專利名稱：壓電微型泵的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于以低體積和可控制的流速將流體從一容器泵送到一傳送點的方法和裝置，更具體地，涉及用壓電驅(qū)動泵控制流體的傳送，如將藥液或懸浮液從一容器傳送到一傳送點。
相關(guān)技術(shù)描述大量在諸如藥品、化學(xué)和環(huán)境測試領(lǐng)域的流體學(xué)應(yīng)用都由于樣品尺寸、試劑成本或可攜帶性等原因而以小型存在。對這樣的小型系統(tǒng)來說就需要有能力的和可靠的有成本效益的流體元件，包括泵。目前泵的結(jié)構(gòu)通常以打開和關(guān)閉的閥為基礎(chǔ)。這些閥傾向于由在宏觀裝置中工作的結(jié)構(gòu)直接應(yīng)用，但對于微觀應(yīng)用則不一定是最佳選擇。這些裝置要求閥座或其它類型的密封和防卡塞機(jī)構(gòu)，且通常限于相對較小的完全開放的間隙。
許多微型泵用于將少量流體傳送到一傳送點。一些泵含有一種當(dāng)受到電壓引起的電應(yīng)力時會改變尺寸的壓電元件。Smits的美國專利4938742描述了一種帶有壓電閥的微型泵。這些閥包括由一單層壓電材料覆蓋的隔膜，該隔膜對閥的控制和彎曲可能性進(jìn)行限制。
Ooumi等人的美國專利5611676顯示了懸臂雙壓電晶片的應(yīng)用。雙壓電晶片具有兩層由一薄墊片分隔的壓電材料。在兩層雙壓電晶片上施加一個電場會使其中一層伸長而另一層收縮。最終結(jié)果是產(chǎn)生一個遠(yuǎn)大于單獨(dú)壓電陶瓷元件長度或厚度變形度的曲率。但Ooumi等人的微型泵將雙壓電晶片僅僅用作打開和關(guān)閉開口的單功能密封件或單功能泵，而不是用作多功能密封件和泵。
本發(fā)明設(shè)想一種在結(jié)構(gòu)簡單、使用效率高且小型化的新的和改進(jìn)的壓電微型泵。這種新的和改進(jìn)的壓電微型泵以低能量消耗提供增加的流體流速。它克服了前述的困難和其它問題，同時提供更好的和更有利的整體效果。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，提供了一種新的和改進(jìn)的壓電微型泵，以可控制的流速將精確的少量流體從一容器泵傳送到一傳送點。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，公開了一種將流體從一流體容器泵送到一個傳送點的微型泵，包括一個泵體，該泵體具有一個貫穿其中并從該流體容器伸向該傳送點的通道。該泵體具有與該通道交叉的第一、第二和第三空腔。一覆蓋該第一空腔的第一隔膜，當(dāng)該第一隔膜升高和降低時，該第一隔膜打開和關(guān)閉該通道。一第一隔膜夾頭，用于將該第一隔膜固定到該泵體上。一第一懸臂壓電致動器，用于升高和降低該第一隔膜。該第一懸臂壓電致動器具有一第一端和一第二端，該第一端可操作地聯(lián)接到該第一隔膜上。一第一致動器夾頭，用于將該第一懸臂壓電致動器的該第二端固定到該泵體上。一覆蓋該第二空腔的第二隔膜，當(dāng)?shù)诙裟ど吆徒档蜁r，該第二隔膜打開和關(guān)閉該通道。一第二隔膜夾頭，用于將該第二隔膜固定到該泵體上。一第二懸臂壓電致動器，用于升高和降低該第二隔膜。該第二懸臂壓電致動器具有一第一端和一第二端，該第一端可操作地聯(lián)接到該第二隔膜上。一第二致動器夾頭，用于將該第二懸臂壓電致動器的該第二端固定到該泵體上。一覆蓋該第三空腔的第三隔膜。當(dāng)該第三隔膜升高和降低時，該第三隔膜打開和關(guān)閉該通道。該第三隔膜通過該第一隔膜夾頭固定到該泵體上。一第三懸臂壓電致動器，用于升高和降低該第三隔膜。該第三懸臂壓電致動器具有一第一端和一第二端，該第一端可操作地聯(lián)接到該第三隔膜上，該第三懸臂壓電致動器的該第二端通過該第一致動器夾頭固定到該泵體上。一電子控制電路，以預(yù)定間隔用于向該第一、第二和第三懸臂壓電致動器施加電壓，用于升高和降低該第一、第二和第三隔膜，從而促使該流體流過該通道。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種用于將流體從一流體容器泵送到一傳送點的微型泵，包括
一個泵體，該泵體具有一個貫穿其中并從該流體容器通向該傳送點的通道。該泵體具有與該通道交叉的第一和第二空腔。一覆蓋該第一空腔的第一隔膜。該第一壓電致動器具有一第一端和一第二端，該第一端可操作地聯(lián)接到該第一隔膜上。當(dāng)?shù)谝桓裟ろ憫?yīng)一第一壓電致動器而升高和降低時，該第一隔膜打開和關(guān)閉該通道。一覆蓋該第二空腔的第二隔膜。當(dāng)?shù)诙裟ど吆徒档蜁r，該第二隔膜打開和關(guān)閉該通道。一固定裝置，用于將該第一和第二隔膜固定到該泵體上。一第二壓電致動器，用于升高和降低該第二隔膜。該第二壓電致動器具有一第一端和一第二端，該第一端可操作地聯(lián)接到該第二隔膜上。第一和第二壓電致動器的第二端固定到該泵體上，而這些致動器的第一端從泵體懸出。一電子裝置，向該第一和第二壓電致動器施加電壓，使該第一和第二壓電致動器升高和降低該第一和第二隔膜。