CN111472956A - 一种气泡定点生长的热气泡驱动微泵及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种气泡定点生长的热气泡驱动微泵及制备方法，属于微流控技术领域。本发明是一种用于微流体输送的热气泡驱动微泵，具体为采用MEMS微加工技术制作的一种利用高频电流无线感应加热的热汽泡驱动微泵，在微泵内设有微加热盘，微加热盘上设计按一定规则形状排列的凹穴，使凹穴调整热汽泡的生长位置，通过控制热气泡周期性的膨胀和收缩，结合泵腔两侧微流道的阻力不同，最终微泵实现定向泵送。为了提高微泵的可靠性和工作频率，对微泵添加冷却装置，加强微泵在热汽泡收缩阶段的散热能力。本发明提出的微泵可广泛应用于航空航天、生物医学、化学等领域。

Description

一种气泡定点生长的热气泡驱动微泵及制备方法
技术领域
本发明是一种用于微流体输送的热气泡驱动微泵，具体为采用MEMS微加工技术制作的一种利用高频电流无线感应加热的热汽泡驱动微泵，在微泵内设有微加热盘，微加热盘上设计按一定规则形状排列的凹穴，使凹穴调整热汽泡的生长位置，通过控制热气泡周期性的膨胀和收缩，结合泵腔两侧微流道的阻力不同，最终微泵实现定向泵送。为了提高微泵的可靠性和工作频率，对微泵添加冷却装置，加强微泵在热汽泡收缩阶段的散热能力。本发明提出的微泵可广泛应用于航空航天、生物医学、化学等领域，属于微流控技术领域。
背景技术
微泵是微流体输送的动力之源，是微流控系统的重要组成部件。作为一种重要的微型执行部件，微泵可广泛应用于微型注射与药物输送系统、微全分析系统、芯片实验室、混合微流体、电子冷却系统等。Jung等在2007年研究了一种用多晶硅薄膜作为加热电阻的热气泡驱动微泵，由于受电阻尺寸、热传导和表面质量的限制，单个微电阻丝加热生成的热气泡直径较小、数量少，导致泵送效率低。Sun等在2017年研究了一种基于感应加热的热气泡驱动微泵，由于气泡生长的位置是随机的，有时汽泡位于泵腔的正中央，随着气泡的变大，可能会导致气泡堵塞微泵流道。此外，热汽泡驱动微泵需要通过不断的加热-冷却周期性工作，受到热汽泡驱动微泵的散热能力的限制，冷却阶段冷却速度慢，泵送频率低，长期工作的稳定性和可靠性不高。
发明内容
本发明的目的在于克服气泡堵塞微流道、泵送频率低、稳定性和可靠性不高等缺点，提出一种气泡定点生长、带有冷却装置的感应加热热气泡驱动微泵。该微泵采用MEMS微加工工艺制作，利用微平面感应加热器对微泵腔体内液体进行加热，微泵腔内的微加热盘上设计有按规则形状排列的凹穴，可以实现多个热气泡的定点生长和定向驱动控制。此外，使用制冷装置对感应加热的热汽泡驱动微泵冷却，加快热汽泡的冷却和收缩速度，提高感应加热的热汽泡驱动微泵的可靠性和稳定性。
本发明采用如下技术方案：
热气泡驱动微泵包括PDMS芯片5、带有凹穴51的加热盘7、玻璃基底6、励磁线圈8、制冷装置4。其中，PDMS芯片5包括进液口3、出液口1、泵腔13、扩散口15和喷嘴14；采用MEMS微加工工艺将带有凹穴51的加热盘7制作在玻璃基底6上；励磁线圈8采用漆包铜线制作，在线圈周围设计一层导热硅胶，用于导热和固定励磁线圈8，制冷装置4采用低功率的帕尔贴进行制冷。微泵控制系统由计算机30、脉冲发生器36、数字电流表33、直流电源44、电容18、可编程控制器27、继电器I 22、继电器II 39、制冷装置4和微泵2组成。其中，脉冲发生器36给励磁线圈8提供高频交变电流，通过可编程控制器27和继电器I 22来控制微泵的加热时间t1和间歇时间t2。直流电源44给制冷装备4提供直流电，通过可编程控制器27和继电器II39来控制制冷装备4的断电时间t3和制冷时间t4。
