CN109139406A - 一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开微电子机械系统领域中用于泵送微流体的一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置与方法，热驱动微泵由一个液体流入微阀、6个液体流动微阀和一个液体流出微阀这8个微阀组成；将进液管、液体流动区及出液管结合为一体，在加热电阻附近设有温度传感器，实时检测热驱动微泵内部不同位置的温度并反馈给微控制器，利用加热产生的气体膨胀力及材料之间的形变作为驱动力，通过对各个部件循环加热的方式输送液体，实现了热能与机械能之间的转换，能提供较大的驱动力，在较低的驱动电压下获得较大的膜片变形，提高了热能与机械能之间的转换效率，可以提供平稳的流量，有效克服了微泵的脉动现象。

Description

一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置与方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统领域，涉及基于微流控技术的热驱动微泵实验装置与方法，是一种用于泵送微流体的输送装置。

背景技术

微电机又称为微泵，是微流体输送的动力源，作为一种重要的微型执行部件，微泵可以广泛应用于药物输送、血液运输、DNA合成、微全分析系统及微型燃料电池等领域。微泵主要可分为压电驱动微泵、静电驱动微泵、电液动力微泵和电渗驱动微泵等等。上述驱动方式各具不同的优点，然而也具有各自的不足。例如压电驱动型微泵的驱动电压偏高；静电驱动型微泵的驱动力较小，形变位移较小；电液动力型微泵只适用于输送高介电常数和低粘度的流体；电渗驱动型微泵存在流量小、易受外界干扰的问题。

与其他各种微泵的驱动方式相比，基于热驱动方式的微泵具有优良的力学特性，能够提供足够大的动力和位移且响应速度适中、可靠性好。目前基于热驱动方法的微泵，如中国专利申请号200920218978.X的文献中提出的无阀热驱动泵，存在压电材料制备工艺复杂、驱动电压高、流量脉动大及流动效率低的问题，且组成结构较为复杂，这些不足将会大大限制热驱动微泵在微流体输送领域的广泛使用。

发明内容

本发明的目的是针对目前热驱动微泵所存在的流动效率低、流量脉动大且结构复杂等缺陷，提出一种驱动电压低、流动效率高、能有效克服脉动现象的基于微流控技术的热驱动微泵实验装置及该实验装置的实验方法。

本发明一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置采用的技术方案是：具有一个热驱动微泵，热驱动微泵由一个液体流入微阀、6个液体流动微阀 和一个液体流出微阀这8个微阀组成，每个微阀最外部是一个阀体，8个阀体紧密贴合构成完整圆柱体形状的热驱动微泵，每个阀体均是扇体结构且各占圆柱体的八分之一；液体流入微阀的阀体内部设有连接第一进液孔和第二进液孔的中型固定管，中型固定管内设有第一个第一加热电阻、第一温度传感器以及能控制第一进液孔和第二进液孔开和关的第一热控液体开关；液体流入微阀和每个液体流动微阀的阀体的内壁上均各设有第二加热电阻和第二温度传感器；液体流入微阀和液体流出微阀的阀体的两个矩形垂直侧壁上均各固定嵌有一个第二热控液体开关，第二热控液体开关打开和关闭液体流入微阀和液体流出微阀与顺时针和逆时针方向上的相邻两个液体流动微阀2之间的液体流动；每个液体流动微阀 的阀体内均各嵌有一个第三热控液体开关，第三热控液体开关能打开和关闭进入液体流动微阀 的阀体内液体流动；液体流出微阀的阀体内部设有连接出液管的小型固定管，小型固定管上设有第二个第一加热电阻、第一温度传感器以及能打开和关闭出液管的第四热控液体开关；第一、第二加热电阻和第一、第二温度传感器均连接微控制器。

进一步地，液体流入微阀在液体流出微阀的径向正对面，相对于热驱动微泵的中心轴对称，在液体流入微阀和液体流出微阀之间，沿顺时针和逆时针方向各布置每组3个液体流动微阀，两组液体流动微阀相对于热驱动微泵的中心轴对称。

进一步地，中型阻液管由绝热材料制成，其内开有上下两个进液孔，上方的第一进液孔串接在第一进液管上，下方的第二进液孔串接在第二进液管上；第一热控液体开关由一个中型阻液管、一个上伸缩管和一个下伸缩管，中型阻液管固定镶嵌在中型固定管的正中间，上伸缩管在第一进液孔的正上方，下伸缩管在第二进液孔的正下方，靠近上伸缩管、下伸缩管处各设第一个第一温度传感器和第一个第一加热电阻，上伸缩管的下端是自由端，下伸缩管的上端是自由端，第一加热电阻加热后，上伸缩管的自由端向下伸长，其外壁与第一进液孔的内壁相匹配地贴合，关闭第一进液孔，下伸缩管的自由端向上伸长，其外壁与第二进液孔的内壁相匹配地贴合，从闭第二进液孔。

进一步地，第三热控液体开关的外形与阀体的内腔相匹配，由上方的中型导热管、中间的中型恒温块和下方的第二空隙连接组成，中型导热管内部充满由氮气组成的热敏气体，热敏气体受热膨胀推动中型导热管和中型恒温块向下运动，堵住第二空隙。

