CN102852775A - 一种基于激光冲击波力学效应的无阀微泵及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光冲击波力学效应的无阀微泵，该微泵包括泵体、流体入口、流体出口和牺牲层元件，其中泵体包括泵膜、泵腔以及扩张管和收缩管，所述扩张管和收缩管分别呈锥形管结构，所述牺牲层元件设置在泵腔上部泵膜处并由对激光辐射敏感的材料制成。当牺牲层表面受到激光辐射时，其吸收激光能量并瞬间气化，发生膨胀并产生等离子体爆炸气团以对泵膜起到冲击波的作用，相应使得泵腔体积交替改变由此执行流体的输送操作。本发明还公开了相应的制造方法。通过本发明，能够通过对微泵结构上的设计，有效利用激光冲击波力学效应来实现泵送功能，同时具备便于加工、成本和功耗低以及可远程控制等优点。
Description
技术领域
本发明属于流体传输与控制微机电技术领域，更具体地，涉及一种基于激光冲击波力学效应的无阀微泵及其制造方法。
背景技术
在过去二十年中，微机电系统（MEMS）领域高速发展，出现了大量的成功应用。微流体系统作为微机电系统中的重要分支，近三十年来一直是人们研究的热门。微流体系统包括微流量传感器、微泵、微混合器、微阀等器件，依靠它们来完成感应、泵送、混合、监测、控制流体等工作。作为微流体系统的驱动源、微流体系统的核心部件，近三十年来，人们对微泵展开了大量的研究，并已在微全分析系统、药物传输、微芯片冷却、燃料电池等领域进行了广泛的应用。
目前应用较多的往复式微泵的驱动方式为压电、电磁、静电、光热四种。其中压电驱动式微泵驱动力大、响应快、出口压强高，但其制造工艺复杂，而且工作时驱动电压偏高；电磁驱动式微泵的泵膜变形量大、频率调节范围广、响应快，但其能耗高热损大，而且相对于其它类型微泵而言，电磁驱动微泵体积大因此不利于微型化；静电驱动式微泵的能耗低，响应快，但缺陷在于其泵膜变形量小，结构复杂。相比之下，激光微驱动式泵具有体积小、输出功率大、负载能力强、响应速度快，可远程控制等优点，因此具备广泛的应用前景。
无阀微泵制造方面的研究工作开始于90年代初期。1994年，E.Stemmed等人根据无阀结构的工作原理制作了第一个硅基无阀微泵，其主要构造为在硅片采用各向异性腐蚀法腐蚀形成棱锥形扩散口/喷嘴结构。1997年M.Heshchel等人采用CVD（化学气相沉积）、RIE（反应离子刻蚀）、激光助腐蚀技术制得纯三维的微扩散口。1998年，瑞典的A.Olsson等人采用热塑复制法制作无阀微泵。但是对于目前的这些制造方法及所制得的无阀泵结构而言，仍然存在密封困难、可靠性差、制作困难，不能实现大批量生产等方面的不足。
发明内容
针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种基于激光冲击波力学效应的无阀微泵及其制造方法，其能够通过对无阀微泵结构上的设计，有效利用激光冲击波力学效应来实现微泵功能，同时具备便于加工制造、成本和功耗低、负载能力强，以及可远程控制等方面的优点。
按照本发明的一个方面，提供了一种基于激光冲击波力学效应的无阀微泵，该无阀微泵包括泵体、设置在泵体上的流体入口和流体出口，以及牺牲层元件，其中：
所述泵体包括柔性高分子材料制成的泵膜、由泵膜包围形成的泵腔，以及分别设置在流体入口、流体出口与泵腔之间并与泵腔相连通的扩张管和收缩管，所述扩张管呈锥形管结构且其直径沿着从流体入口到泵腔的方向逐渐增大，所述收缩管同样呈锥形管结构且其直径沿着从泵腔到流体出口的方向逐渐增大；
所述牺牲层元件设置在泵腔上部的泵膜处，并由对激光辐射敏感的材料制成，当其表面受到激光辐射后，该牺牲层吸收激光能量并发生气化膨胀，产生等离子体爆炸气团以对与之相连的泵膜起到冲击波的作用，相应使得泵腔体积交替改变由此执行流体的输送操作。
