CN101749219B - 微型蠕动泵 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密机械中微型流体泵技术领域，涉及微型蠕动泵，主要由微泵芯片和驱动机构两部分组成。其中微泵芯片由微泵薄膜沟道结构层和底板组成，微泵薄膜沟道包括依次连通的进液口、入口过渡沟道槽、环形沟道、出口过渡沟道槽、出液口。驱动机构包括位于薄膜上方的钢球，吸引钢球的磁铁，带动磁铁转动的微电机以及联接电机和磁铁的轴套。本发明具有结构简单，工作可靠，能够控制流体流动，流量稳定，流量调节范围大，外形尺寸较小，无需高压或加热等苛刻条件等特点。
Description
技术领域
本发明属于精密机械中微型流体泵技术领域，特别涉及微型蠕动泵结构设计及制作方法。
背景技术
近年来，随着微型生化检测、生物芯片、微量给药等生化分析和医疗技术的发展，对于液体微量输送和流量宽范围调节的要求不断突出。与此同时，微全分析系统、芯片实验室、精细化工、以及微型能源系统等也要求提供能够精确控制流量和扩大调节范围的供给系统。目前，一般的微型蠕动泵结构趋于复杂，制作工艺繁琐，成本较高，或依赖高电压及加热等驱动方式，对活性生物液体有较大影响。
微型蠕动泵技术是微泵领域的一项独特技术，最初发明的环形蠕动泵(AnsonHatch，2001)采用磁性液体(以磁性纳米颗粒为溶质的稳定悬浮液)进行驱动，将管道设计成出入口连通的圆环形状，然后在管道中注入一段磁流体液柱，工作时，通过磁铁吸引磁流体进行转动，从而带动管道中的流体一起运动，实现流体输运功能。该方案能实现微量流体进给的功能，但磁流体与工作液体在同一管道内，容易污染工作液体，且无法实现高速大流量的输运要求。之后发明的钢球蠕动型微泵(Levent Yobas，2008，专利号：WO 2008118098A1)克服了上述许多缺点，其最大流量达到约1mL/min，且完全将输运液体与驱动部件隔离，采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)制作环形沟道，使用大直径钢球和大的永磁铁进行驱动，可实现流体的自吸入，但其芯片粘接需依靠柔性粘接层工艺，流量存在较大脉动，且环形沟道的外形尺寸不小于6cm，在一定程度上限制了与后续微系统的集成及整个系统的微型化。
发明内容
本发明的目的是为满足驱动微量流体的需求，提供一种微电机驱动钢球蠕动的微型蠕动泵，具有结构简单，工作可靠，能够控制流体流动，流量稳定，流量调节范围大，外形尺寸较小，无需高压或加热等苛刻条件；特别地，在芯片结构方面，出入口分别增设了过渡沟道槽结构，使得困扰蠕动泵的脉动缺点得到了很大程度的抑制，减小了流量脉动；整个芯片的结构尺寸大大减小，便于与后续微系统的集成；在工艺方面，通过等离子体处理粘接表面，可简化芯片粘接工艺。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的微型蠕动泵，其由微泵芯片组件和驱动机构组成；
所述微泵芯片组件由流体入口管、流体出口管、底板和通过粘结层粘贴于所述底板7上表面的柔性聚合物结构层组成；
所述柔性聚合物结构层下表面设有环形沟道槽以及分别与所述环形沟道槽端部相连通的入口过渡沟道槽和出口过渡沟道槽；所述入口过渡沟道槽和出口过渡沟道槽的外端槽端处分别设有贯穿所述柔性聚合物结构层的垂向通孔；所述流体入口管和所述流体出口管分别与所述垂向通孔的上端口相连接；
所述入口过渡沟道槽截面和所述出口过渡沟道槽截面均为从远离环形沟道槽的远端至近端截面相同的沟道槽；或者
所述入口过渡沟道槽的截面和所述出口过渡沟道槽的截面分别从远离环形沟道槽的远端向近端逐渐扩大；或者
所述入口过渡沟道槽的截面从里向外逐渐缩小；所述出口过渡沟道槽的截面从里向外逐渐扩大；
所述驱动机构由：—微电机；
位于所述柔性聚合物结构层上表面的钢球；
位于所述微泵芯片组件下方的与所述微电机相连，并由微电机驱动作旋转运动的轴套；和
固定连接于所述轴套上端面的磁铁组成；
所述磁铁与所述钢球的数量相同。
所述的柔性聚合物结构层为聚二甲基硅氧烷材质的聚合物结构层。
所述底板为无磁材质的板材。
所述底板为有机玻璃、玻璃或印刷电路板材质的板材。
所述的粘接层为聚二甲基硅氧烷粘接层。
