專利名稱：光致彎曲膜驅(qū)動(dòng)型微泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光致彎曲膜驅(qū)動(dòng)型微泵。
背景技術(shù)：
微流量系統(tǒng)能精確檢測(cè)和控制每分鐘微升量級(jí)的流量，同時(shí)由于尺寸小，可減小 微流量系統(tǒng)中的無效體積，降低能耗和試劑用量，而且響應(yīng)快。其中，作為一種重要的微型 執(zhí)行器，微泵可廣泛應(yīng)用于藥物輸送、DNA合成、微量流體供給和精確控制、芯片冷卻系統(tǒng)、 微透析、微推進(jìn)和微型衛(wèi)星等等作為該系統(tǒng)核心部分的微泵。目前較多的是薄膜壓縮型微 泵，它的流量的控制是通過驅(qū)動(dòng)膜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起泵腔體的體積變化而實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)膜的 驅(qū)動(dòng)原理有壓電、靜電、電磁、熱氣動(dòng)、熱流動(dòng)、雙金屬效應(yīng)和形狀記憶合金效應(yīng)驅(qū)動(dòng)等。壓 電振子所能承受的電壓低、變形小、承載能力相對(duì)較弱；靜電式所需電壓很高，常在幾百伏， 而且靜電驅(qū)動(dòng)力通常較小，振動(dòng)膜位移較小，最大只有約幾微米；電磁式則主要受限于制作 微型電磁線圈比較困難，而且絕大多數(shù)的電磁器件要求電流導(dǎo)線和運(yùn)動(dòng)部件相垂直，這對(duì) 于硅材料的平面制造技術(shù)來說，比較困難；熱氣動(dòng)和熱流動(dòng)式由于受氣體熱特性的影響，泵 的驅(qū)動(dòng)頻率難以提高，相應(yīng)的泵的流量也較??；雙金屬式利用熱效應(yīng)驅(qū)動(dòng)，由于液體具有熱 容作用，散熱比較慢，所以雙金屬微泵響應(yīng)速度很慢，工作頻率很低( 一般低于10Hz)，限制 了其性能；形狀記憶合金式需要冷卻系統(tǒng)以使形狀記憶合金經(jīng)歷相反的變形回復(fù)原狀，所 以需要特別考慮熱量的擴(kuò)散，而且熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率很低。相比之下，光驅(qū)動(dòng)具有傳 遞功率大、非接觸、快速、精確、易操控、清潔等優(yōu)點(diǎn)，如能將光能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)光 直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，將有望成為微泵的最佳驅(qū)動(dòng)方式。2003年，復(fù)旦大學(xué)俞燕蕾教授和東京 工業(yè)大學(xué)池田富樹教授合作研制出了光致彎曲液晶高分子材料(Nature, 2003年425期，第 145頁)，該材料在紫外光的照射下在數(shù)秒內(nèi)就能夠產(chǎn)生三維的彎曲形變，在可見光或是熱 的作用下形變又能夠回復(fù)，整個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行，材料本身卻不出現(xiàn)疲勞，這給利用光致彎曲 材料制作微泵驅(qū)動(dòng)膜帶來了希望。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)和工藝簡(jiǎn)單，功耗小，易操控，壽命長(zhǎng)的采用光致 彎曲薄膜驅(qū)動(dòng)的微泵。 本發(fā)明提供的光致彎曲膜驅(qū)動(dòng)型微泵，包含泵膜、泵腔和出入口 ，其泵膜變形引起 腔體壓力變化從而將流體從輸入管道轉(zhuǎn)移到輸出管道。 其中，泵膜由上層和下層兩層構(gòu)成，上層的面積小于下層，為局部復(fù)合。上層的材 料采用光致彎曲材料，下層的材料采用柔性高分子材料，上層與下層之間通過粘結(jié)劑粘結(jié)。 下層柔性高分子材料選自聚乙烯、聚丙烯、天然橡膠中的一種，其彈性模量比光致彎曲材料 至少小一半。粘結(jié)劑選自聚丙烯酸酯類粘結(jié)劑、聚氨酯類粘結(jié)劑、環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑、橡膠 類粘結(jié)劑中的一種，優(yōu)選為環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑。 驅(qū)動(dòng)泵膜的方法是利用光照射光致彎曲材料使之產(chǎn)生形變，光源可優(yōu)選紫外光和可見光。先用一種光照射光致彎曲材料構(gòu)成的上層使該層產(chǎn)生收縮，然后換用另一種光照 射，可使該層恢復(fù)原始狀態(tài)。 此光致彎曲膜驅(qū)動(dòng)型微泵，可進(jìn)一步拓展做成連級(jí)泵的形式，在同一方向分別照 射不同光源時(shí)，前一級(jí)和后一級(jí)可連續(xù)動(dòng)作，光源可優(yōu)選紫外光和可見光。