CN110345050B - 一种单一阀门控制和驱动的微泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单一阀门控制和驱动的微泵，包括：变化磁场产生装置，设置在管道的外壁并产生变化的电磁场；弹性膜，所述弹性膜的外周形状与管道的内壁截面形状相同，并密封固定在管道的内壁上；中心带有开口的磁性板，所述磁性板固定在弹性膜的中部，所述磁性板的周边与弹性膜相连，磁性板的开口未被弹性膜覆盖；以及阀片，所述阀片固定在所述磁性板上并覆盖磁性板的开口。本发明的结构非常简单，只需要在弹性膜上集成磁性板和阀片，就可以实现微泵的功能。由于采用电磁驱动这一外源驱动方式，不会干扰内部流体的流动，同时可以控制磁场的强度和频率来控制微泵的工作性能，这种驱动方式具有很强的可控性。

Description

一种单一阀门控制和驱动的微泵

技术领域

本发明领域属于电磁驱动的机械位移式微泵技术领域，具体涉及一种在电磁驱动下，仅仅需要单一阀门就可以控制和定向驱动微流体的微泵。

背景技术

微流体系统是在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的系统，是基于微电子、微机械、生物工程、纳米技术发展起来的一门交叉学科。微流体系统的功能实现依赖于它所集成的功能部件，如微泵、微阀、微混合器、微反应器、微检测器、微传感器。而操作流体是整个系统的基础和关键，这就依赖于微泵。

按照工作原理划分，一般可以划分为机械位移式微泵和非机械式微泵。机械泵往往是依赖可动部件来驱动流体，而非机械泵是依靠电动力、磁动力、静电力、电热这些非机械能转化为动力来驱动流体。非机械泵不需要活动部件，性能稳定，具有较好的流速放大和方向转换能力；当电流经过液体时，有些情况下会产生焦耳热，易形成电极气体；对溶液酸碱度和离子浓度有较高的依赖性，因而在生物医学方面的应用受到限制，而且响应慢。目前商用的微泵，往往以机械位移式微泵为主。

目前绝大部分机械位移式微泵，它们的活动部件一般无法单独完成对流体的操纵能力，往往需要借助阀门的通断功能，共同完成对流体驱动和控制。Brian D.Iverson等人发表的文章“Recent advances in microscale pumping technologies:a review andevaluation”中提到的振动薄膜驱动微流体的微泵，必须在入口和出口加上单向截止阀才能驱动流体。虽然，也有人提出了无阀泵的概念，没有阀门也可以驱动微流体。Tao Wang课题组在文章“Numerical and Experimental Study of Valve-Less Micropump UsingDynamic Multiphysics Model”理论研究和实验测量了基于特殊结构的无阀微泵系统，也实现了对流体的定向输送。这种借助收缩/扩张口结构的无阀驱动方式，虽然也可以实现对流体的单向驱动，但是由于入口和出口是连通的，所以无法建立起背压，这个缺陷极大程度上限制了其应用的范围。

微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)是随着半导体制造工艺发展起来的，是制作微纳米器件的最常用、有效的工艺手段。微机电系统具有体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等优点，所以在微流体系统中具有广泛的应用。E.Chappel等人利用MEMS微加工工艺制作了一个微泵并发表在“Dynamic Simulations ofa Piezoelectric Driven MEMS Micropump”上。

发明内容

本发明针对现有的微泵系统的不足，提出了一种依靠单一阀膜实现控制和驱动微流体功能的微泵系统。这种基于全新工作机制的微泵，不仅简化传统微泵结构(驱动部件和阀门分立)为阀控一体结构，而且采用外源驱动的电磁驱动方式，不会影响内部微流体的流动和微泵的工作。

