CN104383621B - 激光诱导双腔微泵及其流体微泵驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光诱导双腔微泵，其包括具有内腔的泵体、与泵体连接并将内腔分隔为驱动腔和泵腔的弹性的泵膜、插入充满驱动液的所述驱动腔内部的光纤、设于泵体并与所述泵腔连通控制流体单向进入泵腔和单向流出泵腔的单向流动控制装置。该微泵具有毫秒级反应时间、泵膜的频率和幅度可以精确控制；能量利用率高，可实现无线和远程控制，泵膜的寿命长，泵送工作液种类无限制，为解决微流体的驱动问题提供了一种全新思路。该微泵可以广泛应用于药物的微量注射、微流控系统，生物分析、微量化学分析与检测、微电子设备冷却等领域。本发明还公开了一种将激光诱导双腔微泵用于驱动流体单向流动的流体微泵驱动方法。

Description

激光诱导双腔微泵及其流体微泵驱动方法

技术领域

本发明涉及微量流体驱动、供给、控制技术，尤其涉及一种用于激光诱导双腔微泵。本发明还涉及激光诱导微泵的流体微泵驱动方法。

背景技术

在目前的医疗领域中，脑给药系统研究对中枢神经系统感染、癫痫、脑肿瘤、周期性片头痛、药物成瘾性、精神分裂症、中风和痉挛等各种脑部疾病的治疗具有重要的意义。而脑给药系统需要精确到纳升毫秒级的给药要求，因此，需要用到微流控系统。

微流控系统，又称微流控分析芯片、微全分析系统(μTAS)或芯片实验室，是微机电系统( MEMS )的一个重要分支。利用微细加工技术将微通道、微泵、微阀、微反应器、微传感器、微检测器等各种功能单元集成在一块微芯片上，通过控制溶液在其中的流动，来完成生物和化学等领域所涉及的样品制备、混合、反应、分离、检测、生化分析等功能的微型分析系统。在药物的微量注射、生物分析、微量化学分析与检测，微电子设备冷却，便携式燃料电池等领域均展现了良好的应用前景。

其中的微泵是实现微流量供给的动力元件, 能精确地传输微小流量，没有微泵就很难实现微流控系统功能的集成，因此微泵技术是驱动微流道中微流体运动的一种关键技术。

在微流控系统中，表面张力的影响变得十分明显，常规宏观的流体体积流动的驱动方法在微管道中效果不好甚至不可行。机械式微泵一般都含有泵膜，将其他形式的能量转化为泵膜的动能，然后依靠泵膜的上下振动泵送流体，几乎可以驱动任何流体，工作较可靠，在目前的研究中占主导地位。

机械式微泵采用机械式单向阀作为流向控制机构，其优点是原理简单，加工工艺成熟，整流性好，有很好的反向止流性，工作效率高，是目前应用的主流。机械式微泵已有的驱动方式包括：激光冲击波驱动，压电致动器驱动（包括压电陶瓷、压电薄膜、压电双晶片），静电驱动，电磁驱动，气泡驱动，形状记忆合金驱动，双金属驱动微泵，热气动力驱动等。在一定程度上和特定应用领域中，能够有效地驱动微流道中微流体定向流动，从而促进了微流控技术的发展。

其中，激光冲击波驱动，泵膜牺牲层在激光辐照下产生等离子体爆炸气团从而产生冲击波，因而泵膜使用寿命有限；压电驱动微泵制造工艺复杂，驱动电压高、功率消耗大；静电力驱动要求电极间隙很小、结构复杂，所以静电微泵的制作难度很大，静电驱动力通较小并且两个极板之间的绝缘问题对加工工艺要求很高；电磁驱动微泵能耗高，热损大，相对于其它类型微泵，体积大，不利于微型化；气泡微泵在使用时一般需要加热，因此其应用受到限制；形状合金记忆驱动的缺点是泵膜的变形较难控制，驱动响应时间慢；双金属驱动微泵、热气动力驱动微泵工作频率较低，流量难以提高。

