CN106438339B

CN106438339B - 一种无阀型往复式微泵

Info

Publication number: CN106438339B
Application number: CN201611184407.XA
Authority: CN
Inventors: 周腾; 王瀚林; 史留勇; 葛鉴; 张燕; 廖宇兰
Original assignee: Hainan University
Current assignee: Hainan University
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-09-11
Anticipated expiration: 2036-12-20
Also published as: CN106438339A

Abstract

本发明公开了一种无阀往复式微泵，包括进口管、上主管道、下主管道、竖直线弹性棒和水平线弹性棒，其中，上主管道和下主管道联接在一起组成需要泵送流体的“S”型主管道；所述进口管处通入速度为周期性正弦函数的流体，通过流体带动线弹性棒发生形变，再利用线弹性棒的形变对管道内流体形成一定的阻碍作用，从而使方向从左至右的净泵送流量不断增加；完成本发明具有结构简单，无需外加电压，稳定性好，成本低，方便大量生产的优点，能够完成高效率的流体泵送。

Description

一种无阀型往复式微泵

技术领域

本发明属于微流控领域，为一种无阀型往复式微泵，是一种用于泵送微流体的被动式输送装置。

背景技术

近年来微流控芯片成为了一个热门的研究领域，将芯片做为微流控分析的操作平台, 同时以PDMS加工技术为依托,以设计出的微管道网络为结构特征来完成对流体的控制和分析，是现有领域发展的重点。

微流控芯片具有体积小、流动流体可控、消耗试剂少、分析效率高、成产成本低等特点，并广泛的运用在生物工程、化学分析、能源动力、航空航天和医学领域，具有较大的发展前景。

在医学、生物等领域，微泵可以用作药物的输送、化学试剂的反应、DNA和蛋白质的分析等，取得了很多研究成果，总的来说微泵可以分为两类：有阀型、无阀型。有阀型微泵中有压电驱动型、静电驱动型、热驱动型；无阀型微泵中有收缩扩张型、电液动力型、热驱动型、双膜泵等。

与有阀型微泵相比，无阀式微泵具有结构简单、无器件间的物理摩擦、对高频的输入响应特性好等特点。以往对无阀型微泵的研究主要集中在收缩—扩张管类型微泵的特征分析中，流体自身和不同通道结构的耦合作用并没有被很好的考虑在内，同时，在生物医学等实际领域，微泵的效率往往不尽人意，输出能力很难达到理想水平，因此微泵的输出效率和实际微泵的工作条件仍是亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明属于微流控领域，目的在于提供一种无阀型往复式微泵用来高效率的泵送流体。

一种无阀型往复式微泵，其特征在于：包括进口管、上主管道、下主管道、竖直线弹性棒和水平线弹性棒，其中，上主管道和下主管道联接在一起组成需要泵送流体的“S”型主管道；下主管道（4）是由两个同心圆弧管道壁面所构成的，圆心角为直角，其中小圆弧内管壁面半径（r2）为200μm，大圆弧外管壁面半径（r1）为300μm；上主管道（1）是由两个同心圆弧管道壁面所构成的，圆心角为直角，其中小圆弧内管壁面半径（r2）为200μm，大圆弧外管壁面半径（r1）为300μm；水平线弹性棒与管道壁的连接点和下管道圆弧型管道壁面所确定的圆心的连线与竖直方向呈夹角β为45度，同样的，竖直线弹性棒也在与竖直方向夹角β为45度的位置，两根线弹性棒的长度为70μm；进口管的流体输入速度呈现周期性的正弦函数变化规律。竖直线弹性棒和水平线弹性棒的线弹性棒材料的杨氏模量为3.6×10⁵Pa，泊松比为0.5，密度为970kg/m³。进口管的入口速度为U=0.2×sin(2×π×t)m/s，其中π为圆周率常数，t为时间。

本发明使用商用有限元软件COMSOL Multiphysics作为模拟仿真软件，该软件是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真，用数学方法求解真实世界的物理现象。

本发明采用的技术方案是：在进口管处通入与正弦函数相关的周期性流体，流体通过进口管进入“S”型主管道中，由于流体方向周期性变化，使线弹性棒产生弯曲，对输入的流体产生一定的阻碍作用，从而影响到主管道中的净泵送流量。

本发明的优点在于：提供一种无阀型往复式微泵，相比于有阀型微泵克服了机械运动所带来的疲劳和摩擦损耗，同时克服了阀门附近的堵塞问题，大大提升了微泵的稳定性和可靠性；相比于其他无阀型微泵，本发明不需要外加电压驱动，不用考虑周期性输入流体的回流，同时体积小，成本低，泵送的流量控制稳定，可以在高频率下工作，抗干扰能力强，频率响应好，无噪声，便于大量生产。本发明可以较好的与生物、化学、医学等领域衔接，能生产应用于化学试剂分析、微流控芯片、医药输液系统等。

