封閉式電滲驅動方法及電滲鼓的製作方法
2024-04-07 10:54:05 1
專利名稱：封閉式電滲驅動方法及電滲鼓的製作方法
技術領域：
本發明屬於電化學技術領域，特別是涉及電滲驅動方法及其裝置。
背景技術：
電滲現象在微流動控制方面有廣泛的應用，例如美國專利申請US005965001A提出的一種微流動裝置，利用電滲流驅動管道中的流體，使傳輸過程精確可控，容易自動化；美國專利申請US006012902A將這種技術發展為可以縮微製作在微小晶片上的微泵；中國專利CN2286429Y使用砂芯柱電滲泵做液體傳輸。
上述技術主要使用單向電解電流驅動液體傳輸，一般不用隔膜將電滲液和被傳輸液隔離，都屬於開放式電滲裝置，因而電極上電解產物會汙染被傳輸液，電滲電流會滲漏進被傳輸液，易產生氣泡造成堵塞，而電滲液的輸入輸出管道使得裝置很複雜而不方便使用，這些都制約了電滲技術更廣泛的應用。
發明內容
本發明的目的是提供一種封閉式電滲驅動方法及一種新的驅動裝置——電滲鼓，以克服現有技術的上述缺陷。
這種封閉式電滲驅動方法，特徵在於設置一個電滲鼓，有二個鼓腔，鼓腔中裝有電滲溶液，鼓腔之間用電滲柱連通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔內各設置電極，電滲溶液和電極構成電滲泵，在兩個電極上通過極性交替變化的電流並保持每周期兩個方向的電解電量積分相等，使得電滲液發生氧化還原化學反應，形成電滲液在電滲柱中往複流動，從而引起鼓膜振動，輸出機械振動作為電滲驅動源。
所述電滲溶液，為純水或低濃度化學添加劑的5＜pH＜10緩衝溶液。
所述化學添加劑包括氨、有機胺類，濃度範圍為0～50mmol/l；所述有機胺包括二乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺或三羥甲基氨基甲烷。
所述保持電流每周期兩個方向的電解電量積分相等，採用雙向階躍恆電流、循環三角波掃描電流、正弦波函數電流和不對稱波形任意函數電流。其波形有正弦波、三角波、方波、或正負半周非對稱的生物波。
所述在兩個電極上通過極性交替變化的電流並保持每周期兩個方向的電解電量積分相等時，各個電滲鼓振動的相位由驅動信號的相位控制；兩個以上電滲鼓組合的系統中，各個電滲鼓振動的相位按程序規定次序逐個相差，從而使之按程序規定次序動作，構造成組合動作系統。
若在鼓面上施加周期變化的外力使之振動，而將電極接往示波器，則能夠顯示兩鼓面上的壓力差及其變化。
本發明的電滲鼓，特徵在於有二個鼓腔，鼓腔中裝有電滲溶液，鼓腔之間用電滲柱連通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔內各設置電極，鼓腔上有進液口。
鼓腔為剛性絕緣體，工作時全密封。
所述電極為惰性金屬基材的電子導體，包括鉑網電極、鉑黑電極、金膜電極或或鉑銠合金電極；所述電滲柱為帶表面電荷微孔洞的柱型體，包括石英毛細管、玻璃砂芯、陶瓷片、SiO2凝膠柱或有機聚合物整體柱；所述鼓膜為彈性膜，可以蒙在鼓腔的端面或上面。
電滲柱的電阻是其長度與面積的函數，可以依實際需要調整(比較典型的可為0.1～10MΩ)，電極表面的電容主要是面積與表面粗糙度的函數，可以依實際需要調整(比較典型的可為0.1-10μf)，使得諧振周期可以在此期間0.01～100s之間調節，因此，本發明適合於對低頻-極低頻波段(0.01～100Hz)的響應。