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，微型泵的泵體具有與該通道交叉的第三空腔。該微型泵還包括一覆蓋該第三空腔的第三隔膜。當(dāng)該第三隔膜升高和降低時，該第三隔膜打開和關(guān)閉該通道。該第三隔膜由該固定裝置夾到該泵體上。一用于升高和降低該第三隔膜的第三壓電致動器。該第三壓電致動器具有一第一端和一第二端，該第一端可操作地聯(lián)接到該第三隔膜上。該第三壓電致動器的該第二端由該懸臂固定裝置固定到該泵體上。該電子裝置向該第三壓電致動器施加一電壓，使該第三壓電致動器升高和降低該第三隔膜。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種用于將流體從一流體容器泵送到一傳送點的微型泵，該泵包括一個泵體。泵體具有一貫穿其中并從該流體容器通向該傳送點的通道。該泵體具有與該通道交叉的第一和第二空腔。一第一泵送裝置，用于在該第一空腔處打開和關(guān)閉該通道并產(chǎn)生一促進(jìn)該流體流過該通道的真空。一第一壓電致動器，用于致動該第一泵送裝置。一第二泵送裝置，用于在該第二空腔處打開和關(guān)閉該通道并產(chǎn)生一促進(jìn)該流體流過該通道的真空。一第二壓電致動器，用于致動該第二泵送裝置；一電子裝置，用于向該第一和第二壓電致動器施加電壓，使該第一和第二壓電致動器致動該第一和第二泵送裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該泵體具有一與該通道交叉的第三空腔。該微型泵還包括一第三泵送裝置，用于在該第三空腔處打開和關(guān)閉該通道并產(chǎn)生一促進(jìn)該流體流過該通道的真空。一第三壓電致動器，用于致動該第三泵送裝置。電子裝置，用于向該第三壓電致動器施加電壓，使該第三壓電致動器致動該第三泵送裝置。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，公開了一種將流體從一流體容器泵送到一個傳送點的微型泵。該微型泵具有一泵體，該泵體具有一個貫穿其中并從該流體容器通向該傳送點的通道，及與該通道交叉的第一和第二空腔。該微型泵包括分別覆蓋該第一和第二空腔的第一和第二隔膜。該微型泵還包括分別具有一第一端和一第二端的第一和第二壓電致動器。該致動器的第一端可操作地聯(lián)接到相應(yīng)的隔膜上，第二端聯(lián)接到該泵體上，以限定一用于該第一隔膜的懸臂支承件。該泵還包括一電源，用于選擇性地向該第一和第二壓電致動器中的每一個施加電壓，使該第一和第二壓電致動器升高和降低相應(yīng)的隔膜。當(dāng)?shù)谝缓偷诙裟び蓧弘娭聞悠魃吆徒档蜁r，它們分別打開和關(guān)閉該通道。
上述微型泵中的壓電致動器可以是雙壓電晶片。在這種泵中，第一和第二隔膜的致動控制泵送和閥調(diào)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，公開了一種將流體從一流體容器泵送到一個傳送點的微型泵。該微型泵具有一個泵體，該泵體具有一個貫穿其中并從該流體容器通向該傳送點的通道，及與該通道交叉的第一和第二空腔。該微型泵包括分別覆蓋該第一和第二空腔的第一和第二隔膜。該微型泵還包括分別具有一第一端和第二端的第一和第二雙壓電晶片。該第一端分別可操作地聯(lián)接到該第一和第二隔膜上，該第二端聯(lián)接到該泵體上。該微型泵還包括一電源，用于選擇性地向該第一和第二壓電致動器中的每一個施加電壓，以升高和降低相應(yīng)隔膜。當(dāng)?shù)谝坏诙裟び蓧弘娭聞悠魃吆徒档蜁r它們分別打開和關(guān)閉通道。向該第一壓電致動器施加電壓可移動該第一隔膜，在該第一空腔中限定一第一儲槽，從該容器中抽出流體，經(jīng)該入口進(jìn)入該第一儲槽，而向該第一壓電致動器施加一相反電壓可在相反方向移動該第一隔膜，將該第一儲槽中的流體推入位于該第一隔膜下游的該通道中并密封該第一空腔。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，向該微型泵中的第二壓電致動器施加電壓可移動該第二隔膜，在該第二空腔中限定一第二儲槽，將流體從位于該第一儲槽下游的通道中抽入該第二儲槽，而向該第二壓電致動器施加一相反電壓可在相反方向移動該第二隔膜，將該第二儲槽中的流體推入位于該第二儲槽下游的該通道中并密封該第二空腔。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種通過一微型泵將流體從一流體容器泵送到一傳送點的方法。該微型泵包括一泵體，該泵體具有一個貫穿其中的通道及與該通道交叉的第一和第二空腔，第一和第二隔膜覆蓋該第一和第二空腔，第一和第二壓電致動器懸在泵體與該第一和第二隔膜之間，以升高和降低該第一和第二隔膜。該方法包括下列步驟致動該第一壓電致動器，以升高該第一隔膜，從而允許流體流過該通道，從該容器到達(dá)該第一空腔；致動該第二壓電致動器，以升高該第二隔膜，致動該第一壓電致動器以降低該第一隔膜，從而允許流體流過該通道，從該第一空腔到達(dá)該第二空腔；及致動該第二壓電致動器，以降低該第二隔膜，從而允許流體流過該通道到達(dá)該傳送點。