CN106593831B - 一种非接触式电磁微泵装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微流控制领域，特别涉及一种非接触式电磁微泵装置，包括：流体微流道，其中设置有待驱动溶液；第一电极微流道和第二电极微流道，与流体微流道平行，非接触地设置在流体微流道的两侧，分别连接至电源的两端；第一薄膜和第二薄膜，分别设置在第一、二电极微流道和流体微流道之间，具有微导电性；磁体，用于产生与第一电极微流道、流体微流道和第二电极微流道所在平面垂直的磁场，以使待驱动溶液沿着流体微流道运动。本发明的技术方案，通过与待驱动溶液非接触的电极微流道产生的电场及外加的正交磁场共同作用下产生的洛伦兹力，驱动待驱动溶液沿着流体微流道运动，实现了对待驱动溶液流速和流向的控制。

Description

一种非接触式电磁微泵装置

技术领域

本发明涉及微流控制领域，特别涉及一种非接触式电磁微泵装置。

背景技术

微流控芯片或芯片实验室是把生物领域涉及到的细胞培养、分选、裂解，或者化学等领域涉及到的样品制备、收集、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块很小的芯片上，由微流道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规的生物或化学实验室的各种功能。

微流控芯片具备将一个生物或化学实验室微缩到一块只有几平方厘米薄片上的能力，是本世纪一项重要的科学技术。微流控芯片的重要的特征之一就是对微流道网络中的流体进行操控，因此，微流体的驱动单元微泵的设计成为微流控芯片的关键技术。

微泵的驱动方式按泵内有无运动部件可以分为两类：一类是机械式驱动微泵，一类是非机械式驱动微泵。机械式微泵主要利用运动部件的运动来带动流体的流动，受被驱动流体的性质影响不大。但由于运动机械部件的存在，机械式微泵一般需要复杂的加工工艺，结构复杂。另外，由于涉及到运动部件，具有运行不稳定、不可靠、使用寿命短等缺点。机械式微泵一般包括气动、热气动式微泵、压电式驱动微泵、静电驱动微泵、电化学驱动微泵、形状记忆合金驱动微泵、超声波激发驱动微泵等。

而非机械式微泵系统内无运动部件，驱动力主要利用所驱动微流体自身的物理、化学性质，以及各类所已知的效应原理来实现工作。此类微泵驱动效果一般与被驱动流体的性质有关，适用的微流体有一定的范围限制，但由于不存在运动部件，故不需要复杂的加工工艺，结构简单、易于集成、可控性高、稳定性好，可以对微流体进行的连续泵送。非机械式微泵一般包括压力梯度、磁场梯度、浓度梯度、电位梯度和物理化学微泵等。

在非机械式微泵中，电驱动的微泵由于具有良好的可控性、操作方便等特点具有明显的优势。目前，在电驱动的方式中，电渗泵由于其兼具非机械式泵和电控泵的双重优点而得到了广泛的关注，然而，电渗驱动力受到双电层的影响，驱动力提高不容易，流量提高比较困难。因此，在以电为动力源的驱动方式中，电磁泵就显示出了相对的优势。

电磁泵是利用磁流体动力学(MHD，Magnetohydrodynamics)理论，借助正交的电场和磁场产生的洛伦兹力来驱动流道中导电、弱导电液体，甚至是去离子水。MHD理论在热核反应，驱动等离子体或者液态金属方面有很关键的应用。目前，微流控领域也开始利用MHD理论来进行微尺度的流体控制，外部施加的正交的电场和磁场矢量，直接与MHD微电磁泵的洛伦兹力正相关。这种电磁微泵的突出优势在于，一方面可以进行精准的局部控制，也就是说，不需要附加的设备就可以使微流控芯片中的流体在预定的流体路径中流动，因此借助洛伦兹力的方法对流体进行控制更加灵活，可以实现双向流动、加速、减速，甚至震荡流动。而且，流速既可以借助电场强度大小来控制，还可以借助于磁场强度来操控。另一方面，由于洛伦兹力是体积力，洛伦兹力产生的驱动力大小与体积相关，只要微流道尺寸不是特别小的情况下，一般都能实现较大的驱动力，且能实现均匀稳定的输出，制作简单，利于集成在微流系统中。

