CN102539617A - 一种微流体驱动泵及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种微流体驱动泵及其应用涉及全集成微流控芯片，特别提供了一种专门用于微流体驱动和控制的微量泵。本发明提供了一种微流体驱动泵及其应用。包括盖板和玻璃基板，盖板扣合在玻璃基板上，玻璃基板上设置有泵腔，泵腔两侧设有液体通道，泵腔通过其两侧的进液口和出液口与两侧的通道相通，进液口和出液口为锥台形；盖板上与泵腔相对的位置包埋有压电陶瓷片，压电陶瓷片在玻璃基板上的投影处于泵腔内；进液口为锥台形，锥台面积大的下底面处于泵腔一侧，锥台面积小的上底面处于第一通道一侧；出液口为锥台形，锥台面积大的下底面处于第二通道一侧，锥台面积大的下底面处于泵腔一侧。

Description

一种微流体驱动泵及其应用
技术领域
本发明涉及全集成微流控芯片，特别提供了一种专门用于微流体驱动和控制的微量泵。
背景技术
微全分析系统（Micro Total Analysis Systems， μ -TAS ）是一个跨学科的新领域，其最终目的是通过化学设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中（如各类芯片），实现分析设备的“微型化”，因此微全分析系统也被通俗地称为“芯片实验室”。控制流体在微通道网络中的流动，实现对目标分析物的采样，稀释，加试剂，富集，萃取，混合，反应，分离，检测，废液处理等步骤全集成操作, 是当前研究和应用的重要部分。
对微流体的输送和控制是实现全集成操作的前提和基础，微泵是微流控芯片上对微流体控制的主要部件，在微流控芯片发展的十几年时间里，对微泵的研究一直在进行，而在对集成度要求更高的今天则显得尤为重要。到目前为止能用于微流控芯片操作的微泵有很多种，按泵的连接位置可分为外置和内置，外置主要是在芯片的外面用注射泵或其他微流泵，主要问题是设备体积大，成本高，优势是稳定性好；内置泵的种类比较多，按驱动方式可分为机械微泵和非机械微泵两类，机械微泵主要有，压电微泵﹑电磁微泵﹑静电微泵﹑气动微泵﹑热气动微泵﹑双金属记忆合金微泵等，但他们大都各自存在一些问题，有的制作复杂，操作难控制，成本太高，需要专业人士制作，有的附属设备体积庞大，不灵活。非机械微泵主要有电渗泵﹑磁液态泵﹑电液态泵等，有的要求流体有带电离子，有的稳定性不好。这些驱动方式大部分还只能满足实验室阶段的研究工作需要，不能在实际应用中使用，是影响微流控芯片技术产业化进程的主要因素之一。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提供了一种微流体驱动泵及其应用。
为了实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种微流体驱动泵，包括盖板和玻璃基板，盖板扣合在玻璃基板上，玻璃基板上设置有泵腔，泵腔两侧设有液体通道，泵腔通过其两侧的进液口和出液口与两侧的通道相通，进液口和出液口为锥台形，锥台相互平行的上下底面垂直于通道方向设置；盖板上与泵腔相对的位置包埋有压电陶瓷片，压电陶瓷片在玻璃基板上的投影处于泵腔内；
压电陶瓷片上粘附有金属片，电源引线分别与压电陶瓷片和压电陶瓷片上的金属片相连；压电陶瓷片与金属片相绝缘；
进液口为锥台形，锥台面积大的下底面处于泵腔一侧，锥台面积小的上底面处于第一通道一侧；出液口为锥台形，锥台面积大的下底面处于第二通道一侧，锥台面积大的下底面处于泵腔一侧；第一通道和第二通道远离泵腔的外端处设置有端腔。
所述锥台形进液口和出液口的平行于玻璃基板的截面为梯形，进液口梯形的宽边处于泵腔一侧，梯形的窄边处于第一通道一侧；出液口梯形的宽边处于第二通道一侧，梯形的窄边处于泵腔一侧；进液口和出液口为棱台形结构。
泵腔两侧的第一通道和第二通道处于一条直线上。
于端腔处的玻璃基板上设置有用于端腔与外界相通的进出孔；
或者，于盖板上设置有两个通孔，两个通孔分别与第一、第二通道的端腔相对应、且相连通；通过端腔和通孔，可使通道和泵腔与外界相通。
所述的盖板采用弹性、绝缘性和透光性能好的PDMS材料制备，利用压电陶瓷片在交流电场下产生振动的特性，来驱动流体的流动。
盖板和玻璃基板预先经过等离子处理。
微流体驱动泵可用于全集成微流控芯片中各功能单元间液体传输和控制。
本发明的有益效果：
    相对现有的在微流控芯片上面已经使用的微流泵对比，本发明最大优势在更接近产业化的要求，其特点有：
1、制作成本低； 
2、制作简单；
3、操作简单、稳定、方便，仅需一般交流电经变压后即可使用；
4、体积的可控性，且最小可以做到几个毫米直径。
附图说明
    图1为本发明的结构示意图；
    图2为进液口、出液口和泵腔的局部放大图。
具体实施方式
 实施例1
    包括盖板5和玻璃基板6，盖板5扣合在玻璃基板6上，玻璃基板6上设置有泵腔1，泵腔1两侧设有液体通道，泵腔1通过其两侧的进液口9和出液口8与两侧的通道相通，进液口9和出液口8为锥台形，锥台相互平行的上下底面垂直于通道方向设置；盖板5上与泵腔1相对的位置包埋有压电陶瓷片2，压电陶瓷片2在玻璃基板6上的投影处于泵腔1内；
压电陶瓷片2上粘附有金属片，电源引线4分别与压电陶瓷片2和压电陶瓷片2上的金属片相连；压电陶瓷片2与金属片相绝缘；
进液口9为锥台形，锥台面积大的下底面处于泵腔1一侧，锥台面积小的上底面处于第一通道10一侧；出液口8为锥台形，锥台面积大的下底面处于第二通道7一侧，锥台面积大的下底面处于泵腔1一侧；第一通道10和第二通道7远离泵腔1的外端处设置有端腔11。
所述锥台形进液口9和出液口8的平行于玻璃基板6的截面为梯形，进液口梯形的宽边处于泵腔1一侧，梯形的窄边处于第一通道10一侧；出液口8梯形的宽边处于第二通道7一侧，梯形的窄边处于泵腔1一侧；进液口9和出液口8为棱台形结构。
泵腔1两侧的第一通道10和第二通道7处于一条直线上。
于端腔11处的玻璃基板6上设置有用于端腔11与外界相通的进出孔；
或者，于盖板5上设置有两个通孔3，两个通孔3分别与第一、第二通道的端腔11相对应、且相连通；通过端腔11和通孔3，可使通道和泵腔1与外界相通。
所述的盖板5采用弹性、绝缘性和透光性能好的PDMS材料制备，利用压电陶瓷片2在交流电场下产生振动的特性，来驱动流体的流动。
盖板5和玻璃基板6经过等离子处理后，对准压电陶瓷2和泵腔1的位置，将盖板5和玻璃基板6合上固化，得到微流体驱动泵。
 实施例2
 压电陶瓷材料在外加电场作用下，会产生伸缩变形，即逆压电效应，其在外加电场下的型变量遵循以下公式：
&=d33he
& 压电陶瓷在外电场下的型变量
d33  压电陶瓷材料在极化方向上的压电应变常数（主要和材料有关）
h 压电陶瓷材料的厚度
e 压电陶瓷材料变型的外加电场强度
    将交流电场作用于压电陶瓷片上后，其会产生垂直于压电陶瓷表面的振荡，振荡的能量传送到泵腔的液体中，就会产生一个推动力，使泵腔和通道内的液体流动，流速的大小与振荡频率﹑振幅和压电陶瓷片的面积成正比。