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，該泵體具有一與該通道交叉的第三空腔，并且該微型泵還包括一覆蓋該第三空腔的第三隔膜及用于升高和降低該第三隔膜的第三壓電致動器。該方法還包括下列步驟致動該第三壓電致動器以升高該第三隔膜，同時致動該第二壓電致動器以降低該第二隔膜，從而允許流體流過該通道，從該第二空腔到達(dá)該第三空腔；及致動該第三壓電致動器以降低該第三隔膜，從而允許流體流過該通道到達(dá)該傳送點。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是，微型泵可以控制流體流動的精確流量，這對于需要以精確數(shù)量或以可控制流速進(jìn)行分配的藥劑和其它流體來說特別有利。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，每個壓電致動器和隔膜組件既用作微型泵通道的閘門，又用作促進(jìn)流體流過微型泵的泵。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，流體的流速可通過改變施加在壓電致動器上的電壓水平而控制，從而控制彎曲量和隔膜升高到的水平。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，流體的流速可通過改變壓電致動器的泵送循環(huán)的頻率而控制。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，向壓電致動器逐步施加一不斷增加和不斷減少的電壓能夠穩(wěn)定流體穿過微型泵的流動。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，與壓電圓盤相比，將壓電致動器懸在泵體和隔膜之間增加了隔膜彎曲，使得在控制能量消耗的情況下流體流量最大。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，本發(fā)明的另外一些好處和優(yōu)點將在閱讀和理解下面的詳細(xì)說明后變得明白。
附圖簡述本發(fā)明在某些部分和部分結(jié)構(gòu)中可采取實際形式，一優(yōu)選實施例將在說明書中詳細(xì)描述，并在形成其一部分的附圖中表示出來，其中

圖1是一壓電微型泵的透視圖；圖2是圖1中壓電微型泵的分解視圖；圖3是沿圖1中線3-3取的壓電微型泵的剖面圖；圖4是壓電致動器的側(cè)面透視圖；圖5A-5E是表示壓電微型泵的泵送循環(huán)的示意圖；圖6是用于壓電微型泵實施例的電子控制電路波形的圖線；圖7是帶有兩個隔膜的壓電微型泵另一實施例的側(cè)視圖；圖8是用于凈化流體通道的壓電微型泵特征裝置一替換實施例的透視圖。
優(yōu)選實施例的描述參照附圖，附圖僅用于圖示本發(fā)明優(yōu)選實施例的目的，并不對其進(jìn)行限制，圖1是一微型泵10的透視圖，該微型泵10用于將數(shù)量精確的流體從一容器14傳送到一傳送點18。微型泵10包括一泵體22。在一優(yōu)選實施例中，泵體22最好由模制或機(jī)加工塑料如迭爾林制成。
對于藥學(xué)或其它應(yīng)用來講，泵體22可由抗菌材料制成或設(shè)有抗菌涂層?？咕牧虾屯繉討?yīng)該是非滲漏的。泵體22和其它元件最好和殺菌技術(shù)相匹配，使微型泵10可以無菌包裝。
繼續(xù)參照圖1，圖2中顯示微型泵10的一個分解視圖。泵體22內(nèi)部是一個通道26。通道26最好是在泵體22中模制或機(jī)加工而成，并和將被泵送的流體物理匹配，該流體包括液體溶液和微小懸浮物。通道26和所有其它與流體接觸的泵表面與將被泵送的流體化學(xué)匹配。通道26從與容器14可互換聯(lián)接的入口30流經(jīng)泵體22到達(dá)圖3中所示出口32和傳送點18。
如圖3所示，圖3是沿圖1中線3-3所取的剖視圖，繼續(xù)參照圖1和圖2，通道26最好以Z字型方式從入口30經(jīng)泵體22流到出口32。通道26與三個通道空腔34、36、38相交并在此處打開。空腔34、36、38最好由非滲漏的彈性體隔膜40、42、44覆蓋。隔膜40、42、44最好由硅樹脂盤制成并可具有大約0.005英寸的厚度且在泵中有大約12毫米的直徑，該盤的泵送能力大約在10-100微升/秒的范圍內(nèi)。當(dāng)隔膜40、42、44在空腔34、36、38中被緊緊固定壓靠在泵體22上時，通道26在每個空腔34、36、38處被關(guān)閉。當(dāng)從空腔34、36、38中拉出隔膜40、42、44時，通道26的相應(yīng)部分打開。
繼續(xù)參照圖1、2和3，壓電致動器46、48、50分別在第一端64、66、68處連接到隔膜40、42、44上。在優(yōu)選實施例中，用硅樹脂粘結(jié)劑或其它匹配的粘結(jié)劑將隔膜40、42、44連接到壓電致動器46、48、50上。但也可以使用任何適當(dāng)?shù)倪B接方式。例如，隔膜40、42、44中可設(shè)槽以接收壓電致動器46、48、50的第一端，或者隔膜40、42、44和壓電致動器46、48、50可以模制形成一整體。