具體可見實(shí)施例 3。微泵的驅(qū)動(dòng)薄膜是上層，該層材料可采用光致彎曲液晶高分子材料(見背景材料)，該 材料在紫外光的照射下在數(shù)秒內(nèi)就能夠產(chǎn)生三維的彎曲形變，在可見光或是熱的作用下形 變又能夠回復(fù)，整個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行，材料本身卻不出現(xiàn)疲勞。因此，通過周期性地照射紫外 光和可見光，可以使薄膜發(fā)生周期性的凸起和回復(fù)，進(jìn)而引起泵腔體積的周期性變化。當(dāng)泵 腔內(nèi)壓強(qiáng)減小時(shí)，液體從輸入管道進(jìn)入泵腔；當(dāng)泵腔內(nèi)壓強(qiáng)增大時(shí)，液體從輸出管道流出泵 腔。薄膜的一個(gè)凸起和回復(fù)的周期，可以實(shí)現(xiàn)液體從輸入管道到輸出管道的一次泵送。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例中泵膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中微泵的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中閥的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中微泵的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5所示是實(shí)施例3連級(jí)泵的應(yīng)用形式。 圖中標(biāo)號(hào)1泵膜上層，2泵膜下層，3泵膜，4泵腔，5入水閥，6入水管道，7入水口 ， 8出水閥，9出水管道，10出水口 ， 11柔性材料閥片，12硬性材料閥片，13增重塊。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)依據(jù)附圖并結(jié)合下述具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
實(shí)施例1 本實(shí)施例為采用有閥結(jié)構(gòu)的微泵。 請(qǐng)見圖1所示，泵膜3由兩層構(gòu)成，上層1的材料由光致彎曲材料構(gòu)成，下層2的 材料由柔性高分子材料構(gòu)成，上層與下層之間通過粘結(jié)劑粘結(jié)。因?yàn)楣庵聫澢牧先绻?四周固定住，其光致彎曲能力將失去，因此設(shè)計(jì)成泵膜上層的面積小于下層，為局部復(fù)合， 下層的邊界被固定住，照射上層光致彎曲材料將會(huì)引起上層材料的變形，進(jìn)而帶動(dòng)下層材 料跟著變形。 請(qǐng)見圖2所示，泵膜位于泵腔4的頂部，泵膜3的形變導(dǎo)致了泵腔體體積和壓力的 變化。紫外光照射時(shí)，泵膜3向上位移，使泵腔4的體積增加，壓力減小。當(dāng)入水口7外的 壓力大于腔內(nèi)壓力及入水閥5的自重(自重壓)時(shí)，入水閥5開啟，液體被泵入泵腔4。可 見光照射時(shí)，泵膜3向下位移復(fù)位，相應(yīng)的泵腔4體積減小，壓力增大。當(dāng)腔內(nèi)壓力及出水 閥8的自重(自重壓)大于出水口 10外的壓力時(shí)，出水閥8被打開，液體從出水口 IO流出。 隨著泵膜周期性的運(yùn)動(dòng)，液體也不斷地被抽入和泵出。微泵的流量范圍可通過泵膜3和入 水閥5，出水閥8的尺寸設(shè)計(jì)來控制。而一旦泵的設(shè)計(jì)確定后，泵的流量在一定范圍內(nèi)可通 過改變光照的強(qiáng)度來調(diào)節(jié)。 本光致彎曲膜驅(qū)動(dòng)微泵中的入水閥5，出水閥8須使用單向閥，在本例中具體使用 的結(jié)構(gòu)請(qǐng)見圖3。如圖所示為實(shí)驗(yàn)裝置中的微閥，由較為柔軟的閥片11和相對(duì)較硬的閥片12用膠粘結(jié)在一起，在閥片12的底部粘結(jié)一增重塊13，增加其自重。整體用膠粘結(jié)在泵腔 體內(nèi)。閥片11起到一個(gè)轉(zhuǎn)軸的作用，閥片12以閥片11為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉。其中， 閥片11的材料可選用聚乙烯、聚丙烯中的一種，閥片12的材料可選用硅膠、橡膠、乳膠中的 一種。粘結(jié)劑可選用聚丙烯酸酯類粘結(jié)劑、聚氨酯類粘結(jié)劑、環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑、橡膠類粘 結(jié)劑中的一種，優(yōu)選為環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑。
