CN110454384B - 带有曲线挡板的无阀磁流体驱动微泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有曲线挡板的无阀磁流体驱动微泵，该装置包括PDMS上盖、玻璃基底、磁流体、永磁铁、支架及步进电机。在PDMS上盖设计有圆形微泵腔及曲线挡板，工作时，步进电机带动外部永磁铁转动，永磁铁产生的磁场力进而带动腔内的磁流体转动，腔内的磁流体随着外部永磁铁转动并与曲线挡板将泵腔分割为进口侧与出口侧。磁流体作为叶片将出口侧的液体泵送出泵腔，同时进口侧的压强减小，液体得以从进液口进行补充，实现持续泵送。本发明提高了微泵腔的空间利用率，泵送全程无死体积出现，改善了现有微泵泵送流量小的问题。同时，本装置只需一个外部永磁铁，减少了永磁体和控制阀的数量，提高可靠性的同时也降低了制作成本。

Description

带有曲线挡板的无阀磁流体驱动微泵

技术领域

本发明是一种带有曲线挡板的无阀磁流体驱动微泵，具体为一种采用磁场力作为驱动力，利用磁流体受到磁场力的作用而产生运动，进而驱动被泵送的液体。微泵是微流体系统的重要组成部分，在微型传感器、微型生物芯片、微系统化学分析以及各种涉及微流体输送的场合中均有广泛应用，属于微流控系统领域。

背景技术

2005年，Yamahata等人研制了一种往复驱动的磁流体驱动微泵，由外部的永磁铁带动在微流道内的磁流体进行往复运动，磁流体两端用油将其与液体或空气隔离。2013年，Chang等人研制了一种用于增强生物反应的环形通道磁流体驱动微泵，微泵依靠静止的永磁铁和沿环形微流道运动的永磁铁分别形成静止和运动的两个磁流体柱塞，运动的永磁铁带动磁流体柱塞不断沿微流道运动，从而推动液体连续流动，进而实现连续泵送。2015年，Ashouri等人设计了一种圆形泵腔旋转磁流体驱动微泵，由外部旋转的永磁铁驱动实现泵送。然而，目前大多数磁流体驱动微泵的泵送流量不高，且制作工艺复杂，微泵中较多的组件不仅增加了制造过程的复杂性和成本，而且降低了微泵的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服传统磁流体微泵难于实现大的泵送流量，制作工艺复杂等缺点，而提出一种采用圆形泵腔结构，只需要一个外部永磁铁，且不需要叶片和止回阀等结构，加工难度较低。曲线挡板与磁流体将泵腔分为两部分，泵腔内磁流体随着外部永磁体转动。在永磁铁的转动过程中，出液口侧泵腔内的压强不断升高，液体从出液口排出；同时，进液口侧泵腔内的压强不断降低，液体从进液口流入，从而实现液体泵送。

本发明可以获得如下有益效果和特点：1)采用圆形泵腔结构，微泵的空间利用效率较高，可获得较大的单次泵送量；2)曲线挡板和磁流体组成的特殊流道可使泵送的液体按顺时针方向有规律地流动，增加了微泵运行时的稳定性，且泵送全程没有死体积的出现；3)在整个泵送过程中，磁流体始终将微泵的进液口和出液口保持隔离状态，因此被泵送的液体不会发生回流现象；4)只需要一个外部永磁铁，减少了永磁体和控制阀的数量，且不需要叶片和止回阀等结构，部件少、结构简单、制作成本低且可靠性较高；5)微泵的体积较小，加工难度较低；6)采用油基铁磁流体，不溶于水，在微泵泵送过程中不会对泵送的水溶液产生影响，并满足在外磁场作用时保持稳定的特性。

附图说明

图1：本发明整体外观视图；

图2：本发明分解外观视图；

图3：本发明微泵泵体外观视图

图4：本发明微泵PDMS上盖形状结构图；

图5：本发明微泵工作原理示意图一；

图6：本发明微泵工作原理示意图二；

图7：本发明微泵工作原理示意图三；

图8：本发明微泵工作原理示意图四；

图9：本发明微泵PDMS上盖制作工艺过程图一；

图10：本发明微泵PDMS上盖制作工艺过程图二；

图11：本发明微泵PDMS上盖制作工艺过程图三；

图12：本发明微泵PDMS上盖制作工艺过程图四；

图13：本发明微泵PDMS上盖制作工艺过程图五；

图14：本发明微泵PDMS上盖制作工艺过程图六；

图15：本发明微泵制作工艺所用掩模版；

图中：1.PDMS上盖，2.微泵腔，3.曲线挡板，4.进液口微流道，5.出液口微流道，6.进液口，7.出液口，8.玻璃基底，9.支架，10.永磁铁，11.圆盘，12.电机，13.磁流体，14.泵送液体，15.玻璃片，16.SU-8胶，17.掩模版，18.SU-8阳模，19.PDMS混合物。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明采用如下技术方案：

