专利名称：基于压电材料的液气体精密传输和配比器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机电技术领域的装置，具体是一种基于压电材料的液 气体精密传输和配比器。
背景技术：
近些年来，微流量控制泵等装置研究发展迅速，但目前该领域实现微流控制 驱动响应不灵敏，驱动环境温度影响大，驱动不精确，例如文献《微流量泵微小 流量控制特性的研究》(庞江涛，第十一届全国半导体集成电路.硅材料学术会议 论文集P580 583)采用硅铝双材料体和热电阻加热和冷却过程中材料变形发生 弯曲从而产生驱动的原理制成微流控泵。这种方法，其机械结构相对比较简单， 在要求更加精确的控流时，该种器件灵敏度，响应频率和驱动精度精度有限。并 且目前在，微量控流领域中，流控装置多数都只针对控制一种液体的传输，并且， 目前的流控装置往往只能起到对一种流体的控制传输功能，不具备经由外部控制 信号控制实施对两种或两种以上流体(液体或气体，或液体和气体)精确控制传 输，以及可以实现不同流体精确配比的功能。
压电材料是一种在受外部电场(电压)激励和激励释放过程中能够产生伸縮 变形的材料；并且这种伸縮变形程度、输出力大小均与外部电激励强度在一定范 围能成正比关系；另外，由于这种压电材料伸縮变形量本质上是由压电晶体的晶 格变形产生的固态形变，所以形变具有超高精度，而且这种超高精度的形变可由 外部施加电信号的强弱进行精确控制。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种基于压电材料的液气体精密传 输和配比器，基于压电材料的特性，结构紧凑，驱动简单容易实现、驱动实现可 靠、精确，可以实现两种或两种以上流体的无限量精确匹配，且可以实现液体和 气体同时传输以及液体和/或气体的精确匹配功能。本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括压电材料体、刚性腔体、 弹性输入阀门、弹性输出阀门、控制电源。其中，压电材料体包括在外侧面涂覆 导电材料层的左压电材料体、弹性基体材料、在外侧面涂覆导电材料层的右压电 材料体和在左、右压电材料体外层包裹的弹性隔膜体，以及左、中、右电极片， 其中，左电极片与中电极片分别与左压电材料体上的外涂覆导电层接通，中电极 片与右电极片分别与右压电材料体上的外涂覆导电层接通。并且，弹性基体材料 被夹于左压电材料体和左压电材料体中间，它们接触面之间紧密粘接。压电材料 体置于刚性腔体中，压电材料体的周边与刚性腔体内表面接触部分固定连接并密 封，使压电材料体将刚性腔体隔开成两个独立腔室，两腔室之间封闭，两腔室中 的流体不能流通；在每个腔室的腔体上、下壁分别开一个流体输入口和流体输出 口，输入和输出口外端分别接有管道，在每个输入口的里侧安置一个弹性输入阀 门，在每个输出口的外侧安置一个弹性输出阀门。控制电源的正、零电势端以及 负极可分别与左、中、右电极片相连接。具体工作时，电源输出电势的极性可根 据控制需要而改变。
本发明工作时，在刚性腔体的两个腔室中先充入流体，然后由电源经电极片 对压电材料体上左压电材料体施加电压，左压电材料体伸长，当施加电压强度足 够大时，此时由于左压电材料体与弹性基体材料和右压电材料体紧密粘接，并且 压电材料体周边还与刚性腔体固连，那么整个压电材料体将会在弹性基体材料、 右压电材料体(未通电状态)均受左压电材料体伸长压迫情况下向左面方向(由 于初始弹性基体材料和右压电材料体的阻挠作用)发生弯曲弹性变形，而最终形 成向左方腔室的"弓"型弯曲，此时在左腔室中的流体受到压迫，腔室压力增大， 由于弹性输入阀门在腔体内测，而弹性输出阀门在腔体外侧，当因压电材料体向 左弯曲产生的压力大于弹性阀门的弹力时，该压力将至使左腔室的弹性输入阀门 关闭，弹性输出阀门打开，左腔室中的流体将流出，并且流出量与压电材料体的 弯曲程度成比例，即与外接输入电压成比例；同时，对于右腔室，由于压电材料 体向左腔室弯曲，使右腔室体积增大，而使右腔体内部压力相对减小，以致右腔 室的输入阀门弹性体因腔室内外的压力差大于其弹性力时而被打开，腔体外管道 的流体流入，而右腔室的输出阀门弹性体因腔室内外的压力差而关闭。