一種實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動氣泵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣泵，包括泵本體，在泵本體下方設(shè)有第一近紅外激光器和第二近紅外激光器，在泵本體頂部中心位置垂直設(shè)置寬光譜光源；所述泵本體包括泵腔，在泵腔的外部設(shè)有泵腔殼，在泵腔底部中心位置設(shè)有可調(diào)光柵，在可調(diào)光柵兩側(cè)設(shè)有雙層膜，在泵腔頂部還設(shè)有用于傳送氣體的進口單向閥和出口單向閥；寬光譜光源發(fā)出的光垂直照射在可調(diào)光柵上。該氣泵具有體積小、功率密度高、驅(qū)動量大等優(yōu)點；可精確控制采樣氣體的流量；實現(xiàn)氣體濃度的實時監(jiān)測，能夠應(yīng)用于煤礦井下的瓦斯氣體監(jiān)測、有毒氣體環(huán)境下工作的化工氣體監(jiān)測等領(lǐng)域。
【專利說明】
一種實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動氣泵
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光-機械能轉(zhuǎn)換的微驅(qū)動器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗。
【背景技術(shù)】
[0002]在有防燃、防爆要求的應(yīng)用場合，如工作于煤礦井下的有毒有害氣體監(jiān)測、在具有強烈腐蝕性氣體環(huán)境下工作的化工氣體監(jiān)測，存在實時響應(yīng)要求與防燃防爆要求同時兼顧的問題。但對氣體分析儀探測器的防燃、防爆保護越好，對氣體流動性阻礙越大。因此，提高實時性的主要辦法是采用具有防燃、防爆性能的氣體采樣栗。
[0003]而目前用于氣體采樣的微型栗，根據(jù)微栗有無運動部件，大致可分為機械式和非機械式兩大類，機械式微栗一般體積較大，很多都要增加外置的供應(yīng)能量設(shè)備和相應(yīng)的輔助裝置，其設(shè)計與制造工藝較為復(fù)雜，不利于栗的微型化與集成化，而且由于運動部件的頻繁作用隨時間的推移往往容易出現(xiàn)疲勞磨損消耗，對其壽命和可靠性有很大的影響，而非機械式微栗大部分也與電相關(guān)，微栗能量轉(zhuǎn)化率較低，由于微通道的尺寸效應(yīng)，要求微流體具有良好的導(dǎo)電性，同時需要外圍供電設(shè)備，無法滿足防燃、防爆要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，該光驅(qū)動柔性氣栗結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，體積小，使用壽命長，功率密度高，驅(qū)動量大，能夠?qū)崿F(xiàn)無需電能的光驅(qū)動氣體采樣和氣體濃度的實時監(jiān)測。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0006]—種實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，包括栗本體，在栗本體下方設(shè)有第一近紅外激光器和第二近紅外激光器，在栗本體頂部中心位置垂直設(shè)置寬光譜光源;所述栗本體包括栗腔，在栗腔的外部設(shè)有栗腔殼，在栗腔底部中心位置設(shè)有可調(diào)光柵，在可調(diào)光柵兩側(cè)設(shè)有雙層膜，在栗腔頂部還設(shè)有用于傳送氣體的進口單向閥和出口單向閥；寬光譜光源發(fā)出的光垂直照射在可調(diào)光柵上。
[0007]雙層膜由內(nèi)層的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜和外層的聚二甲基硅氧烷薄膜組成。
[0008]石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度為10?15μπι，聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度為5?1um0
[0009]可調(diào)光柵采用周期為百納米級的柵格，由聚二甲基硅氧烷制成。
[0010]栗腔殼由栗腔外壁和栗腔內(nèi)壁組成，栗腔外壁由聚二甲基硅氧烷制成，栗腔內(nèi)壁由石英玻璃制成;栗腔外壁與雙層膜相連。
[0011]栗腔外壁的聚二甲基硅氧烷厚度為15?25μπι;栗腔內(nèi)壁的石英玻璃厚度為0.5_。
[0012]栗腔外壁和栗腔內(nèi)壁通過粘結(jié)劑粘連。
[0013]寬光譜光源與栗腔殼通過粘結(jié)劑粘連。
[0014]所述粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑或聚丙烯酸酯類粘結(jié)劑。