进一步地，小型固定管的正中间是出液孔，出液孔串接在出液管上；小型固定管上设有第四热控液体开关，第四热控液体开关由小型伸缩管和小型阻液管组成，出液孔正上方是小型伸缩管，正下方是小型阻液管，小型伸缩管下端是自由端，在贴近小型伸缩管的位置设有第二个第一温度传感器和第二个加热电阻。

本发明所述的一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置的实验方法采用的技术方案是包括如下步骤：初始状态，微控制器控制第一热控液体开关打开，第二、第三、第四热控液体开关均关闭，其特征是包括如下步骤：

步骤1：将一种液体从第一进液管或第二进液管添加到液体流入微阀中，微控制器控制中型固定管中的第一加热电阻加热，关闭第一热控液体开关；

步骤2：微控制器停止对液体流入微阀内的第二加热电阻的加热，打开第二热控液体开关，并控制靠近液体流入微阀逆时针或者顺时针单方向上的第一个液体流动微阀内的第二加热电阻停止加热，打开该第一个液体流动微阀；

步骤3：微控制器控制液体流入微阀内的第二加热电阻不停地加热和停止，使液体流入微阀内的第二热控液体开关往复地产生开和关运动，促使液体单向流入第一个液体流动微阀中；

步骤4：微控制器控制单向上的第二个液体流动微阀开启，使第一个液体流动微阀内的第三热控液体开关往复地产生开和关运动，促使液体单向流入第二个液体流动微阀中；同理，能促使液体单向流入第三个液体流动微阀中和流入到液体流出微阀；

步骤5：微控制器控制液体流出微阀中的第四热控液体开关打开，液体从出液管流到外界，完成液体单向流动。

本发明所述的一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置的实验方法采用的另一个技术方案是：初始状态，微控制器控制第一热控液体开关打开，第二、第三、第四热控液体开关均关闭，包括如下步骤：

步骤1：将两种不同种类的液体分别经第一进液管和第二进液管添加到液体流入微阀中，关闭第一热控液体开关；

步骤2：微控制器控制靠近液体流入微阀逆时针或顺时针方向的第一个液体流动微阀开启，控制液体流入微阀内的第二加热电阻不停地加热和停止，促使液体从液体流入微阀向第一个液体流动微阀中流动；

步骤3：微控制器控制第二热控液体开关开启和第一个液体流动微阀内的第二加热电阻进行循环加热和停止加热，促使液体从第一个液体流动微阀又通过第二热控液体开关返流到液体流入微阀中；如此重复地使两种不同种类液体在液体流入微阀和第一个液体流动微阀之间来回流动，均匀混合；

步骤4：重复步骤2-3， 使添加的两种不同种类液体先在第一个液体流动微阀和第二个液体流动微阀之间来回流动，再在第二个液体流动微阀和第三个液体流动微阀之间来回流动，最后在第三个液体流动微阀和液体流出微阀之间来回流动，多次充分地均匀混合；

步骤5：微控制器控制液体流出微阀中的第四热控液体开关打开，均匀混合好的液体从出液管流出。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

（1）本发明利用加热产生的气体膨胀力及材料之间的形变作为驱动力，实现了热能与机械能之间的转换。通过合理布置的温度传感器和加热电阻的位置，能提供较大的驱动力，并可在较低的驱动电压下获得较大的膜片变形，提高了热能与机械能之间的转换效率，有效的利用了能源。

（2）本发明所述的实验装置将进液管、液体流动区及出液管结合为一体，整体呈圆柱体结构，极大的减小了热驱动微泵的体积，便于携带和使用。通过对微泵内的各个部件的合理布局，缩短了液体在微泵内流动所需的距离，提高了微泵的流动效率。

（3）本发明所述的实验装置，可以采用微加工、微机械技术相兼容的材料和工艺制造，制作简单，易于集成且成本低，便于大规模生产。

（4）本发明所述的实验方法，以微控制器为核心，通过对各个部件循环加热的方式输送液体，可以提供平稳的流量，有效的克服了微泵的脉动现象。

（5）本发明所述的实验装置，选用电阻式加热电路，并加以相应的电阻驱动模块进行控制，电路功率稳定，响应速度快。在微控制器的控制下选用合理的闭环控制算法，使加热电阻在工作时温度波动小，易于保持热驱动微泵工作状态的稳定。

（6）本发明所述的实验装置，在加热电阻附近设有温度传感器，能够实时地检测热驱动微泵内部不同位置的温度，并反馈给微控制器，可在微控制器的作用下实现对热驱动微泵内部温度的闭环控制，提高了热驱动微泵的工作效率。

（7）本发明所述的实验方法，在微控制器的控制下可以分别实现液体单向流动和液体均匀混合功能，适合于不同的应用场合，可满足不同的应用需求。

（8）本发明所述的实验方法，以微控制器作为控制核心，通过触摸屏来进行显示和操作，具有良好的人机交互性。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置的总体结构示意图；