这些微泵的共同特点是对输送流体要求不高，可输送绝大多数种类的流体，可靠性较高，但是驱动器的高频振动可能会引起泵膜和阀片的磨损，产生疲劳损伤，影响使用寿命，而且结构复杂、尺寸不易微型化、制备困难，难以与其他微流体元件集成在一起。

发明内容

针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种泵膜寿命长、结构简单已加工并可微型化集成化的激光诱导双腔微泵。本发明还提供了一种可稳定地微量供应输液动能的流体微泵驱动方法。

为了克服现有技术不足，本发明采用的技术方案是：一种激光诱导双腔微泵，其包括具有内腔的泵体、与泵体连接并将内腔分隔为驱动腔和泵腔的弹性的泵膜、插入充满驱动液的所述驱动腔内部的光纤、设于泵体并与所述泵腔连通控制流体单向进入泵腔和单向流出泵腔的单向流动控制装置。

作为本发明激光诱导双腔微泵的技术方案的一种改进，所述单向流动控制装置包括与所述泵腔连通的收缩管和扩张管，所述收缩管的连通泵腔的内端沿长度方向向外不断收缩，所述扩张管的连通泵腔的内端沿长度方向向外不断扩大。

作为本发明激光诱导双腔微泵的技术方案的一种改进，所述收缩管和扩张管均为锥形管或喇叭形管，所述收缩管与所述扩张管方向相反。

作为本发明激光诱导双腔微泵的技术方案的一种改进，所述光纤的前端延伸至靠近泵膜处，所述泵体设有兼作光纤固定板的泵盖，泵体、泵盖与泵膜围成所述驱动腔，光纤穿过并固定于所述泵盖。

作为本发明激光诱导双腔微泵的技术方案的一种改进，所述单向流动控制装置包括设于泵体并与所述泵腔连通的出口和入口，在出口和入口处设有单向阀。

作为本发明激光诱导双腔微泵的技术方案的一种改进，所述出口与入口位于泵体的同一侧面，所述单向阀设于所述泵腔与出口和入口之间。

作为本发明激光诱导双腔微泵的技术方案的一种改进，所述单向阀包括出口阀和入口阀，入口阀设有可向泵腔内弯曲偏移的内阀片，出口阀设有可向泵腔外弯曲偏移的外阀片。

本发明还提供一种使用上述激光诱导双腔微泵的流体微泵驱动方法，用于驱动流体单向流动，所述流体微泵驱动方法包括如下步骤：

S1、使用具有弹性的泵膜将泵体的内腔分隔为驱动腔和泵腔，在驱动腔内插入光纤并使其前端可聚焦于所述驱动腔内；

S2、在驱动腔充满可被激光诱导空化的驱动液并加设泵盖密封；

S3、在泵腔灌注满腔需驱动的流体，在单向流动控制装置外侧连接补充流体的补液管和输出流通的输液管；

S4、导入激光并聚焦于驱动腔内，启动激光使其激化驱动液产生空化泡，推动泵膜泵腔侧鼓起压缩泵腔体积使部分流体压出到输液管，空化泡溃灭后弹性泵膜回弹使泵腔内压力降低并从补液管吸入流体；

S5、断续启动激光使驱动液断续产生空化泡并溃灭，断续从补液管吸取流体并将流体推进输液管内。

作为本发明流体微泵驱动方法的技术方案的一种改进，所述单向流动控制装置包括与所述泵腔连通的收缩管和扩张管，所述收缩管的连通泵腔的内端沿长度方向向外不断收缩，所述扩张管的连通泵腔的内端沿长度方向向外不断扩大。