磁流体驱动微泵，主要由PDMS上盖1、玻璃基底8、支架9、永磁铁10、圆盘11、电机12组成。其中，PDMS上盖1上设计有微泵腔2、曲线挡板3、进液口微流道4、出液口微流道5、进液口6和出液口7；

所述PDMS上盖1为边长20mm-22mm的正方形，厚度为100μm-200μm。

所述进液口6与出液口7通过两个微流道与圆形微泵腔2连接，直径为1.4mm-1.6mm。

所述微泵腔2，为PDMS上盖1上的圆形腔体结构，其通过进液口微流道4与进液口6相连，通过出液口微流道5与出液口7相连，圆形微泵腔2的直径为14mm-16mm。

所述进液口微流道4、出液口微流道5两通道与泵腔相切，其切线所夹圆心角为60°。微流道的宽度为0.6mm，进液口微流道4的长度为6mm-8mm，出液口微流道5的长度为3mm-5mm。

所述圆形微泵腔2、曲线挡板3、进液口微流道4和出液口微流道5的深度均为100μm-200μm。

所述曲线挡板3由两段曲线挡板和中部开口组成，挡板宽度为0.2mm-0.4mm。其中曲线一由两段圆弧构成，靠近中部开口的圆弧为第一圆弧。第一圆弧过微泵腔2的圆心，弧度α为26°-28°，其圆心与微泵腔2的圆心相距3.7mm-3.9mm，且两圆心连线与出液口微流道5平行。曲线一的第二圆弧与第一圆弧外相切，且两圆弧圆心连线与进液口微流道4垂直，半径为3mm-3.2mm，弧度β为60°-90°。中部开口部分的圆心和半径与曲线一的第一圆弧相同，弧度为6°-10°，开口弧的中点为微泵腔2的圆心。曲线二与泵腔侧壁相连，为过微泵腔2圆心且与进液口微流道4相连的贝塞尔曲线，其与进液口微流道4、出液口微流道5、过微泵腔2圆心且与出液口微流道5垂直的三条直线相切。

所述玻璃基底8位于PDMS上盖1的底端，为长40mm-42mm，宽20mm-22mm的矩形，厚度为0.5mm-1mm。

所述支架9位于玻璃基底8的下方，由两个相同的L型支撑臂和底板组成。底板为长40mm-42mm，宽20mm-22mm的矩形，厚度为1mm-2mm。两支撑臂的高度为30mm-32mm，间距为28mm-32mm，上端平台边缘的投影与底板重合。

所述永磁铁10为圆柱形磁铁，在圆盘11和玻璃基底8之间旋转，永磁铁10的直径为5mm-6mm，厚度为1mm-3mm。永磁铁10的材料为NdFeB。

所述圆盘11为底部有盲孔的圆柱体，圆盘直径为14mm-16mm，厚度为2mm-3mm，底部盲孔直径为1mm-2mm，深度为1mm-2mm。

所述电机12额定工作电压为12V，其转轴直径为1mm-2mm，长度为10mm-12m。

本发明带有曲线挡板的磁流体驱动微泵工作原理，如附图5-8，具体如下：

(a)在启动微泵前，先向圆形微泵腔2注入一定量的磁流体13，磁流体13由微泵外部的电机12带动旋转的永磁铁10磁化，并随着永磁铁10旋转运动。电机12的旋转轴与圆形微泵腔2的中心轴线同轴。然而，永磁铁10与微泵腔2中心线偏心，如附图5。由于永磁铁10对磁流体13的磁化作用，磁流体13在微泵腔2中聚集并形成一个连续的微盘。当外部的永磁铁10围绕着微泵腔2中心旋转时，磁流体微盘13也随着其进行旋转。

(b)如附图5所示，当外部永磁铁10以顺时针方向旋转时，在圆形微泵腔2内的磁流体微盘13也随着其进行同向旋转。由于曲线挡板3的阻碍，磁流体13通过曲线挡板3的中部小口和端部大口流到曲线挡板3的下端。随着磁流体微盘13的旋转，进液口处的压强逐渐减小，出液口处的压强逐渐增大，出液口侧部分不断向出液口7泵送液体14，而进液口侧部分则从进液口6不断补充液体14。

(c)如图6所示，磁流体微盘13继续随着永磁铁10顺时针旋转，在旋转过程中始终有一小部分磁流体滞留在曲线挡板的上方，将中部小口堵住，保持进液口与出液口的隔离状态，同时液体14顺着端部大口继续流入曲线挡板3的下方，继续着进液与泵送的过程。