图2是图1中热驱动微泵32的俯视结构示意图；

图3是图1中热驱动微泵32的结构放大示意图；

图4是图3中液体流入微阀31的结构示意图；

图5是图4中的中型固定管50的内部结构以及与进液管的连接结构放大示意图；

图6是图4中第二热控液体开关34的结构放大示意图；

图7是图3中单个液体流动微阀2的结构放大示意图；

图8是图3中液体流出微阀5的结构放大示意图；

图9是图8中液体流出微阀5内部的小型阻液管20的结构以及与出液管49的连接结构放大示意图；

图10是图1中微控制器模块16的内部结构放大示意图；

图11是本发明所述的热驱动微泵实验装置工作时实现液体单向流动功能的流程图；

图12是本发明所述的热驱动微泵实验装置工作时实现液体均匀混合功能的流程图。

附图中各部件的序号和名称：

1.第一热控液体开关；2.液体流动微阀；3.第四热控液体开关；5液体流出微阀；6.导线；7.连接孔；8.阀体；11.加热电阻驱动模块；15.触摸屏；16.微控制器模块；17.微控制器；18.电池；19.中型阻液管；20.小型阻液管；28.第三热控液体开关；29.第一空隙；30.第二空隙；31.液体流入微阀；32.热驱动微泵；33.第二加热电阻；34.第二热控液体开关；36.小钢珠；37.微型导热管；38.热敏气体腔；39.柱状恒温块；41.中型导热管；42.中型恒温块；43.第二温度传感器；44.第一进液管；45.第一温度传感器；46.第一加热电阻；47.第二进液管；49.出液管；50.中型固定管；51.上伸缩管；52.下伸缩管；53.小型固定管；54.小型伸缩管；55.第一进液孔；56.第二进液孔；57.出液孔。

具体实施方式

参见图1，本发明所述的一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置由热驱动微泵32和微控制器模块16这两个模块组合而成。热驱动微泵32和微控制器模块16均为独立模块可自由放置在水平面上，这两个模块之间通过多根导线6进行连接。热驱动微泵32的侧壁上具有两个进液管和一个出液管49，两个进液管分别是结构相同的第一进液管44和第二进液管47，第一进液管44和第二进液管47上下布置，用于分别向热驱动微泵32的内部添加两种不同种类的液体。出液管49在两个进液管的对面，用于经热驱动微泵32混合均匀后的液体的流出。热驱动微泵32的整个工作过程都由微控制器模块16进行控制，根据不同的设置可实现液体单向流动或液体均匀混合功能。

参见图2 和图3，热驱动微泵32整体呈圆柱状，由一个液体流入微阀31、6个液体流动微阀 2和一个液体流出微阀5这8个微阀组成。液体流入微阀31、6个液体流动微阀2和液体流出微阀5这8个微阀的每个微阀均占圆柱状的八分之一分，各占有热驱动微泵32的八分之一的体积。每个微阀的最外部是一个阀体8，每个阀体8的横截面均是相同的扇形，每个阀体8均呈扇体结构，每个阀体8的垂直高度均相等，外形尺寸相同。8个阀体8中相邻两个阀体8的垂直的矩形外侧面紧密贴合，相互之间紧密排列，构成一个完整的圆柱体。其中，液体流入微阀31在液体流出微阀5的径向正对面，相对于热驱动微泵32的中心轴对称，在液体流入微阀31和液体流出微阀5之间，沿顺时针和逆时针方向各布置3个液体流动微阀2，即6个液体流动微阀2分两组，每组3个，两组液体流动微阀2相对于热驱动微泵32的中心轴对称。

每个阀体8的垂直外侧面上均涂抹有一层均匀的绝热涂料，用于隔离相邻微阀之间传导过来的热量，使相邻两个微阀的之间的工作状态相互独立、互不影响。

参见图3，其中，第一进液管44和第二进液管47位于液体流入微阀31的阀体8中心偏上布置，第一进液管44和第二进液管47从液体流入微阀31的阀体8外向内伸入，且由外而内向下倾斜，便于添加的液体流入到液体流入微阀31内。出液管49位于液体流出微阀5的阀体8中心偏下布置，从液体流入微阀31的阀体8内向外伸出，且由内而外向下倾斜，便于混合液体的流出。

在添加液体时，只需通过注射泵单独向第一进液管44或第二进液管47添加一种液体或同时向第一进液管44和第二进液管47添加两种不同种类的液体，在微控制器模块16的控制下，通过热驱动微泵32完成液体单向流动或液体均匀混合功能，最后混合后的液体通过出液管49流出到外界。

参见图4、图5和图6所示的液体流入微阀31的结构。在液体流入微阀31的阀体8内部设有中型固定管50，中型固定管50上下垂直布置，呈长方体空心结构，由绝热材料PDMS材料制成，固定连接在阀体8的内壁上，并且尽量靠近第一进液管44和第二进液管47。在中型固定管50的外表面上涂抹有一层均匀的绝热涂料，用于隔离阀体8内部传导过来的热量，使之免受影响。

在中型固定管50内开有上下两个进液孔，分别是第一进液孔55和第二进液孔56，一个进液孔串接在一个伸入在阀体8内部的进液管上，上方的第一进液孔55串接在第一进液管44上，下方的第二进液孔56串接在第二进液管47上；即第一进液管44在第一进液孔55处先断开后再串接第一进液孔55，第二进液管47在第二进液孔56处先断开后再串接第二进液孔56，这样，从第一进液管44、第二进液管47进入阀体8的液体，会先经过对应的第一进液孔55、第二进液孔56流出中型固定管50，再进入对应的第一进液管44、第二进液管47中。

