CN109351367B - 一种气压驱动精密微泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气压驱动精密微泵，包括气压模块，包括气囊；单向阀组，包括第一单向阀和第二单向阀，第一单向阀的入口通向外界大气，出口通向气囊，第二单向阀的入口通向气囊，出口通向蓄液模块；蓄液模块，包括空腔和蓄液池，空腔与蓄液池之间通过第一弹性膜片间隔，空腔为封闭腔体，蓄液池通过第二单向阀与气囊连接；调流模块，包括第一流道和第二流道，第一流道和第二流道均连通蓄液池，第一流道出口封闭，第二流道出口通向调流模块外，第一流道和第二流道通过第二弹性膜片间隔。该微泵具有启动压力低、流体输运稳定、体积小巧易集成等优势，满足微流体的稳定驱动与控制需求。

Description

一种气压驱动精密微泵
技术领域
本发明涉及微流控芯片领域，具体涉及一种气压驱动精密微泵。
背景技术
样品液的连续、稳定、精确进样是微流控系统中必不可少的关键环节，且微流体输运的精度与稳定性直接影响微流控芯片的功能表现。目前，商业仪器(如精密注射泵、精密气泵等)仍然是微流控实验与应用中使用频率最高的微流体控制手段。利用精密传感装置与机械、电子控制，这类仪器可以实现非常精确的微流体驱动与控制。然而，考虑到昂贵的价格与笨重的体积，该类仪器并不适用于集成低成本、便携式的微流控系统。
为实现低成本、精确微流体控制，科研工作者们提出了各类微流体操控技术，主要有压缩空气驱动、电渗流驱动、毛细作用力驱动、水动力驱动、离心力驱动等。虽然上述技术在特定的应用环境下可以实现较好的微流体控制功能，然而有些技术需要依赖复杂的外部控制设备，在流体操控的便捷性方面仍然不够完善，且这些技术在流体操控的精度方面较差，不能满足某些高精度流体需求的应用场合。
除上述微流体操控技术外，微泵和微阀技术也是微流控领域中较为常见的微流体操控手段。作为流体操控的功能器件，前者常用于微流体的驱动应用，作为流体运动的动力单元而存在；后者则主要用于微流体的控制应用，作为流体控制的执行单元而存在。由微泵和微阀的设计功能可以看出，微泵主要作为流体驱动的动力源，不能实现精确流体控制；而微阀则用于流体的运动控制，不具备流体驱动的能力。对于微泵和微阀的研究，目前主要聚焦于单独研究这两种器件的功能设计与拓展应用，而将这两种器件进行有机整合，实现同时具有流体驱动与精确控制的微泵系统则鲜有报道。因此，有必要对上述微泵系统进行深入研究，集成微泵的动力源功能与微阀的精密流体控制功能，构建低成本、微型化的微流体精确驱动与控制微泵系统，为微流控芯片实验室、即时检测仪器等应用提供技术支撑。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种气压驱动精密微泵。该微泵具有启动压力低、流体输运稳定、体积小巧易集成等优势，满足微流体的稳定驱动与控制需求。
本发明为了实现上述目的，所述采取的技术方案为：一种气压驱动精密微泵，包括气压模块，包括气囊；
单向阀组，包括第一单向阀和第二单向阀，所述第一单向阀的入口通向外界大气，出口通向所述气囊，所述第二单向阀的入口通向气囊，出口通向蓄液模块；
蓄液模块，包括空腔和蓄液池，所述空腔与蓄液池之间通过第一弹性膜片间隔，所述空腔为封闭腔体，所述蓄液池通过第二单向阀与所述气囊连接；
调流模块，包括第一流道和第二流道，所述第一流道和第二流道均连通所述蓄液池，所述第一流道出口封闭，所述第二流道出口通向调流模块外，所述第一流道和所述第二流道通过第二弹性膜片间隔。
进一步的，所述气囊由底板和曲面壁围成，所述曲面壁为弹性材料，所述底板上设有外孔、第一内孔和第二内孔，所述外孔连通所述第一单向阀的入口，所述第一内孔连接所述第一单向阀的出口，所述第二内孔连接所述第二单向阀的入口。
进一步的，所述第一单向阀和所述第二单向阀均包括气流通道、第三弹性膜片和凸台，所述凸台设置在所述气流通道的内壁，所述弹性膜片横跨于所述气流通道内，所述弹性膜片一侧固定连接所述气流通道内壁，一侧贴合在所述凸台上。