通过以上构思，本发明所构建的微泵结构其流体输送的原理在于对激光冲击波力学效应的利用，为了顺利实现该效应，相应设置了牺牲层元件并对与泵腔相连通的管路结构进行了设计：当牺牲层元件表面受到激光辐射时，牺牲层会在极短时间内吸收激光的的高密度能量并瞬间气化，迅速膨胀并产生一层等离子体爆炸气团，气团在膨胀的过程中会对与之相连的泵膜产生冲击波的作用，相应使泵腔的体积发生增大和减小的交替变化：当泵腔由于泵膜的激光冲击波力学效应而体积减少时，由于扩张管和收缩管在流体流向上呈锥形管结构并由此决定管内流体的流动特征，收缩管所输出的流量会大于扩张管所输出的流量也即泵腔处于泵出状态；而当泵膜恢复时，扩张管所输入的流量会大于收缩管所输出的流量也即泵腔处于泵入状态，由此方便地实现了流体的输送过程。
作为进一步优选地，所述锥形管结构的扩张管和收缩管呈对称分布，且其锥形角度为5°～12°。
通过将扩散管和收缩管各自的锥形角具体限定为以上范围，较多仿真结果表明，该范围内的锥形角能够更好地实现泵出和泵入功能，尤其当锥形角为7°左右时泵性能达到峰值。
作为进一步优选地，所述牺牲层元件由黑漆材料或硅酸乙酯黑漆材料制成。
对于起到关键性作用的牺牲层元件，其材料的具体选择可遵循以下原则：如对激光的吸收性高，易于提高冲击波峰值压力；具备较低的热导率和气化率，这样可以增加自身吸热能力并减小对靶材的热传导；能经受更高的功率密度和温度；以及易于涂覆和去除等。按照以上原则，本发明中采用了其主要成分包括碳的黑漆材料或硅酸乙酯黑漆材料来制备牺牲层元件，相应地实现以上的目的和效果。
作为进一步优选地，所述柔性高分子材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚二甲基硅氧烷中的一种。
通过对泵膜材料的具体限定，可以实现弹性模量小，并能与硅、氮化硅、氧化硅、玻璃等多种材料能形成很好的密封。
按照本发明的另一方面，还提供了相应的制造方法，该制造方法包括下列步骤：
（a）制作包含有流体入口、流体出口的第一泵体阳模具，然后在该第一泵体阳模具表面上浇注由PDMS单体与交联剂共同构成的混合物；
（b）制作包含内部流体通道和泵腔结构的第二泵体阳模具，将该第二泵体阳模具与第一泵体阳模具对准并覆盖于所述混合物上，然后施加压力以使多余的混合物挤出；
（c）将执行步骤（b）后的两个泵体阳模具及其中间的混合物放置在烘箱中执行加热处理，由此固化PDMS单体与交联剂共同构成的混合物；
（d）分别使两个泵体阳模具与固化后的混合物相分离，由此制得包含内部流体通道和泵腔、并具有流体入口和流体出口的泵体；
（e）在所制得的泵体上部相应于泵腔的位置设置所述牺牲层元件，相应获得微泵产品。
作为进一步优选地，所述第一泵体阳模具通过光刻显影和反应离子刻蚀工艺制成，并经硅烷化处理。
作为进一步优选地，所述第二泵体阳模具通过光刻显影和感应耦合等离子体刻蚀工艺制成，并经硅烷化处理。
作为进一步优选地，所述PDMS单体与交联剂之间的重量比为10：1，并且所述加热处理过程中烘箱的温度为70℃~90℃，对应的加热时间为4~1小时。
总体而言，按照本发明的无阀微泵及其制造方法，与现有技术相比主要具备以下的技术优点：
1、通过对泵体结构的设计尤其是对扩张管和收缩管的设置，能够顺利地获得泵内部的激光冲击波力学效应，相应无需阀结构即可实现微泵功能；
2、通过对牺牲层元件及扩张管和收缩管锥形角度的进一步研究，能够更高效率地实现泵送过程，并具备功耗小、负载能力强的特点；
3、整体制备工艺简单、成本低且便于操作，适于大批量制造并能制得密封性好、可靠性高的微泵产品。
附图说明