根据本发明的一个实施例，提供一种单一阀门控制和驱动的微泵，包括：

变化磁场产生装置，设置在管道的外壁并产生变化的电磁场；

弹性膜，所述弹性膜的外周形状与管道的内壁截面形状相同，并密封固定在管道的内壁上；

中心带有开口的磁性板，所述磁性板固定在弹性膜的中部，所述磁性板的周边与弹性膜相连，磁性板的开口未被弹性膜覆盖；以及

阀片，所述阀片固定在所述磁性板上并覆盖磁性板的开口。

在本发明的一个实施例中，变化磁场产生装置是缠绕在管道外壁的多匝电磁线圈。

在本发明的一个实施例中，电磁线圈的直径在10-200μm的范围内，匝数在100-1000圈的范围内。

在本发明的一个实施例中，所述磁性板为圆环状永磁铁。

在本发明的一个实施例中，圆环状永磁铁的外径在2-10mm的范围内，内径在1-5mm的范围内，厚度0.5-5mm的范围内。

在本发明的一个实施例中，所述阀片由柔性薄膜和柔性薄膜上方的横梁组成，所述横梁的两端通过环氧树脂固定在磁性板上，所述柔性薄膜覆盖所述开口的正上方。

在本发明的一个实施例中，所述阀片的材质可选自硅胶、PI、PET，所述阀片直径在0.5mm-10mm的范围内，厚度在1μm-100μm的范围内；所述阀片横梁宽度在0.05mm-5mm的范围内。

在本发明的一个实施例中，所述弹性膜为厚度在0.05mm-1mm范围内的硅胶薄膜。

根据本发明的另一个实施例，提供一种微流体系统，包括：

管道；

变化磁场产生装置，设置在管道的外壁并产生变化的电磁场；

弹性膜，所述弹性膜的外周形状与管道的内壁截面形状相同，并密封固定在管道的内壁上；

中心带有开口的磁性板，所述磁性板固定在弹性膜的中部，所述磁性板的周边与弹性膜相连，磁性板的开口未被弹性膜覆盖；以及

阀片，所述阀片固定在所述磁性板上并覆盖磁性板的开口。

根据本发明的又一个实施例，提供一种制造单一阀门控制和驱动的微泵的方法，包括：

通过3D打印技术打印反模；

灌注硅胶到打印好的反模，放置磁性板，待硅胶固化后脱模，得到一体成型的弹性膜和磁性板；

用半导体加工工艺制备阀片；

用环氧树脂将阀片固定在磁性板开口正上方；

将得到的集成有磁性板和阀片的弹性膜固定在管道内；以及

在管道外壁安装变化磁场产生装置。

本发明提出了利用单一阀门控制和驱动微流体的微泵这一新颖的微泵系统。在电磁线圈产生的交变磁场的作用下，只需要一个阀门，就可以定向驱动流体，并能够建立起背压。这一全新的工作机制，不仅适用于对微流体的操纵，极端小型化后可以用于驱动纳流体；同时放大尺寸也可以操纵宏观液体，且适用于任何性质的流体。这一微泵系统具有广泛的适用性。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明针对传统的机械位移式微泵系统结构复杂、工艺难度高等缺陷，提出了依靠单一阀门操纵和驱动流体的电磁式微泵这一全新的微泵系统。它的结构非常简单，只需要在弹性膜上集成磁性板和阀片，就可以实现微泵的功能。

由于采用电磁驱动这一外源驱动方式，不会干扰内部流体的流动，同时可以控制磁场的强度和频率来控制微泵的工作性能，这种驱动方式具有很强的可控性。

进一步的，本发明采用了两种高精度、高可靠性的加工方式。用高精度3D打印机打印反模，可快速制作原型器件，极大简化了制备工艺，翻模技术将弹性膜和磁铁一体浇筑成型。用微电子加工技术制作阀片，不仅有极高的精度，而且一致性高，可实现批量制造。最后只需要将制作的阀片用环氧树脂固定在永磁铁上就可以直接安装使用。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的微流体系统100的立体示意图。

图2示出根据本发明的一个实施例的微流体系统100的截面左视图。

图3示出根据本发明的一个实施例的微流体系统100的截面俯视图。

图4示出根据本发明的一个实施例的微泵400的截面示意图。

图5示出根据本发明的一个实施例的装配好的弹性膜的立体示意图。

图6示出根据本发明的一个实施例的装配好的弹性膜的截面左视图。

图7示出根据本发明的一个实施例的装配好的弹性膜在打开状态下的左视图。

图8示出根据本发明的一个实施例的装配好的弹性膜在打开状态下的正视图。

图9示出根据本发明的一个实施例的制作微泵的流程图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

本发明针对传统的机械位移式微泵系统结构复杂、工艺难度高等固有缺陷，提出了依靠单一阀门操纵和驱动流体的电磁式微泵这一全新的微泵系统。它结构简单，只需要在弹性膜上集成磁性板和阀片，就可以实现微泵的功能。