之后，撤销对压电材料体上左压电材料的激励，由于弹性基体材料和右压电材料体的弹性 恢复，是压电材料体恢复至初始状态，并且在恢复初始状态过程中，由于两腔室 的体积又会二次发生变化，而致使左腔体体积较之前变大，而使左腔体有流体流 入，同时右腔体体积变小，而使右腔体有流体流出，即对压电材料体上左压电材 料体激励弯曲和弯曲恢复过程中，左腔室会产生一次流体流出和一次流体流入的 效果；同时，右腔体会产生一次流体流入和一次流体流出过程。至此，经过对压 电材料体的左压电材料体进行一次激励，产生了一种流体从左腔室里先流出后流 入，以及右腔室一种流体先流入后流出的效果。同理，只对压电材料体的右压电 材料体施加一次电激励，将产生一种流体从右腔室里先流出后流入，以及一种流 体从左腔室先流入后流出的效果。如此这样，通过控制，反复地交替实施对左腔 室的激励和恢复，和对右腔室的激励和恢复，那么两个腔室中的流体就可以流动 起来，达到液体传输效果，并且该传输速度与电激励强度和电激励频率在一定范 围内成正比。
并且，基于以上作动过程，通过控制可以实现对压电材料体上左压电材料体 实施激励，然后撤销激励的同时施加对压电材料体上右压电材料体的激励，而呈 现不要压电材料体变形回复而直接由电激励实现对左右腔室的连续挤压，这种方 式由于在每一个激励过程中腔室变化的体积更大，变化频率更高而使的整个装置 的流体传输效率更高。
另外，对于一次压电激励驱动过程，由于可以通过电信号实现精确控制压电 材料体的变形程度和恢复程度，因此在一次压电激励驱动致使的两种流体流产生 流量的范围内，可以通过实时控制而实现左、右流出流体的精确控制，从而可以 实现两种流体(如果需要混合的情况下)的高精确度配比(但每一种流体的最多 可配比量为这种流体在一次压电激励驱动全过程中的流量)。腔体对不同次数的 对左、右腔室激励强度和/或次数的，来调节左腔室或右腔室流体的流出量，而 最终达到两种流体的精确配比效果。
基于以上描述，本发明所述配比器还可以两个以上并接而形成装置阵列进行 工作，实现四种或四种以上的流体的传输和配比效能。当两个以上并接而形成装 置阵列，其中刚性腔体多个并联形成阵列，每个刚性腔体的两个独立腔室中，只
5有一个腔室有流体，另外一个腔室为空腔。但每一个装置的两个腔体只有一个腔 体充满流体，这样可以通过对每个装置中压电材料体激励次数的控制，而实现两 种或两种以上流体的无限量配比效能。 本发明所提的流体为液体或气体。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果(1)结构紧凑，驱动简单容易 实现、驱动实现可靠、精确；(2)对所提发明装置通过控制可以实现两种流体的 精确传输和小流量的精确配比功能；(3)对所提发明装置组成阵列工作时，可以 实现多同流体的传输以及两种以上流体的无限量精确匹配；(4)本发明是针对一 般性流体即液体或气体而言的，所以所提发明装置可以实现液体和气体同时传输 以及液体和气体的精确匹配功能。
图l为本发明结构示意图2为本发明压电材料体结构示意图3为本发明压电材料体左压电材料体激励后装置工况示意图； 图4为本发明压电材料体右压电材料体激励后装置工况示意图； 图5为本发明只有单腔室充入流体时装置阵列工作示意图； 图6为本发明装置阵列工作示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。
如图l-2所示，本实施例包括压电材料体l、刚性腔体2、弹性输入阀门 3、弹性输出阀门4、控制电源5。压电材料体1由在外侧面涂覆导电材料层的左 压电材料体6、弹性基体材料7和在外侧面涂覆导电材料层的右压电材料体8和 在左、右压电材料体外层包裹的弹性隔膜体9，以及对应于左、右压电材料体6、 8上的左、中、右电极片10、 11、 12组成，其中，左电极片10与中电极片11 分别与左压电材料体6上的外涂覆导电层接通，中电极片11与右电极片12分别 与右压电材料体8上的外涂覆导电层接通。并且，弹性基体材料7被夹于左压电材料体6和左压电材料体8中间，它们接触面之间紧密粘接。压电材料体1置于刚性腔体2中，压电材料体1的周边与刚性腔体2内表面接触部分要固连密封，使压电材料体1将刚性腔体2隔开成两个独立腔室，两腔室之间封闭，两腔室中的流体不能流通；在每个腔室的腔体上、下壁分别开一个流体输入口和流体输出口，输入和输出口外端分别接有输入管道13和输出管道14，在左腔室的输入口里侧安置一个弹性输入阔门15，在左腔室的输出口外侧安置一个弹性输出阀门16，在右腔室的输入口里侧安置一个弹性输入阀门17，在右腔室的输出口外侧安置一个弹性输出阀门18。控制电源5的正、零电势端以及负极可分别与左、中、右电极片10、 11、 12相连接。