所述进液口1、出液口3贯穿PDMS芯片5，直径2mm，与扩散口15和喷嘴14相连接；泵腔13直径6-8mm制作在PDMS芯片5上，泵腔13深度1.1-2.5mm，泵腔13与扩散口15和喷嘴14相连通。
所述扩散口15和喷嘴14最窄处宽度100-300μm，角度为10°-15°，长度为2.5-3mm，深度0.1-0.4mm，分别与进液口3、出液口1和泵腔13相互连通。
所述带有凹穴51的加热盘7，加工在玻璃基底6的上表面，为圆形金属盘，直径3-5mm，为了提高感应加热的效率，选用铁磁性材料铜或镍，厚度为50μm到200μm。凹穴51的直径为10-80μm能更有效的密封气体，当加热盘7的温度达到热气泡的成核温度时，这些被密封的气体会优先产生热气泡，实现热气泡的定点生长；
所述加热盘7上的12个直径为50μm的凹穴51制作成两排，呈扩散状对称分布在泵送流向中心线两侧，夹角为30°-40°，实现热气泡定向耦合驱动，将液体更高效的排出泵腔。两排凹穴51最宽相距3-5mm，两排凹穴51最窄处相距500-800μm，保证微泵主流道上没有热气泡，热气泡不会阻碍液体的泵送，提高泵送效率。
所述玻璃基底6长和宽为2.5×2.5mm，厚度为100-200μm，将带有加热盘7的玻璃基底6的上表面和PDMS芯片5通过键合工艺封装在一起，使加热盘7位于泵腔13的中央。
所述玻璃基片2长和宽为3×2.5mm，厚度为500μm，在其表面制备PDMS芯片5阳模。
所述励磁线圈8采用漆包铜线绕制成平面线圈，线圈匝数为7匝到20匝，在线圈周围设计一层导热硅胶，用于对励磁线圈8导热，并将励磁线圈8固定在玻璃基底6的下表面，励磁线圈8和泵腔中的加热盘7中心对齐；
所述的励磁线圈8与脉冲发生器36相串联，给励磁线圈8通入交流电流；
所述制冷装置4采用低功率的帕尔贴进行制冷，帕尔贴的长宽高尺寸为2.5×2.5×0.5cm，制冷功率范围为0-5W。制冷装置4位于励磁线圈8的下方，对励磁线圈8、玻璃基底6和加热盘7进行冷却；
所述的制冷装置4与直流电源44相串联，给制冷装置4通入直流电流；
所述微泵控制系统通过可编程控制器27控制继电器I 22实现感应加热电路的控制，和通过编程控制器27控制继电器II 39的通断状态实现制冷电路的控制。继电器I22与励磁线圈8串联，实现控制励磁线圈8的导通时间t1和间断时间t2。继电器II39与制冷装置4串联，实现控制直流电源44供给制冷装置4的断电时间t3和制冷时间t4。所述的高频脉冲导通的时间是t1，间断的时间是t2，电流是I1；高频脉冲的频率选为20kHz-1MHz，保证热气泡的膨胀和收缩时间，t1设为0.2s-2s,t2设为1s-2s，电流I1设计为0.1A-4A。当励磁线圈8导通时，制冷装置4不工作，因此，制冷装置4断电时间t3与t1同步设为0.2s-2s，制冷时间t4设为1s-2s，电流I2设计为0.1A～5A。
本发明的热气泡驱动微泵的工作原理，如附图6，具体如下：
给励磁线圈8通入高频交变电流，其周围会产生交变磁场；在交变磁场的作用下，金属加热盘7内产生电涡流，进而生成焦耳热；该焦耳热通过热传导对加热盘7表面液体进行加热，当液体达到一定温度后，凹穴51会生成定点生长气泡16，微泵每个工作周期可以分为两个阶段：(1)给励磁线圈8通入高频交变电流，在感应热的作用下热气泡会定点生长在加热盘7上按扩散分布的凹穴51处。泵腔内的主流道上没有气泡生长，液体流经泵腔时会更流畅，因此有效提高了微泵的泵送效率。随着热气泡的增长，液体从进液口3和出液口1排出，并且在扩散口15处排出的液体要多于从喷嘴14处排出的液体；(2)励磁线圈8断电，热气泡收缩，液体从进液口3和出液口1流入泵腔13，相应的在喷嘴14处流入的液体多于在扩散口15处流入的液体。因此，在一个泵送周期内，从喷嘴14到扩散口15会产生一个净流量。热气泡周期性的膨胀和收缩便实现了微泵的泵送功能。在热气泡冷却收缩阶段，使用制冷装置4对金属加热盘7和激励线圈8产生的热量进行冷却散热，加快热汽泡的冷却收缩速度，提高感应加热的热汽泡驱动微泵的可靠性和稳定性。