进一步的，所述调流模块包括总通道、第一通道和第二通道，所述蓄液池内的液体流经总通道后分流为第一通道和第二通道，所述第二弹性膜片设置在所述第二通道侧壁上，所述第一通道通向所述第二弹性膜片，增加所述第一通道的压力，所述第二弹性膜片向所述第二通道弯曲。
进一步的，所述第二弹性膜片在受到流体压力时能够发生形变位移量，所述形变位移量大于膜片自身厚度的5倍，所述流体压力小于30kPa。
进一步的，所述第三弹性膜片在受到流体压力时能够发生形变位移量，所述形变位移量大于膜片自身厚度的5倍，所述流体压力小于30kPa。
进一步的，所述第一弹性膜片、第二弹性膜片、第三弹性膜片和气囊的材质均为聚二甲基硅氧烷。
进一步的，所述聚二甲基硅氧烷中预聚体和交联体的质量比为20:1。
进一步的，所述微泵采用微流控中的软光刻技术制作，材质为聚二甲基硅氧烷。
气压模块为压缩气体产生单元，外力按压气囊可以产生不低于30kPa的压力气体；单向阀组为气体单向控制单元，气体从单向阀的入口通入时分别导通。反之，气体从单向阀的出口通入时则不能导通；蓄液模块为压缩气体储能与样品液存储单元，利用第一弹性膜片受气压变形来实现压力气体的存储与蓄能；调流模块为微流体精确控制单元，利用第二弹性膜片受流体压力变形改变主流道的流阻，并通过流阻变化来补偿流体压力的变化，实现微流体流量的精确控制。
微泵工作时，按压气压模块的气囊产生压力气体，利用单向阀组的气体单向导通功能，将气体输入蓄液模块进行加压充气。充气完成后，蓄液模块在膜片自身回弹力的作用下释放气体压力，驱动其内部的样品液流入调流模块。利用调流模块的微流体精确控制功能，实现微量样品液的连续、精确驱动、控制与输运。
本发明所产生的效果包括：本发明提出的气压驱动精密微泵设计有气压模块、单向阀组、蓄液模块和调流模块，通过外力挤压气压模块，产生压缩气体经单向阀组存储于蓄液模块中。由于蓄液模块中装载有样品液，因此利用压缩气体的压力可以驱动样品液的连续输运。此外，调流模块的引入使得样品液的流量得以精确控制。基于调流模块在流体压力波动下可以调节自身流阻的功能，可以实现流阻与流体压力的实时补偿，进而达到精确调节样品液流量的效果。因此，在压缩气体的驱动下进入调流模块的样品液可以实现精确的流量控制与输运，最终微泵输出精确的样品液用于后续应用。本发明提出的气压驱动精密微泵集成了气动微泵与流量调节微阀的功能，兼具微流体精确驱动与控制的技术特点，在集成低成本、便携式微流控芯片实验室与即时检测仪器等应用需求方面具有较好的应用前景。
附图说明
图1是气压驱动精密微泵的剖面结构示意图；
图2是气压模块的剖面结构示意图；
图3是单向阀组的剖面结构示意图；
图4是蓄液模块的剖面结构示意图；
图5是调流模块的剖面结构示意图；
图6是气压驱动精密微泵在进行按压充气操作时的剖面结构示意图。
其中，1、气压模块，11、气囊，111、曲面壁，112、底板，12、外孔，13、第一内孔，14、内孔，
2、单向阀组，21、第一单向阀入口，22、第一单向阀出口，23、第二单向阀入口，24、第二单向阀出口，25第三弹性膜片，26、凸台，27、通道；
3、单向阀组，31、气孔，32、液孔，33、空腔，34、第一弹性膜片，35、蓄液池；
4、调流模块，41、液体入口，42、液体出口，43为第一流道，44为第二流道，45、第二弹性膜片；5为样品液。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1-5所示，气压驱动精密微泵，包括气压模块1、单向阀组2、蓄液模块3和调流模块4。
气压模块1设有气囊11、外孔12、第一内孔13和第二内孔14；气囊11由底板112和曲面壁111围成，曲面壁111为弹性材料，挤压后可恢复原状，底板连接单向阀组2，底板111上设有外孔12、第一内孔13和第二内孔14，外孔12通向气囊11外界大气，内孔通向气囊11内。本发明中曲面壁为半圆形曲面，底板为平面形，底板连接单向阀组。
