專利名稱：封閉式電滲驅(qū)動方法及電滲鼓的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及電滲驅(qū)動方法及其裝置。
背景技術(shù)：
電滲現(xiàn)象在微流動控制方面有廣泛的應(yīng)用，例如美國專利申請US005965001A提出的一種微流動裝置，利用電滲流驅(qū)動管道中的流體，使傳輸過程精確可控，容易自動化；美國專利申請US006012902A將這種技術(shù)發(fā)展為可以縮微制作在微小芯片上的微泵；中國專利CN2286429Y使用砂芯柱電滲泵做液體傳輸。
上述技術(shù)主要使用單向電解電流驅(qū)動液體傳輸，一般不用隔膜將電滲液和被傳輸液隔離，都屬于開放式電滲裝置，因而電極上電解產(chǎn)物會污染被傳輸液，電滲電流會滲漏進(jìn)被傳輸液，易產(chǎn)生氣泡造成堵塞，而電滲液的輸入輸出管道使得裝置很復(fù)雜而不方便使用，這些都制約了電滲技術(shù)更廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種封閉式電滲驅(qū)動方法及一種新的驅(qū)動裝置——電滲鼓，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。
這種封閉式電滲驅(qū)動方法，特征在于設(shè)置一個電滲鼓，有二個鼓腔，鼓腔中裝有電滲溶液，鼓腔之間用電滲柱連通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔內(nèi)各設(shè)置電極，電滲溶液和電極構(gòu)成電滲泵，在兩個電極上通過極性交替變化的電流并保持每周期兩個方向的電解電量積分相等，使得電滲液發(fā)生氧化還原化學(xué)反應(yīng)，形成電滲液在電滲柱中往復(fù)流動，從而引起鼓膜振動，輸出機械振動作為電滲驅(qū)動源。
所述電滲溶液，為純水或低濃度化學(xué)添加劑的5＜pH＜10緩沖溶液。
所述化學(xué)添加劑包括氨、有機胺類，濃度范圍為0～50mmol/l；所述有機胺包括二乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺或三羥甲基氨基甲烷。
所述保持電流每周期兩個方向的電解電量積分相等，采用雙向階躍恒電流、循環(huán)三角波掃描電流、正弦波函數(shù)電流和不對稱波形任意函數(shù)電流。其波形有正弦波、三角波、方波、或正負(fù)半周非對稱的生物波。
所述在兩個電極上通過極性交替變化的電流并保持每周期兩個方向的電解電量積分相等時，各個電滲鼓振動的相位由驅(qū)動信號的相位控制；兩個以上電滲鼓組合的系統(tǒng)中，各個電滲鼓振動的相位按程序規(guī)定次序逐個相差，從而使之按程序規(guī)定次序動作，構(gòu)造成組合動作系統(tǒng)。
若在鼓面上施加周期變化的外力使之振動，而將電極接往示波器，則能夠顯示兩鼓面上的壓力差及其變化。
本發(fā)明的電滲鼓，特征在于有二個鼓腔，鼓腔中裝有電滲溶液，鼓腔之間用電滲柱連通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔內(nèi)各設(shè)置電極，鼓腔上有進(jìn)液口。
鼓腔為剛性絕緣體，工作時全密封。
所述電極為惰性金屬基材的電子導(dǎo)體，包括鉑網(wǎng)電極、鉑黑電極、金膜電極或或鉑銠合金電極；所述電滲柱為帶表面電荷微孔洞的柱型體，包括石英毛細(xì)管、玻璃砂芯、陶瓷片、SiO2凝膠柱或有機聚合物整體柱；所述鼓膜為彈性膜，可以蒙在鼓腔的端面或上面。
電滲柱的電阻是其長度與面積的函數(shù)，可以依實際需要調(diào)整(比較典型的可為0.1～10MΩ)，電極表面的電容主要是面積與表面粗糙度的函數(shù)，可以依實際需要調(diào)整(比較典型的可為0.1-10μf)，使得諧振周期可以在此期間0.01～100s之間調(diào)節(jié)，因此，本發(fā)明適合于對低頻-極低頻波段(0.01～100Hz)的響應(yīng)。