本实施例工作时，在刚性腔体2的两个腔室中先充入流体(液体或气体)，然后由电源5经左电极片IO和中电极片11对压电材料体1上左压电材料体6施加电压，左压电材料体6伸长，当施加电压强度足够大时，此时由于左压电材料体6与弹性基体材料7和右压电材料体8紧固粘接，并且压电材料体6周边还与刚性腔体2固连，那么整个压电材料体将会在弹性基体材料7、右压电材料体8 (未通电状态)均受左压电材料体6伸长压迫情况下向左面方向(由于初始弹性基体材料7和右压电材料体8的阻碍)发生弯曲弹性变形，而最终形成向左方腔室的"弓"型弯曲，如图3所示，此时在左腔室中的流体受到压迫，腔室压力增大，由于左弹性输入阀门15在腔体内测，而左弹性输出阀门16在腔体外侧，当因压电材料体1向左弯曲产生的压力大于左腔室的弹性阀门的弹力时，该压力将至使左腔室的左弹性输入阀门15关闭，左弹性输出阀门16打开，左腔室中的流体将流出，并且流出量与压电材料体l的弯曲程度成比例，即与外接电源5的输入电压成比例；同时，对于右腔室，由于压电材料体l向左腔室弯曲，使右腔室体积增大，而使右腔体内部压力相对减小，以致在右腔室的右输入阀门n弹性体因腔室内外的压力差大于其弹性力时而被打开，腔体外输入管道13中的流体流入，而在右腔室的右输出阀门18的弹性体因腔室内外的压力差而关闭。之后，撤销对压电材料体1上左压电材料6的激励，由于弹性基体材料7和右压电材料体8的弹性恢复，使压电材料体l恢复至初始状态，并且在恢复初始状态过程中，由于两腔室的体积又会二次发生变化，而致使左腔体体积较之前变大，而使左腔体有流体流入，同时右腔体体积变小，而使右腔体有流体流出，即对压电材料体上左压电材料体6激励弯曲和弯曲恢复过程中，左腔室会产生一次流体流出和一次流体流入的效果；同时，右腔体会产生一次流体流入和一次流体流出过程。至此，经过对压电材料体1的左压电材料体进行一次激励，产生了一种流体从左腔室里先流出后流入，以及右腔室一种流体先流入后流出的效果。
同理，只对压电材料体l的右压电材料体8施加一次电激励，将产生一种流体从右腔室里先流出后流入，以及一种流体从左腔室先流入后流出的效果，如图4所示。如此这样，通过控制，反复地交替实施对左腔室的激励和恢复，和对右腔室的激励和恢复，那么两个腔室中的流体就可以流动起来，达到液体传输效果，并且该传输速度与电激励强度和电激励频率在一定范围内成正比。在以上工作过程中，如使用一个长52毫米、宽7. l毫米、厚度0.7毫米的压电陶材料体1，在输入140V的工作电压，3.5Hz条件下，机构一次作动能够排出流体的最小体积约为0. Olml量级，平均最小流量为2 ml/min。
并且，基于以上作动过程，通过控制可以实现对压电材料体l上左压电材料体6实施激励，实现驱动效果，然后撤销对左压电材料体6的激励，同时对压电材料体1上右压电材料体8施加激励，而不经过压电材料体1变形自然恢复过程，而直接由对右压电材料体8施加电激励实现压电材料体1向右腔室的变形弯曲，形成对右腔室的挤压驱动。如此这样，对左右腔室的实施连续交替驱动挤压，这种方式由于在每一个激励过程中腔室变化的体积更大，变化频率更高而使的整个装置的流体传输效率更高。对于使用一个长52毫米、宽7.1毫米、厚度0.7毫米的压电陶材料体l，在输入140V的工作电压，3.5Hz条件下，机构一次作动能够排出流体的最小体积约为0. Olnil量级，平均最小流量为可达4 ml/min。
