CN101873052B - 纳米磁性液体微致动泵 - Google Patents

Abstract

一种纳米磁性液体微致动泵，包括由键合层键合的上基片、中基片和下基片，上基片的内侧设有三个凹槽，上基片与中基片之间间隔有微管道，中基片上设有与上基片三个凹槽相对应的三个磁性液体工作腔，中基片与下基片之间设有弹性薄膜，弹性薄膜内分别设有出口阀的磁性液体、微致动体的磁性液体和入口阀的磁性液体；对应上基片内侧的左凹槽顶部内设有入口阀微型电磁线圈，对应上基片内侧的中凹槽顶部内两侧分别设有微致动体左侧电磁线圈和微致动体右侧电磁线圈，对应上基片内侧的右凹槽顶部内设有出口阀微型电磁线圈。通过控制微型电磁线圈交替通电与断电，使入口阀和出口阀开启或关闭以及使磁性液体微致动体向左、向右或复原，实现对微管道内液体的输送。

Description

纳米磁性液体微致动泵

技术领域

本发明涉及纳米磁性液体材料和MEMS(微机电系统)的交叉技术领域，尤其是一种使用纳米磁性液体作为致动介质的微泵。

背景技术

纳米磁性液体(magnetic fluid)也称磁流体或铁磁流体，它是通过表面活性剂将纳米级磁性颗粒均匀地分散于某种液态载体之中，所形成的一种稳定的“固液”两相胶体悬浮液。磁性液体不但保持了载液的流动性，而且在外加磁场作用下能迅速地被磁化，当外磁场取消后磁性又能立即消失，表现出优良的超顺磁性，是一种理想的液体磁性材料。

磁性液体最突出的特性是能够接受外加磁场的作用和控制，并且其许多物理性质随外磁场的变化而有较大变化，在航天、电子、机械、能源、化工、仪表、环保、医疗等许多领域都能提供一些新颖的解决方案，甚至在旋转轴密封、减振器阻尼、角度传感器等方面已有成熟的产品问世。

近年来，以微加工技术为基础的MEMS研究进展迅速，由此带动了微流体系统的发展。在生物医学分析、化学分析、医药分析等领域，均需要可以向微系统提供微量样本且可精确控制流量(μL/min级)的微型泵。作为分析系统中的一个关键部件，微型泵的应用大大缩短了系统分析的时间。自从美国斯坦福大学的Smits和Wallmark于1980年首次研制成功一种压电驱动、蠕动式微机械泵以来，微型泵一直是MEMS研究的热点。

微型泵主要由泵体、出入口和致动器等部分组成，而致动方式已成为微型泵能否实用化的关键技术。目前，微型泵的致动方式主要有静电力致动、压电效应致动、热气致动、形状记忆合金致动和电磁致动等。其中，静电产生的压力与电极施加的电压的平方成正比，与电极间的距离的平方成反比，工作时不仅需要较高的电压，压力的提高也受到致动器的位移量(行程)的限制。压电效应致动所需的驱动电压较高，导致驱动电路复杂和庞大，也不利于降低功耗。热力致动响应速度较慢，导致驱动频率难以提高，因此限制了微型泵的流量。形状记忆合金致动虽能获得较高的压力和较长的行程，但却难以精确控制位移量。如果利用磁性液体能够被磁场控制，又具有良好流动性的特点，以其作为微型泵的致动源，有可能开发出一种性能更好的新型MEMS执行器来。

关于磁性液体致动微泵的研究主要有以下一些成果：

Greivell等设计了一种磁性液体移液管，原理是在微管道的周围布置一套组合电磁线圈，通过控制电磁线圈的间隔通断产生交替磁场，使微管道内的磁性液体蠕动前行或后退完成吸液和送液。该装置结构简单，易于实现，但是只能输送磁性液体或者以磁性液体为载体的介质。

