利用壓電陶瓷驅動的多功能流體分配系統及其驅動方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用壓電陶瓷驅動的多功能流體分配系統，包括單片機控制系統、信號放大電路、壓電陶瓷驅動的多功能流體分配裝置；主泵腔是一蓋狀的圓柱型腔體，壓電陶瓷片I覆蓋在主泵腔的頂端，主泵腔的側壁上均勻設有N個通道；N個微型液壓閥布置在主泵腔周圍，所述N個液體通道II與N個通道對應連通，每一微型液壓閥對應連通每一液體/入口連通；單片機控制系統的輸出信號經信號放大器放大后驅動N個壓電陶瓷片II以不同幅度振動；單片機控制系統的輸出信號經信號放大器放大后驅動個壓電陶瓷片II以不同幅度和相位振動；該系統能夠驅動多個通道，且在不提供驅動力時，狀態可控，且該系統的出/入口可根據用戶的需求進行轉換。
【專利說明】
利用壓電陶瓷驅動的多功能流體分配系統及其驅動方法
技術領域
[0001] 本發明屬于壓電陶瓷領域，具體設及一種利用壓電陶瓷驅動的多功能流體分配系 統及其驅動方法。
【背景技術】
[0002] 目前市場上應用于微流體驅動系統的驅動裝置主要有:注射累、滲透壓驅動裝置、 駐波驅動裝置、壓電陶瓷和MEMS機械驅動裝置等。所述驅動裝置存在的缺點如下:所售注射 累體積過于龐大、較難控制、可靠性較差;所述滲透壓驅動裝置對驅動液體要求較高，應用 面較窄;駐波驅動裝置提供的壓力較小，進而引起驅動力較小，并且會造成液體回流；由于 壓電陶瓷機械驅動裝置具有體積小、控制精度相對較高、可靠性也相對較高、提供的驅動力 相對滲透壓驅動裝置和駐波驅動裝置較高，因此針對微流體驅動系統，目前市場上壓電陶 瓷機械驅動裝置的應用廣泛，但該類驅動裝置也存在相應的缺點，如采用振片與單向閥相 結合，只能提供單方向的流體驅動;在不提供驅動力時狀態單一，可控性較差;壓電陶瓷驅 動系統多為單通路驅動，并不具有多通道驅動的能力;傳統驅動系統的出口與入口固定，降 低了驅動系統的靈活性與普適性。

【發明內容】

[0003] 有鑒于此，本發明提供了一種利用壓電陶瓷驅動的多功能流體分配系統及其驅動 方法，不僅能夠驅動多個通道，且在不提供驅動力時，狀態可控，而且該系統的出口和入口 可根據用戶的需求進行轉換。
[0004] 實現本發明的具體實施方案為：
[0005] -種利用壓電陶瓷驅動的多功能流體分配系統，包括單片機控制系統、信號放大 電路及壓電陶瓷驅動的多功能流體分配裝置;壓電陶瓷驅動的多功能流體分配裝置包括N 個液體出/入口、N個微型液壓閥、主累腔及壓電陶瓷片I;微型液壓閥包括壓電陶瓷片II、腔 體、柔性薄膜及基板;所述腔體是一蓋狀的圓柱體，且底面設有通孔;壓電陶瓷片II置于腔 體的開口上，其與腔體形成的空腔結構，記為液壓腔;柔性薄膜粘結于腔體內底面處并覆蓋 通孔;基板是創面為T字型的圓柱體，基板置于腔體下方，基板的垂直短柱體插入腔體的通 孔，基板與柔性薄膜和腔體間的縫隙形成液體通道II;主累腔是一蓋狀的圓柱型腔體，壓電 陶瓷片I覆蓋在主累腔的頂端，主累腔的側壁上均勻設有N個通道;N個微型液壓閥環繞布置 在主累腔周圍，N個液體通道II與N個通道對應連通，每一微型液壓閥對應連通一個液體/入 口連通;單片機控制系統的輸出信號經信號放大器放大后驅動N個壓電陶瓷片IIW不同幅 度振動。
[0006] 進一步地，所述柔性薄膜的材料為OCA光學膠或PDMS。
[0007] 進一步地，所述信號放大電路為L298N H橋控制電路或信號控制模塊。
[000引進一步地，單片機控制系統為國產STC系列或CC2X30系列的微處理器。
[0009]進一步地，所述壓電陶瓷驅動的多功能流體分配裝置通過多層PMM基于熱鍵合的 方式形成多閥主累腔一體化結構。
[0010] -種基于多功能流體分配系統的流體分配系統的流體分配驅動方法，具體步驟如 下：
[0011] 步驟1、在N個微型液壓閥9的腔體25內注滿非壓縮性液體；