[0015]所述第一近紅外激光器和第二近紅外激光器均采用808nm近紅外光，最大光強為5OOmw/cm2。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0017]本發(fā)明公開的實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，在栗本體下方設(shè)置兩個近紅外激光器，在栗本體頂部設(shè)有寬光譜光源，在栗腔底部中心位置設(shè)有可調(diào)光柵，在可調(diào)光柵兩側(cè)設(shè)有雙層膜，寬光譜光源發(fā)出的光垂直照射在可調(diào)光柵上。通過周期性的開關(guān)近紅外光并調(diào)節(jié)光強，對雙層膜進行垂直照射，雙層膜將產(chǎn)生周期性的可逆形變，即彎曲和復(fù)原，使得栗腔容積發(fā)生周期性的變化，可調(diào)光柵產(chǎn)生周期性調(diào)諧，精確控制光驅(qū)動氣栗栗腔容積和可調(diào)光柵柵距的周期性變化，能夠?qū)怏w實現(xiàn)連續(xù)采樣和實時濃度監(jiān)測。該氣栗結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，具有體積小、功率密度高、驅(qū)動量大等優(yōu)點，適用于煤礦井下的瓦斯氣體監(jiān)測，有毒氣體環(huán)境下的化工氣體監(jiān)測等領(lǐng)域。
[0018]進一步地，本發(fā)明的雙層膜由內(nèi)層的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜和外層的聚二甲基硅氧烷薄膜組成，二者的熱膨脹系數(shù)存在差異(石墨烯-聚二甲基硅氧烷熱膨脹系數(shù)為負(fù))。雙層膜在808nm近紅外光照射下，石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜發(fā)生收縮，石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜向栗腔一側(cè)彎曲，聚二甲基硅氧烷薄膜發(fā)生膨脹，聚二甲基硅氧烷薄膜也向栗腔一側(cè)彎曲，栗腔內(nèi)體積增大，栗腔外的氣體由進口單向閥向栗腔內(nèi)流入，可調(diào)光柵柵格的柵距增大，光驅(qū)動氣栗處于栗入、可調(diào)光柵柵距增大模式。同理，關(guān)閉808nm近紅外光，石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜發(fā)生膨脹，可調(diào)光柵柵格的柵距減小，并恢復(fù)到初始的狀態(tài)，此過程中雙層膜向栗腔外側(cè)形變，栗腔內(nèi)體積減小，栗腔內(nèi)的氣體由出口單向閥向栗腔外流出，光驅(qū)動氣栗處于栗出、可調(diào)光柵柵距減小模式。
[0019]優(yōu)選地，雙層膜的變形量受限于石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜和聚二甲基硅氧烷薄膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)。同等條件下，厚的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜和薄的聚二甲基硅氧烷薄膜可獲得更大雙層膜的變形量，從而使栗腔獲得更大的驅(qū)動力，可調(diào)光柵有更大的調(diào)諧范圍。由于工藝的限制，優(yōu)選石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜厚度為10?15μπι，聚二甲基硅氧烷薄膜厚度為5?ΙΟμπι。
【附圖說明】
[0020]圖1為實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動氣栗的結(jié)構(gòu)立體圖；
[0021 ]圖2為實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動氣栗的結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0022]圖3為實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動氣栗實施例中雙層膜在808nm近紅外光照射下的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4為實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動氣栗實施例中雙層膜在808nm近紅外光關(guān)閉時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]其中，I為進口單向閥；2為栗腔殼;21為栗腔外壁;22為栗腔內(nèi)壁;3為第一808nm近紅外激光器;4為第二 808nm近紅外激光器，5為雙層膜;51為石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜；52為聚二甲基硅氧烷薄膜;6為可調(diào)光柵;7為栗腔;8為出口單向閥;9為寬光譜光源。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0026]參見圖1，本發(fā)明公開的實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，包括栗本體，在栗本體下方設(shè)有第一近紅外激光器3和第二近紅外激光器4，在栗本體頂部中心位置垂直設(shè)置寬光譜光源9;所述栗本體包括栗腔7，在栗腔7的外部設(shè)有栗腔殼2，在栗腔7底部中心位置設(shè)有可調(diào)光柵6，在可調(diào)光柵6兩側(cè)設(shè)有雙層膜5，在栗腔7頂部還設(shè)有用于傳送氣體的進口單向閥I和出口單向閥8;寬光譜光源9發(fā)出的光垂直照射在可調(diào)光柵6上。