Park Gwan Soo等对上述磁性液体移液管的结构进行了改进，在增加电磁线圈数量的同时，在微管道的内部同轴安装了一根橡胶薄膜圆管，橡胶管与微管道在端口处密封，两者之间填充磁性液体。同样通过控制微管道外壁周围的电磁线圈的间隔通断产生交替磁场，使薄膜内的磁性液体产生蠕动变形，从而达到连续输送样本液体的目的。该装置尽管解决了所输送液体介质必须导磁的问题，但其外部的电磁线圈组及控制部件仍然限制了其进一步微型化。

Hatch等人则在微管道的上方布置一“十”字形磁铁，使其中的磁性液体在磁场作用下聚集成与磁铁相同的“十”字形叶片。当微型电机带动磁铁旋转时，磁性液体叶片也随之旋转，从而推动被输送液体由入口流向出口。此种设计虽然缩小了装置，但缺点是只能输送与磁性液体不相溶且不会发生化学反应的液体，而当外磁场的旋转速度超过一定值时，磁性液体叶片的旋转可能无法跟上外磁场的旋转速度，会产生旋转相位的落后而导致磁性液体叶片形状变形。

综观上述这些研究成果，研究者们都认识到了磁性液体用于微致动中的可行性，并且从结构上提出了一些新颖的设计方案，尝试使用纳米磁性液体作为致动介质实现了液体微量输送的目的，但在泵的微型化以及如何与MEMS系统集成方面研究尚不深入。

发明的内容

技术问题：本发明的目的是提供一种纳米磁性液体微致动泵，以纳米磁性液体为致动介质，以硅片为基底的微泵，使其在实现液体微量输送的基础上，达到微型化，从而易于和其他MEMS器件集成得到实用的MEMS微流体器件。

技术方案：本发明的纳米磁性液体微致动泵，包括由键合层键合为一体的上基片、中基片和下基片，上基片的内侧设有左、中、右三个凹槽，上基片与中基片之间间隔有微管道，中基片上设有与上基片三个凹槽相对应的左、中、右三个磁性液体工作腔，中基片与下基片之间设有一层可分别穿过左、中、右三个磁性液体工作腔进入左、中、右三个凹槽的弹性薄膜，可分别穿过左、中、右三个磁性液体工作腔的弹性薄膜内分别设有出口阀的磁性液体、微致动体的磁性液体和入口阀的磁性液体；对应上基片内侧的左凹槽顶部内设有入口阀微型电磁线圈，对应上基片内侧的中凹槽顶部内两侧分别设有微致动体左侧电磁线圈和微致动体右侧电磁线圈，对应上基片内侧的右凹槽顶部内设有出口阀微型电磁线圈。

所述的弹性薄膜由硅橡胶或聚甲基丙烯酸甲酯制成；所述的上基片、中基片和下基片由单晶硅、玻璃、有机玻璃、聚合物或非导磁金属材料制成；所述的微型电磁线圈由石英基片及电镀在石英基片上的铁镍合金磁芯和围绕在磁芯周围的铜质绕组构成；所述的上基片、中基片和下基片水平或竖直反向布置。