在中型固定管50上设有第一热控液体开关1，用来控制两个进液孔的开和关。热控液体开关1相对于中型固定管50的中心上下对称布置。第一热控液体开关1由一个中型阻液管19、一个上伸缩管51和一个下伸缩管52组成。其中，中型阻液管19固定镶嵌在中型固定管50的正中间，也位于第一进液孔55和第二进液孔56之间的正中间，中型阻液管19由绝热材料PDMS制成，呈长方体实心结构，四周侧壁与中型固定管50的内壁紧密贴合。上伸缩管51在第一进液孔55的正上方，下伸缩管52在第二进液孔56的正下方，上伸缩管51和下伸缩管52相对中型阻液管19上下对称布置，均嵌在中型固定管50内部。在靠近上伸缩管51、下伸缩管52处各装一个第一温度传感器45和一个第一加热电阻46，温度传感器45和加热电阻46固定在阀体8的内壁上，并且通过导线连接外部的微控制器模块16。上伸缩管51和下伸缩管52整体由硅胶材料制成，呈长方体实心结构。上伸缩管51的下端是自由端，其余面均固定在中型固定管50的内壁上。下伸缩管52的上端是自由端，其余面均固定在中型固定管50的内壁上。

第一加热电阻46用以加热上伸缩管51和下伸缩管52所在区域的温度，从而使热量传导到上伸缩管51和下伸缩管52。在上伸缩管51和下伸缩管52受热时，因中型阻液管19整体由PDMS绝热材料制成，故中型阻液管19不受热，几乎不发生形变，但上伸缩管51和下伸缩管52均由导热的硅胶材料制成，故会产生形变，上伸缩管51受热时，非固定的自由端则向下伸长，穿过正下方的第一进液孔55后与中型阻液管19相贴合，上伸缩管51的外壁与第一进液孔55的内壁相匹配，相互贴合在一起，从而关闭第一进液孔55，阻止第一进液管44中的液体进一步流入到液体流入微阀31的阀体8中。同理，下伸缩管52的非固定的自由端则向上伸长，穿过正上方的第二进液孔56后与中型阻液管19相贴合，下伸缩管52的外壁与第二进液孔56的内壁相匹配，相互贴合在一起，从而关闭第二进液孔56，阻止第二进液管47中的液体进一步流入到液体流入微阀31的阀体8中。反之，当上伸缩管51和下伸缩管52受冷时，上伸缩管51和下伸缩管52复位，第一进液孔55和第二进液孔56打开，液体流入到液体流入微阀31中。因此，通过第一加热电阻46的工作与不工作，可以允许或阻止液体的流入，如此实现第一热控液体开关控制两个进液孔的开和关的功能。

在第一进液管44和第二进液管47内部均匀分布有多颗小钢珠36，用以缓冲流入的液体，尽可能确保添加的液体均匀流入到液体流入微阀31的阀体8内。

参见图4，在液体流入微阀31的阀体8的上、下表面的内壁上均贴有多个第二加热电阻33和第二温度传感器43，第二加热电阻33用于对阀体8内部加热，第二温度传感器43用于检测阀体8内部的温度。第二加热电阻33和第二温度传感器43均通过导线连接外部的微控制器模块16。

在液体流入微阀31的阀体8的两个垂直矩形侧壁上各固定嵌有一个第二热控液体开关34，两个第二热控液体开关34均呈矩形，结构相同且布置在液体流入微阀31的阀体8的两个矩形侧壁上的位置相同。第二热控液体开关34用于打开和关闭液体流入微阀31与其沿顺时针和逆时针方向上的相邻两个液体流动微阀2之间液体流动。

参见图6，第二热控液体开关34由从上至下的微型导热管37柱状恒温块39和第一空隙29这三个部分依次连接组成。微型导热管37由硅胶材料制成，整体呈长方体空心结构并且被均匀分成一行几个较小的热敏气体腔38，每个热敏气体腔38都是长方体空心结构，并且里面充满了氮气。柱状恒温块39由绝热的PDMS材料制成，为长方体实心结构并且也被均匀的分成了一行几个小的长方体实心结构，与上方的热敏气体腔38一一对应。在柱状恒温块39的正下方的第一空隙29连通液体流入微阀31和与其相邻的两个液体流动微阀2的阀体8，液体可以通过第一空隙29从液体流入微阀31中流入到液体流动微阀2中。

当第二加热电阻33工作，液体流入微阀31的阀体8内部温度升高后，第二热控液体开关34受热，热敏气体腔38中的氮气会膨胀，从而推动微型导热管37向下伸长，进而推动柱状恒温块39向下运动堵住第一空隙29，阻止液体经过第一空隙29，以完成第二热控液体开关34的关闭功能，关闭液体从液体流入微阀31向相邻的那个液体流动微阀2中流动。反之，在第二热控液体开关34冷却时，柱状恒温块39向上运动，打开第一空隙29，液体能流经第一空隙29流动，使第一空隙29贯通相邻两个液体流动微阀2，完成第二热控液体开关34的打开功能。

参见图7，6个液体流动微阀 2的结构完全相同，每个液体流动微阀2的阀体8的上、下表面的内壁上均贴有多个第二加热电阻33和第二温度传感器43，第二加热电阻33用于对液体流动微阀2的阀体8内部的加热，第二温度传感器43用于检测阀体8内部的温度，并且第二加热电阻33和第二温度传感器43均连接外部的微控制器模块16。