附图说明

图1 是本发明所述一种无阀型往复式微泵平面视图；其中，1：上主管道，2：进口管，3：水平线弹性棒，4：下主管道，5：竖直线弹性棒。

图2是在进口管流体输入速度U=0.2×sin(2×π×t)时，在时间T=0.24秒下流体在微泵中的运动状态仿真图。

图3是在进口管流体输入速度U=0.2×sin(2×π×t)时，在时间T=0.78秒下流体在微泵中的运动状态仿真图。

图4是在进口管流体输入速度U=0.2×sin(π×t)时，在时间T=0.5秒下流体在微泵中的运动状态仿真图。

图5是在进口管流体输入速度U=0.2×sin(π×t)时，在时间T=1.5秒下流体在微泵中的运动状态仿真图。

图6是在进口管流体输入速度U=2×0.2×sin(2×π×t)时，在时间T=0.24秒下流体在微泵中的运动状态仿真图。

图7是在进口管流体输入速度U=2×0.2×sin(2×π×t)时，在时间T=0.78秒下流体在微泵中的运动状态仿真图。

图8是当进口管流体输入速度分别为U=0.2×sin(2×π×t)和U=2×0.2×sin(2×π×t)时，方向从左至右的净泵送流量对比图。

图9是当进口管流体输入速度分别为U=0.2×sin(2×π×t)和U=0.2×sin(π×t)时，方向从左至右的净泵送流量对比图。

具体实施方式

一种无阀型往复式微泵，采用PDMS为材料，经过光刻、显影等工艺步骤制得SU8模具；然后将与固化剂混合过的PDMS材料涂于模具上，经过加热固化后脱模制得PDMS阴模；再将与固化剂混合过的PDMS材料涂于PC片上，再加热固化后脱模制得PDMS平板；按要求装配上线弹性棒，再将PDMS阴模与平板键合所得微结构即为所述微泵结构。

该微泵包括进口管、上主管道、下主管道、竖直线弹性棒和水平线弹性棒，其中，上主管道和下主管道联接在一起组成需要泵送流体的“S”型主管道，同时主管道的内管半径r2为200μm，主管道的外管半径r1为300μm；水平线弹性棒与管道壁的连接点和下管道圆心的连线与竖直方向呈夹角β为45度，同样地，竖直线弹性棒也在与竖直方向夹角β为45度的位置，两根线弹性棒的长度为70μm；进口管的流体输入速度为周期性的正弦函数，设置入口速度为0.2×sin(π×t)m/s，同样地，可根据不同需要调整入口速度。

通过在入口处输入周期性关于正弦函数的流量，带动主通道内的线弹性棒产生弯曲形变，进而对主管道中的流体产生不同程度的阻碍作用，使上下通道的流量发生变化，达到净泵送流量不断增加的泵送目标。

使用商用有限元软件COMSOL Multiphysics进行对结构模拟仿真，修改入口流速条件（振幅和频率）对其参数扫描，仿真结果如图2至图8所示，取从左至右的方向为正方向。

图2是在进口管流体输入速度U=0.2×sin(2×π×t)时，在时间T=0.24秒下流体在微泵中的运动状态仿真图，如图，当时间T=0.24秒时入口速度基本达到正向最大值，此时竖直线弹性棒受到流体阻力，发生远离管道壁方向的弯曲形变，竖直线弹性棒在径向的投影长度增加，同时，线弹性棒为了恢复竖直方向的形态，会阻碍流体继续向上主管道的流动；在下主管道中的水平线弹性棒由于受到流体的推动作用，向着底部的管道壁发生相对较小的弯曲形变，使得主管道中的流体能顺利地从下主管道泵送出去；正是因为竖直线弹性棒和水平线弹性棒向着不同方向变形，从而对输入的流体产生导向作用，使大部分流体流出了下主管道，仅有少部分流体从上主管道流出。

图3是在进口管流体输入速度U=0.2×sin(2×π×t)时，在时间T=0.78秒下流体在微泵中的运动状态仿真图，如图，当时间T=0.78秒时入口速度基本达到反向最大值，此时下主管道的水平线弹性棒受到流体阻力，发生远离管道壁方向的弯曲形变，水平线弹性棒在径向的投影长度增加，同时，线弹性棒为了恢复竖直方向的形态，会在一定程度上阻碍流体流回进口管；在上主管道中的竖直线弹性棒由于受到流体的推动作用，会顺着顶部的管道壁发生相对较小的弯曲形变，使得主管道中的流体流回进口管中；同样地，正是因为竖直线弹性棒和水平线弹性棒向着不同方向变形，从而对输入的流体产生导向作用，使大部分流体从上主管道流回了进口管中，仅有少部分流体从下主管道流回进口管。