壓電致動器46、48、50可以通過致動器夾頭78、80安裝到泵體22上。在本發(fā)明的一個實施例中，致動器夾頭78、80是與泵體22分開設(shè)計的件。但致動器夾頭78、80也可以與泵體22形成一體。將壓電致動器46、48、50的第二端70、72、74夾到泵體22上創(chuàng)造了一個懸臂安裝系統(tǒng)。對于壓電致動器46、48、50來講，懸臂安裝系統(tǒng)和雙壓電晶片元件的使用是最有利于在給定的施加電壓下實現(xiàn)的壓電彎曲達(dá)到最大。當(dāng)電壓施加到壓電致動器46、48、50上時，第二端70、72、74保持靜止而第一端64、66、68相對于泵體22移動，因而升高和降低隔膜40、42、44。隔膜40、42、44的其中一個的彎曲打開了穿過泵體22延伸的通道26的對應(yīng)部分。在優(yōu)選實施例中，隔膜40、42、44通過隔膜夾頭84、86與空腔34、36、38中的泵體22進(jìn)一步保持接觸。
壓電致動器46、48、50最好是雙壓電晶片致動器。圖4是其中一個壓電致動器46的詳細(xì)視圖。壓電致動器46優(yōu)選地包括兩層由一薄墊片60分開的壓電陶瓷54、56，薄墊片60最好由銅或適當(dāng)?shù)奶祭w維材料制成。在兩層壓電陶瓷材料54、56上施加一電場，會導(dǎo)致一層壓電陶瓷54膨脹而另一層壓電陶瓷56收縮。最終結(jié)果是產(chǎn)生一個遠(yuǎn)大于單獨(dú)壓電陶瓷元件54、56長度或厚度限制的曲率。在能夠以大約每秒10-100微升進(jìn)行泵送的泵中，壓電致動器46可具有一大約0.075英寸的寬度和一大約1.0英寸的懸臂長度。優(yōu)選的壓電陶瓷54、56是5H級鋯鈦酸鉛。5A級壓電陶瓷也可以使用，但要求高電壓來完成與5H級壓電陶瓷相似的運(yùn)動。雙壓電晶片的使用能夠使隔膜40、42、44起到密封件和泵的雙重功能。隔膜40、42、44其中一個在一個方向上的移動打開了對應(yīng)的空腔34、36、38，以形成一流體儲槽。隔膜40、42、44在相反方向上的移動迫使流體從儲槽和空腔34、36、38中流出來。
繼續(xù)參照圖1、2和3，圖5A至5E顯示了微型泵10的泵送循環(huán)。每個隔膜40、42、44由一壓電致動器46、48、50獨(dú)立控制。在泵送循環(huán)過程中，壓電致動器46、48、50一起沿一單向流動方向?qū)⒘黧w從容器14輸送到傳送點18。該單向流動方向及隔膜40、42、44的密封活動保持了液體的整體性。
如圖5A所示，當(dāng)微型泵10處于休息狀態(tài)時，每個隔膜40、42、44位于壓靠空腔34、36、38的下部位置，從而在每個空腔34、36、38處關(guān)閉通道26。在第一操作步驟中，如圖5B所示，第一隔膜40通過向壓電致動器46施加一電壓而彎曲或升高，從而移動壓電致動器46的第一端64。升高隔膜40在空腔34的通道26中產(chǎn)生一真空，因此將流體從容器14抽出經(jīng)入口30到達(dá)由升高隔膜40在空腔34中產(chǎn)生的儲槽中。如這里使用的，“升高”隔膜意思是移動隔膜到一個打開或非密封位置，盡管這種運(yùn)動不一定是沿向上方向。類似地，“降低”隔膜意思是移動隔膜到一個關(guān)閉或密封位置，盡管這種運(yùn)動不一定沿向下方向。
圖5C中顯示了泵送循環(huán)的第二步驟。在壓電致動器48上施加一電壓以升高隔膜42，在空腔36處的通道26中產(chǎn)生一真空。同時，在壓電致動器46施加一相反電壓，使第一端64降低隔膜40。由隔膜42在空腔36中產(chǎn)生的真空以及隔膜40的降低使流體從空腔34中產(chǎn)生的儲槽中流到空腔36中產(chǎn)生的儲槽中。
圖5D顯示了泵送循環(huán)的下一步驟。在壓電致動器50施加一電壓，使壓電致動器50的第一端68升高隔膜44，在空腔38中產(chǎn)生一真空。同時，在壓電致動器48上施加一相反電壓，使壓電致動器48的第一端66將隔膜42降低到儲槽中。通過升高隔膜44和降低隔膜42產(chǎn)生的真空推動流體穿過通道26到達(dá)空腔38。
圖5E顯示了泵送循環(huán)的最后步驟，在壓電致動器50上施加一相反電壓，降低壓電致動器50的第一端68并降低隔膜44。隔膜44的降低推動流體從空腔38中產(chǎn)生的儲槽中流出經(jīng)過通道26和出口32到達(dá)傳送點18。