[0012] 步驟2、單片機控制系統對選定的液體出/入口 a連通的微型液壓閥的壓電陶瓷片 II通入正向脈沖，所述壓電陶瓷片II凸起帶動柔性薄膜凸起，液體出/入口 a對應的液體通 道II楊通;單片機控制系統向其余N-I個壓電陶瓷片II輸入負向脈沖，N-I個壓電陶瓷片II 均下陷帶動對應的柔性薄膜凹下，相應的N-I個液體通道II阻塞；
[0013] 步驟3,單片機控制系統向主累腔上的壓電陶瓷片I輸入正向脈沖，液體由于負壓 作用從液體出/入口 a流入主累腔；
[0014] 步驟4,單片機控制系統向液體出/入口 a對應的微型液壓閥的壓電陶瓷片II輸入 反向脈沖，阻塞液體由液體出/入口 a對應的液體通道II流通；
[0015] 步驟5，單片機控制系統對選定的液體出/入口 b連通的壓電陶瓷片通入正向脈沖， 同時對主累腔的壓電陶瓷片I輸入反向脈沖，液體由液體出/入口b排出，達到液體從液體 出/入口 a吸入，從液體出/入口 b排出的一個過程，記為1個周期。
[0016] 有益效果：
[0017] 1.本發明多能提供具有多通道驅動的能力、可控性強、驅動流速控制簡單。
[0018] 2.傳統驅動系統的出口與入口固定，降低了驅動系統的靈活性與普適性。而本發 明實現了一種作為流體閥結構，同時實現微流體任意方向驅動的微流體分配裝置，W及相 應的驅動方法。
[0019] 3.本發明不僅能夠驅動多個通道，且在不提供驅動力時，狀態可控，而且該系統的 出口和入口可根據用戶的需求進行轉換。
【附圖說明】
[0020] 圖1為多向驅動系統的整體邏輯示意圖。
[0021] 圖2為微型液壓閥的結構示意圖。
[0022] 圖3為雙向驅動方式的結構示意圖。
[0023] 圖4為多方向驅動方式的部分結構示意圖。
[0024] 其中，1-單片機控制系統;2-信號放大電路;3-壓電陶瓷驅動的多功能流體分配裝 置;8-液體出/入口；9-微型液壓閥；10-主累腔；12-壓電陶瓷片I ;21-壓電陶瓷片II ;22-柔 性薄膜;23-液壓腔;24-液體通道II; 25-腔體;26-基板。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。
[0026] 本發明提出一種基于多片壓電陶瓷，柔性薄膜W及微型液壓裝置的微流體驅動裝 置及其使用方法;在微流體層面使用多片壓電陶瓷，柔性隔膜W及液壓結構，可W同時作為 流體閥結構和實現微流體精確任意方向驅動的微流體驅動及流體分配裝置W及相應的驅 動方法。通過主累腔周期性壓縮擴張的總頻率W及各閥的開關頻率之間的關系，W達到按 照不同流速分配液體的目的。
[0027] 實現本發明的具體實施方案為：
[0028] -種利用壓電陶瓷驅動的多功能流體分配系統，包括單片機控制系統1、信號放大 電路2及壓電陶瓷驅動的多功能流體分配裝置3;壓電陶瓷驅動的多功能流體分配裝置包括 N個液體出/入口 8、N個微型液壓閥9、主累腔10及壓電陶瓷片112;微型液壓閥9包括壓電陶 瓷片1121、腔體25、柔性薄膜22及基板26;所述腔體25是一蓋狀的圓柱體，且底面設有通孔； 壓電陶瓷片1121置于腔體25的開口上，其與腔體25形成的空腔結構，記為液壓腔23;柔性薄 膜22粘結于腔體25內底面處并覆蓋通孔;基板26是創面為T字型的圓柱體，基板26置于腔體 下方，基板26的垂直短柱體插入腔體25的通孔，基板26與柔性薄膜22和腔體25間的縫隙形 成液體通道1124;主累腔10是一蓋狀的圓柱型腔體，壓電陶瓷片112覆蓋在主累腔10的頂 端，主累腔10的側壁上均勻設有N個通道;N個微型液壓閥9環繞布置在主累腔10周圍，N個液 體通道II (24)與N個通道對應連通，每一微型液壓閥9對應連通一個液體/入口 8連通;單片 機控制系統1的輸出信號經信號放大器2放大后驅動N個壓電陶瓷片1121W不同幅度振動。
[0029] -種基于權利要求1所述多功能流體分配系統的流體分配系統的流體分配驅動方 法，具體步驟如下：