有益效果：

(1)该微泵的结构简单，易于加工，其流量调节既可以通过改变微管道及磁性液体工作腔的尺寸参数来实现，也可以通过改变电磁线圈的工作频率即微致动体的动作频率来实现。

(2)由于在磁性液体和被输送液体间隔有一层弹性薄膜，所以该微泵不再局限于输送与磁性液体不相溶且不会发生化学反应的液体，而且避免了磁性液体对被输送液体的污染。

(3)由于该微泵的上中下三片基片都是在标准的硅基片上采用微加工方法制得的，为后续与其他MEMS器件的集成与应用提供了兼容的接口。

附图说明

图1是本发明的磁性液体微致动泵结构示意图；

图2是图1的A-A结构示意图；

图3是本发明的工作原理示意图；

图4是本发明的平面微型电磁线圈的结构示意图。

图中：1-入口阀微型电磁线圈，2-微致动体左侧微型电磁线圈，3-微致动体右侧微型电磁线圈，4-出口阀微型电磁线圈，5-上硅基片，6-中硅基片，7-下硅基片，8-键合层，9-出口阀的磁性液体，10-出口阀的磁性液体工作腔，11-微致动体的磁性液体，12-微致动体的磁性液体工作腔，13-入口阀的磁性液体，14-入口阀的磁性液体工作腔，15-弹性薄膜，16-微管道，17-石英基片，18-铁镍合金磁芯，19-铜质绕组。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

图1图2所示，纳米磁性液体微致动泵主要由上基片5、中基片6和下基片7组成，通过键合层8将上基片5、中基片6和下基片7键合而成，基片的尺寸为15mm×15mm×500μm。上基片5、中基片6和下基片7由单晶硅、玻璃、有机玻璃、聚合物或非导磁金属材料制成；上基片5、中基片6和下基片7水平或竖直反向布置。上基片5的内侧设有左、中、右三个凹槽，制造时利用电化学刻蚀或深层反应离子刻蚀(DRIE)等微加工技术在中基片上6刻蚀出一条15mm×2mm×250μm的微管道16，即上基片5与中基片6之间间隔的微管道16；上基片5用同样方法加工出用来容放微电磁线圈的四个微腔。中基片6上设有与上基片5三个凹槽相对应的左、中、右三个磁性液体工作腔14、12、10，微管道16贯穿左、中、右三个磁性液体工作腔14、12、10，其中充有纳米磁性液体。下基片7为平面底座，中基片6与下基片7之间涂覆一层50μm厚的具有良好弹性的弹性薄膜15，以防止磁性液体对被输送液体的污染，弹性薄膜15由硅橡胶或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成。弹性薄膜15可分别穿过左、中、右三个磁性液体工作腔14、12、10进入左、中、右的三个凹槽，弹性薄膜15内分别设有入口阀的磁性液体13、微致动体的磁性液体11和出口阀的磁性液体9；对应上基片5内侧的左凹槽顶部内设有入口阀微型电磁线圈1，对应上基片5内侧的中凹槽顶部内两侧分别设有微致动体左侧微型电磁线圈2和微致动体右侧微型电磁线圈3，对应上基片5内侧的右凹槽顶部内设有出口阀微型电磁线圈4。

图4所示，微型电磁线圈由石英基片17及电镀在其上的铁镍合金磁芯18和围绕在磁芯周围的铜质绕组19构成，其平面微型结构以缩小微型泵的厚度尺寸，采用的石英基片17尺寸为2mm×2mm×250μm，采用刻蚀技术在其上加工出一500μm×500μm×250μm的矩形中心凹槽和其周围宽度为5μm的多圈矩形沟槽，然后向矩形中心凹槽里电镀铁镍合金制成磁芯18，在周围矩形沟槽里电镀铜制成铜质绕组19。

图3所示，当上基片5内的入口阀微型电磁线圈1和出口阀微型电磁线圈4通电后，产生的磁场将设在弹性薄膜15内的入口阀磁性液体13和出口阀的磁性液体9向上吸引，弹性薄膜15穿过中基片6进入上基片5的左右凹槽内，入口阀和出口阀关闭将微管道16封闭，图3(d、e、f)所示；当阀体上的微型电磁线圈断电后，产生的磁场会消失，弹性薄膜15的弹性力将磁性液体压回中基片6的工作腔14、10内，图3(a、b、c)所示，此时入口阀和出口阀开启，微管道16重新被打开。当上基片5内的微致动体左侧电磁线圈2通电后，磁性液体微致动体向左动作，图3(b)所示；当上基片5内的微致动体右侧电磁线圈3通电后，磁性液体微致动体向右动作，图3(c)所示；当微致动体左侧电磁线圈2和微致动体右侧电磁线圈3同时断电，磁性液体被弹性薄膜15压回工作腔12内，磁性液体微致动体处于复原状态，图3(e)所示。