图1是按照本发明的基于激光冲击波力学效应的无阀微泵的整体结构示意图；
图2是按照本发明的无阀微泵的工作原理示意图；
图3是按照本发明优选实施例的泵膜及其牺牲层元件的结构示意图；
图4是按照本发明的无阀微泵的泵体结构示意图；
图5是按照本发明的用于制备无阀微泵的流程示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1牺牲层元件 2泵膜 3流体入口 4扩张管 5玻璃管 6泵腔 7收缩管 8流体出口
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是按照本发明的基于激光冲击波力学效应的无阀微泵的整体结构示意图。如图1中所示，按照本发明的微泵主要包括泵体和泵体上的流体入口3和流体出口8。流体入口3和流体出口8可以分别与譬如为玻璃管5的元件相连，由此完成与外界流体的泵入/泵出。泵体主要包括柔性高分子材料制成的泵膜2、由泵膜2包围形成的泵腔6，以及设置在泵腔6上部的泵膜处的牺牲层元件1。此外，在其内部还具有分别设置在流体入口、流体出口与泵腔之间并与泵腔6相连通的扩张管4和收缩管7，其中扩张管4和收缩管7都呈锥形管结构，不同之处在于扩张管的直径沿着从流体入口3到泵腔6的方向逐渐增大，而收缩管7的直径沿着从泵腔6到流体出口8的方向逐渐增大。所述牺牲层元件1设置在泵腔6上部的泵膜处，并由对激光辐射敏感的材料制成，当其表面受到激光辐射后，牺牲层元件1会吸收激光能量并发生气化膨胀，产生等离子体爆炸气团以对与之相连的泵膜2起到冲击波的作用，相应使得泵腔6体积交替改变由此执行流体的输送操作。
下面将参照图2来解释按照本发明的无阀微泵的工作原理。如图2中所示，当激光辐照于牺牲层表面时，牺牲层在极短时间内吸收激光的高密度能量，会瞬间气化并迅速膨胀，产生一层等离子体爆炸气团，并对泵膜施加一个冲击波的作用使其产生弹性变形，从而使泵腔的体积发生增大和减小的交替变化。
具体而言，现将流体入口3作进水端、流体出口8作出水端，当泵腔6因为泵膜2的激光冲击波力学效应而减少△V时，设扩张管4的出流量为Q1、收缩管7输出流量为Q2，由于扩张管、收缩管在流体流向上呈锥形，根据收缩管、扩张管关内流体的流动特性，Q2大于Q1，也即泵腔6处于泵出状态；而当泵膜恢复时，从扩张管4即进水端流入的流量比从收缩管8即出水端流出的多，因而会产生净的入水量，流体就会进入泵腔。
在一个优选实施例中，可以将收缩管和扩张管设置为呈对称分布，且其锥形角度为5°～12°，而且从较多的仿真试验数据中可以看出当锥形角为7°左右时，泵的性能可以基本达到峰值。
图3是按照本发明优选实施例的泵膜及牺牲层元件的结构示意图，图4是按照本发明的无阀微泵的泵体结构示意图。如图3和图4中所示，泵膜2可以是譬如为选自聚乙烯、聚丙烯、聚二甲基硅氧烷中的一种的柔性高分子材料，牺牲层元件1譬如为一层流动的普通黑漆或硅酸乙酯黑漆涂层，并且牺牲层元件的面积要小于其所贴合的泵腔上部泵膜的面积，也即为局部复合。
下面将参照图5来描述按照本发明的用于制备无阀微泵的流程方法。以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为例，该方法包括下列步骤：
首先，制作包含有流体入口和流体出口的泵体阳模具（第一泵体阳模具），将聚二甲基硅氧烷也即PDMS的本体与交联剂譬如按10:1的重量百分比混合并除尽气泡，由此获得粘稠状的混合物并将其浇注在该第一泵体阳模具的表面上。在一个优选实施例中，所述第一泵体阳模具由掩膜板经光刻显影和RIE（反应离子刻蚀）工艺形成，并且经硅烷化处理。