1)本发明可以获得如下有益效果和特点：微加热盘上设计按一定规则形状排列的凹穴，使凹穴调整热汽泡的生长位置，实现多个热气泡的定点生长和定向驱动控制。此外，主流道上没有热气泡产生，避免了气泡堵塞微流道。
2)在热气泡冷却收缩阶段，使用制冷装置对感应加热的热汽泡驱动微泵冷却，加快热汽泡的冷却收缩速度，提高感应加热的热汽泡驱动微泵的可靠性和稳定性。
附图说明
图1：本发明带有冷却装置的热气泡驱动微泵整体外观视图；
图2：本发明带有冷却装置的热气泡驱动微泵分解视图；
图3：本发明PDMS芯片5外观图；
图4：本发明PDMS芯片5微流道结构俯视图；
图5：本发明加热盘7结构俯视图；
图6：本发明热气泡驱动微泵工作原理图；
图7：本发明PDMS芯片5工艺制作过程示意图；
图8：本发明加热盘7工艺制作过程示意图；
图9：本发明所用掩膜版，(a)加热盘掩膜板52，(b)PDMS芯片掩膜板53；
图10：本发明控制电路组成框图；
图11：本发明控制系统电路电流波形示意图,(a)微泵泵送系统电路电流波形图，(b)微泵冷却系统电路电流波形图；
图中：1.出液口，2.玻璃基片，3.进液口，4.制冷装置，5.PDMS芯片，6.玻璃基底，7.加热盘，8.励磁线圈，9.励磁线圈接线柱一，10.励磁线圈接线柱二，11.制冷装置接线柱一，12.制冷装置接线柱二，13.泵腔，14.喷嘴，15.扩散口，16.定点生长气泡，17.电容接线柱一，18.电容，19.电容接线柱二，20.继电器I接线柱一，21.继电器I接线柱二，22继电器I，23.继电器I接线柱三，24.继电器I接线柱四，25.可编程控制器接线柱一，26.可编程控制器接线柱二，27.可编程控制器，28.可编程控制器接线柱三，29.可编程控制器接线柱四，30.计算机，31.数字电流表接线柱一，32.数字电流表接线柱二，33.数字电流表，34.脉冲发生器接线柱一，35.脉冲发生器接线柱二，36.脉冲发生器，37继电器II接线柱一，38.继电器II接线柱二，39.继电器II，40.继电器II接线柱三，41.继电器II接线柱四，42.直流电源接线柱一，43.直流电源接线柱二，44.直流电源，45.金属铬，46.金属铜，47.正性光刻胶，48.负性光刻胶，49.金属阳模，50.矩形槽模具，51凹穴，52.加热盘掩膜板，53.PDMS芯片掩膜板。
具体实施方式
热气泡驱动微泵的制作由两部分组成：一、加热盘7的制作，二、PDMS芯片5的制作。
本发明中加热盘7采用电镀工艺加工制作，具体工艺流程如下所示：
第一步，图8(a)所示，使用去离子水清洗玻璃基底6，并在温度为110℃的烘胶台上烘干；
第二步，图8(b)所示，先在玻璃基底6上溅射金属铬45和金属铜46，然后再旋涂正性光刻胶47；
第三步，图8(c)所示，采用加热盘掩膜板52进行曝光，之后显影、坚膜；
第四步，图8(d)所示，采用电镀工艺，电镀出金属加热盘7；
第五步，图8(e)所示，用丙酮溶液去除正性光刻胶47，湿法刻蚀法去除金属铜46和金属铬45；
本发明中的PDMS芯片5，采用SU-8型负性光刻胶制作阳模，聚二甲基硅氧烷(PDMS)注塑工艺加工制作，具体工艺流程如下所示：
第一步，图7(f)所示，使用去离子水清洗玻璃基片2，并在温度为110℃的烘胶台上烘干；