圖6顯示了在微型泵10的理論操作過程中在壓電致動器46、48、50上施加電壓而泵送水的圖表。以1表示的圖線表示施加在第一壓電致動器46上的電壓。以2表示的圖線表示施加在第二壓電致動器48上的電壓。以3表示的圖線表示施加在第三壓電致動器50上的電壓。全部三個圖線1、2、3顯示在一起，時間沿X軸。每個電壓以圖線1、2、3中所示的那樣逐步增加的方式施加，以防止在微型泵10運(yùn)行過程中致動器的振動和聽得見的噪音，并促進(jìn)穿過通道26平穩(wěn)流動。在壓電致動器46、48、50上施加電壓是由一在圖1中表示的、電子領(lǐng)域技術(shù)人員公知的控制電路88控制。圖線1的頂點大致對應(yīng)于圖5B中所示的泵送循環(huán)步驟。圖線2的頂點大致對應(yīng)于圖5C中所示的泵送循環(huán)步驟。圖線3的頂點大致對應(yīng)于圖5D中所示的泵送循環(huán)步驟。電壓的逐步增加以及對各致動器致動的計時有助于控制單向流動和使回流最小。波動形式和計時可根據(jù)待泵送的流體及所需的流體輸出量的變化而變化。
在優(yōu)選實施例中，施加在壓電致動器46、48、50上的最大電壓是120伏。如果用電池向壓電致動器46、48、50供電，則一般電池的電壓必須由控制電路88遞增，以提供充足的電壓以便在壓電致動器46、48、50上產(chǎn)生壓電效應(yīng)。在優(yōu)選實施例中，如圖1所示，電壓通過連接到壓電致動器46、48、50上的導(dǎo)線90、92施加。但也可使用任何其它適當(dāng)?shù)南驂弘娭聞悠?6、48、50施加電壓的方法，包括但不限于，使用導(dǎo)電條板或其它適當(dāng)材料。
流體通過微型泵10的流速可以通過下面三種方法中的一種或者方法的組合來控制?？刂屏黧w通過微型泵10的流速的第一種優(yōu)選方法是通過提高或降低泵送循環(huán)頻率。泵送循環(huán)頻率可通過對控制電路88進(jìn)行編程以加速或減慢向壓電致動器46、48、50施加電壓來進(jìn)行控制。
控制流體通過微型泵10的流速的第二種方法是控制施加到壓電致動器46、48、50上的電壓水平。向壓電致動器46、48、50上施加一低電壓減少了壓電致動器46、48、50的彎曲量，從而限制隔膜40、42、44將上升到的高度。而隔膜40、42、44的位移量則隨之限制了在泵運(yùn)行過程中在空腔34、36、38中產(chǎn)生的真空度。真空度越小，從容器14中抽出并流過微型泵10的流體的量越小。
控制流體通過微型泵10的流速的第三種方法是控制通道26的直徑。通道26的直徑越大，流經(jīng)微型泵10的流體的量就越大。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，流體流經(jīng)微型泵10的流速在約每秒10微升到約每秒100微升之間。壓電致動器46、48、50的精確運(yùn)動在低流速下提供了緊公差。每一劑量使用多個隔膜循環(huán)在低體積下提供了緊公差。
容器14可以是如圖1所示的一個開口儲槽，或者容器14可以是一個密封的可折疊容器。如果使用一開口儲槽，則微型泵10必須保持一大致豎直的定向，容器14位于泵體22頂部。如果使用一密封的可折疊容器，則微型泵10可用于多種定位。但即使使用一密封的可折疊容器，當(dāng)以容器14位于泵體22頂部的方式定位時，本微型泵10的模型繼續(xù)良好地工作。定位上的變化，以及伴隨定位變化，重力效應(yīng)水頭壓力會變化，可能會影響流體經(jīng)微型泵10的流速。
圖7表示本發(fā)明一可替換實施例，其中微型泵10’的特點是一泵體22’，該泵體22’帶有兩個由兩隔膜40’、42’覆蓋的空腔34’、36’。兩隔膜40’、42’連接到升高和降低隔膜40’、42’的兩個壓電致動器46’、48’上。圖7中的微型泵10’以和微型泵10相同的方式運(yùn)行和工作，但如圖1、2和3所示，帶有三個隔膜40、42、44的微型泵10是最好的，因為它提供了更多的控制。微型泵10’也比微型泵10更容易受到來自容器14’的水頭壓力，由于當(dāng)流體從第一空腔34’流向第二空腔36’時通道26’是完全打開的。將一處于正壓力下的流體容器與微型泵10’一起使用可以克服這些問題。
微型泵10可包括一凈化部件，用于在微型泵10運(yùn)行之后從通道26清除殘余的流體。凈化微型泵10的流體有利于防止微生物在通道26中成長，特別是在出口32附近，或者防止殘余物聚積在通道26中。如下面所描述的，凈化部件可包括一裝置，該裝置用于引進(jìn)一種凈化介質(zhì)并使凈化介質(zhì)流過通道26。
圖8表示本發(fā)明的一實施例，結(jié)合了用于在微型泵10”運(yùn)行之后凈化通道26”的裝置。凈化部件包括一用于將一凈化介質(zhì)引進(jìn)到通道26”的一個入口31”。泵體22”有一個從一入口31”延伸到一出口32”的通道26”。通道26”與三個通道空腔34”、36”、38”交叉。這些空腔34”、36”、38”最好由彈性體隔膜40”、42”、44”覆蓋。第二和第三隔膜42”、44”分別由上述的壓電致動器48”、50”控制。一第二入口31”同樣位于泵體22”中，通向第一空腔34”。一隔膜40”覆蓋第一空腔34”。一第一壓電致動器46”在通道26”通向入口30”的部分上升高和降低隔膜40”，一第二壓電致動器47”在第二入口31”以及通道26”通向第二空腔36”的部分的上方升高和降低隔膜40”。在微型泵10”的運(yùn)行過程中，壓電致動器46”、48”、50”如在前述實施例中描述的那樣升高和降低隔膜40”、42”、44”。