图1示出根据本发明的一个实施例的微流体系统100的立体示意图。图2示出根据本发明的一个实施例的微流体系统100的截面左视图。图3示出根据本发明的一个实施例的微流体系统100的截面俯视图。如图1、图2和图3所示，微流体系统100包括管道1、电磁线圈2、弹性膜3、中心带有开口的磁性板4、阀片5。

管道1可以是任何适当的通用的硬质塑料、金属等材质的管道，包括但不仅限于PE、PP、PC、PS、不锈钢、铝等材质管道。例如，管道1可以选择直径为5mm-30mm的PE塑料管。然而，本领域的技术人员应该清楚，本发明的保护范围不限于此，管道1还可以使其它类型的管道，例如截面为方形的管道、多层材料形成的复合管道等等。

电磁线圈2缠绕在管道1的外表面上。例如，电磁线圈2的直径为10-200μm，匝数100-1000圈，使其能够产生较强的磁场。本领域的技术人员应该清楚，本发明的保护范围不限于此，电磁线圈2可根据需要采用不同直径和匝数的线圈，产生不同强度的磁场，进而调整驱动能力。在微流体系统中，电磁线圈2是一个外源驱动，不会干扰内部流体的工作。电磁线圈2可通过改变施加的电流的幅值或频率，改变磁场的强度和频率，控制微泵的输出性能，具有很强的可控性。

弹性膜3的外周形状与管道1的内壁截面形状相同，并密封固定在管道1的内壁上。弹性膜3可采用通用的高弹性材料，可通过调整弹性膜的厚度，使磁性板具有可调的振动幅度，从而改变微泵的输出性能。例如，弹性膜3可选用厚度为0.05-1mm的硅胶，能够具有理想的柔性，能够产生较大的振动幅度。

磁性板4固定在弹性膜3的中部。磁性板4为圆环状永磁铁，外径2-10mm，内径1-5mm，厚度0.5-5mm，在磁场内能够产生较强的振幅。磁性板4能够在电磁线圈产生的交变磁场内周期性振动，并能跟随磁场强度和频率做相应振幅和频率的周期性运动。本领域的技术人员应该清楚，本发明的保护范围不限于此，磁性板4也可以是其他多边形形状，例如三角形、方形、四边形、五边形等等。

阀片5固定在中心带有开口的磁性板4上并覆盖磁性板4的开口。阀片5由柔性薄膜和横梁组成，通过固定横梁两侧于磁性板4上，将阀片固定在磁性板4的开口的正上方。柔性薄膜是具有一定韧性的材料，具有一定的弯曲和回复能力，材质包括不限定于硅胶、PI、PET等材质。

电磁线圈2作为微流体系统100的驱动源，驱动能力可通过改变线圈匝数、粗细来调整，施加在线圈上的电流和频率也可以改变磁场强度进而控制微流体系统100的输出性能。

电磁线圈2、弹性膜3、中心带有开口的磁性板4、阀片5构成微流体系统100的微泵。该微泵是基于单一阀片驱动流体的微泵。当给电磁线圈2施加交变电流，缠绕在管道1上的电磁线圈会产生交变的磁场，磁场强度受施加电流幅值和频率控制。由于弹性膜3上的磁性板4受到交变磁场的作用力，会做周期性往复振动。在液体环境内，中心带有开口的磁性板4来回震动会带动固定在上面的阀片5来回运动，同时由于受到流体的阻力，会周期性打开和关闭阀门。当阀门打开，流体流进，阀门关闭，流体被送出。重复这个过程，实现了定向驱动流体的功能，同时能够建立起压差。

在本发明的其他实施例中，可采用其他类型的变化磁场产生装置来代替电磁线圈2。例如，可在磁性板4的前方或后方设置一个或多个电磁铁，通过改变通过电磁铁的电流的大小和/或方向，改变电磁铁所产生的磁场，弹性膜3上的磁性板4受到变化磁场的作用力，会做周期性往复振动。

图4示出根据本发明的一个实施例的微泵400的截面示意图。如图4所示，微泵400包括一个或多个变化磁场产生装置402、弹性膜403、中心带有开口的磁性板404以及阀片405。一个或多个变化磁场产生装置402设置在管道401的外壁。一个或多个变化磁场产生装置402中的每一个可以是分离的电磁铁。弹性膜403、中心带有开口的磁性板404以及阀片405与图1至图3示出的结构类似，为了简化本说明书的描述，再此不再赘述。