可以將兩個以上的鼓膜位于鼓腔側(cè)端面的電滲鼓串聯(lián)、并聯(lián)、或其他組合，和其他閥門、管道一起構(gòu)造成組合動作系統(tǒng)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明電滲鼓具有如下優(yōu)點1、由于本發(fā)明的電滲鼓將電滲單元封裝在鼓型結(jié)構(gòu)中，成為一個不漏電、不漏液、不拖帶流體管道的封閉式的電滲裝置，因此可望成為一種標(biāo)準(zhǔn)化電動器件進(jìn)行生產(chǎn)和應(yīng)用。
2、本發(fā)明電滲鼓使用極性交替變化的電流驅(qū)動電滲，每周期的兩個方向的電解電量積分相等，因此各電極上的充電與放電電量相等，氧化與還原反應(yīng)的電量相等，這樣就不易產(chǎn)生氫氣和氧氣釋出，避免了氣泡堵塞，并使電滲液的pH值穩(wěn)定不變，延長了使用壽命。若不能保持每周期兩個方向的電解電量積分相等的方法驅(qū)動電滲，容易造成鼓腔中發(fā)生氣泡釋出、電滲效能降低和電滲鼓壽命降低以至于電滲鼓的破壞。
3、本發(fā)明電滲鼓是一種獨立的電動器件，因此可以方便地進(jìn)行并聯(lián)、串聯(lián)和組合應(yīng)用，構(gòu)造復(fù)雜的動作系統(tǒng)，可望在微量液體傳輸、微芯片制作、微動控制、低頻振動發(fā)生與檢測等方面得到廣泛應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明電滲鼓中的橫隔鼓的側(cè)面透視圖。
圖2是橫隔鼓的軸向透視圖。
圖3是本發(fā)明電滲鼓中的縱隔鼓的頂面透視圖。
圖4是縱隔鼓的側(cè)面透視圖。
圖5是本發(fā)明電滲鼓中的橫隔電滲鼓串聯(lián)的示意圖。
圖6是本發(fā)明電滲鼓中的縱隔電滲鼓并聯(lián)的示意圖。
圖7是本發(fā)明電滲鼓中的橫隔電滲鼓組合的流動注射泵示意圖。
圖8是本發(fā)明封閉式電滲驅(qū)動方法電路原理示意圖。
圖9是本發(fā)明電滲驅(qū)動方法的雙向階躍電流驅(qū)動法的信號波形圖。
圖10是本發(fā)明電滲驅(qū)動方法的循環(huán)三角波掃描電流驅(qū)動法的信號波形圖。
圖11是本發(fā)明電滲驅(qū)動方法的正弦波函數(shù)電流驅(qū)動法的信號波形圖。
圖12是本發(fā)明電滲驅(qū)動方法的不對稱波形任意函數(shù)電流驅(qū)動法的信號波形圖。
具體實施例方式
實施例1本發(fā)明電滲鼓中的橫隔鼓在一個由有機玻璃車制的鼓體1的中部，有機玻璃鼓隔2將鼓腔橫向分隔為前鼓腔3和后鼓腔4，鼓腔3和4的開口處各蒙一硅橡膠膜為鼓膜5和6，一根玻璃砂芯電滲柱7貫穿鼓隔2并以環(huán)氧樹脂封接，鼓腔3和4中分別裝有鉑黑電極8和9，其電極線分別引出至封閉的鼓體外；鼓腔3和4相應(yīng)的鼓體上分別設(shè)有不銹鋼閥門10和11，通過閥門10和11分別向鼓腔3和4中注入并充滿含有濃度為0～1.0mmol/l二乙醇胺或三乙醇胺的電滲液后關(guān)閉閥門10和11，即成為如附圖1(側(cè)面透視圖)和附圖2(軸向透視圖)所示的橫隔鼓。
使用時，通過電極線在電極8和9之間施加一定頻率的、并保持每周期兩個方向的電解電量積分相等的交變電壓或電流，即可在彈性鼓面5和6上得到相應(yīng)頻率的振動輸出。
反之，若在鼓面5和6上施加周期變化的外力使之振動，而將電極8和9接往示波器，則能夠顯示兩鼓面上的壓力差及其變化。
實施例2本發(fā)明電滲鼓中的縱隔鼓在一個由聚四氟乙烯車制的的鼓體1中，有一個縱向鼓隔2將鼓腔分隔為左分鼓腔3和右分鼓腔4，鼓腔3和4的兩端各蒙有電絕緣材料的彈性膜鼓膜5和6，一根石英毛細(xì)管電滲柱7貫穿鼓隔2并以環(huán)氧樹脂封接，鼓腔3和4中分別設(shè)有鉑網(wǎng)電極8和9，左右兩鼓體上分別設(shè)置有閥門10和11，通過閥門10和11分別向鼓腔3和4中充滿濃度為0～1.0mmol/l的氨水作為電滲液，關(guān)閉閥門10和11，即為如附圖3(頂面透視圖)和附圖4(側(cè)面透視圖)所示的縱隔鼓。
使用時，在電極8和9之間施加一定頻率的、并保持每周期兩個方向的電解電量積分相等的交變電壓或電流，即在左右兩分鼓鼓面上得到相應(yīng)頻率的振動輸出。
