CN103967740A - 感应加热的汽泡驱动微泵 - Google Patents
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Abstract
感应加热的汽泡驱动微泵，属于微流控系统领域。泵体由微流控上芯片（1）、加热盘（7）、玻璃基底（8）与励磁线圈（11）组成；流控上芯片（1）的结构由进液口（2）、微流道I（3）、微腔体（4）、微流道II（5）与出液口（6）组成；微泵利用微腔体（4）内的液体由感应电涡流进行加热，使其部分发生汽化，生成汽泡，由汽泡膨胀变大瞬间而产生的压力脉冲来驱动，可以实现对微量液体泵送的功能。本发明微泵内部无活动构件，减少了污染来源与机械故障，同时，具有大流量输出且可控的特点，在疾病诊断、药物输送、燃料供给和环境检测等多种领域有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明是一种感应加热的汽泡驱动微泵，具体为一种利用电磁感应加热液体，使部分液体汽化，生成汽泡，由汽泡驱动的无阀微泵，可以实现对微量液体泵送的功能。微汽泡泵是微流体系统的重要组成部分，在疾病诊断、药物输送、燃料供给和环境检测等多种领域有广泛的应用前景，属于微流控系统领域。
背景技术
目前，微汽泡泵多采用电阻式热汽泡驱动。2002年，美国加州大学伯克利分校的Jr-Hung Tsai和Lin Liwei研制了一种便于集成的热汽泡驱动微泵，该微泵采用铝导线制成的电阻加热器，对液体进行加热。2007年韩国学者Jung-Yeul Jung采用多晶硅作为加热电阻，研制了一种热汽泡泵。Tzong-Shyng Leu等台湾学者于2012年研制出一种由钽-铝合金制成的电阻式热汽泡泵。然而，传统电阻式热汽泡泵难于实现大流量输出，主要原因在于，薄膜电阻要有较大阻值，要求加热电阻厚度较薄，线条较窄，但是，当加热瞬间产生较大的热量时，一旦加热腔内没有液体，加热电阻往往因为温度过高而烧断，从而导致整个系统的损坏。
发明内容
本发明的目的在于克服传统电阻加热式汽泡泵难于实现大的泵送流量、加工制作难度大等缺点，而提出一种基于电磁感应加热原理、热汽泡驱动的无阀微泵。该微泵采用微细加工工艺制成，利用感应加热器对微腔体内液体进行加热，使之发生相变，生成汽泡，汽泡迅速膨胀变大瞬间产生的压力脉冲，推动微腔体内的液体产生运动，利用微流道不同的几何形状对液体阻力不对称性，来实现对液体泵送的功能。
本发明采用如下技术方案：
感应加热的汽泡驱动微泵，由微流控上芯片1、加热盘7、玻璃基底8与励磁线圈11组成；其中，微流控上芯片1由出进液口2、微流道I3、微腔体4、微流道II5与出液口6组成；
所述进液口2与出液口6贯穿微流控上芯片1；
所述微腔体4，为微流控上芯片1上的圆形腔体结构，其通过微流道I3与进液口2相连通，微流道II5与出液口6相连通；
所述微流道I3与微流道II5均为楔形沟道结构，两楔形沟道尖端处宽度相等，微流道I3楔形沟槽两对应斜边的夹角a1与微流道II5楔形沟槽两对应斜边的夹角a2大小相等，取值范围为8°-14°，微流道I3尖端与进液口2相连，微流道I3开口端与微腔体4相连；微流道II5尖端与微腔体4相连，微流道II5开口端与出液口6相连；
所述励磁线圈11，加工在玻璃基底8上，由第一层绝缘层9、励磁线圈引线电极I10、励磁线圈引线电极II12、第二层绝缘层13、励磁线圈引线16与励磁线圈中心连接点17组成，励磁线圈引线16加工在玻璃基底8下表面上，第一层绝缘层9附着于玻璃基板8的下表面与励磁线圈引线16上，第一层绝缘层9的厚度大于励磁线圈引线16的厚度，励磁线圈11附着于第一层绝缘层9上，其中心位置通过励磁线圈中心连接点17与励磁线圈引线16相连，第二层绝缘层13附着于第一层绝缘层9与励磁线圈11上，第二层绝缘层13的厚度大于励磁线圈11的厚度，并在励磁线圈引线电极I10处加工出贯通孔I14，励磁线圈引线电极II12处加工出贯通孔II15；
所述励磁线圈11，形状为多边形或圆形平面螺旋线圈，单层线圈匝数为5匝到30匝；所述的励磁线圈引线电极I10和励磁线圈引线电极II12，分别连接交流电源两个输出端，给励磁线11通入交流电流；