可以將兩個以上的鼓膜位於鼓腔側端面的電滲鼓串聯、並聯、或其他組合，和其他閥門、管道一起構造成組合動作系統。
與現有技術相比較，本發明電滲鼓具有如下優點1、由於本發明的電滲鼓將電滲單元封裝在鼓型結構中，成為一個不漏電、不漏液、不拖帶流體管道的封閉式的電滲裝置，因此可望成為一種標準化電動器件進行生產和應用。
2、本發明電滲鼓使用極性交替變化的電流驅動電滲，每周期的兩個方向的電解電量積分相等，因此各電極上的充電與放電電量相等，氧化與還原反應的電量相等，這樣就不易產生氫氣和氧氣釋出，避免了氣泡堵塞，並使電滲液的pH值穩定不變，延長了使用壽命。若不能保持每周期兩個方向的電解電量積分相等的方法驅動電滲，容易造成鼓腔中發生氣泡釋出、電滲效能降低和電滲鼓壽命降低以至於電滲鼓的破壞。
3、本發明電滲鼓是一種獨立的電動器件，因此可以方便地進行並聯、串聯和組合應用，構造複雜的動作系統，可望在微量液體傳輸、微晶片製作、微動控制、低頻振動發生與檢測等方面得到廣泛應用。
圖1是本發明電滲鼓中的橫隔鼓的側面透視圖。
圖2是橫隔鼓的軸向透視圖。
圖3是本發明電滲鼓中的縱隔鼓的頂面透視圖。
圖4是縱隔鼓的側面透視圖。
圖5是本發明電滲鼓中的橫隔電滲鼓串聯的示意圖。
圖6是本發明電滲鼓中的縱隔電滲鼓並聯的示意圖。
圖7是本發明電滲鼓中的橫隔電滲鼓組合的流動注射泵示意圖。
圖8是本發明封閉式電滲驅動方法電路原理示意圖。
圖9是本發明電滲驅動方法的雙向階躍電流驅動法的信號波形圖。
圖10是本發明電滲驅動方法的循環三角波掃描電流驅動法的信號波形圖。
圖11是本發明電滲驅動方法的正弦波函數電流驅動法的信號波形圖。
圖12是本發明電滲驅動方法的不對稱波形任意函數電流驅動法的信號波形圖。
具體實施例方式
實施例1本發明電滲鼓中的橫隔鼓在一個由有機玻璃車制的鼓體1的中部，有機玻璃鼓隔2將鼓腔橫向分隔為前鼓腔3和後鼓腔4，鼓腔3和4的開口處各蒙一矽橡膠膜為鼓膜5和6，一根玻璃砂芯電滲柱7貫穿鼓隔2並以環氧樹脂封接，鼓腔3和4中分別裝有鉑黑電極8和9，其電極線分別引出至封閉的鼓體外；鼓腔3和4相應的鼓體上分別設有不鏽鋼閥門10和11，通過閥門10和11分別向鼓腔3和4中注入並充滿含有濃度為0～1.0mmol/l二乙醇胺或三乙醇胺的電滲液後關閉閥門10和11，即成為如附圖1(側面透視圖)和附圖2(軸向透視圖)所示的橫隔鼓。
使用時，通過電極線在電極8和9之間施加一定頻率的、並保持每周期兩個方向的電解電量積分相等的交變電壓或電流，即可在彈性鼓面5和6上得到相應頻率的振動輸出。
反之，若在鼓面5和6上施加周期變化的外力使之振動，而將電極8和9接往示波器，則能夠顯示兩鼓面上的壓力差及其變化。
實施例2本發明電滲鼓中的縱隔鼓在一個由聚四氟乙烯車制的的鼓體1中，有一個縱向鼓隔2將鼓腔分隔為左分鼓腔3和右分鼓腔4，鼓腔3和4的兩端各蒙有電絕緣材料的彈性膜鼓膜5和6，一根石英毛細管電滲柱7貫穿鼓隔2並以環氧樹脂封接，鼓腔3和4中分別設有鉑網電極8和9，左右兩鼓體上分別設置有閥門10和11，通過閥門10和11分別向鼓腔3和4中充滿濃度為0～1.0mmol/l的氨水作為電滲液，關閉閥門10和11，即為如附圖3(頂面透視圖)和附圖4(側面透視圖)所示的縱隔鼓。
使用時，在電極8和9之間施加一定頻率的、並保持每周期兩個方向的電解電量積分相等的交變電壓或電流，即在左右兩分鼓鼓面上得到相應頻率的振動輸出。
