[發明專利]基于形狀記憶合金驅動的蠕動式微泵

有效

• 申請號: 200810064355.1
• 申請日: 2008-04-23
• 公開（公告）號: CN101260878A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發明（設計）人: 郭書祥;孫雪松;葉秀芬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: F04B43/12
• 分類號: F04B43/12;F04B53/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

(一)技術領域

本發明涉及的是一種微流量液體的輸送裝置，屬于微流體控制、微機械技術領域，屬于一種基于形狀記憶合金(SMA)驅動的蠕動式輸出的微泵。

(二)背景技術

微流量系統能夠精確檢測和控制每分鐘微升量級的流量，在藥物微量輸送、釋放、微量液體采樣、油料微量噴射、細胞分離、集成電子元件冷卻以及微量化學分析、航天等領域有著重要的應用前景。作為該系統核心部分的微型泵，已成為近年來國內外學者的研究熱點。微泵因能輸注定量液體，控制輸注速度，用來輸注要求用量準確、輸入速度穩定的特殊藥物，如強心劑、血管活性藥物等，因而在生物醫學中廣泛使用。例如，糖尿病人以往都是一次注射較大劑量的胰島素，這不僅造成浪費。而且藥效作用時問也較短，因此極需要一種流量能微量控制的持續的滴液裝置。在這類流量精細控制和檢測系統中，微小型泵是一個基本元件。

微泵的研究始于20世紀80年代初，自從美國學者Jan?Simits率先研發出用于胰島素注射用蠕動式微泵以來，數以百計的關于新型微泵研發的論文在國際學術刊物上發表。通常按照微泵腔內有無運動部件分，泵可以分為機械泵和非機械泵(泵內無運動部件)兩種，機械式微泵靠活動部件來傳輸控制流體，而非機械式微泵則沒有任何活動部件。目前國內外大多數微泵都是單腔或雙腔的往復運動式機械泵，對于蠕動動作的研究成果并不多，而且記憶合金的驅動的蠕動泵幾乎空白，這種新型的蠕動式微泵是對驅動方式的一次創新。

形狀記憶合金(shape?memory?alloy，簡稱SMA)是一種新型功能材料，形狀記憶合金驅動電壓低，無噪聲，高彈性、金屬橡膠性能、高強度，其主要特征是有形狀記憶效應，受到控制后具有感知、執行、判斷和自適應的能力。SMA彈簧具有較大的動作行程，是制作驅動元件和執行機構等部件較為理想的元件，因此被廣泛應用于各個領域。

(三)發明內容

本發明的目的在于提供一種體積小、成本低，適用于醫學上藥物配給、藥物輸送等方面的基于形狀記憶合金驅動的蠕動式微泵。

本發明的目的是這樣實現的：

它由擠壓桿、彈性泵管和SMA彈簧驅動器組成，在泵腔的兩端安裝兩個單向閥，SMA彈簧驅動器安裝在擠壓桿的頭部，彈性泵管穿過擠壓桿的空隙，每對擠壓桿牽引四根SMA彈簧驅動器，對稱的兩根彈簧為同一組，由同一個控制信號驅動；一個微泵包含12條6組SMA彈簧驅動器、四條彈性泵管、三對擠壓桿，四根彈性泵管穿過三對擠壓桿的空隙，每對擠壓桿牽引四根SMA彈簧，對稱的兩根彈簧為同一組，由同一個控制信號驅動。SMA彈簧的通斷電收縮與拉伸帶動擠壓桿對泵管進行三段式順次擠壓。通過控制信號的協調，SMA驅動器依次收縮和拉伸，泵內液體順次由入口擠壓到出口，形成類似于腸道的蠕動式效果。

本發明還可以包括：

1、擠壓桿上設置有用以增加彈簧收縮時產生牽引力對彈性泵管擠壓的斜三角錐，擠壓桿的中段為圓形而且被切掉一半，兩個擠壓桿相互嵌入，擠壓桿中部有圓孔，三對擠壓桿由中間的一根圓桿串聯。

2、相鄰兩根SMA彈簧驅動器互為差動結構，對稱的兩根彈性泵管動作相同。

TiNi記憶合金由于電阻率比較高，可以采用通電加熱方法。本發明中SMA彈簧的驅動方式為差動方式，SMA彈簧(或絲)在安裝之前已經發生預變形，當SMA彈簧加熱時發生收縮，產生的恢復力便會拉長偏動彈簧，同時將部分能量以彈性勢能的形式存儲在偏動彈簧中。當SMA驅動器冷卻時，偏動彈簧中的彈性勢能將釋放出來，使得SMA彈簧恢復到初始狀態。差動式驅動即偏動原件也是SMA彈簧，與偏動式驅動器不同，差動式驅動器的兩根SMA互為偏動元件，可以主動為對方提供偏動力以及輸出位移。

本發明提供了一種由SMA的通斷電控制的蠕動式微泵，該泵是一種復合型管腔結構，通過改變控制信號，使SMA彈簧順次通電收縮帶動擠壓桿來擠壓泵管，實現蠕動式輸出動作。

在本發明還特別設計了一種新型的擠壓機制。擠壓桿的結構細節與尺寸是根據所要實現的最優擠壓效果而確定的。擠壓桿斜面上的斜三角錐結構用以增加彈簧收縮時產生的牽引力對泵管的擠壓，桿的中段為圓形而且從縱向切掉一半，這樣兩個擠壓桿可以相互嵌入，圓面光滑減小兩桿轉動時的摩擦阻力。桿中部有圓孔，故三對擠壓桿可以由中間的一根圓桿串聯起來。

本發明還具有以下優點：

1.通過加熱差動機構中的一根SMA彈簧來拉伸另一根SMA來提供回復力。

2.一個動作同時驅動對稱的兩條泵管，泵送效果加倍。