在每个液体流动微阀 2的阀体8内均各嵌有一个第三热控液体开关28，能打开和关闭进入液体流动微阀 2的阀体8内液体流动。第三热控液体开关28与图2中液体流入微阀31上的第二热控液体开关34的工作原理完全相同，所不同的仅是第三热控液体开关28的外形与液体流动微阀 2的阀体8的内腔相匹配，呈八分之一圆柱体。第三热控液体开关28由上方的中型导热管41、中间的中型恒温块42和下方的第二空隙30连接组成。中型导热管41由硅胶材料构成，整体呈八分之一圆柱体空心结构，内部充满了由氮气组成的热敏气体。中型恒温块42由PDMS材料构成，整体呈八分之一圆柱体实心结构，上侧紧紧贴合在中型导热管41的底端并加以黏合剂完成固定，中型恒温块42的下方是第二空隙30。在液体流动微阀2受热时，热敏气体会膨胀推动中型导热管41向下伸长从而推动中型恒温块42向下运动，从而完全堵住第二空隙30，阻止液体流经第二空隙30，完成第三热控液体开关28的关闭功能。在液体流动微阀2受冷时，热敏气体会收缩促使中型导热管41向上缩短从而让中型恒温块42向上运动，打开第二空隙30，使液体能够进入液体流动微阀 2，完成第三热控液体开关28的打开功能。第二空隙30与图6中的液体流入微阀31上的热控液体开关34的第一空隙29的上下高度相同，位置对应，相互连通，这样，当第一空隙29和第二空隙30均打开时，液体流入微阀31中的液体能够进入液体流动微阀 2中。

参见图8和图9所示，液体流出微阀5的阀体8的两个垂直矩形侧壁上各固定嵌有一个第二热控液体开关34，与液体流入微阀31的阀体8嵌有的第二热控液体开关34相同。液体流出微阀5上的第二热控液体开关34用于打开和关闭液体流出微阀5与其沿顺时针和逆时针方向上的相邻两个液体流动微阀2之间的液体流动。

液体流出微阀5的阀体8内部设有小型固定管53，小型固定管53固定连接在阀体8内壁上且靠近出液管49，出液管49与小型固定管53相连接。小型固定管53整体由隔热的PDMS材料制成，呈长方体空心结构。在小型固定管53的外表面上涂抹有一层均匀的绝热涂料，用于隔离液体流出微阀5的上下表面传导过来的热量，使之免受液体流出微阀5上下表面工作状态的影响。

出液管49是由隔热的PDMS材料制成，在出液管49内部均匀分布有多颗小钢珠36，用以缓冲流出的液体，尽可能确保液体流出微阀5内混合完成的液体均匀流出到外界。

小型固定管53的正中间是出液孔57，出液孔57串接在出液管49上。在小型固定管53上安装了第四热控液体开关3，第四热控液体开关3能打开和关闭出液管49。

第四热控液体开关3由小型伸缩管54和小型阻液管2组成，在出液孔57正上方是小型伸缩管54，正下方是小型阻液管20。小型伸缩管54位于小型固定管53内，由硅胶材料制成，呈长方体实心结构，下端是自由端，其余面均被固定在液体流出微阀5的阀体8的内壁上。小型阻液管20由PDMS材料制成，呈长方体实心结构，位于小型固定管53的内壁上，并加以黏合剂完成固定。在小型固定管53内侧，贴近小型伸缩管54的位置，布置有一个第一温度传感器45和第一加热电阻46，第一加热电阻46用以加热小型伸缩管54，从而使热量传导到整个液体流出微阀5的阀体8内，第一温度传感器45用于检测温度。第一温度传感器45和第一加热电阻46均通过导线连接外部的微控制器模块16。小型伸缩管54受热时，小型阻液管20不发生形变。但小型伸缩管54由导热的硅胶材料制成，故会产生形变，小型伸缩管54会受热向下伸长，与小型阻液管20相贴合，从而堵住出液孔57，阻止液体从出液管49流出，使液体流出微阀5处于关闭状态。反之，受冷时，小型伸缩管54会受冷向上收缩，离开小型阻液管20，打开出液孔57，允许出液管49中的液体流出到外界。因此，通过加热第一加热电阻46，可以阻止出液管49中的液体流出到外界，通过冷却第一加热电阻46，可以允许出液管49中的混合液体流出到外界。

参见图10，微控制器模块16主要由微控制器17、电池18、触摸屏15、加热电阻驱动模块11组成。触摸屏15布置在微控制器模块16上表面上，用于观察和控制整套实验装置。微控制器17是控制的核心部件，可通过编写程序来控制整套实验装置的工作过程，电池18为整套实验装置提供电能。加热电阻驱动模块11分别通过控制线控制相应的加热电阻。第一加热电阻46、第二加热电阻33、第一温度传感器45、第二温度传感器43引出的导线6穿过连接孔7，其中，第一加热电阻46、第二加热电阻33经加热电阻驱动模块11连接微控制器17，第一温度传感器45、第二温度传感器43经信号线连接微控制器17，第一温度传感器45和第二温度传感器43将检测的温度传送给微控制器17，进而由微控制器17实时控制第一加热电阻46、第二加热电阻33。热驱动微泵32的运行状态、温度情况及工作模式信息可以实时地显示在触摸屏15上，并可以通过触摸屏15实时调整热驱动微泵32的工作状态，以实现所设定的功能。

