[發明專利]一種具有圓環面邊界的微流體主動控制閥

有效

• 申請號: 200710093179.X
• 申請日: 2007-12-19
• 公開（公告）號: CN101303085A
• 公開（公告）日: 2008-11-12
• 發明（設計）人: 王代華;明亮;潘春鵬
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: F16K7/00
• 分類號: F16K7/00;F16K31/66
• 代理公司: 重慶華科專利事務所
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明屬于流體機械技術領域，涉及一種實現微流體主動控制的閥的原理與結構，尤其涉及一種由柔性薄膜執行元件對微流體控制閥進行開閉操作的微流體主動控制閥。

背景技術

在研制微流體泵的過程中，為了克服傳統閥的磨損和泄漏，研制了各種各樣的閥。微型閥可分為主動閥和被動閥兩種。主動閥根據驅動原理可分為壓電式、形狀記憶合金、靜電式、電磁式、熱氣動式等。主動截止閥是采用驅動器控制閥的開啟與關閉，具有可控性，利用不同驅動原理制作的主動截止閥具有其自身的優點，適用于特定的應用領域。Spenser于1978年發表了關于具有主動閥的壓電微型泵的研究工作，其最大的缺點是主動控制閥完全浸泡在被輸送的流體中，容易造成對人體的威脅和容易導致電路失效。后來，Lintel等人和Smits分別提出了基于三片壓電振子的微型蠕動泵(第一個具有實用價值的微型泵)，采用V型硅片閥。雖然解決了上述問題，但是另外一個問題出現了：微型蠕動泵缺乏反向止流特性，在需要禁止倒流的場合(如藥物釋放與化學分析等)不適用。

被動閥則根據結構可分為環狀式、懸臂梁式、圓盤式、V型、膜片式和浮子式等。被動單向閥開啟和關閉是通過泵腔內壓力的交替變化實現的，因此其開啟/關閉動作滯后于壓電振子的振動。采用被動閥的有閥壓電泵的主要缺點：

(1)結構通常較復雜，在加工工藝和集成上存在一定的難度；

(2)利用機械換向閥實現流體單向流動的微型泵，小且易脆的機械閥的磨損和疲勞損壞是難以克服的問題；

(3)由于微流體泵的壓電振子的振幅很小，一次振動往復的容積變化也很小，所以一次振動往復所產生的泵流量也很小。要想提高泵流量，只有采用提高壓電振子的振動頻率的方法，當使用機械換向閥后，增頻后會出現泵流量驟減的現象。

在微尺度流動控制系統中，微流體閥是關鍵器件之一。在微流動系統中，微型閥可以是一個獨立的部件，也可以是微流體泵的一部分。它的可靠性、集成度以及加工成本對整個微流控系統具有很大影響。在微流體泵的主要結構中，決定微流體泵性能參數的主要是微閥，如泵的止流特性、流量、壓降和轉換速度，同時微泵輸出性能也受單向截止閥動態性能的制約。對于由相同性能致動元件構成的微流體泵，由于微流體閥的結構、性能上的差異，微流體泵的輸出性能也不同。因此，要得到高性能的微流體泵，必需研制高性能的微流體閥。

發明內容

本發明公開了一種具有圓環面邊界的微流體主動控制閥，在閥體上加工半徑為R的通孔(構成進液通道與下端的進液口相連)和與其同軸的圓環柱體空腔，自然形成一半徑差為ΔR的圓環面邊界，薄膜執行元件不僅與圓環柱體空腔形成密閉的流體腔通過出液通道與出液口相連，而且與圓環面邊界接觸將進液通道和出液通道隔開。自然狀態閥關閉，外部控制信號使薄膜執行元件產生振動或變形改變與圓環面邊界之間的距離，實現閥的開啟、關閉及其程度，實現微流體的控制。圓環面邊界為相對于閥體表面具有一定高度的凸臺，保證薄膜執行元件有一定預變形以提供止流特性。所述閥為雙向可控的主動閥，任何一通道都可以成為進(出)液通道。

本發明是這樣實現的：

根據本發明，在閥體上安裝薄膜執行元件的安裝面的中心有一半徑差為ΔR的圓環型凸臺，將輸入流體通道和輸出流體通道分開，利用圓環面邊界與薄膜執行元件的表面之間的距離控制微流體閥的流量；在沒有驅動信號作用于薄膜執行元件時，薄膜執行元件不發生振動或變形(位移)，薄膜執行元件與圓環面凸臺接觸，閥工作在閉合狀態，將進液口和出液口完全隔離，阻止流體流動；當施加驅動信號在薄膜執行元件上時，薄膜執行元件發生振動或變形(位移)，在薄膜執行元件與圓環面凸臺之間產生過流間隙，此時進液口和出液口連通，閥開啟；構成閥的圓環邊界(徑差為ΔR)相對于安裝執行器的表面具有高度為H的凸臺，保證薄膜執行器有一定的預變形以提供閥的止流特性；改變作用于薄膜執行元件上的控制信號可以控制閥流量；微流體主動閥為雙向可控的主動閥，任何一通道都可以成為進液通道，另外一通道則自然成為出液通道。所述的薄膜執行元件可以是部分覆蓋和全覆蓋的壓電陶瓷/電致伸縮陶瓷振子，也可以是線性電可控執行器(疊堆型壓電陶瓷執行器、疊堆型電致伸縮陶瓷執行器、磁致伸縮執行器以及其他微位移執行器)驅動的彈性膜片或其他圓盤型振子執行器。

本發明技術方案的優點是：

1.本發明的微流體主動控制閥能實現極小流量的控制，采用線性電可控執行器驅動彈性膜片構成薄膜執行元件時可以達到極高的流量控制精度；

2.本發明通過薄膜執行元件主動控制閥的開啟和關閉，可以減少閥的滯后現象，提高工作效率；