[发明专利]光致弯曲膜驱动型微泵

说明书

技术领域

本发明属于微机械技术领域，具体涉及一种光致弯曲膜驱动型微泵。

背景技术

微流量系统能精确检测和控制每分钟微升量级的流量，同时由于尺寸小，可减小微流 量系统中的无效体积，降低能耗和试剂用量，而且响应快。其中，作为一种重要的微型执 行器，微泵可广泛应用于药物输送、DNA合成、微量流体供给和精确控制、芯片冷却系统、 微透析、微推进和微型卫星等等作为该系统核心部分的微泵。目前较多的是薄膜压缩型微 泵，它的流量的控制是通过驱动膜的往复运动引起泵腔体的体积变化而实现的。驱动膜的 驱动原理有压电、静电、电磁、热气动、热流动、双金属效应和形状记忆合金效应驱动等。 压电振子所能承受的电压低、变形小、承载能力相对较弱；静电式所需电压很高，常在几 百伏，而且静电驱动力通常较小，振动膜位移较小，最大只有约几微米；电磁式则主要受 限于制作微型电磁线圈比较困难，而且绝大多数的电磁器件要求电流导线和运动部件相垂 直，这对于硅材料的平面制造技术来说，比较困难；热气动和热流动式由于受气体热特性 的影响，泵的驱动频率难以提高，相应的泵的流量也较小；双金属式利用热效应驱动，由 于液体具有热容作用，散热比较慢，所以双金属微泵响应速度很慢，工作频率很低(一般低 于10Hz)，限制了其性能；形状记忆合金式需要冷却系统以使形状记忆合金经历相反的变 形回复原状，所以需要特别考虑热量的扩散，而且热能转换成机械能的效率很低。 相比之下，光驱动具有传递功率大、非接触、快速、精确、易操控、清洁等优点，如能将 光能直接转化为机械能，实现光直接驱动执行器，将有望成为微泵的最佳驱动方式。2003 年，复旦大学俞燕蕾教授和东京工业大学池田富树教授合作研制出了光致弯曲液晶高分子 材料(Nature，2003年425期，第145页)，该材料在紫外光的照射下在数秒内就能够产生三 维的弯曲形变，在可见光或是热的作用下形变又能够回复，整个过程重复进行，材料本身 却不出现疲劳，这给利用光致弯曲材料制作微泵驱动膜带来了希望。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构和工艺简单，功耗小，易操控，寿命长的采用光致弯 曲薄膜驱动的微泵。

本发明提供的光致弯曲膜驱动型微泵，包含泵膜、泵腔和出入口，其泵膜变形引起腔 体压力变化从而将流体从输入管道转移到输出管道。

其中，泵膜由上层和下层两层构成，上层的面积小于下层，为局部复合。上层的材料 采用光致弯曲材料，下层的材料采用柔性高分子材料，上层与下层之间通过粘结剂粘结。 下层柔性高分子材料选自聚乙烯、聚丙烯、天然橡胶中的一种，其弹性模量比光致弯曲材 料至少小一半。粘结剂选自聚丙烯酸酯类粘结剂、聚氨酯类粘结剂、环氧树脂类粘结剂、 橡胶类粘结剂中的一种，优选为环氧树脂类粘结剂。

驱动泵膜的方法是利用光照射光致弯曲材料使之产生形变，光源可优选紫外光和可见 光。先用一种光照射光致弯曲材料构成的上层使该层产生收缩，然后换用另一种光照射， 可使该层恢复原始状态。

此光致弯曲膜驱动型微泵，可进一步拓展做成连级泵的形式，在同一方向分别照射不 同光源时，前一级和后一级可连续动作，光源可优选紫外光和可见光。具体可见实施例3。 微泵的驱动薄膜是上层，该层材料可采用光致弯曲液晶高分子材料(见背景材料)，该材 料在紫外光的照射下在数秒内就能够产生三维的弯曲形变，在可见光或是热的作用下形变 又能够回复，整个过程重复进行，材料本身却不出现疲劳。因此，通过周期性地照射紫外 光和可见光，可以使薄膜发生周期性的凸起和回复，进而引起泵腔体积的周期性变化。当 泵腔内压强减小时，液体从输入管道进入泵腔；当泵腔内压强增大时，液体从输出管道流 出泵腔。薄膜的一个凸起和回复的周期，可以实现液体从输入管道到输出管道的一次泵送。

附图说明

图1是本发明实施例中泵膜的结构示意图。

图2是本发明实施例1中微泵的结构示意图。

图3是本发明实施例1中阀的结构示意图。

图4是本发明实施例2中微泵的结构示意图。

图5所示是实施例3连级泵的应用形式。

图中标号：1泵膜上层，2泵膜下层，3泵膜，4泵腔，5入水阀，6入水管道，7 入水口，8出水阀，9出水管道，10出水口，11柔性材料阀片，12硬性材料阀片，13增重 块。

具体实施方式

现依据附图并结合下述具体实施例对本发明做进一步的描述。