(d)如图7所示，随着磁流体微盘13继续顺时针运动，出液口被磁流体13阻挡，此时微泵停止泵送，同时在此阶段进液口所连接的腔体体积不再增大，因此液体也不再向微泵腔内流入，在此阶段液体既不回流也不泵送。

(e)如图8所示，磁流体微盘13继续顺时针运动，曲线挡板3下方的磁流体通过中部小口进入到上方泵腔，此时出液口微流道5不再被遮挡，液体14开始从出液口7向外泵送。同时，上方泵腔的压强随着磁流体的运动开始减小，液体从进液口6开始补充。至此，微泵完成一个工作循环并恢复初始工作状态。

由以上步骤(b)(c)(d)(e)循环进行，液体14不断从进液口6流入，从出液口7流出，实现对液体14的输送功能，泵送全程磁流体始终将曲线挡板3的中部开口充满，将圆形微泵腔分为进液口侧和出液口侧两个不互相连通的部分，因此液体14在整个过程中不会发生回流。

本发明中的微泵PDMS上盖1采用浇注工艺制成，其模具材料为SU-8光刻胶16，采用传统的软光刻技术制造。具体工艺流程如下所示：

(a)如图9所示，选用尺寸为25mm×38mm的玻璃片15作为承载SU-8胶16的基底。将洗净的玻璃片15用热风枪吹干，之后，放置于90℃的烘胶台上烘20min。将烘干的玻璃片15放置于等离子体处理机中，设定腔内压强120Pa、调节正向功率100W、反射功率约20W，用plasma处理5min后，取出玻璃片15，完成玻璃的表面处理。

(b)如图10所示，在玻璃片15表面旋涂一层SU-8胶16，然后将匀胶后的玻璃片15放置在温度为65℃的烘胶台上烘干15min，再将烘胶台温度调节为95℃，前烘2h后关闭烘胶台。

(c)如图11所示，将掩膜板17放置在固化后的SU-8胶16表面上方，进行对齐，曝光6min。然后放置烘胶台上65℃烘15min；再调节烘胶台温度至95℃，烘40min后取下玻璃片15并静置10min，完成后烘。

(d)如图12所示，将玻璃片15浸入到PGMEA中轻晃进行显影，然后用异丙醇清洗残留在玻璃片15上的PGMEA，完成显影。调节烘胶台温度至90℃，将玻璃片15放置于烘胶台上烘2h进行坚膜。SU-8阳模18的制作完成。

(e)如图13所示，将PDMS与固化剂以10:1的重量比充分混合后的PDMS混合物19放入真空烘箱中脱气30min。将脱气后的PDMS混合物19取出，并倒入已经制好的SU-8阳模18中，在60℃的烘胶台上加热2h使其固化成PDMS上盖1。

(f)如图14所示，将固化后的PDMS上盖1从模具中剥离，使用打孔器在PDMS上盖1打出进液口6和出液口7，完成PDMS上盖1的制作。

本发明将上述加工好的PDMS上盖1与玻璃基底8放置于等离子体处理机中，腔内压强保持在110-120Pa，开启射频电源，调节功率使真空室起辉。处理30s后，取出PDMS上盖1及玻璃基底8进行键合，之后，放置于65℃的烘胶台上10min，完成PDMS上盖1与玻璃基底8的永久键合，制成带有曲线挡板的磁流体驱动微泵。

本发明所用模具版图的图形是使用平面设计软件CorelDRAW Graphics Suite X7绘制，然后打印出掩膜版版图，得到掩膜版17如附图15所示。

以上为本发明的一个优选实施例，但是本发明的内容不仅仅局限于此。

Claims (9)

1.带有曲线挡板的无阀磁流体驱动微泵，其特征在于：包括PDMS上盖、玻璃基底、支架、永磁铁、圆盘和电机；其中，PDMS上盖上设计有微泵腔、曲线挡板、进液口微流道、出液口微流道、进液口和出液口；

所述进液口与出液口通过两个微流道与微泵腔连接；

所述微泵腔，通过进液口微流道与进液口相连，通过出液口微流道与出液口相连，

所述进液口微流道、出液口微流道两通道与泵腔相切，其切线所夹圆心角为60°；

所述曲线挡板由两段曲线挡板和中部开口组成，其中曲线一由两段圆弧构成，靠近中部开口的圆弧为第一圆弧；第一圆弧过微泵腔的圆心，弧度α为26°-28°，其圆心与微泵腔的圆心相距3.7mm-3.9mm，且两圆心连线与出液口微流道平行；曲线一的第二圆弧与第一圆弧外相切，且两圆弧圆心连线与进液口微流道垂直，半径为3mm-3.2mm，弧度β为60°-90°；中部开口部分的圆心和半径与曲线一的第一圆弧相同，弧度为6°-10°，开口弧的中点为微泵腔的圆心；曲线二与泵腔侧壁相连，为过微泵腔圆心且与进液口微流道相连的贝塞尔曲线，其与进液口微流道、出液口微流道、过微泵腔圆心且与出液口微流道垂直的线这三条直线相切。