所述加热盘7，加工在玻璃基底8上表面，为圆形金属盘，直径200μm-1000μm，厚度为50μm到200μm，材料为铁、镍或坡莫合金。
所述进液口2与出液口5为圆形孔。
微腔体4直径为200μm-1000μm，深度为50μm-200μm。
所述微流道I3与微流道II5两沟道深度相等，为30-250μm，两楔形沟道尖端处宽度相等，取值为50μm-200μm，楔形沟道大端处宽度大于尖端处宽度，且两楔形沟道大端处宽度相等，取值为200μm-500μm。
所述微腔体4、微流道I3与微流道II5，其内部填充液体，液体为水溶液，并充满整个微腔体4、微流道I3与微流道II5。
本发明微汽泡泵工作原理，如附图9-13，具体如下：
（a）如附图9，微泵处于初始状态，微腔体4内充满液体18。通过励磁线圈引线电极I10与励磁线圈引线电极II12向励磁线圈11通入交变电流，励磁线圈11周围产生交变磁场，金属加热盘7在交变磁场中，其内部就会产生涡流，涡流产生焦耳热，使加热盘7温度迅速升高；
（b）如附图10，微腔体4内的液体18与加热盘7直接接触，由于热传导的效应，液体18被加热盘7加热，部分液体18发生相变，生成汽泡19；
（c）如附图11，汽泡19迅速膨胀变大，其腔体内压力迅速升高，微腔体4内汽泡19周围的液体18，在高压挤压之下，就会向两端运动，由于微流道I3与微流道II5几何构造不同，导致流道内液体18所受阻力的不对称性，从而，使液体18大部分向微流道II5流动，经 微流道II5从出液口6流出微泵，只有少量液体18向微流道I3方向流动；
（d）如附图12，励磁线圈11停止通电，由于热传导的效应，加热盘7温度迅速下降，汽泡19减小，微腔体4内压力降低，液体18从进液口2经微流道I3流入微腔体4内，由于从微流道II5内的液体18朝微腔体4回流受到较大阻力，只有少量的液体18经微流道II5流入微腔体4；
（e）如附图13，液体18重新充满微腔体4，微泵恢复初始状态。
由以上步骤（a）（b）（c）（d）（e）循环进行，液体18不断从进液口2流入，从出液口6流出，实现对液体18的输送功能。
本发明可以获得如下有益效果和特点：1）本发明微泵的加热盘的厚度可以做到100μm以上，且励磁线圈制作在微流道之外，因此，相对传统的电阻加热方式，供电和加热部件尺寸可以增大数倍，负载能力强，可以实现大流量输出；2）加热盘位于液体内，热量损失小，加热效率高，加热性能好；3）本发明微汽泡泵为无阀结构，内部无活动构件，易于封装，减少了污染来源与机械故障；4）采用感应加热的汽泡驱动的方式，其生成汽泡大小可通过改变电磁感应加热电压、频率、加热时间等参数进行调节，从而可以控制微泵流量；
附图说明
图1：本发明微泵整体外观视图；
图2：本发明微泵泵体分解外观视图；
图3：本发明微泵泵体剖面视图；
图4：本发明微泵微流控上芯片外观视图；
图5：本发明微流控上芯片剖面视图；
图6：本发明微泵微流控上芯片微通道形状结构图；
图7：本发明微泵玻璃基底外观视图；
图8：本发明微泵玻璃基底剖面视图；
图9：本发明微泵工作原理示意图一；
图10：本发明微泵工作原理示意图二；
图11：本发明微泵工作原理示意图三；
图12：本发明微泵工作原理示意图四；
图13：本发明微泵工作原理示意图五；
图14：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（一）过程图一；
图15：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（一）过程图二；
图16：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（一）过程图三；
图17：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（一）过程图四；
图18：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（一）过程图五；
图19：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（一）过程图六；