大型MHD泵一般用于驱动液态金属或者等离子体等带电粒子，并且电极和被驱动液体直接接触。微型MHD泵的研究也集中在以Si(硅，台湾、香港称矽)及其化合物为芯片制作材料的微流控芯片领域，半导体的Si及其化合物可以充当电极，与被驱动的导电液体直接接触。但是，由于Si及其化合物当做芯片材料的微流控芯片存在几点局限：首先，需要蚀刻等复杂的加工工艺。制作复杂，而且体积较大，集成度不高。其次，由于普通的MHD泵的电极和被驱动溶液直接接触，在施加电压情况下易发生水解反应，水解反应往往能够产生气泡，再次，普通微MHD泵中的电极材料通常采用金属铂，但是铂电极微加工需要复杂的制作工艺和较高的成本。铂电极通常分为铂薄膜和铂丝两种结构，薄膜通过沉积或溅射等制作工艺在微流道底部或者侧壁的基底材料上集成；铂丝通常以插入微流道储液槽的形式实现电极功能。无论是铂薄膜和铂丝都是与被驱动溶液直接接触的。在施加电压情况下易使被驱动流体产生电流焦耳热，改变微流系统的温度环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在电极材料与待驱动溶液非接触的条件下，借助电磁场，如何实现待驱动溶液沿着流体微流道运动。

针对上述问题，本发明提出了一种非接触式电磁微泵装置，包括：

流体微流道，其中设置有待驱动溶液，所述待驱动溶液包含导电粒子；

第一电极微流道，与所述流体微流道平行，非接触地设置在所述流体微流道的一侧，两端连接至第一电压；

第二电极微流道，与所述流体微流道平行，非接触地设置在所述流体微流道的另一侧，两端连接第二电压，其中，所述第二电压大于第一电压；

第一薄膜，设置在第一电极微流道和流体微流道之间，用于将第一电极微流道的正电荷传输至所述流体微流道；

第二薄膜，设置在第二电极微流道和流体微流道之间，用于将流体微流道的正电荷传输至所述第二电极微流道；

磁体，用于产生与第一电极微流道、流体微流道和第二电极微流道所在平面垂直的磁场，以使所述待驱动溶液沿着所述流体微流道运动。

优选地，所述流体微流道包括：

驱动段，设置在所述磁场中；

被驱动段，设置在所述磁场外，用于与外部电路连接。

优选地，所述第一电极微流道和第二电极微流道与所述流体微流道结构相同，对称分布在所述驱动段两侧，内部填充有液态金属。

优选地，所述驱动段长度大于被驱动段长度。

优选地，所述磁体为永磁铁或者电磁线圈。

优选地，所述第一电极微流道的一端设置有第一进液口，用于向第一电极微流道中导入液态金属；另一端设置有第一出液口，用于将第一电极微流道中的液态金属导出，

所述第一进液口和第一出液口连接至所述第一电压；

所述第二电极微流道的一端设置有第二进液口，用于向第二电极微流道中导入液态金属；另一端设置有第二出液口，用于将第二电极微流道中的液态金属导出，

所述第二进液口和第二出液口连接至所述第二电压。

优选地，所述流体微流道为直流道、S形流道、圆流道、环形流道或螺旋形流道。

优选地，所述液态金属为室温条件下呈液态的汞、金属镓或镓基合金。

优选地，所述的待驱动溶液为导电的强电解质溶液、弱电解质溶液或具有预设离子浓度的溶液。

优选地，所述装置设置在微流控芯片上，所述微流控芯片的制作材料为聚二甲基硅氧烷、玻璃或石英。

根据上述技术方案，通过与待驱动溶液非接触的电极微流道产生的电场及外加的正交磁场共同作用下产生的洛伦兹力，驱动待驱动溶液沿着流体微流道运动，实现了对待驱动溶液流速和流向的控制，由于电极材料与待驱动溶液非接触，一方面可以避免因电极材料与待驱动溶液接触而产生水解反应，避免产生气泡，减小焦耳热，另一方面减少了对待驱动溶液种类的限制，提高了待驱动溶液和电极材料的抗干扰能力，增强了微泵在运行过程中的稳定性。