微泵能通过单一阀片，实现操纵和定向驱动的功能，并有能力建立起背压。在电磁场的作用下，磁性板受到吸引力而向入口处运动，被固定在磁性板上的阀片会跟随向下运动，但由于受到流体的阻力，此时阀片呈蝴蝶状张开，阀门打开，流体流入。当磁场方向改变，磁性板受到排斥力而逆向朝着出口处运动，阀片同样会跟随运动并受到流体阻力，从而挤压阀片，此时阀片会受到磁性板的阻挡而闭合，阀门关闭，入口处的流体被送出。这样周期性运动下，流体不断通过阀片流进并被送出，从而实现单一阀片控制和驱动流体的功能。同时由于阀门的存在，能够建立起背压。

图5示出根据本发明的一个实施例的装配好的弹性膜的立体示意图。图6示出根据本发明的一个实施例的装配好的弹性膜的截面左视图。上述两图所示出的实施例中，弹性膜3最终要装配上磁性板4和阀片5。磁性板4的周边与弹性膜3相连，磁性板4的中心开口未被弹性膜3覆盖。磁性板4可以是永磁铁，例如，磁性板4选用钕铁硼永磁铁，具有较强的磁性，在磁场中会受到较强的作用力，从而驱动能力更强。磁性板4通过翻模工艺和弹性膜3一体成型，通过微加工工艺制作的阀片5通过环氧树脂被固定在永磁铁开口的正上方。阀片要能够盖住开口，避免泄露，这样入口和出口流体只能通过这个开口流通，通过阀片的张开和关闭来实现对流体的操纵功能。当阀门打开，流体流进，阀门关闭，流体被送出。重复这个过程，实现了定向驱动流体的功能，同时能够建立起压差。本领域的技术人员应该清楚，本发明的保护范围不限于此上述实施例所示的阀片5的形状和开启或关闭方式。例如，阀片5可以不具有横梁，而是仅在阀片的边缘处设定一个突出的连接端用于固定到磁性板。

图7示出根据本发明的一个实施例的装配好的弹性膜在打开状态下的左视图。图8示出根据本发明的一个实施例的装配好的弹性膜在打开状态下的正视图。图7和图8两个视图的角度相互垂直。在液体环境内，磁性板4在变化的电磁场的作用下来回震动会带动固定在上面的阀片5来回运动，同时由于受到流体的阻力，会周期性打开和关闭阀门。如图7和图8所示，当弹性膜沿箭头方向向下运动时，阀门5打开，流体从箭头下方流入上方。当弹性膜沿反方向运动时，阀门关闭，流体被送出。重复这个过程，实现了定向驱动流体的功能，同时能够建立起压差。

两图所示微泵的弹性膜的典型尺寸为直径20mm，厚100-500μm，使其能够随固定在上面的永磁铁做较大幅度位移。

所示永磁铁可采用圆环结构，尺寸外径10mm，内径3mm，高1-3mm，使其能够随磁场做较大幅度振动，以带动薄膜运动；

阀片的薄膜，典型尺寸为厚1-100μm，直径0.5mm-10mm，使其能够及时打开和关闭，同时横梁宽度控制在0.05-5mm的范围。例如，在本发明的一个实施例中，阀片选用厚度为1-100μm的PI薄膜，直径2-9mm，能够盖住磁性板的开口，横梁宽度为0.05-5mm，长3-10mm。

在本发明的一些实施例中，弹性膜的直径和厚度可根据输出性能要求调整，材料一般选择具有较好柔性的材料，例如硅胶和PDMS等，例如通过混合AB型硅胶，固化后成型，具有理想的柔性。同时阀片的选择也至关重要，阀片薄膜材料需要有一定韧性，能够在多次受力弯曲之后可以回复。一般而言，阀片薄膜越厚，越难打开，输出流量越低。阀片要足够大能够盖住永磁铁的开口，防止流体泄露回流。

图9示出了根据本发明的一个实施例的制作微泵的流程图。

首先，在步骤910，通过高精度3D打印技术打印反模。

然后，在步骤920，灌注硅胶到打印好的反模，放置磁性板，待硅胶固化后脱模，得到一体成型的弹性膜和磁性板。例如，将混合好的AB型硅胶浇筑到反模中，放置磁性板，固化后脱模成型，实现弹性膜和磁性板一体化。