图4是在进口管流体输入速度U=0.2×sin(π×t)，即控制入口速度的振幅不变，频率减少到原来的一半时，在时间T=0.5秒下流体在微泵中的运动状态仿真图，如图所示；在改变了入口条件后，与图2相比，流量的最大值并没有发生变化，但是流量变化到正向最大值所花费的时间由原来的0.24秒变为了0.5秒。

图5是在进口管流体输入速度U=0.2×sin(π×t)，即控制入口速度的振幅不变，频率减少到原来的一半时，在时间T=1.5秒下流体在微泵中的运动状态仿真图，如图所示；在改变了入口条件后，与图3相比，流量的最大值并没有发生变化，但是流量变化到正向最大值所花费的时间由原来的0.78秒变为了1.5秒。

图6是在进口管流体输入速度U=2×0.2×sin(2×π×t)，即控制入口速度的频率不变，速度振幅增加到原来的两倍时，在时间T=0.24秒下流体在微泵中的运动状态仿真图，如图所示；在改变了入口条件后，与图2相比，泵送流量的周期与U=0.2×sin(2×π×t)相同，同时主管道中流体速度的最大值从原来的0.2m/s变为0.4m/s，流体大部分从进口管流向下主管道中。

图7是在进口管流体输入速度U=2×0.2×sin(2×π×t)，即控制入口速度的频率不变，速度振幅增加到原来的两倍时，在时间T=0.78秒下流体在微泵中的运动状态仿真图，如图所示；在改变了入口条件后，与图3相比，泵送流量的周期与U=0.2×sin(2×π×t)相同，同样地，主管道中流体速度的最大值从原来的0.2m/s变为0.4m/s，流体大部分从上主管道流向进口管中。

取从左至右的流动方向为正方向，即进口管入口速度在正弦函数的前半个周期内，流体大部分从进口管流入下主管道中，极少部分流向上主管道中，由下主管道出口处的流量减去上主管道出口处的流量即是由左至右所泵送的净流量。

图8是进口管流体输入速度分别为U=2×0.2×sin(2×π×t)和U=0.2×sin(2×π×t)条件下泵送净流量的对比图，其中，U=0.2×sin(2×π×t)下泵送净流量以0.5秒的周期呈阶梯状的曲线变化，可以看出，此入口速度下的总泵送流量随着时间的增长不断增加；相比前者，在相同的时间内，入口速度为U=2×0.2×sin(2×π×t)条件下的总泵送流量比U=0.2×sin(2×π×t)条件下的净泵送流量多了近乎一倍；即当增加入口速度时，可以有效地增加净泵送流量。

图9是进口管流体输入速度分别为U=0.2×sin(2×π×t)和U=0.2×sin(π×t)条件下泵送净流量的对比图，同样地，U=0.2×sin(2×π×t)下泵送净流量以0.5秒的周期呈阶梯状的曲线变化，可以看出，此入口速度下的总泵送流量随着时间的增长不断增加；相比前者，U=0.2×sin(π×t)下泵送净流量以1秒的周期呈阶梯状的曲线变化；在相同的时间T=2秒下，入口速度分别为U=0.2×sin(2×π×t)和U=0.2×sin(π×t)下的净泵送流量相同，其中速度为U=0.2×sin(π×t)的流量曲线随时间变化较为缓慢，同时波动幅度相对较小。

综上，通过对入口流速的振幅和频率进行不同程度的调整，可以有效控制该微泵的净泵送流量，达到“零电压，低损耗，高效率”的泵送要求。

Claims

1.一种无阀型往复式微泵，其特征在于：包括进口管（2）、上主管道（1）、下主管道（4）、竖直线弹性棒（5）和水平线弹性棒（3），其中，上主管道（1）和下主管道（4）联接在一起组成需要泵送流体的“S”型主管道；下主管道（4）是由两个同心圆弧管道壁面所构成的，圆心角为直角，其中小圆弧内管壁面半径（r2）为200μm，大圆弧外管壁面半径（r1）为300μm；上主管道（1）是由两个同心圆弧管道壁面所构成的，圆心角为直角，其中小圆弧内管壁面半径（r2）为200μm，大圆弧外管壁面半径（r1）为300μm；水平线弹性棒（3）与管道壁的连接点和下管道圆弧型管道壁面所确定的圆心的连线与竖直方向呈夹角（β）为45度，同样的，竖直线弹性棒（5）也在与竖直方向夹角（β）为45度的位置，两根线弹性棒的长度为70μm；进口管（2）的流体输入速度呈现周期性的正弦函数变化规律。

2.根据权利要求1所述的一种无阀型往复式微泵，其特征在于：竖直线弹性棒（5）和水平线弹性棒（3）的线弹性棒材料的杨氏模量为3.6×10⁵Pa，泊松比为0.5，密度为970kg/m³。

3.根据权利要求1所述的一种无阀型往复式微泵，其特征在于：进口管（2）的入口速度为U=0.2×sin(2×π×t)m/s，其中π为圆周率常数，t为时间。