一种基于可变弹性模量的复合薄膜压电微泵

摘要

本发明提出了一种基于可变弹性模量的复合薄膜压电微泵，旨在提高微泵泵送量，同时降低驱动电压，简化微泵结构，提高微泵在工作时的可靠性，包括上盖板、进口阀、上框架、泵膜、下框架、下盖板和出口阀。上盖板固定在上框架上表面，其上设置有进口阀口，进口阀安装在该阀口的下端，下盖板固定在下框架下表面，其上设置有出口阀口，出口阀安装在该阀口的下端；所述泵膜由第一导电层、第一介质层、第二导电层、驱动电极、第三导电层和第二介质层复合而成，固定在上框架和下框架之间，形成容积可变的泵腔。本发明微泵在低驱动电压下可实现泵腔容积的大变形，响应时间快，同时具有绿色环保的特性，可用于流体微量传送系统中。

说明书

技术领域

本发明属于微机电技术领域，涉及一种压电微泵，特别涉及一种基于可变弹性模量的复合薄膜压电微泵，可用于流体微量传送系统中。

背景技术

微泵是微流量控制系统的核心部件，是实现微流量供给的动力元件。作为一种重要的微型执行器，目前微泵广泛应用于药物输送、细胞分离、DNA合成、微量流体供给、精确控制、芯片冷却系统和微型卫星等，成为近年来的研究热点。

按照驱动方式，微泵可分为静电微泵、电磁微泵、压电微泵、气动微泵、热致动气泡微泵、液体动力微泵、热致动双金属微泵、形状记忆合金微泵、电化学微泵和离子致动微泵等。压电微泵是利用压电晶体的压电效应产生驱动力，并将它作为微泵泵膜形变的驱动力的来源，其具有结构简单，易于实现，响应时间短，致动力大，可控性好、能量转换效率高等优点，目前研究较为活跃，但其实现大变形所需驱动电压偏高，且压电膜片在高频周期性工作时易发生疲劳破坏，可靠性差，限制了其应用范围。目前微泵的主要研究目标都是是力求降低驱动电压、提高响应速度、增加驱动力、增加泵送量、提高可靠性等。

例如申请公开号为CN104832404A，名称为“一种基于PDMS的压电微泵”的专利申请，公开了一种基于PDMS的压电微泵，其结构如图1所示，包括压电振子1、PDMS泵体2、PMMA垫圈3、阀片4、垫圈上的凹槽5、阀片定位边6、出水口7和进水口8，对压电振子1输入驱动激励信号，压电振子会周期性地上下弯曲振动，从而引起腔体容积和压力的周期性变化，进而在单向阀4周期性开启关闭的配合作用下，实现排水和吸水。虽然这种结构能够泵送某些特殊性质的液体，具有良好透明度，但存在以下问题：

1)在实现泵腔体容积大变化量时所需驱动电压较大；

2)采用单层压电振子驱动，高频周期性工作时，容易发生疲劳损坏，可靠性差。

3)结构复杂，加工工艺成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于可变弹性模量的复合薄膜压电微泵，旨在提高微泵泵送量，降低驱动电压，并简化微泵结构，同时提高微泵在工作时的可靠性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于可变弹性模量的复合薄膜压电微泵，包括上盖板1、进口阀2、上框架3、泵膜4、下框架5、下盖板6和出口阀7；所述泵膜4固定在上框架3和下框架5之间，形成容积可变的泵腔，该泵膜4采用复合薄膜，由第一导电层31、第一介质层32、第二导电层33、驱动电极34、第三导电层35和第二介质层36复合而成，用于实现泵腔容积的扩张与收缩，其中第一介质层32采用记忆性材料，驱动电极34采用压电材料；所述上盖板1固定在上框架3上表面，其上设置有进口阀口，通过进口阀2控制液体的泵入；所述下盖板6固定在下框架5下表面，其上设置有出口阀口，通过出口阀7控制液体的泵出；所述第二介质层36位于泵腔一侧。