[0030] -種利用壓電陶瓷驅動的多功能流體分配系統，包括單片機控制系統、信號放大 電路及壓電陶瓷驅動的多功能流體分配裝置;壓電陶瓷驅動的多功能流體分配裝置包括N 個液體出/入口、N個微型液壓閥、主累腔及壓電陶瓷片I;微型液壓閥包括壓電陶瓷片II、腔 體、柔性薄膜及基板;所述腔體是一蓋狀的圓柱體，且底面設有通孔;壓電陶瓷片II置于腔 體的開口上，其與腔體形成的空腔結構，記為液壓腔;柔性薄膜粘結于腔體內底面處并覆蓋 通孔;基板是創面為T字型的圓柱體，基板置于腔體下方，基板的垂直短柱體插入腔體的通 孔，基板與柔性薄膜和腔體間的縫隙形成液體通道II;主累腔是一蓋狀的圓柱型腔體，壓電 陶瓷片I覆蓋在主累腔的頂端，主累腔的側壁上均勻設有N個通道;N個微型液壓閥環繞布置 在主累腔周圍，N個液體通道II與N個通道對應連通，每一微型液壓閥對應連通一個液體/入 口連通;單片機控制系統的輸出信號經信號放大器放大后驅動N個壓電陶瓷片IIW不同幅 度振動。
[0031 ]進一步地，所述柔性薄膜的材料為OCA光學膠或PDMS。
[0032] 進一步地，所述信號放大電路為L298N H橋控制電路或信號控制模塊。
[0033] 進一步地，單片機控制系統為國產STC系列或CC2X30系列的微處理器。
[0034] 進一步地，所述壓電陶瓷驅動的多功能流體分配裝置通過多層PMM基于熱鍵合的 方式形成多閥主累腔一體化結構。
[0035] -種基于權利要求1所述多功能流體分配系統的流體分配系統的流體分配驅動方 法，具體步驟如下：
[0036] 步驟1、在N個微型液壓閥9的腔體25內注滿非壓縮性液體；
[0037] 步驟2、單片機控制系統1對選定的液體出/入口 a連通的微型液壓閥9的壓電陶瓷 片II21通入正向脈沖，所述壓電陶瓷片II21凸起帶動柔性薄膜22凸起，液體出/入口 a對應 的液體通道1124楊通;單片機控制系統1向其余N-I個壓電陶瓷片II (21)輸入負向脈沖，N-I 個壓電陶瓷片1121均下陷帶動對應的柔性薄膜22凹下，相應的N-I個液體通道1124阻塞；
[0038] 步驟3,單片機控制系統1向主累腔10上的壓電陶瓷片112輸入正向脈沖，液體由于 負壓作用從液體出/入口 a流入主累腔10;
[0039] 步驟4,單片機控制系統I向液體出/入口 a對應的微型液壓閥9的壓電陶瓷片1121 輸入反向脈沖，阻塞液體由液體出/入口 a對應的液體通道1124流通；
[0040] 步驟5,單片機控制系統1對選定的液體出/入口 b連通的壓電陶瓷片21通入正向脈 沖，同時對主累腔10的壓電陶瓷片112輸入反向脈沖，液體由液體出/入口巧陸，達到液體 從液體出/入口 a吸入，從液體出/入口 b排出的一個過程，記為1個周期。
[0041] 由附圖1所示，可編程且具有外部資源接口的單片機，通過總線連接至信號放大電 路。信號放大電路中置有電壓及功率放大器，其功能為將單片機的輸入信號進行電壓放大 后輸入指定壓電陶瓷片的電極。
[0042] 壓電陶瓷片分為主累腔振片和液壓閥兩個部分，其中，液壓閥的一端連接至相應 的液體出/入口，另一端連接至主累腔。單片機的輸出信號經信號放大器放大后驅動各壓電 陶瓷W不同幅度和相位振動。即：不需要液體流通的液壓閥保持閉合，詳見液壓閥相關實施 方式，流體輸入與輸出端口對應的液壓閥與主累腔壓電陶瓷W指定相位關系，詳見多方向 驅動方式等頻振動。單片機持續輸出相關周期信號，即可對液體按照預先編程的方式進行 流速及流量的分配。
[0043] 液壓閥相關實施方式：
[0044] 液壓閥的結構示意圖附圖2所示，其中壓電陶瓷片的兩級連接放大電路的指定輸 出端口。由于壓電陶瓷具有壓電特性，故當輸入正向電壓信號時，壓電陶瓷向上凸起。同理， 當電壓為負向時，壓電陶瓷向下凹陷。在忽略內部液壓負載時，其理論上升幅值O可記為：
[0045]
(1)