附图说明

图1A为本发明一实施例提供的一种非接触式电磁微泵装置结构示意图；

图1B为本发明一实施例提供的一种非接触式电磁微泵装置中的流体微流道结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的一种非接触式电磁微泵装置结构示意图；

图3为本发明另一实施例提供的一种非接触式电磁微泵装置结构示意图；

图4为本发明另一实施例提供的一种非接触式电磁微泵装置结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1A所示，根据本发明一个实施例的一种非接触式电磁微泵装置，包括：

流体微流道1，其中设置有待驱动溶液，待驱动溶液包含导电粒子；

第一电极微流道2，与流体微流道1平行，非接触地设置在流体微流道1的一侧，两端连接至第一电压；

第二电极微流道3，与流体微流道1平行，非接触地设置在流体微流道1的另一侧，两端连接第二电压，其中，第二电压大于第一电压；

第一薄膜8，设置在第一电极微流道2和流体微流道1之间，用于将第一电极微流道2的正电荷传输至流体微流道1；

第二薄膜9，设置在第二电极微流道3和流体微流道1之间，用于将流体微流道1的正电荷传输至第二电极微流道3；

磁体10，用于产生与第一电极微流道2、流体微流道1和第二电极微流道3所在平面垂直的磁场，以使待驱动溶液沿着流体微流道1运动。

可以理解的是，第一薄膜8和第二薄膜9具有弱导电性，可以将第一电极微流道2的正电荷传输至流体微流道1，并将流体微流道1的正电荷传输至第二电极微流道3，因此，当微泵接通电源后，流体微流道1内部会存在垂直于流体微流道方向的电场，同时，放置在流体微流道1与第一电极微流道2、第二电极微流道3所在平面上下两侧的永磁铁产生垂直于所在平面方向的磁场，在正交的电磁场的作用下，流体微流道1内部会产生沿流道方向的洛伦兹力，用于驱动流体微流道1内的待驱动溶液流动。

可选择地，第一电压和第二电压的方向及大小是可以调整的，通过调整所述电压的方向及大小即可改变流体微流道1内待驱动溶液流速和流向。

例如，当第一电压大于第二电压，电场方向为由第一电极微流道2指向第二电极微流道3，此时如果外加磁场方向为垂直于流体微流道1与第一电极微流道2、第二电极微流道3所在平面向下，则根据左手定则，流体微流道1内部产生沿着流道方向向右的洛伦兹力，此时待驱动溶液沿着流体微流道1向右流动；同理，当第一电压小于第二电压，在外加磁场方向不变的情况下，根据左手定则，此时待驱动溶液沿着流体微流道1向左流动。

可选择地，磁体10的磁场方向是可以调整的，通过调整磁体10的磁场方向即可改变流体微流道1内待驱动溶液的流向。

例如，当第一电压大于第二电压，此时电场方向为由第一电极微流道2指向第二电极微流道3，如果外加磁场方向为垂直于流体微流道1与第一电极微流道2、第二电极微流道3所在平面向下，则根据左手定则，流体微流道1内部产生沿着流道向右的洛伦兹力，此时待驱动溶液沿着流体微流道1向右流动；同理，当外加磁场方向相反，在外加电场方向不变的情况下，根据左手定则，此时待驱动溶液沿着流体微流道1向左流动。

可选择地，磁体10的数量是可以调整的，磁场可以由一整体的上下磁体10产生，或分别由1～100个分散的磁体10组成，通过调整磁体10的数量即可改变流体微流道1内待驱动溶液的流速。