凈化可通過在泵送循環(huán)完成后將一凈化介質(zhì)，可以是過濾空氣、水、一凈化流體或任何其它適當(dāng)材料，通過入口31”引入微型泵10”中而完成。在凈化過程中，壓電致動器46”密封了通向入口30”的通道26”?？墒褂萌N方法移動凈化介質(zhì)通過通道26”。第一種，凈化介質(zhì)可通過第二入口31”引進(jìn)，并以上述方式泵送通過微型泵10”，不同之處在于，用壓電致動器47”代替壓電致動器46”升高和降低隔膜40”。第二種，可在壓電致動器47”、48”、50”保持隔膜40”、42”、44”打開的情況下在壓力下經(jīng)過第二入口31”提供凈化介質(zhì)，從而允許凈化介質(zhì)吹過通道26”。第三種，每個隔膜40”、42”、44”可通過致動器40”、42”、44”保持打開，因而當(dāng)一機(jī)構(gòu)(未顯示)在出口32”推動凈化介質(zhì)穿過時允許凈化介質(zhì)進(jìn)入入口31”并穿過通道26”。該機(jī)構(gòu)例如可以是電水力的噴射裝置。雖然公開了將凈化介質(zhì)引進(jìn)到微型泵10”中的一種方法和裝置，但應(yīng)該理解，也可以使用其他方法和裝置在或靠近入口30”或第一隔膜40”處引進(jìn)被泵送、推動或拉動穿過微型泵10”的凈化介質(zhì)。
在本發(fā)明的又一個實施例中，隔膜40、42、44可由在空腔34、36、38中移動而導(dǎo)引流體流動的活塞或其它泵送裝置取代。
上面已經(jīng)描述了優(yōu)選實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員很明白，在不脫離本發(fā)明的總體范圍的前提下，可以對上述方法進(jìn)行改變和修正。在落入附屬權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)的情況下，所有這些改變和修正都將包括在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種將流體從一流體容器泵送到一個傳送點的微型泵，包括一個泵體，所述泵體具有一個貫穿其中并從所述流體容器通向所述傳送點的通道，所述泵體具有與所述通道交叉的第一、第二和第三空腔；一覆蓋所述第一空腔的第一隔膜，當(dāng)所述第一隔膜升高和降低時，所述第一隔膜打開和關(guān)閉所述通道；一第一隔膜夾頭，用于將所述第一隔膜固定到所述泵體上；一第一懸臂壓電致動器，用于升高和降低所述第一隔膜，所述第一懸臂壓電致動器具有一第一端和一第二端，所述第一端可操作地聯(lián)接到所述第一隔膜上；一第一致動器夾頭，用于將所述第一懸臂壓電致動器的所述第二端固定到所述泵體上；一覆蓋所述第二空腔的第二隔膜，當(dāng)?shù)诙裟ど吆徒档蜁r，所述第二隔膜打開和關(guān)閉所述通道；一第二隔膜夾頭，用于將所述第二隔膜固定到所述泵體上；一第二懸臂壓電致動器，用于升高和降低所述第二隔膜，所述第二懸臂壓電致動器具有一第一端和一第二端，所述第一端可操作地聯(lián)接到所述第二隔膜上；一第二致動器夾頭，用于將所述第二懸臂壓電致動器的所述第二端固定到所述泵體上；一覆蓋所述第三空腔的第三隔膜，當(dāng)所述第三隔膜升高和降低時，所述第三隔膜打開和關(guān)閉所述通道，所述第三隔膜通過所述第一隔膜夾頭夾到所述泵體上；一第三懸臂壓電致動器，用于升高和降低所述第三隔膜，所述第三懸臂壓電致動器具有一第一端和一第二端，所述第一端可操作地聯(lián)接到所述第三隔膜上。所述第三懸臂壓電致動器的所述第二端通過所述第一致動器夾頭固定到所述泵體上；及一電子控制電路，用于向所述第一、第二和第三懸臂壓電致動器施加電壓，用于升高和降低所述第一、第二和第三隔膜，從而促使所述流體流過所述通道。
2.如權(quán)利要求1所述的微型泵，其中所述泵體具有一第一側(cè)和一第二側(cè)，所述第一和第三空腔位于所述泵體的所述第一側(cè)，所述第二空腔位于所述泵體的所述第二側(cè)。
3.一種用于將流體從一流體容器泵送到一傳送點的微型泵，包括一個泵體，所述泵體具有一個貫穿其中并從所述流體容器通向所述傳送點的通道，所述泵體具有與所述通道交叉的第一和第二空腔；一覆蓋所述第一空腔的第一隔膜，當(dāng)所述第一隔膜升高和降低時，所述第一隔膜打開和關(guān)閉所述通道；一第一壓電致動器，用于升高和降低所述第一隔膜，所述第一壓電致動器具有一第一端和一第二端，所述第一端可操作地聯(lián)接到所述第一隔膜上；一覆蓋所述第二空腔的第二隔膜，當(dāng)?shù)诙裟ど吆徒档蜁r，所述第二隔膜打開和關(guān)閉所述通道；固定裝置，用于將所述第一和第二隔膜固定到所述泵體上；一第二壓電致動器，用于升高和降低所述第二隔膜，所述第二壓電致動器具有一第一端和一第二端，所述第一端可操作地聯(lián)接到所述第二隔膜上；懸臂固定裝置，用于以一懸臂方式將所述第一壓電致動器的所述第二端及所述第二壓電致動器的所述第二端固定到所述泵體上；及電子裝置，用于向所述第一和第二壓電致動器施加電壓，使所述第一和第二壓電致動器升高和降低所述第一和第二隔膜。