图20：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（一）过程图七；
图21：本发明微泵玻璃基底实施工艺过程图一；
图22：本发明微泵玻璃基底实施工艺过程图二；
图23：本发明微泵玻璃基底实施工艺过程图三；
图24：本发明微泵玻璃基底实施工艺过程图四；
图25：本发明微泵玻璃基底实施工艺过程图五；
图26：本发明微泵玻璃基底实施工艺过程图六；
图27：本发明微泵玻璃基底实施工艺过程图七；
图28：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（二）过程图一；
图29：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（二）过程图二；
图30：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（二）过程图三；
图31：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（二）过程图四；
图32：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（二）过程图五；
图33：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（二）过程图六；
图34：本发明微泵微流控上芯片注塑工艺（二）过程图七；
图35：本发明微泵制作工艺所用掩膜板
图中：1.微流控上芯片，2.进液口，3.微流道I，4.微腔体，5.微流道II，6.出液口，7.加热盘，8.玻璃基底，9.第一层绝缘层，10.励磁线圈引线电极I，11.励磁线圈，12.励磁线圈引线电极II，13.第二层绝缘层，14.贯穿孔I，15.贯穿孔II，16.励磁线圈引线，17.励磁线圈中心连接点，18.液体，19.汽泡，20.硅基片Ⅰ，21.SU-8胶，22.掩膜板Ⅰ，23.SU-8阳模，24.PDMS，25.圆形槽，26.贯通孔Ⅲ，27.贯通孔Ⅳ，28.硅基片II，29.硅阴模，30.PDMS阳模，31.掩膜板II，32掩膜板Ⅲ，33.掩膜板Ⅳ，34.掩膜板Ⅴ，35.掩膜板Ⅵ，36.矩形槽模具Ⅰ，37.矩形槽模具Ⅱ。
具体实施方案
本发明微泵加工工艺制作，实施方案一
本发明中的微流控上芯片1，采用SU-8型负性光刻胶制作阳模，聚二甲基硅氧烷（PDMS） 注塑工艺加工制作，具体工艺流程如下所示：
（a）附图14，选用硅基片Ⅰ20作为基底，用去离子水清洗，并在温度为110℃的烘胶台上烘干；
（b）附图15，在硅基片Ⅰ20上旋涂一层SU-8胶21，胶层厚度为50μm-250μm，利用热板进行前烘，先在温度65℃下烘干时间35min，再在温度95℃下烘干时间30-90min（与胶层厚度相关，厚度越大烘干时间越长），然后自然冷却，使SU-8胶21固化，所述的SU-8胶21为负性光刻胶；
（c）附图16，将掩膜板Ⅰ22放置在固化后的SU-8胶21表面上方，进行紫外线曝光，曝光时间40s-150s；
（d）附图17，SU-8胶21曝光后，在热板上进行后烘热处理，先在温度65℃下烘干时间25min，再在温度95℃下烘干时间10-30min（与胶层厚度相关，厚度越大烘干时间越长），然后自然冷却，经超声显影、清洗后，硅基片Ⅰ20上留下凸起的SU-8胶阳模23；
（e）附图18-19，将带有SU-8胶阳模23的硅基片21放置在与硅基片21尺寸相同的矩形槽模具Ⅰ36中，浇注PDMS24，在温度120℃下加热固化；
（f）附图20，将固化后的PDMS24从硅基片21上剥离，得到微流控上芯片1，采用电钻打孔方法，在微流控上芯片1上加工出进液口2与出液口6。
本发明微泵的加热盘7与励磁线圈11加工工艺过程，如附图21-27，具体流程如下：
（a）附图21，选用0.5mm玻璃基底8，用去离子水清洗，并烘干；
（b）附图22，采用金刚石钻头钻孔的方法，在玻璃基底8上表面，加工出圆形槽25；直径1000μm，深度为150μm，用去离子水清洗，并烘干；