例如，增加磁体10的数量，此时流体微流道1所在的磁场强度增大，从而增大了待驱动溶液所受洛伦兹力，待驱动溶液流速加快。

可选择地，第一薄膜8在流体微流道1和第一电极微流道2之间的宽度，及第二薄膜9在流体微流道1和第二电极微流道3之间的宽度是可以调整的，通过调整所述宽度，可以改变流体微流道1上的电压，进而改变流体微流道1内部的电场强度，从而改变了流体微流道1内待驱动溶液的流速。

例如，减小第一薄膜8在流体微流道1和第一电极微流道2之间的宽度，及第二薄膜9在流体微流道1和第二电极微流道3之间的宽度，可以降低第一薄膜8和第二薄膜9的电阻，从而增大了流体微流道1上的电压，流体微流道1内部的电场强度增强，待驱动溶液所受洛伦兹力增大，待驱动溶液流速加快。

由上述技术方案可知，通过与待驱动溶液非接触的电极微流道产生的电场及外加的正交磁场共同作用下产生的洛伦兹力，驱动待驱动溶液沿着流体微流道运动，实现了对待驱动溶液流向的控制，由于电极材料与待驱动溶液非接触，一方面可以避免因电极材料与待驱动溶液接触而产生水解反应，避免产生气泡，减小焦耳热，另一方面减少了对待驱动溶液种类的限制，提高了待驱动溶液和电极材料的抗干扰能力，增强了微泵在运行过程中的稳定性。

另外，由于外加电场强度及方向、外加磁场强度及方向、第一薄膜宽度、第二薄膜宽度皆可调，本发明提供的非接触式电磁微泵装置可以实现对待驱动溶液流速及流向的精准驱动及控制，灵活性较高。

如图1B所示，优选地，流体微流道1包括：

驱动段11，设置在磁场中；

被驱动段12，设置在磁场外，用于与外部电路连接。

将流体微流道1分为驱动段11及被驱动段12，且只将驱动段11设置在磁场中，驱动段11内的待驱动液在洛伦兹力的作用下沿着流体微流道1运动，而被驱动段12内的待驱动液在惯性的作用下流入或流出流体微流道1，这样第一电极微流道2与第二电极微流道3只需要在驱动段11两侧产生电场，而不需要在整个流体微流道1的两侧产生电场，可以节省电极材料。

优选地，第一电极微流道2和第二电极微流道3与流体微流道1结构相同，对称分布在驱动段11两侧，内部填充有液态金属。

由于第一电极微流道2和第二电极微流道3与流体微流道1结构相同，可采用微加工制作的方法同步制成。所述的微加工制作工艺优先选择常规的软刻蚀技术，通过同一掩膜，同步地刻蚀出的流体微流道1和第一电极微流道2、第二电极微流道3，于是流体微流道1和第一电极微流道2、第二电极微流道3等高、共面且非接触。所述的流体微流道1和第一电极微流道2、第二电极微流道3微加工制作工艺简单易操作、成本较低。

本发明中，电极微流道对称分布在流体微流道驱动段两侧的有益效果是：提供垂直于流体微流道方向的电流，在正交于电流和流体微流道方向的磁场作用下，提供始终沿流体微流道方向的安培驱动力(安培力是洛伦兹力的宏观体现)。

优选地，第一电极微流道2和流体微流道1之间的第一薄膜8和第二电极微流道3与流体微流道1之间的第二薄膜9在微加工过程中同步成型，这样无需增加额外的制作步骤。

另外，由于本发明提供的非接触式电极微泵装置，电极微流道内部填充液体金属作为电极材料，与常规的固态电极电磁驱动相比该液态电极电磁泵制作简单，利于集成在微流系统中。

优选地，驱动段11长度大于被驱动段12长度。

由于驱动段11设置在外加电磁场中，且洛伦兹力是体积力，驱动力的大小与体积大小成正比，驱动段11长度大于被驱动段12长度，相当于增大了驱动段11内待驱动溶液所受的洛伦兹力，流速加快。