[0046] 其甲t巧不比電陶篇殿層厚度，k為常數，R、r分別為壓電陶瓷震動銅錐和壓電陶瓷 鍛層的半徑，U為驅動電壓。由公式（1)可得，直徑為20mm，鍛層為0.5mm，鍛層直徑為14mm的 壓電陶瓷，在驅動電壓為20V的條件下振幅不足20uM，在具有明顯阻力時該值會進一步降 低，故需采用液壓增幅系統W形成可操作的液壓閥。
[0047] 針對微型液壓閥9,假設液壓劑為理想流體，對壓電陶瓷的阻力為0,那么當驅動系 統對壓電陶瓷施加正向電壓時，壓電陶瓷的上升幅值為0,而由其振動所引起的液體容量變 化V理論上可記為：
[004引
（2)
[0049] 其中d3i、k為常數，R代表壓電陶瓷振動銅錐的半徑，U為電壓，可W看出，壓電陶瓷 理論上震動所引起的腔室容積變化與R的四次方成正比，e為壓電陶瓷片形成的拱形頂所對 應的圓屯、角。
[0050] 此時將柔性薄膜等效為可上下振動的平面，設柔性薄膜振幅為h，半徑為r，則其振 幅變為：
[0化1]
(過）
[0052] 可知，當柔性薄膜與壓電陶瓷的面積不同時，薄膜的振幅與R/r的二次方成正比。 即：如圖所示液壓腔123構成的系統可W放大壓電陶瓷所產生的振幅，其倍率與壓電陶瓷與 薄膜半徑比的平方成正比。
[0053] 由于壓電陶瓷的伸張與收縮幅度均可由電壓控制，故單片機可通過該液壓系統W 及改變驅動電壓幅值和方向的方式對液壓閥實現動態精確控制。
[0054] 雙向驅動方式：
[0055] 雙向驅動的結構示意圖如圖3所示，采用該結構可實現雙向驅動。其方法如下：
[0056] 首先，單片機向液壓閥A輸入反向電壓，液壓閥B輸入正向電壓，則閥A完全開啟而B 完全閉合。記該過程為0'
[0057] 此時對主累腔輸入反向電壓。累腔產生負壓，該負壓將導致液體由左側入液口注 入累腔，記該過程為1'。主累腔理論上吸取的液體量可由公式2計算獲得。
[0058] 當該過程結束后，單片機向液壓閥A輸入正向電壓，此時主累腔兩側的液壓閥全部 封閉;記該過程為2'。
[0059] 向液壓閥B輸入反向電壓W打開液壓閥B，記該過程為記該過程為3'。
[0060] 此時，對主累腔的壓電陶瓷施W正向電壓，主累腔容積減小，產生正壓，使液體由 右側出液口導出，記該過程為4 '。
[0061] 按0' -1' -2' -3' -4' -0' ...的周期循環方式驅動，則驅動方向為由左至右。
[0062] 按0' -4' -2' -3' -1' -0' ...的周期循環方式驅動，則驅動方向為由右至左。
[0063] 利用該方式可實現液體的雙向驅動。
[0064] 多向驅動方式：
[0065] 多向驅動的物理結構如圖4所示；當1秒內主累腔10的壓電陶瓷振動N次，若n表示 出口序號，則有:對于任意n均滿足n < S-I，S為出/入口總數量，振動周期個數為Xn，Xi+拉巧3 +……Xn+……巧S-I = N;液體在第n個出口被分配的液體比例為:Xn/N;實現了液體的驅動W 及多流體分配。
【具體實施方式】 [0066] 可參考如下示例：
[0067] 由液體輸入口 A向B，C，的夜體輸入/輸出端口同時注入液體，設A的總速度為AuL/s， B，C，D分別為b*100%/A，c*100%/A，d*100%/A，其中（a+b+c = 100)uL/s。則單片機程序流 程為：
[0068] 采用雙向驅動模式進行工作，設置其單次驅動周期為t，定義總周期為T=A*t。
[0069] 在周期T中，在b個t周期內控制液體方向為A-B，在C個周期內控制方向為A-C，d個 周期內控制方向為A-D。
[0070] 按2所述方式循環驅動信號，即可按指定流速W及比率對液體流量及流速進行分 配。
[0071] 壓電陶瓷片和柔性薄膜可被直接集成至微流控忍片。柔性薄膜可采用OCA光學膠 W及PDMS等柔性材料制成。信號放大系統可采用L298N等H橋控制電路W及信號控制模塊。 控制單片機可采用國產STC系列W及CC2X30系列低成本微處理器等。