4.如權(quán)利要求3所述的微型泵，其中所述泵體具有與所述通道交叉的第三空腔，所述微型泵還包括一覆蓋所述第三空腔的第三隔膜，當(dāng)所述第三隔膜升高和降低時，所述第三隔膜打開和關(guān)閉所述通道，所述第三隔膜由所述固定裝置夾到所述泵體上；一用于升高和降低所述第三隔膜的第三壓電致動器，所述第三壓電致動器具有一第一端和一第二端，所述第一端可操作地聯(lián)接到所述第三隔膜上，所述第三壓電致動器的所述第二端由所述懸臂固定裝置以懸臂方式固定到所述泵體上，所述電子裝置向所述第三壓電致動器施加一電壓，使所述第三壓電致動器升高和降低所述第三隔膜。
5.如權(quán)利要求4所述的微型泵，其中所述泵體具有一第一側(cè)和一第二側(cè)，所述第一和第三空腔位于所述泵體的所述第一側(cè)，所述第二空腔位于所述泵體的所述第二側(cè)。
6.如權(quán)利要求4所述的微型泵，其中所述第一、第二和第三壓電致動器分別包括第一層壓電材料；第二層壓電材料；及一分隔所述第一和第二層的薄墊片。
7.如權(quán)利要求6所述的微型泵，其中所述壓電材料是5H級鋯鈦酸鉛。
8.如權(quán)利要求6所述的微型泵，其中所述薄墊片是銅。
9.如權(quán)利要求6所述的微型泵，其中所述薄墊片是一碳纖維成分。
10.如權(quán)利要求5所述的微型泵，其中所述固定裝置包括一第一隔膜夾頭，用于將所述第一和第三隔膜固定到所述泵體上；及一第二隔膜夾頭，用于將所述第二隔膜固定到所述泵體上。
11.如權(quán)利要求5所述的微型泵，其中所述固定包括一夾頭，用于將所述第一、第二和第三隔膜固定到所述泵體上。
12.如權(quán)利要求11所述的微型泵，其中所述懸臂固定裝置包括所述夾頭。
13.如權(quán)利要求5所述的微型泵，其中所述懸臂固定裝置包括一第一致動器夾頭，用于將所述第一壓電致動器的所述第二端及所述第三壓電致動器的所述第二端固定到所述泵體上；及一第二致動器夾頭，用于將所述第二壓電致動器的所述第二端固定到所述泵體上。
14.如權(quán)利要求14所述的微型泵，其中所述第一和第二致動器夾頭與所述泵體成一體。
15.如權(quán)利要求6所述的微型泵，其中所述電子裝置包括一電子控制電路，用于向所述第一、第二和第三壓電致動器施加電壓，用于升高和降低所述第一、第二和第三隔膜，從而促使所述流體流過所述通道。
16.如權(quán)利要求15所述的微型泵，其中所述電子控制電路還包括用于逐步地向每一個所述第一、第二和第三壓電致動器的所述第一和第二層施加電壓的裝置。
17.一種用于將流體從一流體容器泵送到一傳送點的微型泵，包括一個泵體，所述泵體具有一個貫穿其中并從所述流體容器通向所述傳送點的通道，所述泵體具有與所述通道交叉的第一和第二空腔；第一泵送裝置，用于在所述第一空腔處打開和關(guān)閉所述通道并產(chǎn)生一促進(jìn)所述流體流過所述通道的真空；一第一壓電致動器，用于致動所述第一泵送裝置；第二泵送裝置，用于在所述第二空腔處打開和關(guān)閉所述通道并產(chǎn)生一促進(jìn)所述流體流過所述通道的真空；一第二壓電致動器，用于致動所述第二泵送裝置；電子裝置，用于向所述第一和第二壓電致動器施加電壓，使所述第一和第二壓電致動器致動所述第一和第二泵送裝置。
18.如權(quán)利要求17所述的微型泵，其中所述泵體具有一與所述通道交叉的第三空腔，所述微型泵還包括第三泵送裝置，用于在所述第三空腔打開和關(guān)閉所述通道并產(chǎn)生一促進(jìn)所述流體流過所述通道的真空；一第三壓電致動器，用于致動所述第三泵送裝置；及電子裝置，用于向所述第三壓電致動器施加電壓，使所述第三壓電致動器致動所述第三泵送裝置。
19.如權(quán)利要求18所述的微型泵，其中所述第一泵送裝置包括一可與所述第一空腔配合的第一活塞。
20.如權(quán)利要求19所述的微型泵，其中所述第二泵送裝置包括一可與所述第二空腔配合的第二活塞。
21.如權(quán)利要求20所述的微型泵，其中所述第三泵送裝置包括一可與所述第三空腔配合的第三活塞。
22.如權(quán)利要求18所述的微型泵，其中所述第一泵送裝置包括可與所述第一空腔配合的第一隔膜。
23.如權(quán)利要求22所述的微型泵，其中所述第二泵送裝置包括可與所述第二空腔配合的第二隔膜。
24.如權(quán)利要求23所述的微型泵，其中所述第三隔膜包括可與所述第三空腔配合的第三隔膜。
25.如權(quán)利要求17所述的微型泵，還包括一與該通道相通的開口容器。
26.如權(quán)利要求17所述的微型泵，還包括一與該通道相通的關(guān)閉、密封的容器。