可选择地，驱动段11与被驱动段12的长度比例可根据实际需要进行调整，以改变驱动段11内待驱动溶液所受洛伦兹力的大小，进而控制待驱动溶液的流速。

优选地，所述磁体为永磁铁或者电磁线圈。

可以理解的是，电磁线圈磁性的有无，可以由通断电来控制，磁性的强弱可以由电流大小来改变，磁极方向可以由电流的方向来决定，通过改变加载在电磁线圈的电流大小及方向即可方便地改变磁场强度大小及方向。

如果选择永磁铁作为磁体，可以通过增加或减少永磁铁的数量来改变磁场强度大小，通过改变永磁铁南北磁极的放置方向来改变磁场方向。

优选地，第一电极微流道2的一端设置有第一进液口4，用于向第一电极微流道2中导入液态金属；另一端设置有第一出液口5，用于将第一电极微流道2中的液态金属导出，

第一进液口4和第一出液口5连接至第一电压；

第二电极微流道3的一端设置有第二进液口6，用于向第二电极微流道3中导入液态金属；另一端设置有第二出液口7，用于将第二电极微流道3中液态金属导出，

第二进液口6和第二出液口7连接至所述第二电压。

利用液态金属的流动性，可以采用注射的方法将液态金属从进液口4注入第一电极微流道2，注射过程中多余液态金属从出液口5溢出；从进液口6注入第二电极微流道3，注射过程中多余液态金属从出液口7溢出。进液口4和出液口5、进液口6和出液口7引出金属导线后，进液口4和出液口5、进液口6和出液口7连接处用胶水封装。优选地，胶水采用透明电绝缘硅胶或者聚二甲基硅氧烷硅油。所述注射液态金属方法操作简便，形成的微电极导电性能稳定，结构易于控制。液态金属注射装置一般采用微量注射泵或普通的微量注射器。

优选地，流体微流道1为直流道、S形流道、圆流道、环形流道或螺旋形流道。

需要说明的是，流体微流道1也可以为除了直流道、S形流道、圆流道、环形流道或螺旋形流道外的其他各种能让待驱动溶液在其中流动的形状。

如图2所示的一种非接触式电磁微泵装置，与图1所示的微泵装置结构基本相同，主要区别在于流体微流道1和第一电极微流道2、第二电极微流道3为S形流道。

微泵是集成在微流控芯片上的，这样设置流道可以保证相同微流控芯片外部长度的情况下，驱动段的长度较长，由于增加溶液流道驱动段的长度相当于增加流道两侧电极微流道间的横截面积，也就相当于减小了电极微流道之间的电阻，在电压不变的情况下会增加电流值，从而增强流体微流道内的安培驱动力(安培力是洛伦兹力的宏观体现)。

如图3所示的一种非接触式电磁微泵装置，与图1所示的微泵装置结构基本相同，主要区别在于流体微流道1和第一电极微流道2、第二电极微流道3为环形流道，同时，采用一对中间带孔的环形永磁铁(图中未示出)产生磁场，流体微流道1的一端通过环形永磁铁的中间空隙与外界相连，另一端直接与外界相连。设置这样的环形流道，一方面有助于减小流阻，另一方面，可以通过增加环形流道环数，以保证在相同面积的微流控芯片下，制作较长的驱动段，从而增强对待驱动溶液的驱动力。

如图4所示的一种非接触式电磁微泵装置，与图3所示的微泵装置结构基本相同，主要区别在流体微流道1的两端都设置在磁场以外的区域，磁体(图中未示出)的形状不受限制，既可以采用不带孔的环形磁体，也可以采用方形磁体等，同时，这样设置流体微流道1和第一电极微流道2、第二电极微流道3对于微流控芯片的集成非常有益。