（c）附图23，采用溅射工艺在玻璃基底8上表面，沉积一层电镀种子层Cr/Cu，其中Cr厚为300nm，Cu厚为500nm，旋涂一层BP212正性光刻胶，在烘胶台温度110℃上烘干固化后，采用掩膜板II31对光刻胶进行曝光，曝光时间3min，取出玻璃基板8在6‰的NaOH显影液中进行显影，去胶液去除圆形槽25内的光刻胶，用去离子水清洗，然后在电镀浴液中，向圆形槽25内沉积一个金属圆盘，材料为铁、镍或坡莫合金，厚度为50μm-200μm，制成加热盘7，用去离子水清洗玻璃基底8，并烘干；在加热盘7上表面旋涂一层聚酰亚胺PI，并固化，用于保护加热盘7在后续工艺中不被损坏；所述6‰的NaOH显影液为1000ml的水与6gNaOH的配制的溶液；
（d）附图24，采用溅射工艺在玻璃基板8下表面，沉积电镀种子层Cr/Cu，其中Cr厚为300nm，Cu厚为500nm，然后，旋涂一层BP212正性光刻胶，在温度为110℃烘胶台上烘 干固化后，采用掩膜板Ⅲ32对正性光刻胶进行曝光，曝光时间2min30s，取出玻璃基板8在6‰的NaOH显影液中进行显影，坚膜，去掉曝光区域的正性光刻胶，用去离子水清洗后，用25‰FeCl3溶液去Cu，在温度为60℃的盐酸溶液中去除Cr，再用乙醇去除覆盖在励磁线圈引线16上没被曝光的光刻胶，用去离子水清洗，烘干；所述25‰FeCl3溶液为25g FeCl3与1000ml的水配制的溶液；所述盐酸溶液为盐酸：甘油=1ml:1ml；
（e）附图25，旋涂一层聚酰亚胺PI做第一层绝缘层9，固化后，溅射一层Al，厚度为300nm，旋涂一层BP212正性光刻胶，采用掩膜板Ⅳ33对正性光刻胶曝光，并在6‰的NaOH显影液中显影，坚膜，去除被曝光区域的光刻胶，用去离子水清洗，烘干后，用刻Al磷酸溶液去Al，反离子刻蚀RIE刻蚀PI，露出贯通孔Ⅲ26和贯通孔Ⅳ27，采用乙醇溶液去未曝光区域的正性光刻胶，刻Al磷酸溶液去Al，用去粒子水清洗，烘干；所述刻Al磷酸为磷酸：乙醇=1ml：1ml溶液；
（f）附图26，在第一层绝缘层9上，溅射电镀种子层Cr/Cu，其中Cr厚为300nm，Cu厚为500nm；旋涂一层正性光刻胶，烘干固化后，采用掩膜板Ⅴ34进行曝光，显影，去除被曝光区域的光刻胶，用去离子水清洗后，在电镀Cu浴液中，电镀生成励磁线圈11、励磁线圈引线电极Ⅰ10与励磁线圈引线电极Ⅱ12，用乙醇溶液去未曝光区域的光刻胶，25‰FeCl3溶液去Cu，在温度为60℃的盐酸溶液去Cr，用去离子水清洗，烘干；所述电镀Cu浴液为硫酸铜（CuSO4·5H2O）-180g/L，H2SO4-50g/L与葡萄糖-30g/L的溶液；
（g）附图27，旋涂一层聚酰亚胺PI做第二层绝缘层13，固化后，溅射一层Al，厚度为300nm，旋涂一层BP212正性光刻胶，采用掩膜板Ⅵ35对光刻胶进行曝光，显影，坚膜，去除曝光区域的光刻胶，刻Al磷酸溶液去Al，反离子刻蚀RIE刻蚀PI，加工出贯通孔Ⅰ14与贯通孔Ⅱ15，露出励磁线圈引线电极Ⅰ10与励磁线圈引线电极Ⅱ12，用去离子水清洗，烘干，用反离子刻蚀RIE刻蚀去除加热盘7上表面的PI。然后，用乙醇溶液去第二层绝缘层13上的未曝光区域的正性光刻胶，刻Al磷酸溶液去Al，用去离子水清洗，并烘干；
本发明上述加工好的带有进液口2、微流道Ⅰ3、微腔体4、微流道Ⅱ5与出液口6的微流控上芯片1与加工出加热盘7与励磁线圈11的玻璃基底8，采用键合或黏合的方法进行封装，制成感应加热的汽泡驱动微泵。
本发明微泵加工工艺制作，实施方案二
本发明微流控上芯片1，采用PDMS制作阳模，PDMS注塑工艺加工制作，具体工艺流程如下所示：
（a）附图28，在厚度为0.5mm的硅基片Ⅱ28，表面旋涂一层正性光刻胶，在烘胶台（110℃） 进行烘干后，采用掩膜板Ⅰ22对正性光刻胶进行曝光，在6‰的NaOH显影液中进行显影，用去离子水清洗，并烘干；
（b）附图29，硅基片Ⅱ28采用DRIE（深反离子刻蚀），加工出硅阴模29；
（c）附图30-31，将硅阴模29放置在与硅阴模29尺寸相同的矩形槽模具Ⅱ37中，浇注PDMS24，并在温度120℃下加热固化；
（d）附图32，将PDMS24从硅阴模29上剥离，就得到PDMS阳模30；
（e）附图33，在PDMS阳模30上浇注PDMS24，并在温度120℃下加热固化；
（f）附图34，将PDMS24从PDMS阳模30上剥离，加工出PDMS微流控上芯片1。