[0072] 綜上所述，W上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。 凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的 保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種利用壓電陶瓷驅動的多功能流體分配系統，其特征在于，包括單片機控制系統 (1)、信號放大電路(2)及壓電陶瓷驅動的多功能流體分配裝置(3);壓電陶瓷驅動的多功能 流體分配裝置包括N個液體出/入口（8)、N個微型液壓閥（9)、主栗腔（10)及壓電陶瓷片I (12);微型液壓閥（9)包括壓電陶瓷片11(21)、腔體(25)、柔性薄膜(22)及基板(26);所述腔 體(25)是一蓋狀的圓柱體，且底面設有通孔;壓電陶瓷片11(21)置于腔體(25)的開口上，其 與腔體(25)形成的空腔結構，記為液壓腔(23);柔性薄膜(22)粘結于腔體(25)內底面處并 覆蓋通孔;基板(26)是刨面為T字型的圓柱體，基板(26)置于腔體下方，基板(26)的垂直短 柱體插入腔體(25)的通孔，基板(26)與柔性薄膜(22)和腔體(25)間的縫隙形成液體通道II (24);主栗腔（10)是一蓋狀的圓柱型腔體，壓電陶瓷片1(12)覆蓋在主栗腔（10)的頂端，主 栗腔（10)的側壁上均勻設有N個通道;N個微型液壓閥（9)環繞布置在主栗腔（10)周圍，N個 液體通道II(24)與N個通道對應連通，每一微型液壓閥（9)對應連通一個液體出/入口（8); 單片機控制系統（1)的輸出信號經信號放大器(2)放大后驅動N個壓電陶瓷片11(21)以不同 幅度振動。2. 如權利要求1所述一種利用壓電陶瓷驅動的多功能流體分配系統，其特征在于，所述 柔性薄膜(22)的材料為OCA光學膠或PDMS。3. 如權利要求1所述一種利用壓電陶瓷驅動的多功能流體分配系統，其特征在于，所述 信號放大電路(2)為L298N Η橋控制電路或信號控制模塊。4. 如權利要求1所述一種利用壓電陶瓷驅動的多功能流體分配系統，其特征在于，單片 機控制系統（1)為國產STC系列或CC2X30系列的微處理器。5. 如權利要求1所述一種利用壓電陶瓷驅動的多功能流體分配系統，其特征在于，所述 壓電陶瓷驅動的多功能流體分配裝置(3)通過多層ΡΜΜΑ基于熱鍵合的方式形成多閥主栗 腔一體化結構。6. -種基于權利要求1所述多功能流體分配系統的流體分配驅動方法，其特征在于，具 體步驟如下： 步驟1、在Ν個微型液壓閥(9)的腔體(25)內注滿非壓縮性液體； 步驟2、單片機控制系統（1)對選定的液體出/入口a連通的微型液壓閥（9)的壓電陶瓷 片11(21)通入正向脈沖，所述壓電陶瓷片11(21)凸起帶動柔性薄膜(22)凸起，液體出/入口 a對應的液體通道II (24)暢通;單片機控制系統（1)向其余Ν-1個壓電陶瓷片II (21)輸入負 向脈沖，N-1個壓電陶瓷片11(21)均下陷帶動對應的柔性薄膜(22)凹下，相應的N-1個液體 通道11(24)阻塞； 步驟3,單片機控制系統（1)向主栗腔（10)上的壓電陶瓷片1(12)輸入正向脈沖，液體由 于負壓作用從液體出/入口 a流入主栗腔(10); 步驟4,單片機控制系統（1)向液體出/入口a對應的微型液壓閥（9)的壓電陶瓷片II (21)輸入反向脈沖，阻塞液體由液體出/入口 a對應的液體通道II (24)流通； 步驟5,單片機控制系統（1)對選定的液體出/入口 b連通的壓電陶瓷片(21)通入正向脈 沖，同時對主栗腔（10)的壓電陶瓷片1(12)輸入反向脈沖，液體由液體出/入口b排出，達到 液體從液體出/入口 a吸入，從液體出/入口 b排出的一個過程，記為1個周期。
【文檔編號】F04B49/06GK105822527SQ201610171546
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】鄧玉林, 張德雨, 李曉瓊, 高嘉海
【申請人】北京理工大學