[发明专利]一种闭环压电薄膜泵及流量控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及微量流体传输与控制领域中的一种微小精密压电泵，尤其涉及一种带有流量检测传感器的压电薄膜泵。

背景技术

微泵是一种典型的微执行器，它在微流量控制系统中起动力源的作用。微泵在生物医学、精细化工以及医药研究等领域有着广泛需求。近年来，利用压电元件(压电片或压电叠堆)作为换能器进行流体传输的压电泵被广泛用于各种微小流体驱动领域，该种压电泵具有结构简单、体积小、重量轻、驱动力大、低泄漏、响应时间短、耗能低、无噪声、无电磁干扰等优点。

压电薄膜泵是继压电超声马达之后又一种振动能量转换装置，它将压电薄膜激发的振动直接作用于流体，从而形成压力或流量输出，具有完全不同于各类传统泵的工作原理和特征结构。压电薄膜泵的具体原理是依靠压电振子的变形和有阀泵的进出口阀(或无阀泵的进出口结构)协同工作，带动泵腔容积变化实现流体输送，因此，在实际工作中流体粘度及泵体输出端压力变化等都会影响压电膜的变形量，进而影响泵输出流量的准确性。因此，在精密的微量流体传输与控制过程中，需要通过管路外加流量传感器等检测设备进行实时监测，不仅增加了系统的体积和复杂程度，同时也极大地限制了压电泵应用的空间范围。

相关的现有技术，可参阅专利号为201110181208.4，公开日为2011年10月12日的发明专利申请，该发明专利申请揭示了一种驱动-传感一体化压电晶片泵，该压电晶片泵通过将压电振子分割成两部分，小面积用于做成传感器，大面积用于动力源驱动液体，实现流体驱动和检测的同步。这种通过检测压电振子的变形间接获取驱动流量的方法存在如下问题：其一，压电振子变形过程中阀的泄漏造成的流量变化无法被检测，其二，压电振子自身安装应力变形会造成检测误差。所以造成这种方法在检测精度和实现上均不是很理想。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新型结构的闭环压电薄膜泵，以克服上述缺陷，并以此满足现有市场对流体驱动的高精度应用需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种体积小且驱动流体精度高的闭环压电薄膜泵。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种闭环压电薄膜泵，其包括压电振子、流量传感器、压电泵基体、电路控制模块以及控制流体运动方向的进液阀与出液阀，所述压电泵基体设有管路以及形成于泵基体内的泵腔，所述压电振子、进液阀、出液阀均安装于泵基体上，所述流量传感器和压电泵基体通过MEMS工艺集成为一整体结构，所述流量传感器设有一个用以接收流体的微通道及一个信号转换模块，所述微通道在出液阀开启时与泵腔连通，所述流量传感器检测流体的体积并将检测结果转化成电信号后反馈给电路控制模块，所述电路控制模块根据反馈的流量信号和目标流量体积信号比较后控制压电振子的运动变形量。

优选的，在上述闭环压电薄膜泵中，所述压电振子由压电陶瓷薄膜与金属薄膜粘接复合而成。

优选的，在上述闭环压电薄膜泵中，所述进液阀与出液阀由具有弹性的金属或有机聚合物薄膜制成。

优选的，在上述闭环压电薄膜泵中，所述电路控制模块包括驱动压电振子运动变形的驱动子模块、比对流量体积的信号分析子模块以及控制压电振子运动变形的控制子模块，所述驱动子模块与控制子模块皆与压电振子连接，所述信号分析子模块与信号转换模块连接。

一种采用上述的闭环压电薄膜泵进行流量控制的流量控制方法，该流量控制方法具体包括如下步骤：

(1)根据输送流体的目标流量体积信号，电路控制模块发出驱动信号，驱使压电振子产生运动变形；

(2)当压电振子在电路控制模块的控制下朝第一方向运动时，泵腔体积变大，泵腔内压力小于外部压力，形成负压，在压差作用下进液阀被打开，出液阀被关闭，流体流入泵腔；

(3)当压电振子在电路控制模块的控制下朝第二方向运动时，泵腔体积变小，泵腔内压力大于外部压力，形成正压，在压差作用下进液阀被关闭，出液阀被打开，流体流出泵腔并进入到流量传感器的微通道中；

(4)流量传感器检测流体的体积并将检测结果转化成电信号后反馈给电路控制模块；

(5)电路控制模块根据反馈的流量信号和目标流量体积信号比较后控制压电振子的运动变形量。

与现有技术相比，本发明实施例的闭环压电薄膜泵的有益效果是：

(1)通过将流量传感器与压电泵基体集成为一整体，减小了泵的体积且简化了结构；

(2)通过流量传感器与电路控制模块的协同工作，实现了流体的流量闭环控制，提高了驱动流体的精度；