上述基于可变弹性模量可变的复合薄膜压电微泵，所述上盖板1、进口阀2、上框架3、下框架5、下盖板6、出口阀7和第二介质层36，均采用疏水性材料。

上述基于可变弹性模量可变的复合薄膜压电微泵，所述第一导电层31、第二导电层33和第三导电层35，均采用石墨烯材料。

上述基于可变弹性模量可变的复合薄膜压电微泵，所述第一介质层32，采用掺杂有碳纳米管的形状记忆聚合物。

上述基于可变弹性模量可变的复合薄膜压电微泵，所述第二介质层36，采用聚二甲基硅氧烷材料。

上述基于可变弹性模量可变的复合薄膜压电微泵，所述驱动电极34，采用钛酸铋钠基无铅压电陶瓷。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)本发明由于泵膜采用复合薄膜，其中的驱动电极采用的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷具有大电致应变，第一介质层采用弹性模量可变的掺杂碳纳米管的形状记忆聚合物，且其具有超大变形能力和良好的导电能力，以及第一导电层、第二导电层和第三导电层所采用的石墨烯材料具有高载流子、高导热特性和良好的柔韧性，第二介质层所采用的聚二甲基硅氧烷杨氏模量低，结构具有高弹性，从而整个泵膜的弹性模量可变，在较低驱动电压下便可以快速实现大变形，微泵响应时间短，提高了泵送量，同时降低了驱动电压。

2)本发明由于泵膜中的第一导电层、第二导电层和第三导电层所采用石墨烯具有超强机械特性，且第一介质层所采用的掺杂碳纳米管的形状记忆聚合物，具有良好的强度、弹性和抗疲劳性，可保证微泵具有良好的机械性能，提高了可靠性。

3)本发明的微泵结构简单，易于加工，加工成本低。

4)本发明由于采用了钛酸铋钠基无铅压电陶瓷和可降解的形状记忆聚合物，具有绿色环保的特性。

附图说明

图1为现有PDMS压电微泵的结构示意图；

图2为本发明具体实施例的整体结构示意图；

图3为本发明具体实施例的泵膜结构示意图；

图4为本发明具体实施例工作过程中各个导电层施加电压时序图；

图5为本发明具体实施例泵入过程的结构示意图；

图6为本发明具体实施例泵出过程的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

参照图2，基于可变弹性模量的复合薄膜压电微泵，包括上盖板1、进口阀2、上框架3、泵膜4、下框架5、下盖板6和出口阀7。

所述上盖板4和下盖板5为形状大小完全一样矩形盖板，其中心位置分别通过激光刻蚀加工有矩形进口阀口和矩形出口阀口，其结构简单，易于加工，材料选用硅。

所述进口阀2和出口阀7为矩形阀，其结构简单，易于加工，选用硅材料，进口阀2的一端通过热超声键合粘接于上盖板1的进口阀口处，出口阀7通过热超声键合粘接于下盖板6的出口阀口处。

所述上框架3和下框架5均为矩形框架，材料均选用硅，分别通过热超声键合与上盖板4和下盖板5粘接固定。

所述泵膜4与上盖板1、上框架3、下框架5、下盖板6组成容积可变的矩形泵腔，且该泵腔的四个侧面均为矩形泵膜4。其结构如图3所示，该泵膜4为复合薄膜，由第一导电层31、第一介质层32、第二导电层33、驱动电极34、第三导电层35和第二介质层36通过准分子激光纳米压印工艺压印复合而成，用于实现泵腔容积的扩张与收缩。其中驱动电极34采用钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，该种材料具有大的电致应变，能产生与驱动电压的二次方呈正比的应变，有助于泵膜4实现大变形。第一介质层32选用掺杂有碳纳米管的形状记忆聚合物，使该介质层弹性模量模量可随温度变化、具有超大变形能力，且表现出良好的导电性能、高强度以及良好抗疲劳性，大大缩短该介质层温度变化时间，缩短泵膜4变形时的响应时间。第一导电层31、第二导电层33和第三导电层均采用石墨烯材料，因石墨烯为单层碳原子层，具有高弹性、高载流子，高导热特性，施加驱动电压以后，温度会迅速上升，易于发生变形，有助于泵膜4实现大变形。其中第一导电层31用于给第一介质层32传递热量，第二导电层33用于给第一介质层32传递热量，同时给驱动电极34施加驱动电压，第三导电层35用于给驱动电极34施加驱动电压。所述第二介质层36采用聚二甲基硅氧烷材料，其具有疏水性和防水性，属于惰性物质，杨氏模量低，结构高弹性，有助于泵膜4实现大变形。