Claims (6)

1.一种微流体驱动泵，包括盖板（5）和玻璃基板（6），盖板（5）扣合在玻璃基板（6）上，其特征在于，玻璃基板（6）上设置有泵腔（1），泵腔（1）两侧设有液体通道，泵腔（1）通过其两侧的进液口（9）和出液口（8）与两侧的通道相通，进液口（9）和出液口（8）为锥台形，锥台相互平行的上下底面垂直于通道方向设置；盖板（5）上与泵腔（1）相对的位置包埋有压电陶瓷片（2），压电陶瓷片（2）在玻璃基板（6）上的投影处于泵腔（1）内；
压电陶瓷片（2）上粘附有金属片，电源引线（4）分别与压电陶瓷片（2）和压电陶瓷片（2）上的金属片相连，压电陶瓷片（2）与金属片相绝缘；
进液口（9）为锥台形，锥台面积大的下底面处于泵腔（1）一侧，锥台面积小的上底面处于第一通道（10）一侧；出液口（8）为锥台形，锥台面积大的下底面处于第二通道（7）一侧，锥台面积大的下底面处于泵腔（1）一侧；第一通道（10）和第二通道（7）远离泵腔（1）的外端处设置有端腔（11）。
2.根据权利要求1所述的微流体驱动泵，其特征在于：所述锥台形进液口（9）和出液口（8）的平行于玻璃基板（6）的截面为梯形，进液口（9）梯形的宽边处于泵腔（1）一侧，梯形的窄边处于第一通道（10）一侧；出液口（8）梯形的宽边处于第二通道（7）一侧，梯形的窄边处于泵腔（1）一侧；进液口（9）和出液口（8）为棱台形结构。
3.根据权利要求1所述的微流体驱动泵，其特征在于：泵腔（1）两侧的第一通道（10）和第二通道（7）处于一条直线上。
4.根据权利要求1所述的微流体驱动泵，其特征在于：
于端腔（11）处的玻璃基板（6）上设置有用于端腔（11）与外界相通的进出孔；
或者，于盖板（5）上设置有两个通孔（3），两个通孔（3）分别与第一、第二通道的端腔（11）相对应、且相连通；通过端腔（11）和通孔（3），可使通道和泵腔（1）与外界相通。
5.根据权利要求1所述的微流体驱动泵，其特征在于：所述的盖板（5）由PDMS材料制得；盖板（5）和玻璃基板（6）预先经过等离子处理。
6.一种权利要求1所述的微流体驱动泵的应用，其特征在于：所述的微流体驱动泵可用于全集成微流控芯片中各功能单元间液体传输和控制。
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