作为本发明流体微泵驱动方法的技术方案的一种改进，所述单向流动控制装置包括设于泵体并与所述泵腔连通的出口和入口，在出口和入口处分别设有方向相反的单向阀。

作为本发明流体微泵驱动方法的技术方案的一种改进，所述泵盖留有可关闭的通气补液孔。

本发明的有益效果是：针对目前机械式微泵驱动方式存在的泵膜寿命短、结构复杂制备困难、尺寸不易微型化、难以满足一些特殊场合的需要的缺陷，本发明提出一种基于激光诱导空化的机械式微泵技术，利用激光聚焦于驱动腔中液体介质产生空化泡，利用空化泡生长和溃灭过程中产生的流体推进速度和推进力驱动泵膜振动，进而驱动微流道中液体的流动，实现微泵的泵送液体功能。该微泵具有毫秒级反应时间、泵膜的频率和幅度可以精确控制，不存在领域应用的局限性问题等多个重要特性；通过光纤将激光直接输送到空化点位置附近，能量利用率高，通过光纤传输激光，可实现无线和远程控制，不存在电磁干扰；泵膜无损耗使得泵膜的寿命长；驱动腔与泵腔分离使得驱动液种类与所输送流体种类可以分别选择从而使得泵送工作液种类无限制，为解决微流体的驱动问题提供了一种全新思路。该微泵可以广泛应用于药物的微量注射、微流控系统，生物分析、微量化学分析与检测、微电子设备冷却等领域。

流体微泵驱动方法的整个过程使得激光脉冲聚焦到驱动液介质中产生空化泡，通过空化过程中周围液体的推进速度和推进力驱动泵膜振动，激光空化溃灭过程快速而且精确，能量损失少导入输送简易，从而驱动液体定向定量持续补给，精确微量地进行输液，进而提出了一种新型的微泵驱动技术。

附图说明

图1是本发明激光诱导双腔微泵的无阀微泵实施例的纵向剖面结构示意图。

图2是本发明激光诱导双腔微泵的有阀微泵实施例的纵向剖面结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式进行具体描述。

参考图1、图2所示，图1展示了一种激光诱导双腔无阀微泵，图2展示了一种激光诱导双腔有阀微泵。本发明一种激光诱导双腔微泵，其包括具有内腔的泵体10、与泵体10连接并将内腔分隔为驱动腔12和泵腔15的弹性的泵膜11、插入充满驱动液13的所述驱动腔12内部的光纤25、设于泵体10并与所述泵腔15连通控制流体单向进入泵腔15和单向流出泵腔15的单向流动控制装置。单向流动控制装置是使流体16单向定向流动的控制结构，也称定向流动控制装置。针对目前机械式微泵驱动方式存在的泵膜11寿命短、结构复杂制备困难、尺寸不易微型化、难以满足一些特殊场合的需要的缺陷，本发明提出一种基于激光诱导空化的机械式微泵技术，利用激光26聚焦于驱动腔12中液体介质产生空化泡28，利用空化泡28生长和溃灭过程中产生的推进速度和推进力驱动泵膜11振动，进而驱动微流道中液体的流动，实现微泵的泵送液体功能。激光空化溃灭过程快速而且精确，能量损失少导入输送简易，从而驱动流体16定向定量持续补给，精确微量地进行输液。

具体地，当泵膜11回弹上升时，泵腔15体积增大，泵腔15内压力降低，流体16从入口和出口被吸入泵腔15，入口进入的比出口进入的流体16多；当泵膜11被推动下降时，泵腔15体积减少，泵腔15内压力升高，流体16从入口和出口被压出泵腔15，出口流出比入口流出多，因此在泵膜11上升和下降一个周期内,实现了由入口向出口的工作液流动，完成微泵输送工作液的功能。再通过激光26多脉冲连续作用，连续不断地驱动泵膜11振动，提高泵膜11的振动幅度和频率，也可利用多路激光26共同作用产生空化泡28提高泵膜11的振动频率和幅度，进而驱动工作液完成微泵的功能，弥补现有技术的不足，解决传统微泵的制造难题和应用领域的局限性问题。

其中，光纤25由光纤转换接头固定在光纤固定板即泵盖21上，引导激光26到达驱动液13内合适位置，要求激光能量、脉冲频率可调，形成空化泡28的空化过程中，流体16推进速度和推进力可控，以便通过优化工艺有效控制激光诱导空化泡28驱动泵膜11振动，引起泵腔15内容积和压力的变化，完成微泵功能。