實施例3串聯橫隔電滲鼓將兩個以上的橫隔電滲鼓12按相同方向首尾排列並固定在基座13上，前一個電滲鼓的鼓膜通過連接塊14和後一個電滲鼓的鼓膜粘接，如附圖5所示，即為串聯橫隔鼓。
使用時，在各個電滲鼓的兩個電極上分別施加一定周期和相位的、並保持每周期兩個方向的電解電量積分相等的交變電壓或電流，可在串聯橫隔電滲鼓的前後兩端鼓面上得到波形和強度相疊加的振動輸出。典型的情形是，在各電滲鼓的兩個電極上分別施加幅度相同相位也相同的交變電壓或電流，則在串聯橫隔鼓上得到波形相同而能量相加的輸出，即可使用較低電壓而得到較高驅動力輸出。
實施例4並聯縱隔電滲鼓將兩個以上的縱隔電滲鼓15按相同方向疊放在一起，用左連接塊16粘接前後兩縱隔電滲鼓的左鼓，用右連接塊17粘接前後兩縱隔電滲鼓的右鼓，如附圖6所示，即為並聯縱隔鼓。
使用時，在各單個縱隔電滲鼓的兩個電極上分別施加保持每周期兩個方向的電解電量積分相等的交變電壓或電流，即可在並聯縱隔鼓上產生依相位疊加的扭動。典型的情形是，在各個單鼓的兩個電極上分別施加的交變電壓或電流，按從前到後的順序逐個相差一個相位角，則可在並聯縱隔電滲鼓上得到蛇形的扭動。
實施例5電滲鼓組合的流動注射泵將兩個以上橫隔電滲鼓12的前後鼓膜表面各粘一塊壓力傳導塊17後並排放置在一個固體凹槽18中，一根內部灌充有待輸送液體的彈性軟橡膠管19穿過壓力傳導塊17與凹槽18的壁之間的間隙作S型纏繞，如附圖7所示，即成為電滲鼓組合流動注射泵。
使用時，在各個單鼓的兩個電極上施加保持每周期兩個方向的電解電量積分相等的交變電壓或電流，按順序逐個相差一個相位角，則可在彈性軟橡膠管19中得到單方向的液體輸送。
實施例6雙向階躍電流驅動法如圖8所示，將運算放大器20的正輸入端接地，負輸入端和輸出端接往縱隔電滲鼓12或橫隔電滲鼓15的兩電極，從商售信號發生器21經過電阻22輸入一正負幅值相等的方波電壓信號到運算放大器20的負輸入端，則在電滲鼓12或15的兩電極之間產生雙向階躍的恆定電流驅動，其信號電壓的波形曲線如附圖9所示；保持階躍信號的時間間隔相等，則可保證一周期中的兩個方向的電解電量積分相等。
實施例7循環三角波掃描電流法使用圖8所示電路，從信號發生器21經過電阻22輸入一循環三角波掃描電壓信號到運算放大器20的負輸入端，則在電滲鼓12或15的兩電極之間產生循環三角波掃描電流驅動，其信號電壓的波形曲線如附圖10所示；保持循環三角波掃描信號的對稱性，則可保證一周期中的兩個方向的電解電量積分相等。
實施例8正弦波函數電流法使用圖8所示電路，從信號發生器21經過電阻22輸入一正弦波掃描電壓信號到運算放大器20的負輸入端，則在電滲鼓12或15的兩電極之間產生正弦波掃描電流驅動，其信號電壓的波形曲線如附圖11所示；保持正弦波掃描信號的對稱性，則可保證一周期中的兩個方向的電解電量積分相等。
實施例9不對稱波形任意函數電流法使用圖8所示電路，從信號發生器21經過電阻22輸入一不對稱任意函數波形掃描電壓信號，如類似於心臟血壓或血液流動的波形如圖12所示，到運算放大器20的負輸入端，則在電滲鼓12或15的兩電極之間產生同樣波型的掃描電流驅動；保持該掃描信號的正負波的積分面積相等，則可保證一周期中的兩個方向的電解電量積分相等。
權利要求