第二步，图7(g)所示，在玻璃基片2上旋涂一层SU-8胶48，胶层厚度为50μm-250μm，利用热板进行前烘，先在温度65℃下烘干时间35min，再在温度95℃下烘干时间30-90min，然后自然冷却，使SU-8胶固化，所述的SU-8胶为负性光刻胶48，将PDMS芯片掩膜板53置在固化后的SU-8胶48表面上方，进行紫外线曝光，曝光时间40s-150s，SU-8胶曝光后，在热板上进行后烘热处理，先在温度65℃下烘干时间25min，再在温度95℃下烘干时间10-30min，然后自然冷却，经显影、清洗后，玻璃基片2上留下凸起的SU-8胶模具；
第三步，图7(h)所示，在SU-8胶模具的泵腔13上方粘结一个圆柱型金属阳模49，增加泵腔的深度。金属阳模的直径与泵腔的直径一致，厚度为0.2-1mm；
第四步，图7(i)所示，将带有SU-8胶模具的玻璃基片2放置在与其尺寸相同的矩形槽模具50中，浇注PDMS，在温度120℃下加热固化；
第五步，图7(j)所示，将固化后的PDMS从玻璃基片2上剥离，得到PDMS芯片5，使用打孔器在PDMS芯片5上加工出进液口1及出液口3。
本发明热气泡驱动微泵的PDMS芯片5和加热盘7制作完成后，采用键合方法把制有加热盘7的玻璃基底6和PDMS芯片5键合在一起，同时保证加热盘7位于泵腔13的中央。然后用导热硅胶把励磁线圈8固定在微泵和制冷装置4中间。
微泵控制系统的搭建，图10所示，脉冲发生器36输出端接线柱一34与数字电流表的接线柱二32连接，数字电流表的接线柱一31与励磁线圈的接线柱一9连接，励磁线圈的接线柱二10与电容接线柱一17连接，电容接线柱二19与继电器I接线柱一20连接，继电器I接线柱二21与脉冲发生器接线柱二35连接。直流电源的接线柱一42与制冷装置的接线柱一11连接，制冷装置的接线柱二12与继电器II接线柱四41连接，继电器II接线柱三40与直流电源的接线柱二43连接，可编程控制器的接线柱一25与继电器I接线柱四24连接，可编程控制器的接线柱二26与继电器I接线柱三23连接，可编程控制器的接线柱三28与继电器II接线柱一37连接，可编程控制器的接线柱四29与继电器II接线柱二38连接。

Claims (4)

1.一种气泡定点生长的热气泡驱动微泵，其特征在于：
热气泡驱动微泵包括PDMS芯片(5)、带有凹穴(51)的加热盘(7)、玻璃基底(6)、励磁线圈(8)、制冷装置(4)；其中，PDMS芯片(5)包括进液口(3)、出液口(1)、泵腔(13)、扩散口(15)和喷嘴(14)；采用MEMS微加工工艺将带有凹穴(51)的加热盘(7)制作在玻璃基底(6)上；微泵控制系统由计算机(30)、脉冲发生器(36)、数字电流表(33)、直流电源(44)、电容(18)、可编程控制器(27)、继电器I(22)、继电器II(39)、制冷装置(4)和微泵(2)组成；
其中，脉冲发生器(36)给励磁线圈(8)提供交变电流，通过可编程控制器(27)和继电器I(22)来控制微泵的加热时间t1和间歇时间t2；直流电源(44)给制冷装备(4)提供直流电，通过可编程控制器(27)和继电器II(39)来控制制冷装备(4)的断电时间t3和制冷时间t4；
所述进液口(1)、出液口(3)贯穿PDMS芯片(5)，与扩散口(15)和喷嘴(14)相连接；泵腔(13)直径6-8mm制作在PDMS芯片(5)上，泵腔(13)与扩散口(15)和喷嘴(14)相连通；
所述扩散口(15)和喷嘴(14)的最窄处宽度100-300μm，角度为10°-15°，长度为2.5-3mm，深度0.1-0.4mm，分别与进液口(3)、出液口(1)和泵腔(13)相互连通；
所述带有凹穴(51)的加热盘(7)，加工在玻璃基底(6)的上表面；凹穴(51)的直径为10-80μm，当加热盘(7)的温度达到热气泡的成核温度时，这些被密封的气体会优先产生热气泡，实现热气泡的定点生长；