由微控制器模块16控制热驱动微泵32的整个工作过程，实现液体单向流动或液体均匀混合的功能。其中，液体单向流动的工作过程参见图11并结合图1-10。初始状态时，微控制器17控制热驱动微泵32上的第一热控液体开关1处于打开状态，微控制器17控制其余的第二热控液体开关34、第三热控液体开关28、第四热控液体开关3均处于关闭状态。具体如下：

一、实现液体单向流动，以液体沿热驱动微泵32的逆时针这一单向流动为例。

步骤1：利用注射泵将一种液体添加到第一进液管44或者第二进液管47中，液体从第一进液管44或者是第二进液管47流入到液体流入微阀31中。然后，微控制器17控制中型固定管50中的第一加热电阻46对中型固定管50内部进行持续加热，与第一进液管44、第二进液管47对应的上伸缩管51、下伸缩管52受热分别伸长，分别穿过第一进液孔55、第二进液孔56后与中型阻液管19相贴合，同时第一温度传感器45检测其内的温度并将温度值传送给微控制器17，当温度值达到预设的温度T1时，此时上伸缩管51、下伸缩管52正好关闭第一进液孔55、第二进液孔56，从而关闭第一进液管44和第二进液管47，即第一热控液体开关1关闭，完成了液体的添加。

步骤2：微控制器17停止对液体流入微阀31内的第二加热电阻33的加热，即打开了第二热控液体开关34。同时，微控制器17控制靠近液体流入微阀31逆时针方向的第一个液体流动微阀2内的第二加热电阻33停止加热，以打开该液体流动微阀2，也就是控制与液体流动相同的这个方向上的第一个液体流动微阀2开启，即第三热控液体开关28开启，使液体能够从液体流入微阀31进入该第一个液体流动微阀2中。

同时，微控制器17控制液体流入微阀31内的第二加热电阻33不停地加热和停止，使液体流入微阀31内的温度在预设的温度T2和温度T3之间来回跳变，从而使液体流入微阀31内第二热控液体开关34一开一关地往复地产生周期性开和关运动，使第二热控液体开关34底部的第一空隙29产生周期性的张开和闭合，通过周期性的压力变化促使添加的液体只能通过第一空隙29的开闭向逆时针方向流动，流入最靠近液体流入微阀31逆时针方向的第一个液体流动微阀2中。由于此时第一个液体流动微阀2开启，所以液体进入其第二空隙30中。在液体流入液体流动微阀2的第二空隙30中时，第二空隙30从完全闭合到完全张开的状态是一个缓慢的过程，在此期间所允许同时流经第二空隙30的液体也逐步增多直至达到最大值，第二空隙30在此期间起到了一个缓冲区的作用，从而可以有效地克服因流入液体流量不均而产生的脉动现象。

步骤3：微控制器17控制沿液体流入微阀31逆时针方向的第二个液体流动微阀2开启，允许第一个液体流动微阀2流出的液体流入到第二个液体流动微阀2中。

同时，微控制器17控制第一个液体流动微阀2内的第二加热电阻33不停地加热和停止，使第一个液体流动微阀2内的温度在预设的温度T4和温度T5之间来回跳变，从而使第一个液体流动微阀2内第三热控液体开关28一开一关地往复地产生周期性运动，使第三热控液体开关28底部的第二空隙30产生周期性的张开和闭合，通过周期性的压力变化促使液体只能通过第一个液体流动微阀2的第二空隙30的开闭向逆时针方向流动，流入第二个液体流动微阀2的第二空隙30中。

同样的操作过程和原理，微控制器17控制液体通过第二个液体流动微阀2的第二空隙30的开闭向逆时针方向流动，液体流入第三个液体流动微阀2的第二空隙30中。

步骤4：液体进入第三个液体流动微阀2中后，微控制器17控制液体流出微阀5的阀体8上下表面的第二加热电阻33停止加热，开启液体流出微阀5上的第二热控液体开关34。同时，微控制器17控制第三个液体流动微阀2内的第二加热电阻33不停地加热和停止，使第三个液体流动微阀2内的温度在预设的温度T4和温度T5之间来回跳变，从而使第三个液体流动微阀2内第三热控液体开关28一开一关地往复地产生周期性运动，使第三热控液体开关28底部的第二空隙30产生周期性的张开和闭合，通过周期性的压力变化促使液体只能通过第三个液体流动微阀2的第二空隙30的开闭向逆时针方向流动液体从第三个液体流动微阀2流入到液体流出微阀5中。

步骤6： 微控制器17控制液体流出微阀5中的第四热控液体开关3打开，进入液体流出微阀5中液体流经第四热控液体开关3中的出液孔57后，从出液管49流到外界。完成液体单向流动功能。

二、实现液体均匀混合功能。

步骤1：利用注射泵将两种不同种类的液体分别添加到第一进液管44和第二进液管47中。然后，微控制器17控制中型固定管50内的加热电阻46加热，关闭第一热控液体开关1，从而关闭第一进液管44和第二进液管47，完成液体的添加。

步骤2：微控制器17控制靠近液体流入微阀31逆时针或顺时针方向的第一个液体流动微阀2的阀体8内的第二加热电阻33停止加热，以开启该两个第一个液体流动微阀2，允许液体流入微阀31中的液体通过第二空隙30流入到该两个第一个液体流动微阀2中。

与此同时，微控制器17控制液体流入微阀31的阀体8内的第二加热电阻33不停地加热和停止，使第二热控液体开关34底部的第一空隙29产生周期性的张开和闭合，促使液体整体从液体流入微阀31向靠近液体流入微阀31的顺时针或者逆时针方向的第一个液体流动微阀2中流动。

步骤3：微控制器17控制液体流入微阀31的阀体8内的第二加热电阻33停止加热，使第二热控液体开关34开启。同时，控制靠近液体流入微阀31顺时针或者逆时针方向的第一个液体流动微阀2的阀体8内的第二加热电阻33进行循环加热和停止加热，使该液体流动微阀2底部的第二空隙30产生周期性的张开和闭合，促使添加的液体整体从靠近液体流入微阀3的1顺时针或逆时针方向的第一个液体流动微阀2又通过第二热控液体开关34的第一空隙29返流到液体流入微阀31中。

再重复步骤2，即第二加热电阻33停止加热，开启第一个液体流动微阀2并控制液体流入微阀31的阀体8内的第二加热电阻33不停地加热和停止， 又促使添加的液体整体从液体流入微阀31向靠近液体流入微阀31顺时针或逆时针方向的第一个液体流动微阀2中流动。

步骤4：如此重复步骤2-3，即通过改变液体流入微阀31和靠近液体流入微阀31顺时针或逆时针方向的第一个液体流动微阀2的工作状态，使添加的两种不同种类液体总体在液体流入微阀31和第一个液体流动微阀2之间来回流动了3次，从而使添加的两种不同种类的液体在往复运动的过程中实现均匀混合。

步骤5：同理，通过先改变靠近液体流入微阀31顺时针或逆时针方向第一个液体流动微阀2和靠近液体流入微阀31顺时针或逆时针方向的第二个液体流动微阀2的工作状态，再改变第二个液体流动微阀2和第三个液体流动微阀2的工作状态，最后，通过改变第三个液体流动微阀2和液体流出微阀5的工作状态，使添加的两种不同种类液体总体先在靠近液体流入微阀31顺时针或逆时针方向第一个液体流动微阀2和第二个液体流动微阀2之间来回流动了3次，再在第二个液体流动微阀2和第三个液体流动微阀2之间来回流动了3次，最后在第三个液体流动微阀2和液体流出微阀5之间来回流动了3次，从而使添加的两种不同种类的液体在往复运动的过程中多次充分地均匀混合。

步骤6：微控制器17控制液体流出微阀5中的第四热控液体开关3打开，均匀混合好的液体从流经第四热控液体开关3中的出液孔57后，从出液管49流到外界，完成液体均匀混合功能。

Claims (9)

1.一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置，具有一个热驱动微泵（32），其特征是：热驱动微泵（32）由一个液体流入微阀（31）、6个液体流动微阀（2）和一个液体流出微阀（5）这8个微阀组成，每个微阀最外部是一个阀体（8），8个阀体（8）紧密贴合构成完整圆柱体形状的热驱动微泵（32），每个阀体（8）均是扇体结构且各占圆柱体的八分之一；液体流入微阀（31）的阀体（8）内部设有连接第一进液孔（55）和第二进液孔（56）的中型固定管（50），中型固定管（50）内设有第一个第一加热电阻（46）、第一温度传感器（45）以及能控制第一进液孔（55）和第二进液孔（56）开和关的第一热控液体开关（1）；液体流入微阀（31）和每个液体流动微阀（2）的阀体（8）的内壁上均各设有第二加热电阻（33）和第二温度传感器（43）；液体流入微阀（31）和液体流出微阀（5）的阀体（8）的两个矩形垂直侧壁上均各固定嵌有一个第二热控液体开关（34），第二热控液体开关（34）打开和关闭液体流入微阀（31）和液体流出微阀（5）与顺时针和逆时针方向上的相邻两个液体流动微阀（2）之间的液体流动；每个液体流动微阀（2）的阀体（8）内均各嵌有一个第三热控液体开关（28），第三热控液体开关（28）能打开和关闭进入液体流动微阀（2）的阀体（8）内液体流动；液体流出微阀5的阀体（8）内部设有连接出液管（49）的小型固定管（53），小型固定管（53）上设有第二个第一加热电阻（46）、第一温度传感器（4）以及能打开和关闭出液管（49）的第四热控液体开关（3）；第一、第二加热电阻（46、33）和第一、第二温度传感器（45、43）均连接微控制器（17）。

2.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置，其特征是：液体流入微阀（31）在液体流出微阀（5）的径向正对面，相对于热驱动微泵（32）的中心轴对称，在液体流入微阀（31）和液体流出微阀（5）之间，沿顺时针和逆时针方向各布置每组3个液体流动微阀（2），两组液体流动微阀（2）相对于热驱动微泵（32）的中心轴对称。

3.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置，其特征是：中型阻液管（19）由绝热材料制成，其内开有上下两个进液孔，上方的第一进液孔（55）串接在第一进液管（44）上，下方的第二进液孔（56）串接在第二进液管（47）上；第一热控液体开关（1）由一个中型阻液管（19）、一个上伸缩管（51）和一个下伸缩管（52），中型阻液管（19）固定镶嵌在中型固定管（50）的正中间，上伸缩管（51）在第一进液孔（55）的正上方，下伸缩管（52）在第二进液孔（56）的正下方，靠近上伸缩管（51）、下伸缩管（52）处各设第一个第一温度传感器（45）和第一个第一加热电阻（46），上伸缩管（51）的下端是自由端，下伸缩管（52）的上端是自由端，第一加热电阻（46）加热后，上伸缩管（51）的自由端向下伸长，其外壁与第一进液孔（55）的内壁相匹配地贴合，关闭第一进液孔（55），下伸缩管（52）的自由端向上伸长，其外壁与第二进液孔（56）的内壁相匹配地贴合，关闭第二进液孔（56）。

4.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置，其特征是：第三热控液体开关（28）的外形与阀体（8）的内腔相匹配，由上方的中型导热管（41）、中间的中型恒温块（42）和下方的第二空隙（30）连接组成，中型导热管（41）内部充满由氮气组成的热敏气体，热敏气体受热膨胀推动中型导热管（41）和中型恒温块（42）向下运动，堵住第二空隙（30）。

5.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置，其特征是：小型固定管（53）的正中间是出液孔（57），出液孔（57）串接在出液管（49）上；小型固定管（53）上设有第四热控液体开关（3），第四热控液体开关（3）由小型伸缩管（54）和小型阻液管（20）组成，出液孔（57）正上方是小型伸缩管（54），正下方是小型阻液管（20），小型伸缩管（54）下端是自由端，在贴近小型伸缩管（54）的位置设有第二个第一温度传感器（45）和第二个加热电阻（46）。

6.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置，其特征是：第一、第二进液管（44、47）和出液管（49）的内部均匀分布有多颗小钢珠（36）。

7.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置，其特征是：每个阀体（8）的垂直外侧面上均涂抹有一层绝热涂料。

8.一种如权利要求1所述的一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置的实验方法，初始状态，微控制器（17）控制第一热控液体开关（1）打开，第二、第三、第四热控液体开关（34、28、3）均关闭，其特征是包括如下步骤：

步骤1：将一种液体从第一进液管（44）或第二进液管（47）添加到液体流入微阀（31）中，微控制器（17）控制中型固定管（50）中的第一加热电阻（46）加热，关闭第一热控液体开关（1）；

步骤2：微控制器（17）停止对液体流入微阀（31）内的第二加热电阻（33）的加热，打开第二热控液体开关（34），并控制靠近液体流入微阀（31）逆时针或者顺时针单方向上的第一个液体流动微阀（2）内的第二加热电阻（33）停止加热，打开该第一个液体流动微阀（2）；

步骤3：微控制器（17）控制液体流入微阀（31）内的第二加热电阻（33）不停地加热和停止，使液体流入微阀（31）内的第二热控液体开关（34）往复地产生开和关运动，促使液体单向流入第一个液体流动微阀（2）中；

步骤4：微控制器（17）控制单向上的第二个液体流动微阀（2）开启，使第一个液体流动微阀（2）内的第三热控液体开关（28）往复地产生开和关运动，促使液体单向流入第二个液体流动微阀（2）中；同理，能促使液体单向流入第三个液体流动微阀（2）中和流入到液体流出微阀（5）中；

步骤5：微控制器（17）控制液体流出微阀（5）中的第四热控液体开关（3）打开，液体从出液管（49）流到外界，完成液体单向流动。

9.一种如权利要求1所述的一种基于微流控技术的热驱动微泵实验装置的实验方法，初始状态，微控制器（17）控制第一热控液体开关（1）打开，第二、第三、第四热控液体开关（34、28、3）均关闭，其特征是包括如下步骤：

步骤1：将两种不同种类的液体分别经第一进液管（44）和第二进液管（47）添加到液体流入微阀（31）中，关闭第一热控液体开关（1）；

步骤2：微控制器（17）控制靠近液体流入微阀（31）逆时针或顺时针方向的第一个液体流动微阀（2）开启，控制液体流入微阀（31）内的第二加热电阻（33）不停地加热和停止，促使液体从液体流入微阀（31）向第一个液体流动微阀（2）中流动；

步骤3：微控制器（17）控制第二热控液体开关（34）开启和第一个液体流动微阀（2）内的第二加热电阻（33）进行循环加热和停止加热，促使液体从第一个液体流动微阀（2）又通过第二热控液体开关（34）返流到液体流入微阀（31）中；如此重复地使两种不同种类液体在液体流入微阀（31）和第一个液体流动微阀（2）之间来回流动，均匀混合；

步骤4：重复步骤2-3，使添加的两种不同种类液体先在第一个液体流动微阀（2）和第二个液体流动微阀（2）之间来回流动，再在第二个液体流动微阀（2）和第三个液体流动微阀（2）之间来回流动，最后在第三个液体流动微阀（2）和液体流出微阀（5）之间来回流动，多次充分地均匀混合；

步骤5：微控制器（17）控制液体流出微阀（5）中的第四热控液体开关（3）打开，均匀混合好的液体从出液管（49）流出。