1.一種封閉式電滲驅動方法，特徵在於設置一個電滲鼓，有二個鼓腔，鼓腔中裝有電滲溶液，鼓腔之間用電滲柱連通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔內各設置電極，電滲溶液和電極構成電滲泵，在兩個電極上通過極性交替變化的電流並保持每周期兩個方向的電解電量積分相等，使得電滲液發生氧化還原化學反應，形成電滲液在電滲柱中往複流動，從而引起鼓膜振動，輸出機械振動作為電滲驅動源。
2.如權利要求1所述的封閉式電滲驅動方法，特徵在於所述電滲溶液，為純水或低濃度化學添加劑的5＜pH＜10緩衝溶液。
3.如權利要求2所述的封閉式電滲驅動方法，特徵在於所述化學添加劑包括氨、有機胺類，濃度範圍為0～50mmol/l；所述有機胺類包括二乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺或三羥甲基氨基甲烷。
4.如權利要求1所述的封閉式電滲驅動方法，特徵在於所述保持電流每周期兩個方向的電解電量積分相等，採用雙向階躍恆電流、循環三角波掃描電流、正弦波函數電流，不對稱波形任意函數電流，其波形有正弦波、三角波、方波、或正負半周非對稱的生物波。
5.如權利要求1所述封閉式電滲驅動方法，特徵在於所述在兩個電極上通過極性交替變化的電流並保持每周期兩個方向的電解電量積分相等時，各個電滲鼓振動的相位由驅動信號的相位控制；兩個以上電滲鼓組合的系統中，各個電滲鼓振動的相位按程序規定次序逐個相差，從而使之按程序規定次序動作，構造成組合動作系統。
6.如權利要求1所述封閉式電滲驅動方法，特徵在於若在鼓面上施加周期變化的外力使之振動，而將電極接往示波器，則能夠顯示兩鼓面上的壓力差及其變化。
7.一種電滲鼓，特徵在於有二個鼓腔，鼓腔中裝有電滲溶液，鼓腔之間用電滲柱連通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔內各設置電極，鼓腔上有進液口。
8.如權利要求7所述的電滲鼓，特徵在於鼓腔為剛性絕緣體，工作時全密封。
9.如權利要求7所述的電滲鼓，特徵在於所述電極為惰性金屬基材的電子導體，包括鉑網電極、鉑黑電極、金膜電極或鉑銠合金電極；所述電滲柱為帶表面電荷微孔洞的柱型體，包括石英毛細管、玻璃砂芯、陶瓷片、SiO2凝膠柱或有機聚合物整體柱；所述鼓膜為彈性膜，可以蒙在鼓腔的端面或上面。
10.如權利要求7所述的電滲鼓，特徵在於將兩個以上的鼓膜位於鼓腔側端面的電滲鼓串聯、並聯、或其他組合，和其他閥門、管道一起構造成組合動作系統。
全文摘要
本發明公開了一種封閉式電滲驅動方法及電滲鼓，特徵在於有二個鼓腔，鼓腔中裝有電滲溶液，鼓腔之間用電滲柱連通，鼓腔上蒙有鼓膜，鼓腔內各設置電極，電滲溶液和電極構成電滲泵，在兩個電極上通過極性交替變化的電流並保持每周期兩個方向的電解電量積分相等，形成電滲液在電滲柱中往複流動，從而引起鼓膜振動，輸出機械振動作為電滲驅動源，成為一種封閉式電動器件。可方便地進行串聯、並聯和組合構造複雜的動作系統；本發明克服了現有開放式電滲裝置的電滲漏、電解產物汙染、易產生氣泡堵塞和不方便使用的不足，可成為標準化的電動元件進行生產和應用，在微量液體傳輸、微晶片製作、微動控制、低頻振動發生與檢測等方面具有廣泛的應用前景。
文檔編號B01L3/00GK1535757SQ03113129
公開日2004年10月13日 申請日期2003年4月4日 優先權日2003年4月4日
發明者林祥欽, 蔣曉華, 何友昭 申請人:中國科學技術大學