近年,出現(xiàn)了以聲、光、電、磁、熱等為基本致動(dòng)形式的
蠕動(dòng)泵,按其驅(qū)動(dòng)機(jī)理的不同可分為壓電驅(qū)動(dòng)式、電磁驅(qū)動(dòng)式、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)式、靜電驅(qū)動(dòng)式、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)式[4]等。盡管目前*內(nèi)外正在研制各種不同驅(qū)動(dòng)方式的
蠕動(dòng)泵,但從基本的蠕動(dòng)概念上來(lái)講都是大同小異的。
(1) 壓電驅(qū)動(dòng)
壓電驅(qū)動(dòng)是在振動(dòng)膜上設(shè)置一壓電片,當(dāng)施加具有系統(tǒng)諧振頻率的交變電壓時(shí),壓電膜片產(chǎn)生諧振。壓電膜片就是利用電控的膜片彎曲形變諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)作用的。2010 年,臺(tái)灣成功大學(xué)的 Chao 和 Huang 成功研制了一款新型的壓電薄膜驅(qū)動(dòng)的
蠕動(dòng)泵[5]。該蠕動(dòng)泵由兩層聚甲
基丙烯酸甲酯(PMMA)和三塊尺寸為 7mm×7mm 壓力陶瓷組成。**上層的 PMMA 層有三個(gè)正方形的槽,可以起到隔離的作用。傳送液體的腔體及通道由下層的 PMMA 經(jīng)過(guò)兩個(gè)動(dòng)作完成:①系統(tǒng)由一個(gè) 500μm 厚的硅片產(chǎn)生液體傳送通道與空腔,之后一層鋁薄膜噴涂到該硅片薄膜表面上,然后利用傳統(tǒng)的照相平板印刷術(shù)形成一個(gè) 200μm×15μm×7μm 的空腔;②一層很薄的金被汽化后沉積到硅片空腔上,這樣通過(guò)硅片薄膜就形成了一個(gè)波形,使得上下層的 PMMA 層相互接觸排出液體。
(2) 電磁驅(qū)動(dòng)
電磁驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵通過(guò)通電產(chǎn)生磁場(chǎng)與泵體內(nèi)的磁體之間相互作用產(chǎn)生的洛倫磁力來(lái)驅(qū)動(dòng),力的大小取決于電流的大小。其特點(diǎn)是工作電壓較低、驅(qū)動(dòng)力較大,由于磁場(chǎng)的存在不需要額外的外界媒介,因此在體積上也有較大的優(yōu)勢(shì)。電磁驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵主要由內(nèi)嵌的**性磁鐵和線圈構(gòu)成。當(dāng)外部線圈通電時(shí),則線圈與磁體之間將產(chǎn)生向上或者向下的洛倫磁力,力的大小隨著電流的變化而變化[6]。在蠕動(dòng)泵的底部分別設(shè)有進(jìn)口和出口,在通電過(guò)程中通過(guò)泵腔內(nèi)部體積變化而完成吸液和排液過(guò)程。
(3) 氣動(dòng)微泵
氣動(dòng)微泵主要由致動(dòng)器、硅片振動(dòng)薄膜、密封的液體或氣體及出口、進(jìn)口兩個(gè)閥組成。其原理是通過(guò)熱電阻通電對(duì)密封的液體或者氣體加熱,然后進(jìn)行冷卻,利用熱脹冷縮的原理來(lái)使得振動(dòng)薄膜受力產(chǎn)生變形,從而實(shí)現(xiàn)液體或者氣體的吸入或者排出。氣動(dòng)微泵的特點(diǎn)是能用較小的電壓獲得較大的振動(dòng)薄膜變形,缺點(diǎn)是由于熱延遲而導(dǎo)致致動(dòng)頻率較低[7, 8]
。
(4) 靜電驅(qū)動(dòng)式蠕動(dòng)泵
在 MEMS 研究*域中,靜電驅(qū)動(dòng)得到了快速且廣泛的發(fā)展。靜電驅(qū)動(dòng)式蠕動(dòng)泵的致動(dòng)器由有兩層硅片薄膜構(gòu)成,上方的彈性薄膜作為泵膜,下方的薄膜做成固定的電極。其工作原理類似于電容器,當(dāng)給兩個(gè)電極施加電壓時(shí),靜力則吸引上層的硅片薄膜偏移;斷電后電容器放電,泵膜慢慢的回到原來(lái)的位置,這樣使得密封泵腔內(nèi)的體積產(chǎn)生變化,在外部壓力作用下導(dǎo)致出口與進(jìn)口閥的關(guān)閉與開啟,達(dá)到了液體的定向流動(dòng)效果。靜電驅(qū)動(dòng)的主要特點(diǎn)是功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能達(dá)到較高的工作頻率及可以達(dá)到很小的輸出,其缺點(diǎn)是致動(dòng)的電壓較高,由于薄膜在較大變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng),從而不能達(dá)到高輸出[9, 10]。
(5) 記憶合金蠕動(dòng)泵
由 TiNi 合金制得的記憶合金(SMA)在受熱和冷卻時(shí)具有很高的恢復(fù)力和致動(dòng)力,因此通過(guò)給 SMA 加熱和冷卻可以提供驅(qū)動(dòng)力。記憶合金蠕動(dòng)泵能產(chǎn)生較大的流速和較大的工作壓力,**大承受壓力可以達(dá)到數(shù)百 KPa,其主要特點(diǎn)是供電電壓低、響應(yīng)速度快、致動(dòng)力大等[11]。
自從美*學(xué)者 Jon Smiths 在 20 世紀(jì) 80 年代初率先提出研發(fā)出了用于胰島素注射的蠕動(dòng)泵以來(lái),*內(nèi)外涌現(xiàn)了很多不同驅(qū)動(dòng)方式的蠕動(dòng)泵,取得了很大的進(jìn)展。不同的驅(qū)動(dòng)方式的蠕動(dòng)泵所能達(dá)到的輸出流量及背壓大小也不盡相同,如圖 1.1 所示為不同驅(qū)動(dòng)方式的蠕動(dòng)泵的性能對(duì)比[12],(a)為各種驅(qū)動(dòng)方式下的輸出流量范圍,(b)為各種蠕動(dòng)泵的背壓大小。
由上圖可知:不同驅(qū)動(dòng)方式的蠕動(dòng)泵由于其工作原理的特性能達(dá)到很低的流量,其中靜電驅(qū)動(dòng)方式下所能達(dá)到的**小輸出流量相當(dāng)?shù)男。怯捎谄浣Y(jié)構(gòu)及材質(zhì)的制約,使得能承受的**大工作壓力很小,僅為幾百千帕,甚**幾百帕。在很多應(yīng)用場(chǎng)合中,要求的**大承受壓力為幾十兆帕,如此小背壓的蠕動(dòng)泵很難滿足實(shí)驗(yàn)要求。因此,既要實(shí)現(xiàn)微流量又要承受較大的壓力,只有采用
恒流泵才能滿足要求。經(jīng)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn):若工作在幾十兆帕的高壓,只有柱塞泵能承受如此大的壓力,齒輪泵、葉片泵及螺桿泵等其它類型的泵都不能達(dá)到如此大的輸出壓力。因此,目前*內(nèi)外大部分的
恒流泵產(chǎn)品都選用雙柱塞泵的結(jié)構(gòu)。