[0027]寬光譜光源9垂直照可調(diào)光柵6，寬光譜光源9與栗腔殼2通過粘結(jié)劑粘結(jié)在一起，所述粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑、聚丙烯酸酯類粘結(jié)劑中的一種，優(yōu)先選用環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑，本實施例中具體選用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑。
[0028]參見圖2，栗腔殼2由栗腔外壁21和栗腔內(nèi)壁22構(gòu)成，栗腔外壁21為聚二甲基硅氧烷，栗腔外壁21與雙層膜5相連;栗腔內(nèi)壁22為石英玻璃，同時對聚二甲基硅氧烷的變形起阻擋作用，栗腔外壁21和栗腔內(nèi)壁22通過粘接劑粘結(jié)在一起，所述粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑、聚丙烯酸酯類粘結(jié)劑中的一種，優(yōu)先選用環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑，本實施例中具體選用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑。
[0029]雙層膜5包括石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜51和聚二甲基硅氧烷薄膜52，栗腔殼2的栗腔外壁21與雙層膜5通過制作時的固化工藝實現(xiàn)連接。
[0030]可調(diào)光柵6為聚二甲基硅氧烷，包括周期為百納米級的柵格。
[0031]栗腔外壁21的聚二甲基硅氧烷厚度為15?25μπι。
[0032]栗腔內(nèi)壁22的石英玻璃厚度為0.5mm。
[0033]本發(fā)明中采用的驅(qū)動光源為808nm近紅外光，第一808nm近紅外光和第二808nm近紅外光的最大光強均為500mw/cm2o
[0034]石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜和聚二甲基硅氧烷薄膜構(gòu)成的雙層膜，當(dāng)周期性的采用808nm近紅外光垂直照射時，雙層膜將產(chǎn)生周期性的彎曲和復(fù)原，可調(diào)光柵產(chǎn)生周期性調(diào)諧，本發(fā)明利用這些特點，作為光驅(qū)動氣栗的驅(qū)動單元和氣體濃度的監(jiān)測單元，來實現(xiàn)氣體的栗入、可調(diào)光柵柵距增大和氣體的栗出、可調(diào)光柵柵距減小。
[0035]以下為本發(fā)明的光驅(qū)動氣栗實現(xiàn)氣體的栗入、可調(diào)光柵柵距增大和氣體的栗出、可調(diào)光柵柵距減小的工作過程:
[0036]如圖3所示，打開第一 808nm近紅外激光器3和第二 808nm近紅外激光器4，打開寬光譜光源9，雙層膜5在第一808nm近紅外激光器3和第二808nm近紅外激光器4照射下，石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜51發(fā)生收縮，石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜51向栗腔一側(cè)彎曲，聚二甲基硅氧烷薄膜52發(fā)生膨脹，聚二甲基硅氧烷薄膜52也向栗腔一側(cè)彎曲，栗腔7內(nèi)體積增大，栗腔7外的氣體由進□單向閥I向栗腔7內(nèi)流入，可調(diào)光柵6柵格的柵距增大，光驅(qū)動氣栗處于栗入、可調(diào)光柵柵距增大模式。
[0037]如圖4所示，關(guān)閉第一 808nm近紅外激光器3和第二 808nm近紅外激光器4，保持打開寬光譜光源9，石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜51發(fā)生膨脹，可調(diào)光柵6柵格的柵距減小，并恢復(fù)到初始的狀態(tài)，此過程中雙層膜向栗腔外側(cè)形變，栗腔7內(nèi)體積減小，栗腔7內(nèi)的氣體由出口單向閥8向栗腔7外流出，光驅(qū)動氣栗處于栗出、可調(diào)光柵柵距減小模式。
[0038]圖3、圖4中，箭頭表示氣體流入或流出方向。