单向阀组包括第一单向阀和第二单向阀，第一单向阀包括第一单向阀入口21和第一单向阀出口22，第二单向阀包括第二单向阀入口23和第二单向阀出口24，第一单向阀和第二单向阀均包括通道27、第三弹性膜片25和凸台26；第一单向阀入口21通过外孔12连通外界大气，第一单向阀出口22通过第一内孔13通向气囊腔体，第二单向阀入口23通过第二内孔14通向气囊腔体，第二单向阀出口24通向蓄液模块。
为了实现单向阀的单向导通作用，在单向阀的通道27内设置横跨通道27的第三弹性膜片25，该膜片为薄膜，膜片截面积大于或等于通道27横截面，为了便于第三弹性膜片25实现截流或导通的作用，在通道27内壁设置凸块26，凸块26向管道内凸出，第三弹性膜片25一端固定连接通道27内壁，另一端贴合凸块26，当气流由入口流向出口时，第三弹性膜片25脱离凸块26，气流导通，当气流由出口流向入口时，第三弹性膜片25贴合在凸块26上，即横跨于通道27上，实现截流，气流无法导通，凸块26与第三弹性膜片25相接触的一面为平面。
蓄液模块3设有气孔31、液孔32、空腔33、第一弹性膜片34和蓄液池35；空腔33与蓄液池35之间通过第一弹性膜片34间隔，空腔33为封闭腔体，蓄液池35通过第二单向阀和气孔31与气囊11连接，当气流进入蓄液池35后，蓄液池35压力增加，第一弹性膜片34向空腔33弯曲，蓄液模块3的液孔32连通调流模块4。
调流模块设有液体入口41、液体出口42、第一流道43、第二流道44、总流道46和第二弹性膜片45；蓄液池内的液体流经液体入口41、总流道46后分流为第一流道43和第二流道44，第一流道43的末端封闭，在末端处设置第二弹性膜片45，且第二弹性膜片45设置在第一流道43的侧壁上，当第一流道43压力大于第二流道44压力时，第二弹性膜片45向第二流道44弯曲，实现减小第二流道44截面的作用。第一流道43为控制流道，第二流道44为主流道，两个流道相互作用实现稳定控制第二流道44的流量，第二流道44通过液体出口通向外界。
本发明中气囊11为圆弧形弹性膜，按压时产生弹性变形，且产生不低于30kPa的压缩气体，释放压力时则回弹至初始状态。
本发明中第三弹性膜片25为高弹性薄膜，且与凸台26平面贴合。
本发明中第一弹性膜片34具有弹性可变形性，受气体压迫时可以向空腔33内变形，释放压力时则回弹至初始状态。
本发明中控制流道43与主流道44的前端连通，控制流道43的末端与主流道44由第二弹性膜片45隔开，使控制流道43的末端形成封闭的容腔；第二弹性膜片45为高弹性薄膜，受液体压力挤压时可以向主流道44一侧发生弹性变形。
第二弹性膜片45和第三弹性膜片25可以在低于30kPa的流体压力作用下获得不低于薄膜自身厚度5倍以上的形变位移量。
气压模块1为压缩气体产生单元，采用外力按压气囊11可以产生不低于30kPa的压力气体；单向阀组2为气体单向控制单元，气体从单向阀入口通入时分别导通。反之，气体从单向阀出口通入时则不能导通；蓄液模块3为压缩气体储能与样品液存储单元，利用第一弹性膜片34受气压变形来实现压力气体的存储与蓄能；调流模块4为微流体精确控制单元，利用第二弹性膜片45受流体压力变形改变主流道44的流阻，并通过流阻变化来补偿流体压力的变化，实现微流体流量的精确控制。
微泵采用微流控实验室中常用的软光刻技术制作，材质为聚二甲基硅氧烷。其中，气囊11、膜片34、薄膜25、27、45中聚二甲基硅氧烷配比为预聚体和交联体质量比20:1，以使上述零件具有较高的弹性。除此之外，微泵的其他零部件中聚二甲基硅氧烷配比为预聚体和交联体质量比10:1，以使各零部件具有较好的机械性能。