27.一種通過一微型泵將流體從一流體容器泵送到一傳送點的方法，所述微型泵具有一個貫穿其中的通道及與所述通道交叉的第一和第二空腔，第一和第二隔膜覆蓋所述第一和第二空腔，第一和第二壓電致動器以懸臂方式安裝到所述第一和第二隔膜上，以升高和降低所述第一和第二隔膜，所述方法包括下列步驟致動所述第一壓電致動器，以升高所述第一隔膜，從而允許流體流過所述通道，從所述容器到達(dá)所述第一空腔；致動所述第二壓電致動器，以升高所述第二隔膜，致動所述第一壓電致動器以降低所述第一隔膜，從而允許流體流過所述通道，從所述第一空腔到達(dá)所述第二空腔；及致動所述第二壓電致動器，以降低所述第二隔膜，從而允許流體流過所述通道到達(dá)所述傳送點。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述泵體具有一與所述通道交叉的第三空腔，所述微型泵還包括一覆蓋所述第三空腔的第三隔膜及用于升高和降低所述第三隔膜的第三壓電致動器，所述方法還包括下列步驟致動所述第三壓電致動器以升高所述第三隔膜，同時致動器所述第二壓電致動器以降低所述第二隔膜，從而允許流體流過所述通道，從所述第二空腔到達(dá)所述第三空腔；及致動所述第三壓電致動器以降低所述第三隔膜，從而允許流體流過所述通道到達(dá)所述傳送點。
29.一種將流體從一流體容器泵送到一個傳送點的微型泵，包括一個泵體，所述泵體具有一個貫穿其中并從所述流體容器通向所述傳送點的通道，所述泵體具有與所述通道交叉的第一和第二空腔；一覆蓋所述第一空腔的第一隔膜，當(dāng)所述第一隔膜升高和降低時，所述第一隔膜打開和關(guān)閉所述通道；一具有一第一端和一第二端的第一壓電致動器，所述第一端可操作地聯(lián)接到所述第一隔膜上，所述第二端聯(lián)接到所述泵體上以限定一用于所述第一隔膜的懸臂支承件；一覆蓋所述第二空腔的第二隔膜，當(dāng)?shù)诙裟ど吆徒档蜁r，所述第二隔膜打開和關(guān)閉所述通道；一具有一第一端和一第二端的第二壓電致動器，所述第一端可操作地聯(lián)接到所述第二隔膜上，所述第二端聯(lián)接到所述泵體上以限定一用于所述第二隔膜的懸臂支承；一電源，用于選擇性地向所述第一和第二壓電致動器中的每一個施加電壓，使所述第一和第二壓電致動器升高和降低相應(yīng)的隔膜。
30.如權(quán)利要求29所述的微型泵，其中所述壓電致動器是雙壓電晶片。
31.如權(quán)利要求29所述的微型泵，其中所述第一和第二隔膜的致動控制泵送和閥調(diào)節(jié)。
32.一種將流體從一流體容器泵送到一個傳送點的微型泵，包括一個泵體，所述泵體具有一個貫穿其中并從所述流體容器通向所述傳送點的通道，所述泵體具有與所述通道交叉的第一和第二空腔；一覆蓋所述第一空腔的第一隔膜，當(dāng)所述第一隔膜升高和降低時，所述第一隔膜打開和關(guān)閉所述通道；一具有一第一端和第二端的第一雙壓電晶片致動器，所述第一端可操作地聯(lián)接到所述第一隔膜上，所述第二端聯(lián)接到所述泵體上；一覆蓋所述第二空腔的第二隔膜，當(dāng)?shù)诙裟ど吆徒档蜁r，所述第二隔膜打開和關(guān)閉所述通道；一具有一第一端和第二端的第二雙壓電晶片致動器，所述第一端可操作地聯(lián)接到所述第二隔膜上，所述第二端聯(lián)接到所述泵體上；及一電源，用于選擇性地向所述第一和第二壓電致動器中的每一個施加電壓，其中向所述第一壓電致動器施加電壓可移動所述第一隔膜，從而在所述第一空腔中限定一第一儲槽，并從所述容器中抽出流體，經(jīng)所述入口進(jìn)入所述第一儲槽，而向所述第一壓電致動器施加一相反電壓可在相反方向移動所述第一隔膜，將所述第一儲槽中的流體推入位于所述第一隔膜下游的所述通道中并密封所述第一空腔。
33.如權(quán)利要求32所述的微型泵，其中向所述第二壓電致動器施加電壓可移動所述第二隔膜，在所述第二空腔中限定一第二儲槽，將流體從位于所述第一儲槽下游的通道中抽入所述第二儲槽，而向所述第二壓電致動器施加一相反電壓可在相反方向移動所述第二隔膜，將所述第二儲槽中的流體推入位于所述第二儲槽下游的所述通道中并密封所述第二空腔。
34.如權(quán)利要求32所述的微型泵，還包括用于在流體從所述流體容器泵送到所述傳送點之后凈化所述流體通道的裝置。
35.如權(quán)利要求29所述的微型泵，其中所述電源向所述第一和第二壓電致動器施加逐步增加和減小的電壓。
36.如權(quán)利要求33所述的微型泵，其中所述電源向所述第一和第二壓電致動器施加逐步增加和減小的電壓。
37.如權(quán)利要求27所述的微型泵，還包括下列步驟對來自所述通道的流體進(jìn)行凈化。
全文摘要
公開了一種壓電微型泵(10),用于以一低體積和在可控制的流速下將流體從一容器(14)泵送到一傳送點。泵送動作是通過兩個或三個隔膜(40,42,44)的運(yùn)動產(chǎn)生的。每個隔膜的運(yùn)動是通過一連接的壓電致動器(46,48,50)的膨脹和收縮引起的。隔膜(40,42,44)的運(yùn)動的協(xié)調(diào)產(chǎn)生了單方向的流體流動。壓電致動器(46,48,50)懸在泵體(22)和隔膜(40,42,44)之間,從而隔膜(40,42,44)能夠較大地彎曲。壓電致動器(46,48,50)最好是雙壓電晶片,使隔膜(40、42、44)完成密封件和泵的雙重功能。
文檔編號F04B9/00GK1333861SQ99815775
公開日2002年1月30日 申請日期1999年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月23日
發(fā)明者理查德·D·彼得斯, 查德·E·布頓, 小威廉·C·齊姆里奇 申請人:巴特勒紀(jì)念研究院