實施例3串聯(lián)橫隔電滲鼓將兩個以上的橫隔電滲鼓12按相同方向首尾排列并固定在基座13上，前一個電滲鼓的鼓膜通過連接塊14和后一個電滲鼓的鼓膜粘接，如附圖5所示，即為串聯(lián)橫隔鼓。
使用時，在各個電滲鼓的兩個電極上分別施加一定周期和相位的、并保持每周期兩個方向的電解電量積分相等的交變電壓或電流，可在串聯(lián)橫隔電滲鼓的前后兩端鼓面上得到波形和強度相疊加的振動輸出。典型的情形是，在各電滲鼓的兩個電極上分別施加幅度相同相位也相同的交變電壓或電流，則在串聯(lián)橫隔鼓上得到波形相同而能量相加的輸出，即可使用較低電壓而得到較高驅(qū)動力輸出。
實施例4并聯(lián)縱隔電滲鼓將兩個以上的縱隔電滲鼓15按相同方向疊放在一起，用左連接塊16粘接前后兩縱隔電滲鼓的左鼓，用右連接塊17粘接前后兩縱隔電滲鼓的右鼓，如附圖6所示，即為并聯(lián)縱隔鼓。
使用時，在各單個縱隔電滲鼓的兩個電極上分別施加保持每周期兩個方向的電解電量積分相等的交變電壓或電流，即可在并聯(lián)縱隔鼓上產(chǎn)生依相位疊加的扭動。典型的情形是，在各個單鼓的兩個電極上分別施加的交變電壓或電流，按從前到后的順序逐個相差一個相位角，則可在并聯(lián)縱隔電滲鼓上得到蛇形的扭動。
實施例5電滲鼓組合的流動注射泵將兩個以上橫隔電滲鼓12的前后鼓膜表面各粘一塊壓力傳導(dǎo)塊17后并排放置在一個固體凹槽18中，一根內(nèi)部灌充有待輸送液體的彈性軟橡膠管19穿過壓力傳導(dǎo)塊17與凹槽18的壁之間的間隙作S型纏繞，如附圖7所示，即成為電滲鼓組合流動注射泵。
使用時，在各個單鼓的兩個電極上施加保持每周期兩個方向的電解電量積分相等的交變電壓或電流，按順序逐個相差一個相位角，則可在彈性軟橡膠管19中得到單方向的液體輸送。
實施例6雙向階躍電流驅(qū)動法如圖8所示，將運算放大器20的正輸入端接地，負(fù)輸入端和輸出端接往縱隔電滲鼓12或橫隔電滲鼓15的兩電極，從商售信號發(fā)生器21經(jīng)過電阻22輸入一正負(fù)幅值相等的方波電壓信號到運算放大器20的負(fù)輸入端，則在電滲鼓12或15的兩電極之間產(chǎn)生雙向階躍的恒定電流驅(qū)動，其信號電壓的波形曲線如附圖9所示；保持階躍信號的時間間隔相等，則可保證一周期中的兩個方向的電解電量積分相等。
實施例7循環(huán)三角波掃描電流法使用圖8所示電路，從信號發(fā)生器21經(jīng)過電阻22輸入一循環(huán)三角波掃描電壓信號到運算放大器20的負(fù)輸入端，則在電滲鼓12或15的兩電極之間產(chǎn)生循環(huán)三角波掃描電流驅(qū)動，其信號電壓的波形曲線如附圖10所示；保持循環(huán)三角波掃描信號的對稱性，則可保證一周期中的兩個方向的電解電量積分相等。
實施例8正弦波函數(shù)電流法使用圖8所示電路，從信號發(fā)生器21經(jīng)過電阻22輸入一正弦波掃描電壓信號到運算放大器20的負(fù)輸入端，則在電滲鼓12或15的兩電極之間產(chǎn)生正弦波掃描電流驅(qū)動，其信號電壓的波形曲線如附圖11所示；保持正弦波掃描信號的對稱性，則可保證一周期中的兩個方向的電解電量積分相等。
實施例9不對稱波形任意函數(shù)電流法使用圖8所示電路，從信號發(fā)生器21經(jīng)過電阻22輸入一不對稱任意函數(shù)波形掃描電壓信號，如類似于心臟血壓或血液流動的波形如圖12所示，到運算放大器20的負(fù)輸入端，則在電滲鼓12或15的兩電極之間產(chǎn)生同樣波型的掃描電流驅(qū)動；保持該掃描信號的正負(fù)波的積分面積相等，則可保證一周期中的兩個方向的電解電量積分相等。
權(quán)利要求
1.一種封閉式電滲驅(qū)動方法，特征在于設(shè)置一個電滲鼓，有二個鼓腔，鼓腔中裝有電滲溶液，鼓腔之間用電滲柱連通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔內(nèi)各設(shè)置電極，電滲溶液和電極構(gòu)成電滲泵，在兩個電極上通過極性交替變化的電流并保持每周期兩個方向的電解電量積分相等，使得電滲液發(fā)生氧化還原化學(xué)反應(yīng)，形成電滲液在電滲柱中往復(fù)流動，從而引起鼓膜振動，輸出機械振動作為電滲驅(qū)動源。