驱动腔12中盛放有驱动液13，激光26聚焦到驱动液13中合适位置，诱导发生空化现象。可以通过改变驱动液13的类型（如水、甘油、水和甘油混合液等）来改变其性质（如粘性、表面张力），进一步研究空化泡28的动力学特性对泵膜11振动的影响，以便调整泵膜11振动频率，从而优化微泵的反应时间和驱动效率。

多脉冲激光诱导空化驱动泵膜11振动包括三种情况：第一种情况，当激光脉冲的发射周期大于空泡的脉动周期时，在激光器发出第二个空泡时，第一个空泡脉动可能已经结束，驱动液13处于稳定状态，这时第二次空化过程产生的驱动液推进速度和推进力继续驱动泵膜11振动；第二种情况，当激光脉冲的发射周期小于空泡的脉动周期时，在第一个空化泡28处于振荡阶段时，激光器已经发出第二个空化泡28，第二个空化泡28与第一个空化泡28共同作用驱动泵膜11振动，提高泵膜11振动幅度和频率；第三种情况，可利用光纤25引入多路激光26共同作用产生空化泡28，进一步提高泵膜11振动的频率和幅度。泵膜11的振动幅度和频率可以通过激光、驱动液13等参数进行有效地调节和控制。

由于空化泡28的整个脉动周期相当短，可以达到毫秒级甚至微秒级，因而该微泵具有毫秒级反应时间、泵膜11的频率和幅度可以精确控制，不存在领域应用的局限性问题等多个重要特性；通过光纤25将激光26直接输送到空化点位置附近，能量利用率高，通过光纤25传输激光26，可实现无线和远程控制，不存在电磁干扰；泵膜11无损耗使得泵膜11的寿命长；驱动腔12与泵腔15分离使得驱动液13种类与所输送流体16种类可以分别选择从而使得泵送工作液种类无限制，为解决微流体的驱动问题提供了一种全新思路。该微泵可以广泛应用于药物的微量注射、微流控系统，生物分析、微量化学分析与检测、微电子设备冷却等领域。激光诱导空化微泵驱动部分结构简单, 制造方便, 成本低, 可替换性强, 体积小, 有利于微型化及与MEMS集成。

更佳地，所述单向流动控制装置包括与所述泵腔15连通的收缩管和扩张管，所述收缩管的连通泵腔15的内端沿长度方向向外不断收缩，所述扩张管的连通泵腔15的内端沿长度方向向外不断扩大。收缩管作为工作液的入口，扩张管作为工作液的出口，利用扩散管与收缩管流量差实现其阀的功能。当泵膜11上升时，泵腔15体积增大，泵腔15内压力降低，流体16从入口和出口被吸入泵腔15，入口进入的比出口进入的多，当泵膜11下降时，泵腔15体积减少，泵腔15内压力升高，流体16从入口和出口被压出泵腔15，出口流出比入口流出多，因此在泵膜11上升和下降一个周期内，实现了由入口向出口的工作液流动，完成了微泵输送工作液的功能。

更佳地，所述收缩管18和扩张管19均为锥形管或喇叭形管，使得流体16在流动过程受到收缩管18和扩张管19的阻挡和挤压，吸入和流出所受的阻力不同。所述收缩管18与所述扩张管19方向相反，使得入口与出口同一方向对流体16的阻力不同，通过泵腔15的吞吐过程产生的流量差实现将流体16从入口转移到出口，实现微泵输液功能。

更佳地，光纤25的前端延伸至靠近泵膜11处，使其聚焦点更接近泵膜11，空化产生的驱动力也更接近泵膜11，对泵膜11的推动更接近更直接；泵体10设有兼作光纤固定板的泵盖21，泵体10、泵盖21与泵膜11围成所述驱动腔12，光纤25穿过并固定于所述泵盖21，从而可以导入激光26至驱动腔12内，形成空化空泡从而产生推动力。