實(shí)施例2 本實(shí)施例為采用無閥結(jié)構(gòu)的微泵。 紫外光照射時(shí)，驅(qū)動(dòng)膜向上位移，使泵腔體4的體積增加，壓力減小。從擴(kuò)散輸入 口即入水口 7流入泵腔的流量大于從收縮管輸出口即出水口 10流入泵腔的流量，因而產(chǎn)生 凈的入水量，液體被泵入泵腔體；可見光照射時(shí)，驅(qū)動(dòng)膜向下位移復(fù)位，相應(yīng)的泵腔4體積 減小，壓力增大。原來的收縮管變成擴(kuò)散管，而原來的擴(kuò)散管變?yōu)槭湛s管，從擴(kuò)散管即出水 口 IO流出的流量比從收縮管即入水口 7流出的多，因而產(chǎn)生凈的出水量，液體被排出泵腔 體。在施加光照和移除光照的過程中，泵腔4容積如此周期性變化，就會(huì)使流體不斷地產(chǎn)生 由入口 7向出口 10的單向流動(dòng)。微泵的流量范圍可通過驅(qū)動(dòng)膜和閥的尺寸設(shè)計(jì)來控制。而 一旦泵的設(shè)計(jì)確定后，泵的流量在一定范圍內(nèi)可通過改變光照的強(qiáng)度來調(diào)節(jié)。
實(shí)施例3 本實(shí)施例為采用連級(jí)泵結(jié)構(gòu)的微泵。 針對(duì)本發(fā)明中泵膜的彎曲特點(diǎn)，可以進(jìn)一步做成連級(jí)泵的形式。請(qǐng)見圖5所示，將 前一級(jí)泵腔4的出水口同后一級(jí)泵腔的入水口相通，即開通一中間腔使其相通。當(dāng)向前一 泵的泵膜3照射紫外光，而向后一泵的泵膜3照射可見光時(shí)，前一泵的入水閥5打開，出水 閥8關(guān)閉，后一泵的進(jìn)水閥5關(guān)閉，出水閥8打開，則前一泵腔吸水，后一泵腔排水。反之， 當(dāng)向前一泵泵膜3照射可見光，而向后一泵膜3照射紫外光時(shí)，則泵腔前一排水，后一泵腔 4吸水，如此便可連續(xù)工作，構(gòu)成連級(jí)泵系統(tǒng)。做成連級(jí)泵的優(yōu)點(diǎn)在于可以增加微泵的出口 壓力，提高泵的泵送能力。 以上的描述和附圖表示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例?？梢岳斫?，在不背離由所附權(quán)利 要求所定義的本發(fā)明的原理的精神和范圍的條件下，各種增加、變形和替換都應(yīng)被包含在 本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種光致彎曲膜驅(qū)動(dòng)型微泵，其特征在于包含泵膜、泵腔和出入口；其中，泵膜由兩層構(gòu)成，上層材料采用光致彎曲形變材料，下層材料采用柔性高分子材料，上層與下層之間通過粘結(jié)劑粘結(jié)，所述泵膜上層的面積小于下層，為局部復(fù)合；泵膜光致彎曲變形引起腔體壓力變化從而將流體從輸入管道轉(zhuǎn)移到輸出管道。
2. 如權(quán)利要求1所述的微泵，其特征在于，所述泵膜下層柔性高分子材料采用聚乙烯、 聚丙烯、天然橡膠中的一種，其彈性模量比光致彎曲形變材料的彈性模量小一半以上。
3. 如權(quán)利要求2所述的微泵，其特征在于，所述粘結(jié)劑選自聚丙烯酸酯類粘結(jié)劑、聚氨 酯類粘結(jié)劑、環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑、橡膠類粘結(jié)劑中的 一種。
4. 如權(quán)利要求1所述的光致彎曲膜驅(qū)動(dòng)型微泵的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，利用光照射 微泵中泵膜的光致彎曲形變材料使之產(chǎn)生形變。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，先用一種光照射光致彎曲形變材料構(gòu)成的 上層，使該層產(chǎn)生收縮，然后換用另一種光照射，使該層恢復(fù)原始狀態(tài)，光源選用紫外光和 可見光。
6. —種連級(jí)泵，其特征在于由多級(jí)如權(quán)利要求1所述的光致彎曲膜驅(qū)動(dòng)型微泵級(jí)聯(lián) 組成，在同一方向分別照射不同光源時(shí)，前一級(jí)和后一級(jí)連續(xù)動(dòng)作，光源選用紫外光和可見 光。
全文摘要
本發(fā)明屬于微機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種光致彎曲膜驅(qū)動(dòng)型微泵，該微泵的主結(jié)構(gòu)由泵膜、泵腔、入口和出口等組成。該微泵的泵膜由光致彎曲形變材料層和柔性高分子材料層局部復(fù)合組成，通過周期性地照射紫外光和可見光，使泵膜發(fā)生周期性的凸起和回復(fù)。具有結(jié)構(gòu)和工藝簡(jiǎn)單，功耗小，易操控，壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)F04B53/10GK101709695SQ20091019905
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者俞燕蕾, 劉恒, 朱玉田, 李曉英, 章園園, 邢星, 陳茂林, 黃海濤 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)