專利名稱：自感知壓電隔膜泵的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于微流體傳輸與控制領域應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：
作為壓電驅動器的一個重要分支，壓電隔膜泵以其結構簡單、體積小、反應快、無電磁干擾、易于操作、流量/壓力可控性好等諸多優勢，在醫療、化學分析、航空航天、汽車發動機及燃料電池的燃料供給、微機電液系統等方面都有廣泛的應用前景，其研制開發備受世界各國學者的廣泛關注。為滿足不同領域的應用需求，人們提出了多種結構形式的壓電隔膜泵。盡管所提出的壓電隔膜泵結構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生的彎曲變形實現流體驅動的。因壓電隔膜泵的每個工作循環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，故可實現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)、化學試劑配比 (如中國專利200810050550. 9)等方面。然而，在實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，除驅動電壓、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，單純地采用調節驅動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行實時監測，這不僅增加了使用成本，也增加了系統的體積、重量及復雜程度，嚴重地阻礙了壓電隔膜泵在微機電系統及便攜類產品中的推廣應用。
發明內容為提高壓電隔膜泵的輸出精度和可控性、降低成本、減小系統總體的體積和重量， 本實用新型提出一種自感知壓電隔膜泵，即利用包含驅動器及傳感器的復合型薄片式壓電振子同步實現驅動與性能監測，無需其它壓力及流量測量儀器。本實用新型的自感知壓電隔膜泵，由一個驅動-傳感一體的復合型薄片式壓電振子、一個泵體、一個泵蓋、一組安裝于泵體上的單向閥以及一個控制電源構成。所述復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口閥和出口閥；所述進出口閥、泵體、壓電振子共同構成泵腔；所述復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動和傳感；所述壓電振子的傳感器及驅動器分別經導線與控制電源相連。本實用新型的特征在于，當壓電振子的驅動器受外加電壓作用產生彎曲變形時，所述傳感器也受迫彎曲并產生電能；其特征還在于，傳感器生成的電能經適當轉換處理后用于表征壓電泵的輸出壓力和流量。當所述控制電源開啟并進入穩態工作時，壓電振子的驅動器受電壓(輸入電壓、一0 —Vtl)作用使其向泵腔內彎曲，泵腔容積減小(流體壓力增加)、進口閥關閉、出口閥開啟，所述泵腔內的流體經出口閥排出，此為流體排出過程；在所述流體排出過程中，
3壓電振子的傳感器也隨同壓電振子向泵腔內部彎曲，并將機械能轉換成電能(電壓逐步增加，-Vg —0 —Vg)。當控制電源的輸出電壓換向后—0 —-Vtl),驅動器使壓電振子向泵腔的外部彎曲，致使所述泵腔容積增加、進口閥開啟、出口閥關閉，流體由進口閥進入泵腔， 此為吸入過程；在吸入過程中，壓電振子的傳感器受力狀態發生變化，并使其輸出電壓開始下降(Vg — 0 — -Vg)。在頻率及驅動電壓確定時，壓電泵輸出流量和輸出壓力之間存在較好的線性關系當輸出壓力為零時壓電振子變形量(泵腔容積變化量或流量)最大，所對應傳感器的輸出電壓也最大；相反，輸出壓力最大時，壓電振子變形量(泵腔容積變化量或流量)最小，所對應的傳感單元輸出的電壓也最小。因此，根據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。本實用新型特點及優勢在于利用包含驅動器及傳感器的復合型薄片式壓電振子同步實現驅動與傳感監測，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Ia是本實用新型一個較佳實施例中自感知壓電隔膜泵的結構示意圖；圖Ib是圖Ia的剖面示意圖；圖加是本實用新型一個較佳實施例中自感知壓電隔膜泵排程結構示意圖；圖2b是本實用新型一個較佳實施例中自感知壓電隔膜泵吸程結構示意圖；圖3a是本實用新型一個較佳實施例中壓電驅動器輸入電壓波形；圖北是本實用新型一個較佳實施例中傳感器輸出電壓波形。
具體實施方式
如圖Ia和圖Ib所示，復合型薄片式壓電振子1安裝于泵體2的內部，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上安裝有進口閥6和出口閥7 ； 壓電振子1、泵體2、進口閥6和出口閥7共同構成泵腔5。復合型薄片式壓電振子1由PZT 壓電晶片驅動器10、金屬基板11和PVDF壓電薄膜傳感器12粘接而成；所述PZT壓電驅動器10和PVDF壓電傳感器12分別通過導線組81和導線組82與控制電源8相連。如圖2a、圖2b、圖3a、及圖北所示，當所述控制電源8開啟并進入穩態工作時，壓電驅動器10受電壓(輸入電壓、一0 —Vtl)作用使壓電振子1向泵腔5的內彎曲，進而使所述泵腔5的容積減小(流體壓力增加)、進口閥6關閉、出口閥7開啟，所述泵腔5內的流體經出口閥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內部彎曲，所述壓電傳感器12的輸出電壓逐步增加(_Vg —0 —Vg)。 當控制電源8的輸出電壓換向后(Vtl — 0 — -Vtl)，壓電驅動器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、進口閥6開啟、出口閥7關閉，流體由進口閥6進入， 此為吸入過程；進入吸入過程后，壓電傳感器的受力狀態發生變化，并使輸出電壓開始下降 (Vg — 0 — -Vg)。在上述實施例壓電泵的排程與吸程過程中，壓電泵的瞬時輸出壓力、流量以及傳感器12的輸出電壓都是由壓電振子1的彎曲變形狀態所確定的。此外，當頻率及驅動電壓
4確定時，壓電泵輸出流量和輸出壓力之間存在較好的線性關系泵的輸出壓力為零時，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，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，所對應的壓電驅動器12的輸出電壓也最小。因此，本實用新型采用壓電傳感器 12的輸出電壓來表征壓電泵的輸出壓力和流量。
權利要求1. 一種自感知壓電隔膜泵，由一個驅動-傳感一體的復合型薄片式壓電振子、一個泵體、一個泵蓋、一組安裝于泵體上的單向閥以及一個控制電源構成；其特征在于，所述復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動和傳感；其特征還在于，當所述PZT壓電晶片受外加電壓作用發生彎曲變形時，所述PVDF壓電薄膜也發生彎曲變形并產生電能，所產生的電壓信號經轉換處理后用于表征壓電泵的輸出壓力和流量。
專利摘要本實用新型涉及一種自感知壓電隔膜泵，至少包括一個復合型薄片式壓電振子、一個泵體、一個泵蓋、一組控制流體運動方向的單向閥以及一個控制電源。其特征在于，所述的復合型薄片式壓電振子由PZT壓電晶片(用作驅動器)、金屬基板和PVDF壓電薄膜(用作傳感器)依次粘接而成，所述壓電驅動器和壓電傳感器分別通過導線控制電源相連；當壓電驅動器受外加電壓作用發生彎曲變形時，所述壓電傳感器也發生彎曲變形并產生電能所產生的電壓信號經適當轉換處理后用于表征壓電泵的輸出壓力與流量。本實用新型優勢在于利用一個復合型薄片式壓電振子實現驅動與傳感監測兩種功能，無需其它壓力及流量測量儀器即可實現壓電泵輸出性能的實時監測。
文檔編號F04B43/04GK202149012SQ201120228488
公開日2012年2月22日 申請日期2011年6月21日 優先權日2011年6月21日
發明者張忠華, 溫建明, 王淑云, 程光明, 蔣永華, 闞君武 申請人:浙江師范大學