本发明的工作原理为：构成微泵薄膜的柔性聚合物结构层与底板通过粘结层粘接形成微泵芯片组件，流体自流体入口管流入，经过环形沟道槽，由流体出口管流出；微电机轴上安装有轴套，轴套上端表面固定有若干枚磁铁，在柔性聚合物结构层上表面上设有同样数量的钢球；在工作过程中，微电机以一定速度旋转，磁铁同步旋转，此时微泵芯片组件上的钢球受到磁场的吸引跟随磁铁旋转，并对微泵芯片组件的环形沟道槽产生向下压力，该压力使柔性聚合物结构层的上表面产生变形，其内的环形沟道槽被压扁；随着钢球的转动，该变形不断沿环形沟道槽以蠕动方式传递，从而挤压环形沟道槽中的液体沿钢球运动方向流动，液体被从流体入口管吸入，并被推至流体出口管流出。
本发明的有益效果是：整个微泵薄膜沟槽道结构仅由一层柔性聚合物通过一次软光刻制成，使得制作工艺大大简化，成本低廉，且工作可靠；通过在出、入口分别增设过渡沟道槽结构，可使困扰蠕动泵的脉动缺点得到很大程度的克服，减小流量脉动；通过微型电机驱动，驱动电压低，无高热现象，从而避免因为高驱动电压或高温使得某些生物试剂失活；该微型蠕动泵的蠕动变形能力大，能实现高背压和较大的流量调节范围；另外，钢球挤压薄膜可以完全密封沟道，从而实现液体的自吸入，在静止时还兼具微阀的阻断液流功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为柔性聚合物结构层9的结构示意图(反面朝上)；
图3为出、入口过渡沟道槽采用对称缓冲区的柔性聚合物结构层9的示意图；
图4为出、入口过渡沟道槽采用两个扩张管的柔性聚合物结构层9的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步描述本发明。
图1为本发明的结构示意图；图2为柔性聚合物结构层9的结构示意图(反面朝上)；图3为出、入口过渡沟道槽采用对称缓冲区的柔性聚合物结构层9的示意图；图4为出、入口过渡沟道槽采用两个扩张管的柔性聚合物结构层9的示意图；有图可知，本发明的本发明提供的微型蠕动泵，其由微泵芯片组件和驱动机构组成；
所述微泵芯片组件由流体入口管3、流体出口管2、底板7和通过粘结层8粘贴于所述底板7上表面的柔性聚合物结构层9组成；
所述柔性聚合物结构层9下表面设有环形沟道槽91以及分别与所述环形沟道槽91端部相连通的入口过渡沟道槽93和出口过渡沟道槽92；所述入口过渡沟道槽93和出口过渡沟道槽92的外端槽端处分别设有贯穿所述柔性聚合物结构层9的垂向通孔；所述流体入口管3和所述流体出口管2分别与所述垂向通孔的上端口相连接；
所述入口过渡沟道槽93截面和所述出口过渡沟道槽92截面均为从远离环形沟道槽91的远端至近端截面相同的沟道槽；或者
所述入口过渡沟道槽93的截面和所述出口过渡沟道槽92的截面分别从远离环形沟道槽91的远端向近端逐渐扩大；或者
所述入口过渡沟道槽93的截面从里向外逐渐缩小；所述出口过渡沟道槽92的截面从里向外逐渐扩大；
所述驱动机构由：一微电机4；
位于所述柔性聚合物结构层9上表面的钢球1；
位于所述微泵芯片组件下方的与所述微电机4相连，并由微电机4驱动作旋转运动的轴套5；和
固定连接于所述轴套5上端面的磁铁6组成；
所述磁铁6与所述钢球1的数量相同。
所述的柔性聚合物结构层9为聚二甲基硅氧烷材质的聚合物结构层。
所述底板为无磁材质的板材。
所述底板为有机玻璃、玻璃或印刷电路板材质的板材。
所述的粘接层为聚二甲基硅氧烷粘接层。
实施例1
本实施例的微型蠕动泵，其结构如图1和图2所示，主要由微泵芯片组件和驱动机构两部分组成；构成微泵薄膜沟道的柔性聚合物结构层9由PDMS(聚二甲基硅氧烷)软光刻工艺制作，并与预先甩涂PDMS粘接层8的有机玻璃底板7粘接，形成微泵芯片组件；在微泵芯片组件的外围布置有驱动机构，在环形沟道槽91上方布置有钢球1，微泵芯片组件下方固定有电机4，磁铁6通过轴套5固定于电机上；
在微泵芯片组上，流体自流体入口管3流入，经过环形沟道槽91，由流体出口管2流出；微电机4的轴上安装有轴套5，轴套5上固定有若干枚磁铁6，在微泵柔性聚合物结构层9上设有与磁铁有同样数量的钢球1，钢球1受到磁铁6的吸引而保持在柔性聚合物结构层9上；在工作过程中，微电机4以一定速度旋转，磁铁6同步旋转，此时钢球1受到磁场的吸引跟随磁铁旋转，并对微泵芯片组件的环形沟道槽91施加向下压力，该压力使环形沟道槽91上方的PDMS薄膜(柔性聚合物结构层9上表面)产生变形；随着钢球的转动该变形不断沿环形沟道槽91以蠕动方式传递，从而挤压环形沟道槽91中的液体沿钢球运动方向流动，液体被从流体入口管3吸入，并被推至流体出口管2流出。