接着，制作包含内部流体通道和泵腔结构的泵体阳模具（第二泵体阳模具），并该模具与第一泵体阳模具无间隔地对准并盖在PDMS的混合物上，然后施加适当压力以便让多余的混合物挤出；在一个优选实施例中，所述第二泵体阳模具譬如可以由铬版玻璃经光刻显影和ICP（感应耦合等离子刻蚀）形成，并且经硅烷化处理。
接着，将其置于烘箱中，并在70℃~90℃左右的环境烘干处理4~1个小时，使PDMS的混合物固化并完全凝固。
接着，分别沿着一块硅片模具的边缘，轻轻揭起，使模具跟PDMS分离；然后使PDMS膜跟另一片硅片模具分离，便制备出包含有内部流体通道和泵腔、并具有流体入口和流体出口的泵体。
然后，在所制得的泵体上部相应于泵腔的位置设置所述牺牲层元件，相应获得微泵产品。
最后，可以将此PDMS泵体与等大的硅片键合在一起，然后将两个譬如为硼硅玻璃管的装置用环氧树脂粘结剂固定在进出口，由此使得该微泵产品能够直接使用并对外界流体执行泵入/泵出功能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于激光冲击波力学效应的无阀微泵，该无阀微泵包括泵体、设置在泵体上的流体入口和流体出口，以及牺牲层元件，其中：
所述泵体包括柔性高分子材料制成的泵膜、由泵膜包围形成的泵腔，以及分别设置在流体入口、流体出口与泵腔之间并与泵腔相连通的扩张管和收缩管，所述扩张管呈锥形管结构且其直径沿着从流体入口到泵腔的方向逐渐增大，所述收缩管同样呈锥形管结构且其直径沿着从泵腔到流体出口的方向逐渐增大；
所述牺牲层元件设置在泵腔上部的泵膜处，并由对激光辐射敏感的材料制成，当其表面受到激光辐射后，该牺牲层吸收激光能量并发生气化膨胀，产生等离子体爆炸气团以对与之相连的泵膜起到冲击波的作用，相应使得泵腔体积交替改变由此执行流体的输送操作。
2.如权利要求1所述的无阀微泵，其特征在于，所述锥形管结构的扩张管和收缩管呈对称分布，且其锥形角度为5°～12°。
3.如权利要求1或2所述的无阀微泵，其特征在于，所述牺牲层元件由黑漆材料或硅酸乙酯黑漆材料制成。
4.如权利要求1-3任意一项所述的无阀微泵，其特征在于，所述柔性高分子材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚二甲基硅氧烷中的一种。
5.一种用于制备如权利要求1-4任意一项所述的无阀微泵的方法，该方法包括下列步骤：
（a）制作包含有流体入口、流体出口的第一泵体阳模具，然后在该第一泵体阳模具表面上浇注由PDMS单体与交联剂共同构成的混合物；
（b）制作包含内部流体通道和泵腔结构的第二泵体阳模具，将该第二泵体阳模具与第一泵体阳模具对准并覆盖于所述混合物上，然后施加压力以使多余的混合物挤出；
（c）将执行步骤（b）后的两个泵体阳模具及其中间的混合物放置在烘箱中执行加热处理，由此固化PDMS单体与交联剂共同构成的混合物；
（d）分别使两个泵体阳模具与固化后的混合物相分离，由此制得包含内部流体通道和泵腔、并具有流体入口和流体出口的泵体；
（e）在所制得的泵体上部相应于泵腔的位置设置所述牺牲层元件，相应获得微泵产品。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一泵体阳模具通过光刻显影和反应离子刻蚀工艺制成，并经硅烷化处理。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述第二泵体阳模具通过光刻显影和感应耦合等离子体刻蚀工艺制成，并经硅烷化处理。
8.如权利要求5-7任意一项所述的方法，其特征在于，所述PDMS单体与交联剂之间的重量比为10：1，并且所述加热处理过程中烘箱的温度为70℃~90℃，对应的加热时间为4~1小时。
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