更佳地，参考图2所示，所述单向流动控制装置包括设于泵体10并与所述泵腔15连通的出口33和入口32，在出口33和入口32处设有方向相反的单向阀30，从而在泵腔15体积增大压力缩小时，入口处的单向阀30打开而吸入液体，泵腔15体积减小压力增大时，出口处的单向阀30打开入口处的单向阀30关闭，液体从出口处流出，从而使流体16形成单向流动，完成微泵输液的功能。

更佳地，所述出口与入口位于泵体10的同一侧面，所述单向阀设于所述泵腔15与出口和入口之间，便于单向阀构件的集中设置和构件的简化。

更佳地，所述单向阀30包括出口阀和入口阀，入口阀设有可向泵腔15内弯曲偏移的内阀片35，出口阀设有可向泵腔15外弯曲偏移的外阀片36，使用薄片式的阀结构使得阀体结构简化，阀的开关易于实现，液压差即可推动阀片打开和关闭。

另外，泵膜11上面即位于驱动腔12一侧溅镀一层牺牲膜，可以吸收激光26诱导形成空化泡28后剩下的光能，形成等离子体爆炸气团冲击波增强泵膜11的振动幅度，且同时保护泵膜11，延长泵膜11的使用寿命。

本发明还提供一种使用上述激光诱导双腔微泵的流体16微泵驱动方法，用于驱动微量流体16单向流动，所述流体16微泵驱动方法包括如下步骤：

S1、使用具有弹性的泵膜11将泵体10的内腔分隔为驱动腔12和泵腔15，在驱动腔12内插入光纤25并使其前端可聚焦于所述驱动腔12内，便于对容纳于驱动腔12的驱动液13进行激光诱导形成空化泡28，从而产生驱动力，泵腔15用于容纳流体16，便于流体16在吸入和流出过程之间具有中转的空间。驱动腔12与泵腔15分隔，便于泵腔15与驱动腔12容纳不同的液体，驱动腔12可以容纳易于空化，能提供更大驱动力的驱动液13，而泵腔15中需要输送的流体16则不被激化空化破坏而改变其成分。

S2、在驱动腔12充满可被激光诱导空化的驱动液13并加设泵盖21，由泵盖21密封，此密封盖即泵盖21可以是透明的，便于观察内部液体情况，开启泵盖可以适当补充液体，也可以在密封的泵盖上留有可关闭的通气补液孔，通过小孔便于排气与补充驱动液。

S3、在泵腔15灌注满腔需驱动的流体16，在单向流动控制装置外侧连接补充流体16的补液管和输出流通的输液管；注满液体才可以在泵膜11推动下驱动入口和出口处的液体流动，否则内部充满易于压缩的空气则泵膜11难以推动液体流动。

S4、导入激光26并聚焦于驱动腔12内，启动激光26使其激化驱动液13产生空化泡28，推动泵膜11泵腔15侧鼓起压缩泵腔15体积使部分流体16压出到输液管，空化泡28溃灭使驱动腔12内容物体积瞬间减小使得弹性泵膜11反向收缩回弹，从而使泵腔内压力降低并从补液管吸入流体16，完成泵的吸入和喷出的功能。

S5、断续启动激光26使驱动液13断续产生空化泡28并溃灭，断续从补液管吸取流体16并将流体16推进输液管内，从而持续获得推动力，持续不断地泵吸和流出流体16持续补充液体，形成定向微量定量持续补给液体。

上述整个过程阐述了激光脉冲聚焦到驱动液13介质中产生空化泡28，通过空化过程中周围液体的推进速度和推进力驱动泵膜11振动，激光空化溃灭过程快速而且精确，能量损失少导入输送简易，从而驱动流体16定向定量持续补给，精确微量地进行输液，提出了一种新型的微泵驱动技术。