入口过渡沟道槽93截面和出口过渡沟道槽92截面均为从远离环形沟道槽91的远端至近端截面相同的沟道槽。
构成微泵薄膜沟道的PDMS结构层9采用软光刻工艺制作，其中环形沟道槽91的环形外径为10-30mm，环形沟道槽91宽度为0.05mm—10mm，环形沟道槽91深度为0.1—1000微米，柔性聚合物结构层9厚度为1-500微米。
钢球1直径为1mm—8mm，钢球个数为1-10个，磁铁6为铷铁硼柱形永磁铁，直径为4mm—15mm，高度为2mm—6mm。
实施例2
本实施例的微型蠕动泵，其结构如图1和图3所示。
本实施例与实施例1的区别在于：入口过渡沟道槽93和出口过渡沟道槽92与实施例1不同：本实施例的入口过渡沟道槽93的截面和出口过渡沟道槽92的截面均从远离环形沟道槽91的远端向近端逐渐扩大；入口过渡沟道槽93的截面和出口过渡沟道槽92为两个对称的大型缓冲区域，这样可以避免钢球经过过渡区时的跳动使微泵产生较大的流量脉动。
底板7采用玻璃，玻璃底板7表面和微泵薄膜沟道PDMS结构层9的粘接面经过等离子体处理后进行粘接，玻璃底板7上无需预先甩涂PDMS粘接层。
实施例3
本实施例的微型蠕动泵，其结构如图1和图4所示；
本实施例与实施例1的区别在于：入口过渡沟道槽93和出口过渡沟道槽92与实施例1不同：入口过渡沟道槽93的截面从里向外逐渐缩小；而出口过渡沟道槽92的截面从里向外逐渐扩大；
为两个扩张管结构，扩张方向与流体流动方向保持一致，这样可以大大减小瞬时产生的反向流体对微泵输出流速的影响，避免流量的瞬时大脉动。
制作微泵芯片的底板7采用印刷电路PCB板，并预先甩涂一层PDMS粘接层8后，与柔性聚合物结构层9进行粘接。
Claims (5)
1.一种微型蠕动泵，其由微泵芯片组件和驱动机构组成；
所述微泵芯片组件由流体入口管、流体出口管、底板和通过粘结层粘贴于所述底板上表面的柔性聚合物结构层组成；
所述柔性聚合物结构层下表面设有环形沟道槽以及分别与所述环形沟道槽端部相连通的入口过渡沟道槽和出口过渡沟道槽；所述入口过渡沟道槽和出口过渡沟道槽的外端槽端处分别设有贯穿所述柔性聚合物结构层的垂向通孔；所述流体入口管和所述流体出口管分别与所述垂向通孔的上端口相连接；
所述入口过渡沟道槽的截面和所述出口过渡沟道槽的截面均从远离环形沟道槽的远端向近端逐渐扩大；或者
所述入口过渡沟道槽的截面从里向外逐渐缩小；所述出口过渡沟道槽的截面从里向外逐渐扩大；
所述驱动机构由：一微电机；
位于所述柔性聚合物结构层上表面的钢球；
位于所述微泵芯片组件下方的与所述微电机相连，并由微电机驱动作旋转运动的轴套；和
固定连接于所述轴套上端面的磁铁组成；
所述磁铁与所述钢球的数量相同。
2.按权利要求1所述的微型蠕动泵，其特征在于，所述的柔性聚合物结构层为聚二甲基硅氧烷材质的聚合物结构层。
3.按权利要求1所述的微型蠕动泵，其特征在于，所述底板为无磁材质的板材。
4.按权利要求3所述的微型蠕动泵，其特征在于，所述底板为有机玻璃、玻璃或印刷电路板材质的板材。
5.按权利要求1所述的微型蠕动泵，其特征在于，所述的粘结层为聚二甲基硅氧烷粘结层。
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| Tanaka et al. | Assembly and simple demonstration of a micropump installing PDMS-based thin membranes as flexible micro check valves |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120620 Termination date: 20171211 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |