CN109139433B - 可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵，属于泵送设备技术领域，包括刻蚀于硅片上的泵腔和微流道，泵腔入口端和出口端分别设有入口锥管和出口锥管，入口锥管大径端与泵腔相连，出口锥管小径端与泵腔相连，出口锥管大径端连通微流道；泵腔和微流道内填充流体，泵腔内设有与外部加热器连通的气泡，泵腔与微流道间通过微导气管连通，微导气管与气泡间隔设置；外部加热器持续向气泡内输入气体。本发明具有结构简单紧凑，方便携带，加工简单，有利于实现微型化和集成化，通过微导气管将膨胀的气泡内部分气体导出，在外部加热器连续输入热气体作用下，气泡体积由增大到收缩再到增大的循环过程，实现气泡驱动的连续可调节，同时极大提高微泵的驱动频率。

Description

可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵

技术领域

本发明属于泵送设备技术领域，尤其涉及一种可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵。

背景技术

微泵作为微流体系统的“心脏”，是微流体输送的动力源，也是微流体系统发展水平的重要标志。作为一种重要的微型执行部件，微泵还可广泛应用于药物输送、血液运输、DNA合成、电子冷却系统、微全分析系统、微型燃料电池、微型卫星推进系统等领域，具有巨大的市场应用前景。

微流体驱动与控制技术是微机电系统（MEMS）的关键技术之一，在各种涉及微流体输运的场合均有广泛的应用。在电子市场领域，通常芯片由于体积很小、工作频率很高，其产热密度相当可观，因此需要体积小、效率高的散热系统。现有的芯片微流道散热系统还要依赖于独立的水泵进行驱动，水泵不仅体积庞大、不便于携带，还会产生较大的噪音，不利于微型化和集成化。而采用有阀微泵同样面临微型化难度大的问题。微泵中的有阀微泵虽然原理简单，易于控制，但由于阀片的存在，使微泵结构更复杂，加工工艺要求高，也不利于微型化和集成化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵，旨在解决现有技术中芯片微流道散热系统体积大，不便于携带，不利于微型化和集成化；而有阀微泵结构复杂、加工工艺高，也不利于微型化和集成化的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵，包括刻蚀于硅片上的泵腔和微流道，所述泵腔的入口端和出口端分别设有入口锥管和出口锥管，所述入口锥管的大径端与泵腔相连，所述出口锥管的小径端与泵腔相连，所述出口锥管的大径端连通微流道；所述泵腔和微流道内填充流体，所述泵腔内设有与外部加热器连通的气泡，所述泵腔与微流道间通过微导气管连通，所述微导气管与气泡间隔设置；

所述外部加热器持续向气泡内输入气体。

优选地，所述泵腔的内壁涂有亲水性材料，所述微流道和微导气管的内壁涂有疏水性材料。

优选地，所述微导气管与气泡的中心间距为0.1mm。

优选地，所述外部加热器持续向气泡内输入气体，所述可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵的工作步骤如下：

当外部加热器向气泡内持续输入气体时，随着气泡扩张，驱动泵腔内流体经出口锥管进入微流道内；直至气泡扩张至微导气管位置，气泡内气体沿着微导气管进入微流道内，进入微流道内的部分气体遇流体降温后液化；随着进入微流道内的气体增多，泵腔内气泡缩小，随之将流体从入口锥管吸入泵腔，完成一个循环；

一次循环过后，有部分气体残留在微导气管中，能够阻止流体从微导气管逸出；

重复上述步骤，外部加热器循环向泵腔内的气泡内输入热气体，泵腔中的气泡体积不断增大再减小，循环往复，驱动流体流动。

进一步地，所述流体为冷却介质。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明提供的可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵具有结构简单紧凑，体积小方便携带，加工工艺简单，有利于实现微型化和集成化。本发明利用微导气管将膨胀的气泡内部分气体导出，在外部加热器连续输入热气体作用下，即可实现气泡体积由增大到收缩再到增大的循环过程，实现气泡驱动的连续可调节，同时极大提高微泵的驱动频率。本发明尤其适用于电子芯片散热领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵中气泡开始膨胀初始的状态图；

图3是本发明实施例提供的可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵中气泡膨胀至接触微导气管时的状态图；

图4是本发明实施例提供的可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵的气泡中气体经微导气管进入微流道内的状态图；

图5是本发明实施例提供的可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵的气泡中气体在微流道内扩张的状态图；

图6是本发明实施例提供的可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵的气泡中气体在微流道内扩张、气泡缩小的状态图；

图7为本发明提供的可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵中气泡的工作原理图一；

图8为本发明提供的可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵中气泡的工作原理图二；

图中：1-泵腔，2-微流道，3-入口锥管，4-出口锥管，5-气泡，6-微导气管。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵，包括刻蚀于硅片上的泵腔1和微流道2，所述泵腔1的入口端和出口端分别设有入口锥管3和出口锥管4，所述入口锥管3的大径端与泵腔1相连，所述出口锥管4的小径端与泵腔1相连，所述出口锥管4的大径端连通微流道2；所述泵腔1和微流道2内填充流体，所述泵腔1内设有与外部加热器连通的气泡5，所述泵腔1与微流道2间通过微导气管6连通，所述微导气管6与气泡5间隔设置；所述外部加热器持续向气泡5内输入气体。借助泵腔内气泡的膨胀与伸缩，驱动流体在微流道内流动，进而实现快速散热。通过气泡膨胀与伸缩实现微泵泵送流体的工作原理如下：

泵腔两端的入口锥管和出口，起不完全单向阀作用。如图7、8所示，实线箭头表示气泡的膨胀与缩小方向，空心箭头表示流体的流向。当气泡膨胀的时候（如图7），流体从入口端和出口端的入口锥管3和出口锥管4中流出，但此时入口锥管和出口锥管对流体的阻碍程度不同，流体从出口锥管的小径端流向大径端的阻力小于从入口锥管大径端流向小径端的阻力，因此，虽然入口锥管和出口锥管都有流体流出，但是出口端的流量此时要大于入口端的流量。而当气泡收缩时（如图8），流体经入口锥管和出口锥管同时流入泵腔，此时，由于流体流向发生变化，入口端的流体变成了从入口锥管的小径端流入大径端，所以阻力较小，而出口端的流体此时是从出口锥管的大径端流向小径端，因而阻力较大。入口端的流动阻力小于出口端的流动阻力，故入口端的流量大于出口端，总的流量相互抵消后，仍然是从入口端流向出口端。这样，随着气泡的反复膨胀和收缩，驱动流体逐渐从入口端流向出口端。利用气泡膨胀收缩产生驱动力，实现流体的输送。

在本发明的一个具体实施例中，为了保证气泡内气体顺利沿着微导气管进入微流道内，在泵腔1的内壁涂有亲水性材料，在微流道2和微导气管6的内壁涂有疏水性材料。通过微导气管能够绕过微泵的出口锥管，与散热微流道直接联通。这样，当气泡逐渐扩张到与微导气管开口接触时，由于微导气管内壁的疏水性，气泡的一部分就会在表面张力的作用下被吸入微导气管中（如图3-5）。气泡之所以会被吸入微导气管中，是因为气液边界表面张力的作用，在亲水性材料构成的泵腔中，气液边界与泵腔壁的接触角为锐角，表面张力构成的合力向内，指向气泡的中心，达到平衡。而当气液边界与微导气管的内壁面接触时，因为微导气管内壁面为疏水性材料，气液边界与它的接触角为钝角，故表面张力构成的合力向上，指向气泡的外侧，而在气泡的另一侧却没有相应的力与之平衡，所以气泡受到一个向上的合力。在气泡经微导气管进入散热微流道后，在表面张力的作用下，气泡进入散热微流道的部分扩张，而泵腔内残留的部分收缩，从而将气体挤入散热微流道。

作为一种优选方案，如图1所示，所述微导气管6与气泡5的中心间距为0.1mm。也可以根据实际要求调整微导气管与气泡间的距离。将微导气管设置于外部加热器附近，可随着气泡的扩张逐渐接近微导气管，当气体经由微导气管排入散热用的微流道中之后，在微流道中作为冷却介质的流体作用下冷却液化。而留在泵腔中的少部分气泡，通过外部加热器向气泡内继续输入热气体，则继续被加热扩张。这样，泵腔中的气泡体积不断增大再减小，循环往复，驱动流体流动。

如图1-6所示，图中实心箭头表示气体流向，空心箭头表示流体流向，所述外部加热器持续向气泡5内输入气体，所述可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵的工作步骤如下：

当外部加热器向气泡5内持续输入气体时，随着气泡5扩张，驱动泵腔1内流体经出口锥管4进入微流道2内；直至气泡5扩张至微导气管6位置，气泡5内气体沿着微导气管6进入微流道2内，进入微流道2内的部分气体遇流体降温后液化；随着进入微流道2内的气体增多，泵腔1内气泡缩小，随之将流体从入口锥管3吸入泵腔1，完成一个循环；

一次循环过后，有部分气体残留在微导气管6中，能够阻止流体从微导气管6逸出；

重复上述步骤，外部加热器循环向泵腔1内的气泡5内输入热气体，泵腔1中的气泡5体积不断增大再减小，循环往复，驱动流体流动。

在电子市场领域，流体选用冷却介质来实现对芯片的快速散热。利用外部连续热源工作的气泡驱动可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵，微导气管的设计解决了连续稳定热源的驱动问题和气泡驱动的循环问题。本发明解决了热气泡驱动可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵需要通过持续热源控制气泡扩张收缩以实现微流体驱动，需要额外引入驱动系统的技术问题。本发明利用微导气管将膨胀的气泡内部分气体导出，在连续热源下即可实现气泡体积由增大到收缩再到增大的循环过程，实现气泡驱动的连续可调节，同时极大提高了微泵的驱动频率。

在上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它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (5)

1.一种可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵，其特征在于，包括刻蚀于硅片上的泵腔和微流道，所述泵腔的入口端和出口端分别设有入口锥管和出口锥管，所述入口锥管的大径端与泵腔相连，所述出口锥管的小径端与泵腔相连，所述出口锥管的大径端连通微流道；所述泵腔和微流道内填充流体，所述泵腔内设有与外部加热器连通的气泡，所述泵腔与微流道间通过微导气管连通，所述微导气管与气泡间隔设置；所述外部加热器持续向气泡内输入气体。

2.根据权利要求1所述的可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵，其特征在于，所述泵腔的内壁涂有亲水性材料，所述微流道和微导气管的内壁涂有疏水性材料。

3.根据权利要求2所述的可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵，其特征在于，所述微导气管与气泡的中心间距为0.1mm。

4.根据权利要求2所述的可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵，其特征在于，所述外部加热器持续向气泡内输入气体，所述可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵的工作步骤如下：

当外部加热器向气泡内持续输入气体时，随着气泡扩张，驱动泵腔内流体经出口锥管进入微流道内；直至气泡扩张至微导气管位置，气泡内气体沿着微导气管进入微流道内，进入微流道内的部分气体遇流体降温后液化；随着进入微流道内的气体增多，泵腔内气泡缩小，随之将流体从入口锥管吸入泵腔，完成一个循环；

一次循环过后，有部分气体残留在微导气管中，能够阻止流体从微导气管逸出；

重复上述步骤，外部加热器循环向泵腔内的气泡内输入热气体，泵腔中的气泡体积不断增大再减小，循环往复，驱动流体流动。

5.根据权利要求1所述的可利用连续热源的气泡驱动无阀微泵，其特征在于，所述流体为冷却介质。