本发明微泵加热盘7与励磁线圈11加工工艺过程，具体流程与实施方案一相同。
本发明上述加工好的带有进液口2、微流道Ⅰ3、微腔体4、微流道Ⅱ5与出液口6的微流控上芯片1与加工出加热盘7与励磁线圈11的玻璃基底8，采用键合或黏合的方法进行封装，制成感应加热的汽泡驱动微泵。
以上为本发明的一个优选实施例，但是本发明的内容不仅仅局限于此。
Claims (5)
1.感应加热的汽泡驱动微泵，其特征在于：泵体由微流控上芯片（1）、加热盘（7）、玻璃基底（8）与励磁线圈（11）组成；流控上芯片（1）的结构由进液口（2）、微流道I（3）、微腔体（4）、微流道II（5）与出液口（6）组成；
所述进液口（2）与出液口（6）贯穿微流控上芯片（1）；
所述微腔体（4），为微流控上芯片（1）上的圆形腔体结构，其通过微流道I（3）与进液口（2）相连通，微流道II（5）与出液口（6）相连通；
所述微流道I（3）与微流道II（5）均为楔形沟道结构，两楔形沟道尖端处宽度相等，微流道I（3）楔形沟槽两对应斜边的夹角a1与微流道II（5）楔形沟槽两对应斜边的夹角a2大小相等，取值范围为8°-14°，微流道I（3）尖端与进液口（2）相连，微流道I（3）开口端与微腔体（4）相连；微流道II（5）尖端与微腔体（4）相连，微流道II（5）开口端与出液口（6）相连；
所述加热盘（7），加工在玻璃基底（8）上表面；
所述励磁线圈（11），加工在玻璃基底（8）上，由第一层绝缘层（9）、励磁线圈引线电极I（10）、励磁线圈引线电极II（12）、第二层绝缘层（13）、励磁线圈引线（16）与励磁线圈中心连接点（17）组成，励磁线圈引线（16）加工在玻璃基底（8）下表面上，第一层绝缘层（9）附着于玻璃基板（8）的下表面与励磁线圈引线（16）上，第一层绝缘层（9）的厚度大于励磁线圈引线（16）的厚度，励磁线圈（11）附着于第一层绝缘层（9）上，其中心位置通过励磁线圈中心连接点（17）与线圈引线（15）相连，第二层绝缘层（13）附着于第一层绝缘层（9）与励磁线圈（11）上，第二层绝缘层（13）的厚度大于励磁线圈（11）的厚度，并在励磁线圈引线电极I（10）处加工出贯通孔I（14），励磁线圈引线电极II（12）处加工出贯通孔II（15）；
所述励磁线圈（11），形状为多边形或圆形平面螺旋线圈，单层线圈匝数为（5）匝到30匝；所述的励磁线圈引线电极I（10）和励磁线圈引线电极II（12），分别连接交流电源两个输出端，给励磁线圈（11）通入交流电流。
2.根据权利要求1所述的感应加热的汽泡驱动微泵，其特征在于：所述进液口（2）与出液口（6）为圆形孔。
3.根据权利要求1所述的感应加热的汽泡驱动微泵，其特征在于：微腔体（4）直径为200μm-1000μm，深度为50μm-200μm。
4.根据权利要求1所述的感应加热的汽泡驱动微泵，其特征在于：所述微流道I（3）与微流道II（5）两沟道深度相等，为30-250μm，两楔形沟道尖端处宽度相等，为50μm-200μm，楔形沟道大端宽度大于尖端的宽度，且两楔形沟道大端处宽度相等，为200μm-500μm。
5.根据权利要求1所述的感应加热的汽泡驱动微泵，其特征在于：所述的加热盘（7）为圆形金属盘，直径为200μm-1000μm，厚度为50μm-200μm，材料为铁、镍或坡莫合金。
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Denomination of invention: Induction heated bubble driven micropump Effective date of registration: 20230321 Granted publication date: 20160518 Pledgee: Zhejiang Nanxun Rural Commercial Bank branch Shuanglin Limited by Share Ltd. Pledgor: Huzhou Nanxun two way construction development Co.,Ltd. Registration number: Y2023330000581 |