同步地，在步骤930，用半导体加工工艺制备阀片。经过贴膜、溅射、甩胶、前烘、光刻、显影、电镀、释放和激光切割等工艺步骤，得到最终的阀片，包括薄膜和横梁。阀片的材料可以选用聚酰亚胺PI等材料。例如，阀片的薄膜采用一定厚度PI薄膜，PI薄膜可以在液体的作用下及时打开和关断，同时可以控制PI薄膜的厚度来调控薄膜张开的幅度，进而调控流体的流量。

在步骤940，用环氧树脂将阀片固定在磁性板开口正上方，阀片要能够盖住开口，避免泄露，流体只能通过阀片流通。

然后，在步骤950，将得到的集成有磁性板和阀片的弹性膜固定在预先准备好的管道内。

在步骤960，在管道外圈套上电磁线圈，最终得到单一阀片控制的微泵。

本发明针对传统机械位移式微泵结构复杂、制备流程复杂等缺点，提出了一种使用单一阀片控制和驱动微流体的微泵系统。它只需要阀片就可以完成对流体的控制和定向驱动，同时能够建立起背压，通过简单的装配就可以直接工作。

进一步地，本发明采用电磁驱动这一外源驱动方式，驱动源没有进入流体系统内部，不会对流体流动和微泵功能部件工作产生干扰，所以避免了对微泵工作性能的影响。同时，这种工作方式适用于所有属性的流体。

制备工艺采用了3D打印技术，极大缩减了产品开发周期；翻模工艺和微加工工艺的引入，具有批量化制备的优势。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种单一阀门控制和驱动的微泵，包括：

变化磁场产生装置，设置在管道的外壁并产生变化的电磁场；

弹性膜，所述弹性膜的外周形状与管道的内壁截面形状相同，并密封固定在管道的内壁上；

中心带有开口的磁性板，所述磁性板固定在弹性膜的中部，所述磁性板的周边与弹性膜相连，磁性板的开口未被弹性膜覆盖；以及

阀片，所述阀片固定在所述磁性板上并覆盖磁性板的开口。

2.如权利要求1所述的单一阀门控制和驱动的微泵，其特征在于，所述变化磁场产生装置是缠绕在管道外壁的多匝电磁线圈。

3.如权利要求2所述的单一阀门控制和驱动的微泵，其特征在于，所述电磁线圈的直径在10-200μm的范围内，匝数在100-1000圈的范围内。

4.如权利要求1所述的单一阀门控制和驱动的微泵，其特征在于，所述磁性板为圆环状永磁铁。

5.如权利要求4所述的单一阀门控制和驱动的微泵，其特征在于，所述圆环状永磁铁的外径在2-10mm的范围内，内径在1-5mm的范围内，厚度0.5-5mm的范围内。

6.如权利要求1所述的单一阀门控制和驱动的微泵，其特征在于，所述阀片由柔性薄膜和柔性薄膜上方的横梁组成，所述横梁的两端通过环氧树脂固定在磁性板上，所述柔性薄膜覆盖所述开口的正上方。

7.如权利要求6所述的单一阀门控制和驱动的微泵，其特征在于，所述阀片的材质可选自硅胶、PI、PET，所述阀片直径在0.5mm-10mm的范围内，厚度在1μm-100μm的范围内；所述阀片横梁宽度在0.05mm-5mm的范围内。

8.如权利要求1所述的单一阀门控制和驱动的微泵，其特征在于，所述弹性膜为厚度在0.05mm-1mm范围内的硅胶薄膜。

9.一种微流体系统，包括：

管道；

变化磁场产生装置，设置在管道的外壁并产生变化的电磁场；

弹性膜，所述弹性膜的外周形状与管道的内壁截面形状相同，并密封固定在管道的内壁上；

中心带有开口的磁性板，所述磁性板固定在弹性膜的中部，所述磁性板的周边与弹性膜相连，磁性板的开口未被弹性膜覆盖；以及

阀片，所述阀片固定在所述磁性板上并覆盖磁性板的开口。

10.一种制造权利要求1至8中任一项所述的单一阀门控制和驱动的微泵的方法，包括：

通过3D打印技术打印反模；

灌注硅胶到打印好的反模，放置磁性板，待硅胶固化后脱模，得到一体成型的弹性膜和磁性板；

用半导体加工工艺制备阀片；

用环氧树脂将阀片固定在磁性板开口正上方；

将得到的集成有磁性板和阀片的弹性膜固定在管道内；以及

在管道外壁安装变化磁场产生装置。

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