[0039]周期性的開、關(guān)808nm近紅外光并調(diào)節(jié)光強，可精確控制光驅(qū)動氣栗栗腔7容積和可調(diào)光柵6柵距的周期性變化，從而可對氣體連續(xù)采樣和實時濃度的監(jiān)測。
[0040]通過上述過程可實現(xiàn)光驅(qū)動氣栗氣體的栗入、可調(diào)光柵柵距增大和氣體的栗出、可調(diào)光柵柵距減小的過程。
[0041]綜上所述，本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中，氣體采樣栗結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難，體積較大、不易微型化，壽命和可靠性不足，需外圍供電設(shè)備、無法滿足防燃、防爆要求的問題，設(shè)計了一種實時監(jiān)測濃度的光驅(qū)動氣栗，可以通過采用光驅(qū)動石墨烯-聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷構(gòu)成的雙層薄膜作為可動部件，利用雙層膜的熱膨脹系數(shù)差異來控制栗腔容積的擴大和縮小，同時在薄膜中制作可調(diào)光柵來實現(xiàn)氣栗中氣體濃度的實時監(jiān)測，實現(xiàn)無需電能的光驅(qū)動氣體采樣和氣體濃度的實時監(jiān)測，具有體積小、功率密度高、驅(qū)動量大等優(yōu)點。
[0042]以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。
【主權(quán)項】
1.一種實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，其特征在于，包括栗本體，在栗本體下方設(shè)有第一近紅外激光器(3)和第二近紅外激光器(4)，在栗本體頂部中心位置垂直設(shè)置寬光譜光源(9); 所述栗本體包括栗腔(7)，在栗腔(7)的外部設(shè)有栗腔殼(2)，在栗腔(7)底部中心位置設(shè)有可調(diào)光柵(6)，在可調(diào)光柵(6)兩側(cè)設(shè)有雙層膜(5)，在栗腔(7)頂部還設(shè)有用于傳送氣體的進口單向閥(I)和出口單向閥(8); 寬光譜光源(9)發(fā)出的光垂直照射在可調(diào)光柵(6)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，其特征在于，雙層膜(5)由內(nèi)層的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜(51)和外層的聚二甲基硅氧烷薄膜(52)組成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，其特征在于，石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜(51)的厚度為10?15μπι，聚二甲基硅氧烷薄膜(52)的厚度為5?ΙΟμπι。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，其特征在于，可調(diào)光柵(6)采用周期為百納米級的柵格，由聚二甲基硅氧烷制成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，其特征在于，栗腔殼⑵由栗腔外壁(21)和栗腔內(nèi)壁(22)組成，栗腔外壁(21)由聚二甲基硅氧烷制成，栗腔內(nèi)壁(22)由石英玻璃制成;栗腔外壁(21)與雙層膜(5)相連。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，其特征在于，栗腔外壁(21)的聚二甲基硅氧烷厚度為15?25μπι;栗腔內(nèi)壁(22)的石英玻璃厚度為0.5mm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，其特征在于，栗腔外壁(21)和栗腔內(nèi)壁(22)通過粘結(jié)劑粘連。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，其特征在于，寬光譜光源(9)與栗腔殼(2)通過粘結(jié)劑粘連。9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，其特征在于，所述粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑或聚丙烯酸酯類粘結(jié)劑。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時監(jiān)測氣體濃度的光驅(qū)動柔性氣栗，其特征在于，所述第一近紅外激光器(3)和第二近紅外激光器(4)均采用808nm近紅外光，最大光強為500mw/cm2o
【文檔編號】G01N1/24GK105842018SQ201610158028
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】賈書海, 王飛, 唐振華, 汪永林
【申請人】西安交通大學(xué)