SQ201110181209
公開日2012年3月14日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者張忠華, 溫建明, 王淑云, 程光明, 蔣永華, 闞君武 申請人:浙江師范大學(xué)