另外，对于一次单步压电激励驱动过程，由于可以通过电信号实现精确控制压电材料体的单步变形程度和恢复程度，因此在一次单步压电激励驱动致使的两种流体流产生最大的流量的范围内，可以通过实时控制而实现左、右流出流体的精确控制，从而可以实现两种流体(如果需要混合的情况下)的高精确度配比(但每一种流体的最多可配比量为这种流体在一次单步压电激励驱动全过程中的流量)。具体针对本实施例而言，对于采用如长52毫米、宽7.1毫米、厚度0.7毫米的压电陶材料体1， 一次单步加140V电压激励时所能产生的最大液体输出流量为0. 01 ml;如果施加电压不是一部就达到140V，而是通过控制只施加为伏(N《140V),并且假设压电材料体l的弯曲变形程度与外部施加电压强度成理想的线性关系，以及阀门的开管处于理想状态，那么，此时可控液体流动量L为L=0.01X (N/140) ml。即假设压电材料体1可以被驱动或被产生弯曲变化的最小输入电压为14V时，那么可控的流体流量AL (可控分辨率或可控精度)即为△L=0.01X (14/140) =0. 0001ml,以实现超高精度的流体力量控制。如果在本实施例，对左右两腔室的流体同时进行一次单步激励控制或单歩多次激励控制时，则可以实现两个腔室流体的任意等量精确配比。
进一步而言，如果取两套本实施例所述的流量配比器同时工作，那么可以控制4种流体的流动或配比，以此类推可以控制4、 6、 8种等以上的流体，如图5所示。
所述的压电材料体上的左、右压电材料体可以是薄膜、片型，也可以是块体型以及堆片型。
同样，如果取两套或两套以上本实施例所述的流量配比器同时工作，并且只给每一套配比器的其中一个腔室冲入流体，另一个腔室为空，如图6所示。这样，可以控制2、 3、 4、 5等种以上流体的流动或配比。并且，此种情况下，每个配比器相当于只对一种流体进行控制，因而可以根据控制信号的变化，实现对一种流体的一次单步或单步多次激励的流量的控制；进而对于多个单腔室的多种流体实现任意剂量的配比。
最后，对于以上所述腔室中通入流体为液体或气体，则可以实现液体和气体的流控或匹配。
权利要求
1、一种基于压电材料的液气体精密传输和配比器，包括压电材料体、刚性腔体、弹性输入阀门、弹性输出阀门、控制电源，其特征在于所述压电材料体包括在外侧面涂覆导电材料层的左压电材料体、弹性基体材料、在外侧面涂覆导电材料层的右压电材料体和在左、右压电材料体外层包裹的弹性隔膜体，以及左、中、右电极片，其中左电极片与中电极片分别与左压电材料体上的外涂覆导电层接通，中电极片与右电极片分别与右压电材料体上的外涂覆导电层接通，弹性基体材料被夹于左压电材料体和左压电材料体中间，它们接触面之间紧密粘接，压电材料体置于刚性腔体中，压电材料体的周边与刚性腔体内表面接触部分固定连接并密封，压电材料体将刚性腔体隔开成两个独立腔室，两腔室之间封闭，在每个腔室的腔体上、下壁分别开一个流体输入口和流体输出口，输入和输出口外端分别接有管道，在每个输入口的里侧安置一个弹性输入阀门，在每个输出口的外侧安置一个弹性输出阀门，控制电源的正、零电势端以及负极分别与左、中、右电极片相连接。
2、 根据权利要求l所述的基于压电材料的液气体精密传输和配比器，其特 征是，所述的压电材料体上的左、右压电材料体是薄膜、片型，或者是块体型以 及堆片型。
3、 根据权利要求1所述的基于压电材料的液气体精密传输和配比器，其特 征是，所述刚性腔体两个以上并联形成阵列，每个刚性腔体的两个独立腔室中， 只有一个腔室有流体，另外一个腔室为空腔。
全文摘要
本发明涉及一种机电技术领域的基于压电材料的液气体精密传输和配比器，包括压电材料体、刚性腔体、弹性输入阀门、弹性输出阀门、控制电源。压电材料体中，左、中电极片分别与左压电材料体上的外涂覆导电层接通，中、右电极片分别与右压电材料体上的外涂覆导电层接通。压电材料体置于刚性腔体中，压电材料体将刚性腔体隔开成两个独立腔室，两腔室之间封闭，每个腔室的腔体上、下壁分别开一个流体输入口和流体输出口，输入和输出口外端分别接有管道，输入和输出口安置弹性输入或输出阀门。本发明结构紧凑，驱动简单容易实现、可靠、精确，可实现两种及以上流体的无限量精确匹配，可实现液体和气体同时传输以及液体和/或气体的精确匹配功能。
文档编号F04B43/02GK101526078SQ20091004872
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月2日 优先权日2009年4月2日
发明者光 孟, 曹羽东, 杨斌堂, 遥 逯 申请人:上海交通大学