如图6所示，微泵进行充气工作时，按压气压模块1的气囊11产生压力气体，进入单向阀组2中。第一单向阀的第三弹性膜片25在气体压力的推动下，向上变形紧贴凸台26，并堵住第一单向阀通道27。同时，第二单向阀的第三弹性膜片25向下变形远离凸台26，导通气孔23，进入蓄液模块3的蓄液池35中。此时，第一弹性膜片34在压力气体的推动下向上变形，进行压力气体的蓄能与储存。当松开气囊11时，气囊11在自身材料弹性的作用下向上鼓起回弹。此时，外界的空气经由第一单向阀入口23推开第一单向阀的第三弹性膜片25进入气囊11内部，使气囊11实现吸气。而气囊11吸气时，第二单向阀的第三弹性膜片25向上变形堵住第二单向阀的通道27，不让蓄液模块3中的压力气体进入气囊11中。因此，通过连续按压气囊11，即可使外界的空气连续、单向地输入蓄液模块3中，建立微泵的流体驱动压力源。
微泵进行微流体输送工作时，第一弹性膜片34在自身回弹力的作用下释放气体压力。此时，第三弹性膜片25在气压作用下向上变形堵住第二单向阀入口23，压力气体推动蓄液池35中的样品液5流入调流模块4的控制流道43和主流道44中。由于控制流道43末端的流体压力高于主流道44的出口压力，因而第二弹性膜片45在流体压力的作用下，向主流道44方向产生弹性变形，挤压主流道44中的样品液5，使主流道44的流阻增大。由于流阻的变化实时补偿了流体压力的变化，因此样品液5在主流道44中实现了精确的流量调控，最终使微泵输出了精确的样品液5。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种气压驱动精密微泵，其特征在于：包括
气压模块，包括气囊；
单向阀组，包括第一单向阀和第二单向阀，所述第一单向阀的入口通向外界大气，出口通向所述气囊，所述第二单向阀的入口通向气囊，出口通向蓄液模块；
蓄液模块，包括空腔和蓄液池，所述空腔与蓄液池之间通过第一弹性膜片间隔，所述空腔为封闭腔体，所述蓄液池通过第二单向阀与所述气囊连接；
调流模块，包括第一流道和第二流道，所述第一流道和第二流道均连通所述蓄液池，所述第一流道出口封闭，所述第二流道出口通向调流模块外，所述第一流道和所述第二流道通过第二弹性膜片间隔。
2.根据权利要求1所述的气压驱动精密微泵，其特征在于：所述气囊由底板和曲面壁围成，所述曲面壁为弹性材料，所述底板上设有外孔、第一内孔和第二内孔，所述外孔连通所述第一单向阀的入口，所述第一内孔连接所述第一单向阀的出口，所述第二内孔连接所述第二单向阀的入口。
3.根据权利要求1或2所述的气压驱动精密微泵，其特征在于：所述第一单向阀和所述第二单向阀均包括气流通道、第三弹性膜片和凸台，所述凸台设置在所述气流通道的内壁，所述第三弹性膜片横跨于所述气流通道内，所述第三弹性膜片一侧固定连接所述气流通道内壁，一侧贴合在所述凸台上。
4.根据权利要求1所述的气压驱动精密微泵，其特征在于：所述调流模块包括总流道、第一流道和第二流道，所述蓄液池内的液体流经总流道后分流为第一流道和第二流道，所述第二弹性膜片设置在所述第二流道侧壁上，所述第一流道通向所述第二弹性膜片，增加所述第一流道的压力，所述第二弹性膜片向所述第二流道弯曲。
5.根据权利要求1所述的气压驱动精密微泵，其特征在于：所述第二弹性膜片在受到流体压力时能够发生形变位移量，所述形变位移量大于膜片自身厚度的5倍，所述流体压力小于30kPa。
6.根据权利要求3所述的气压驱动精密微泵，其特征在于：所述第三弹性膜片在受到流体压力时能够发生形变位移量，所述形变位移量大于膜片自身厚度的5倍。
7.根据权利要求3所述的气压驱动精密微泵，其特征在于：所述第一弹性膜片、第二弹性膜片、第三弹性膜片和气囊的材质均为聚二甲基硅氧烷。
8.根据权利要求7所述的气压驱动精密微泵，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷中预聚体和交联体的质量比为20:1。
9.根据权利要求1所述的气压驱动精密微泵，其特征在于：所述微泵采用微流控中的软光刻技术制作，材质为聚二甲基硅氧烷。
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