2.根据权利要求1所述的带有曲线挡板的无阀磁流体驱动微泵，其特征在于：

所述PDMS上盖1为边长20mm-22mm的正方形，厚度为100μm-200μm。

3.根据权利要求1所述的带有曲线挡板的无阀磁流体驱动微泵，其特征在于：

微流道的宽度为0.6mm，进液口微流道的长度为6mm-8mm，出液口微流道的长度为3mm-5mm。

4.根据权利要求1所述的带有曲线挡板的无阀磁流体驱动微泵，其特征在于：

微泵腔、曲线挡板、进液口微流道和出液口微流道的深度均为100μm-200μm。

5.根据权利要求1所述的带有曲线挡板的无阀磁流体驱动微泵，其特征在于：

所述玻璃基底位于PDMS上盖的底端，为长40mm-42mm，宽20mm-22mm的矩形，厚度为0.5mm-1mm。

6.根据权利要求1所述的带有曲线挡板的无阀磁流体驱动微泵，其特征在于：

所述支架位于玻璃基底的下方，由两个相同的L型支撑臂和底板组成；底板为长40mm-42mm，宽20mm-22mm的矩形，厚度为1mm-2mm；两支撑臂的高度为30mm-32mm，间距为28mm-32mm，上端平台边缘的投影与底板重合。

7.根据权利要求1所述的带有曲线挡板的无阀磁流体驱动微泵，其特征在于：

所述永磁铁为圆柱形磁铁，在圆盘和玻璃基底之间旋转，永磁铁的直径为5mm-6mm，厚度为1mm-3mm。

8.根据权利要求1所述的带有曲线挡板的无阀磁流体驱动微泵，其特征在于：

所述圆盘为底部有盲孔的圆柱体，圆盘直径为14mm-16mm，厚度为2mm-3mm，底部盲孔直径为1mm-2mm，深度为1mm-2mm。

9.应用如权利要求1-8任意一项所述的带有曲线挡板的无阀磁流体驱动微泵的方法，其特征在于：

(a)在启动微泵前，先向圆形微泵腔注入磁流体，磁流体由微泵外部的电机带动旋转的永磁铁磁化，并随着永磁铁旋转运动；电机的旋转轴与圆形微泵腔的中心轴线同轴；然而，永磁铁与微泵腔中心线偏心，由于永磁铁对磁流体的磁化作用，磁流体在微泵腔中聚集并形成一个连续的磁流体微盘；当外部的永磁铁围绕着微泵腔中心旋转时，磁流体微盘也随着其进行旋转；

(b)当外部永磁铁以顺时针方向旋转时，在圆形微泵腔内的磁流体微盘也随着其进行同向旋转；由于曲线挡板的阻碍，磁流体通过曲线挡板的中部小口和端部大口流到曲线挡板的下端；随着磁流体微盘的旋转，进液口处的压强逐渐减小，出液口处的压强逐渐增大，出液口侧部分不断向出液口泵送液体，而进液口侧部分则从进液口不断补充液体；

(c)磁流体微盘继续随着永磁铁顺时针旋转，在旋转过程中始终有一部分磁流体滞留在曲线挡板的上方，将中部小口堵住，保持进液口与出液口的隔离状态，同时液体顺着端部大口继续流入曲线挡板的下方，继续着进液与泵送的过程；

(d)随着磁流体微盘继续顺时针运动，出液口被磁流体阻挡，此时微泵停止泵送，同时在此阶段进液口所连接的腔体体积不再增大，因此液体也不再向微泵腔内流入，在此阶段液体既不回流也不泵送；

(e)磁流体微盘继续顺时针运动，曲线挡板下方的磁流体通过中部小口进入到上方泵腔，此时出液口微流道不再被遮挡，液体开始从出液口向外泵送；同时，上方泵腔的压强随着磁流体的运动开始减小，液体从进液口开始补充；至此，微泵完成一个工作循环并恢复初始工作状态；

由以上步骤(b)(c)(d)(e)循环进行，液体不断从进液口流入，从出液口流出，实现对液体的输送功能，泵送全程磁流体始终将曲线挡板的中部开口充满，将圆形微泵腔分为进液口侧和出液口侧两个不互相连通的部分，因此液体在整个过程中不会发生回流。

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