优选地，液态金属为室温条件下呈液态的汞、或金属镓、或镓基合金。

优选地，采用室温条件下液态的镓基合金为镓铟合金或镓铟锡合金，该合金无毒，无污染，熔点可调。

优选地，所述的待驱动流体为可导电或弱导电的流体。

可选择地，可导电或弱导电的流体为强电解质溶液、弱电解质溶液或液态金属。

可选择地，强电解质溶液为不腐蚀流体微流道的强酸溶液、强碱溶液或者是NaCl、KCl等大部分可溶盐溶液。

可选择地，弱电解质包括弱酸、弱碱、离子浓度较低的盐溶液。

可见，由于本发明提供的微泵装置电极材料与待驱动溶液非接触，相比接触式微泵装置，减少了对待驱动溶液种类的限制。

优选地，所述装置设置在微流控芯片上，所述微流控芯片的制作材料为聚二甲基硅氧烷、玻璃、或石英。

现有技术中通常以Si(硅，台湾、香港称矽)及其化合物为微流控芯片制作材料，需要蚀刻等复杂的加工工艺，制作复杂，而且体积较大，集成度不高，而本发明选用聚二甲基硅氧烷、玻璃或石英作为微流控芯片的制作材料，加工简单、成本较低、易于集成。

综上，本发明提供的一种非接触式电磁微泵装置，通过与待驱动溶液非接触的电极微流道产生的电场及外加的正交磁场共同作用下产生的洛伦兹力，驱动待驱动溶液沿着流体微流道运动，实现了对待驱动溶液流向的控制，由于电极材料与待驱动溶液非接触，一方面可以避免因电极材料与待驱动溶液接触而产生水解反应，避免产生气泡，减小焦耳热，另一方面减少了对待驱动溶液种类的限制，提高了待驱动溶液和电极材料的抗干扰能力，增强了微泵在运行过程中的稳定性。

另外，由于流体微流道和第一电极微流道、第二电极微流道的形状、外加电场强度及方向、外加磁场强度及方向、第一薄膜宽度、第二薄膜宽度皆可调，本发明提供的非接触式电磁微泵装置可以实现对待驱动溶液流速及方向的精准驱动及控制，灵活性较高。

在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非接触式电磁微泵装置，其特征在于，包括：

流体微流道，其中设置有待驱动溶液，所述待驱动溶液包含导电粒子；

第一电极微流道，与所述流体微流道平行，非接触地设置在所述流体微流道的一侧，两端连接至第一电压；

第二电极微流道，与所述流体微流道平行，非接触地设置在所述流体微流道的另一侧，两端连接第二电压，其中，所述第二电压大于第一电压；

第一薄膜，设置在第一电极微流道和流体微流道之间，用于将第一电极微流道的正电荷传输至所述流体微流道；

第二薄膜，设置在第二电极微流道和流体微流道之间，用于将流体微流道的正电荷传输至所述第二电极微流道；

磁体，用于产生与第一电极微流道、流体微流道和第二电极微流道所在平面垂直的磁场，以使所述待驱动溶液沿着所述流体微流道运动。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体微流道包括：

驱动段，设置在所述磁场中；

被驱动段，设置在所述磁场外，用于与外部电路连接。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一电极微流道和第二电极微流道与所述流体微流道结构相同，对称分布在所述驱动段两侧，内部填充有液态金属。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述驱动段长度大于被驱动段长度。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁体包括永磁铁和电磁线圈。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一电极微流道的一端设置有第一进液口，用于向第一电极微流道中导入液态金属；另一端设置有第一出液口，用于将第一电极微流道中的液态金属导出，

所述第一进液口和第一出液口连接至所述第一电压；

所述第二电极微流道的一端设置有第二进液口，用于向第二电极微流道中导入液态金属；另一端设置有第二出液口，用于将第二电极微流道中的液态金属导出，

所述第二进液口和第二出液口连接至所述第二电压。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体微流道为直流道、S形流道、圆流道、环形流道或螺旋形流道。

8.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述液态金属为室温条件下呈液态的汞、金属镓或镓基合金。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的待驱动溶液为导电的强电解质溶液、弱电解质溶液或液体金属。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置设置在微流控芯片上，所述微流控芯片的制作材料为聚二甲基硅氧烷、玻璃或石英。