2.如權(quán)利要求1所述的封閉式電滲驅(qū)動方法，特征在于所述電滲溶液，為純水或低濃度化學(xué)添加劑的5＜pH＜10緩沖溶液。
3.如權(quán)利要求2所述的封閉式電滲驅(qū)動方法，特征在于所述化學(xué)添加劑包括氨、有機胺類，濃度范圍為0～50mmol/l；所述有機胺類包括二乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺或三羥甲基氨基甲烷。
4.如權(quán)利要求1所述的封閉式電滲驅(qū)動方法，特征在于所述保持電流每周期兩個方向的電解電量積分相等，采用雙向階躍恒電流、循環(huán)三角波掃描電流、正弦波函數(shù)電流，不對稱波形任意函數(shù)電流，其波形有正弦波、三角波、方波、或正負(fù)半周非對稱的生物波。
5.如權(quán)利要求1所述封閉式電滲驅(qū)動方法，特征在于所述在兩個電極上通過極性交替變化的電流并保持每周期兩個方向的電解電量積分相等時，各個電滲鼓振動的相位由驅(qū)動信號的相位控制；兩個以上電滲鼓組合的系統(tǒng)中，各個電滲鼓振動的相位按程序規(guī)定次序逐個相差，從而使之按程序規(guī)定次序動作，構(gòu)造成組合動作系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求1所述封閉式電滲驅(qū)動方法，特征在于若在鼓面上施加周期變化的外力使之振動，而將電極接往示波器，則能夠顯示兩鼓面上的壓力差及其變化。
7.一種電滲鼓，特征在于有二個鼓腔，鼓腔中裝有電滲溶液，鼓腔之間用電滲柱連通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔內(nèi)各設(shè)置電極，鼓腔上有進(jìn)液口。
8.如權(quán)利要求7所述的電滲鼓，特征在于鼓腔為剛性絕緣體，工作時全密封。
9.如權(quán)利要求7所述的電滲鼓，特征在于所述電極為惰性金屬基材的電子導(dǎo)體，包括鉑網(wǎng)電極、鉑黑電極、金膜電極或鉑銠合金電極；所述電滲柱為帶表面電荷微孔洞的柱型體，包括石英毛細(xì)管、玻璃砂芯、陶瓷片、SiO2凝膠柱或有機聚合物整體柱；所述鼓膜為彈性膜，可以蒙在鼓腔的端面或上面。
10.如權(quán)利要求7所述的電滲鼓，特征在于將兩個以上的鼓膜位于鼓腔側(cè)端面的電滲鼓串聯(lián)、并聯(lián)、或其他組合，和其他閥門、管道一起構(gòu)造成組合動作系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種封閉式電滲驅(qū)動方法及電滲鼓，特征在于有二個鼓腔，鼓腔中裝有電滲溶液，鼓腔之間用電滲柱連通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔內(nèi)各設(shè)置電極，電滲溶液和電極構(gòu)成電滲泵，在兩個電極上通過極性交替變化的電流并保持每周期兩個方向的電解電量積分相等，形成電滲液在電滲柱中往復(fù)流動，從而引起鼓膜振動，輸出機械振動作為電滲驅(qū)動源，成為一種封閉式電動器件?？煞奖愕剡M(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)和組合構(gòu)造復(fù)雜的動作系統(tǒng)；本發(fā)明克服了現(xiàn)有開放式電滲裝置的電滲漏、電解產(chǎn)物污染、易產(chǎn)生氣泡堵塞和不方便使用的不足，可成為標(biāo)準(zhǔn)化的電動元件進(jìn)行生產(chǎn)和應(yīng)用，在微量液體傳輸、微芯片制作、微動控制、低頻振動發(fā)生與檢測等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號B01L3/00GK1535757SQ03113129
公開日2004年10月13日 申請日期2003年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月4日
發(fā)明者林祥欽, 蔣曉華, 何友昭 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)