更佳地，所述单向流动控制装置包括与所述泵腔15连通的收缩管18和扩张管19，所述收缩管18的连通泵腔15的内端沿长度方向向外不断收缩，所述扩张管19的连通泵腔15的内端沿长度方向向外不断扩大。收缩管18作为工作液的入口，扩张管19作为工作液的出口，利用扩散管与收缩管18流量差实现其阀的功能。当泵膜11上升时，泵腔15体积增大，泵腔15内压力降低，流体16从入口和出口被吸入泵腔15，入口进入的比出口进入的多，当泵膜11下降时，泵腔15体积减少，泵腔15内压力升高，流体16从入口和出口被压出泵腔15，出口流出比入口流出多，因此在泵膜11上升和下降一个周期内，实现了由入口向出口的工作液流动，完成了微泵输送工作液的功能。

更佳地，所述单向流动控制装置包括设于泵体10并与所述泵腔15连通的出口和入口，在出口和入口处分别设有方向相反的单向阀，从而在泵腔15体积增大压力缩小时，入口处的单向阀打开而吸入液体，泵腔15体积减小压力增大时，出口处的单向阀打开入口处的单向阀关闭，液体从出口处流出，从而使流体16形成单向流动，完成微泵输液的功能。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种激光诱导双腔微泵，其特征在于：包括具有内腔的泵体、与泵体连接并将内腔分隔为驱动腔和泵腔的弹性的泵膜、插入充满驱动液的所述驱动腔内部的光纤、设于泵体并与所述泵腔连通控制流体单向进入泵腔和单向流出泵腔的单向流动控制装置；

所述单向流动控制装置包括与所述泵腔连通的收缩管和扩张管，所述收缩管的连通泵腔的内端沿长度方向向外不断收缩，所述扩张管的连通泵腔的内端沿长度方向向外不断扩大；

所述收缩管和扩张管均为锥形管或喇叭形管，所述收缩管与所述扩张管方向相反；

所述光纤的前端延伸至靠近泵膜处，所述泵体设有兼作光纤固定板的泵盖，泵体、泵盖与泵膜围成所述驱动腔，光纤穿过并固定于所述泵盖。

2.根据权利要求1所述的激光诱导双腔微泵，其特征在于：所述单向流动控制装置包括设于泵体并与所述泵腔连通的出口和入口，在出口和入口处设有单向阀。

3.根据权利要求2所述的激光诱导双腔微泵，其特征在于：所述出口与入口位于泵体的同一侧面，所述单向阀设于所述泵腔与出口和入口之间。

4.根据权利要求2或3所述的激光诱导双腔微泵，其特征在于：所述单向阀包括出口阀和入口阀，入口阀设有可向泵腔内弯曲偏移的内阀片，出口阀设有可向泵腔外弯曲偏移的外阀片。

5.一种使用权利要求1所述的激光诱导双腔微泵的流体微泵驱动方法，用于驱动流体单向流动，其特征在于，所述流体微泵驱动方法包括如下步骤：

S1、使用具有弹性的泵膜将泵体的内腔分隔为驱动腔和泵腔，在驱动腔内插入光纤并使其前端可聚焦于所述驱动腔内；

S2、在驱动腔充满可被激光诱导空化的驱动液并加设泵盖密封；

S3、在泵腔灌注满腔需驱动的流体，在单向流动控制装置外侧连接补充流体的补液管和输出流通的输液管；

S4、导入激光并聚焦于驱动腔内，启动激光使其激化驱动液产生空化泡，推动泵膜泵腔侧鼓起压缩泵腔体积使部分流体压出到输液管，空化泡溃灭后弹性泵膜回弹使泵腔内压力降低并从补液管吸入流体；

S5、断续启动激光使驱动液断续产生空化泡并溃灭，断续从补液管吸取流体并将流体推进输液管内。

6.根据权利要求5所述的流体微泵驱动方法，其特征在于：所述单向流动控制装置包括与所述泵腔连通的收缩管和扩张管，所述收缩管的连通泵腔的内端沿长度方向向外不断收缩，所述扩张管的连通泵腔的内端沿长度方向向外不断扩大。

7.根据权利要求5所述的流体微泵驱动方法，其特征在于：所述单向流动控制装置包括设于泵体并与所述泵腔连通的出口和入口，在出口和入口处分别设有方向相反的单向阀。