所述第一导电层31、第二导电层33和第三导电层35在工作时施加电压顺序不同，如图4所示，“泵入”时，第一导电层31和第二导电层33先施加有向外的驱动电压V₁和V₂，待第一介质层32变软后，第三导电层35再施加有向外的驱动电V₃。“泵出”时，第一导电层31、第二导电层33先断电，待第一介质层32变硬后，第二导电层33和第三导电层35分别施加向内的驱动电压V₂'和V₃'。

该实施例的工作原理如下：

1)“泵入”过程

第一导电层31和第二导电层33施加向外的驱动电压V₁和V₂，此时第一导电层31和第二导电层33温度会迅速上升，并将其自身热量传递给的第一介质层32，此时第一介质层32温度会迅速上升。然后第三导电层35施加向外的驱动电压V₃，即此驱动电极34向内驱动电压变换为向外的驱动电压，向内保持力变为向外驱动力。当第一介质层32温度达到玻化温度时，其弹性模量会迅速锐减。因第一导电层31、第二导电层33和第三导电层35具有良好的柔韧性，第二介质层36具有高弹性，驱动电极34具有大的电致应变，施加很低的驱动电压以后会迅速产生大的变形量，所以泵膜4的弹性模量会随着第一介质层32的弹性模量的锐减而降低。则在驱动电极34向外压电驱动力作用下，泵膜4迅速向外运动，产生大变形。导致此时泵腔的容积增大，其结构示意图如图5所示，泵腔内进口阀2处的压力P₂减小，此时有P₂＜P₁，即在进口阀口处形成压差，在该压差作用下，进口阀2产生向下变形，进口阀2开启，流体有进口泵入。

2)“泵出”过程

第一导电层31和第二导电层33断电，此时二者的温度迅速下降，从而第一介质层32的温度迅速下降，当其温度低于玻化温度时弹性模量剧增，此时第一导电层31、第二导电层33和第一介质层32均产生向泵腔方向的弹性恢复力。然后第二导电层33和第三导电层35分别施加以向内驱动电压V′₂和V′₃，即驱动电极34向外驱动电压变换为向内的驱动电压，使其向外保持力变为向内驱动力。第二导电层33通电后温度迅速上升，将其自身热量传递给第一介质层32，导致第一介质层32的温度迅速上升，弹性模量锐减，即泵膜4的弹性模量迅速锐减，在驱动电极34向内压电驱动力以及第一导电层31、第二导电层33和第一介质层32的弹性恢复力作用下，泵膜4迅速向内运动，其结构示意图如图6所示。导致泵腔的容积收缩减小，泵腔内进口阀2处压力P₂和出口阀7处的压力P₃均增大，此时有P₂＞P₁，P₃＞P₄。即在进口阀口和出口阀口处均形成压差。在压差Δ(P₂-P₁)的作用下，进口阀恢复变形前形状，进口阀2关闭。在压差Δ(P₃-P₄)的作用下，出口阀7发生向下变形，出口阀7开启，流体由出口阀口泵出。

泵膜4如上所述不断地向外扩张、向内收缩，实现泵腔容积地不断增大和减小，从而完成该微泵周期性地“泵入”和“泵出”。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。