[发明专利]基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种微流量液体的输送装置，属于微流体控制、微机械技术领域，属于一种基于形状记忆合金(SMA)驱动的蠕动式输出的微泵。

(二)背景技术

微流量系统能够精确检测和控制每分钟微升量级的流量，在药物微量输送、释放、微量液体采样、油料微量喷射、细胞分离、集成电子元件冷却以及微量化学分析、航天等领域有着重要的应用前景。作为该系统核心部分的微型泵，已成为近年来国内外学者的研究热点。微泵因能输注定量液体，控制输注速度，用来输注要求用量准确、输入速度稳定的特殊药物，如强心剂、血管活性药物等，因而在生物医学中广泛使用。例如，糖尿病人以往都是一次注射较大剂量的胰岛素，这不仅造成浪费。而且药效作用时问也较短，因此极需要一种流量能微量控制的持续的滴液装置。在这类流量精细控制和检测系统中，微小型泵是一个基本元件。

微泵的研究始于20世纪80年代初，自从美国学者Jan Simits率先研发出用于胰岛素注射用蠕动式微泵以来，数以百计的关于新型微泵研发的论文在国际学术刊物上发表。通常按照微泵腔内有无运动部件分，泵可以分为机械泵和非机械泵(泵内无运动部件)两种，机械式微泵靠活动部件来传输控制流体，而非机械式微泵则没有任何活动部件。目前国内外大多数微泵都是单腔或双腔的往复运动式机械泵，对于蠕动动作的研究成果并不多，而且记忆合金的驱动的蠕动泵几乎空白，这种新型的蠕动式微泵是对驱动方式的一次创新。

形状记忆合金(shape memory alloy，简称SMA)是一种新型功能材料，形状记忆合金驱动电压低，无噪声，高弹性、金属橡胶性能、高强度，其主要特征是有形状记忆效应，受到控制后具有感知、执行、判断和自适应的能力。SMA弹簧具有较大的动作行程，是制作驱动元件和执行机构等部件较为理想的元件，因此被广泛应用于各个领域。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、成本低，适用于医学上药物配给、药物输送等方面的基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵。

本发明的目的是这样实现的：

它由挤压杆、弹性泵管和SMA弹簧驱动器组成，在泵腔的两端安装两个单向阀，SMA弹簧驱动器安装在挤压杆的头部，弹性泵管穿过挤压杆的空隙，每对挤压杆牵引四根SMA弹簧驱动器，对称的两根弹簧为同一组，由同一个控制信号驱动；一个微泵包含12条6组SMA弹簧驱动器、四条弹性泵管、三对挤压杆，四根弹性泵管穿过三对挤压杆的空隙，每对挤压杆牵引四根SMA弹簧，对称的两根弹簧为同一组，由同一个控制信号驱动。SMA弹簧的通断电收缩与拉伸带动挤压杆对泵管进行三段式顺次挤压。通过控制信号的协调，SMA驱动器依次收缩和拉伸，泵内液体顺次由入口挤压到出口，形成类似于肠道的蠕动式效果。

本发明还可以包括：

1、挤压杆上设置有用以增加弹簧收缩时产生牵引力对弹性泵管挤压的斜三角锥，挤压杆的中段为圆形而且被切掉一半，两个挤压杆相互嵌入，挤压杆中部有圆孔，三对挤压杆由中间的一根圆杆串联。

2、相邻两根SMA弹簧驱动器互为差动结构，对称的两根弹性泵管动作相同。

TiNi记忆合金由于电阻率比较高，可以采用通电加热方法。本发明中SMA弹簧的驱动方式为差动方式，SMA弹簧(或丝)在安装之前已经发生预变形，当SMA弹簧加热时发生收缩，产生的恢复力便会拉长偏动弹簧，同时将部分能量以弹性势能的形式存储在偏动弹簧中。当SMA驱动器冷却时，偏动弹簧中的弹性势能将释放出来，使得SMA弹簧恢复到初始状态。差动式驱动即偏动原件也是SMA弹簧，与偏动式驱动器不同，差动式驱动器的两根SMA互为偏动元件，可以主动为对方提供偏动力以及输出位移。

本发明提供了一种由SMA的通断电控制的蠕动式微泵，该泵是一种复合型管腔结构，通过改变控制信号，使SMA弹簧顺次通电收缩带动挤压杆来挤压泵管，实现蠕动式输出动作。

在本发明还特别设计了一种新型的挤压机制。挤压杆的结构细节与尺寸是根据所要实现的最优挤压效果而确定的。挤压杆斜面上的斜三角锥结构用以增加弹簧收缩时产生的牵引力对泵管的挤压，杆的中段为圆形而且从纵向切掉一半，这样两个挤压杆可以相互嵌入，圆面光滑减小两杆转动时的摩擦阻力。杆中部有圆孔，故三对挤压杆可以由中间的一根圆杆串联起来。

本发明还具有以下优点：

1.通过加热差动机构中的一根SMA弹簧来拉伸另一根SMA来提供回复力。

2.一个动作同时驱动对称的两条泵管，泵送效果加倍。