磁性液体微致动泵工作过程：

①起始状态为微管道16的入口阀及出口阀均开启，磁性液体微致动体也处于初始状态，如图3(a)。

②保持入口阀及出口阀开启，微致动体左侧微型电磁线圈2通电使磁性液体微致动体向左准备吸入被输送液体，如图3(b)；

③入口阀及出口阀仍然保持开启，微致动体右侧微型电磁线圈3通电同时微致动体右侧微型电磁线圈2断电使磁性液体微致动体向右带动被输送液体向右流动，如图3(c)；

④磁性液体微致动体保持向右状态，入口阀微型电磁线圈1和出口阀微型电磁线圈4通电使入口阀及出口阀关闭(如图3(d)；

⑤保持入口阀及出口阀关闭，微致动体右侧微型电磁线圈3断电使磁性液体微致动体复原，如图3(e)；

⑥入口阀及出口阀仍然保持关闭，微致动体右侧微型电磁线圈3通电使磁性液体微致动体向左，准备再次吸入被输送液体，同时避免了被输送液体的回流，如图3(f)；

⑦然后入口阀微型电磁线圈1和出口阀微型电磁线圈4断电使入口阀及出口阀开启，重新回到图3(b)状态完成一个工作循环。

对于本实施例的磁性液体微致动泵，其每个工作循环所输送的液体量可以通过以下公式估算：

$V=\frac{1}{2}A\·L=\frac{1}{2}\×0.25\×2\×4=1.0\mathrm{\μL}$

其中A是微管道的横截面积(250μm×2mm)，L是磁性液体致动体腔的长度(4mm)。如果控制电磁线圈的变化频率即微泵的工作频率为60Hz，则该实施例的流量为：

Q＝V·K＝1.0×60＝60μL/min

Claims (5)

1.一种纳米磁性液体微致动泵，其特征在于：它包括由键合层(8)键合为一体的上基片(5)、中基片(6)和下基片(7)，上基片(5)的内侧设有左、中、右三个凹槽，上基片(5)与中基片(6)之间间隔有微管道(16)，中基片(6)上设有与上基片(5)三个凹槽相对应的左、中、右三个磁性液体工作腔(14、12、10)，中基片(6)与下基片(7)之间设有一层可分别穿过左、中、右三个磁性液体工作腔(14、12、10)进入左、中、右三个凹槽的弹性薄膜(15)，可分别穿过左、中、右三个磁性液体工作腔(14、12、10)的弹性薄膜(15)内分别设有入口阀的磁性液体(13)、微致动体的磁性液体(11)和出口阀的磁性液体(9)；对应上基片(5)内侧的左凹槽顶部内设有入口阀微型电磁线圈(1)，对应上基片(5)内侧的中凹槽顶部内两侧分别设有微致动体左侧电磁线圈(2)和微致动体右侧电磁线圈(3)，对应上基片(5)内侧的右凹槽顶部内设有出口阀微型电磁线圈(4)。

2.根据权利要求1所述的纳米磁性液体微致动泵，其特征在于：所述的弹性薄膜(15)由硅橡胶或聚甲基丙烯酸甲酯制成。

3.根据权利要求1所述的纳米磁性液体微致动泵，其特征在于：所述的上基片(5)、中基片(6)和下基片(7)由单晶硅、玻璃、聚合物或非导磁金属材料制成。

4.根据权利要求1所述纳米磁性液体微致动泵，其特征在于：所述的微型电磁线圈由石英基片(17)及电镀在其上的铁镍合金磁芯(18)和围绕在磁芯周围的铜质绕组(19)构成。

5.根据权利要求1所述的纳米磁性液体微致动泵，其特征在于：所述的上基片(5)、中基片(6)和下基片(7)水平或竖直反向布置。

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