所述加热盘(7)上的12个凹穴(51)制作成两排，呈扩散状对称分布在泵送流向中心线两侧，两排夹角为30°-40°；两排凹穴(51)最宽相距3-5mm，两排凹穴(51)最窄处相距500-800μm；
将带有加热盘(7)的玻璃基底(6)的上表面和PDMS芯片(5)通过键合工艺封装在一起，使加热盘(7)位于泵腔(13)的中央；
所述玻璃基片表面制备PDMS芯片(5)阳模；
所述励磁线圈(8)线圈匝数为7匝到20匝，在线圈周围设计一层导热硅胶，用于对励磁线圈(8)导热，并将励磁线圈(8)固定在玻璃基底(6)的下表面，励磁线圈(8)和泵腔中的加热盘(7)中心对齐；
所述的励磁线圈(8)与脉冲发生器(36)相串联，给励磁线圈(8)通入交流电流；
所述制冷装置(4)采用帕尔贴进行制冷，制冷装置(4)位于励磁线圈(8)的下方，对励磁线圈(8)、玻璃基底(6)和加热盘(7)进行冷却；
所述的制冷装置(4)与直流电源(44)相串联，给制冷装置(4)通入直流电流。
2.根据权利要求1所述的一种气泡定点生长的热气泡驱动微泵，其特征在于：
微泵控制系统通过可编程控制器(27)控制继电器I(22)实现感应加热电路的控制，和通过编程控制器(27)控制继电器II(39)的通断状态实现制冷电路的控制；继电器I(22)与励磁线圈(8)串联，实现控制励磁线圈(8)的导通时间t1和间断时间t2；继电器II(39)与制冷装置(4)串联，实现控制直流电源(44)供给制冷装置(4)的断电时间t3和制冷时间t4；所述的脉冲导通的时间是t1，间断的时间是t2，电流是I1；脉冲的频率选为20kHz-1MHz，t1设为0.2s-2s,t2设为1s-2s，电流I1设计为0.1A-4A；当励磁线圈(8)导通时，制冷装置(4)不工作，因此，制冷装置(4)断电时间t3与t1同步设为0.2s-2s，制冷时间t4设为1s-2s，电流I2设计为0.1A～5A。
3.根据权利要求1所述的一种气泡定点生长的热气泡驱动微泵，其特征在于：
给励磁线圈(8)通入交变电流，其周围会产生交变磁场；在交变磁场的作用下，金属加热盘(7)内产生电涡流，进而生成焦耳热；该焦耳热通过热传导对加热盘(7)表面液体进行加热，当液体达到一定温度后，凹穴(51)会生成定点生长气泡(16)，微泵每个工作周期分为两个阶段：(1)给励磁线圈(8)通入交变电流，在感应热的作用下热气泡会定点生长在加热盘(7)上按扩散分布的凹穴(51)处；泵腔内的主流道上没有气泡生长，液体从进液口(3)和出液口(1)排出，并且在扩散口(15)处排出的液体要多于从喷嘴(14)处排出的液体；(2)励磁线圈(8)断电，热气泡收缩，液体从进液口(3)和出液口(1)流入泵腔(13)，相应的在喷嘴(14)处流入的液体多于在扩散口(15)处流入的液体；因此，在一个泵送周期内，从喷嘴(14)到扩散口(15)会产生一个净流量；热气泡周期性的膨胀和收缩便实现了微泵的泵送功能；在热气泡冷却收缩阶段，使用制冷装置(4)对金属加热盘(7)和激励线圈(8)产生的热量进行冷却散热，加快热汽泡的冷却收缩速度。
4.制备如权利要求1所述的一种气泡定点生长的热气泡驱动微泵的方法，其特征在于：
第一步，使用去离子水清洗玻璃基片，并在烘胶台上烘干；
第二步，在玻璃基片上旋涂一层SU-8胶48，利用热板进行前烘，然后自然冷却，使SU-8胶固化，将PDMS芯片掩膜板置在固化后的SU-8胶表面上方，进行紫外线曝光，SU-8胶曝光后，在热板上进行后烘热处理，然后自然冷却，经显影、清洗后，玻璃基片上留下凸起的SU-8胶模具；
第三步，在SU-8胶模具的泵腔上方粘结一个圆柱型金属阳模，增加泵腔的深度；金属阳模的直径与泵腔的直径一致；
第四步，所示，将带有SU-8胶模具的玻璃基片放置在与其尺寸相同的矩形槽模具中，浇注PDMS，加热固化；
第五步，将固化后的PDMS从玻璃基片上剥离，得到PDMS芯片，使用打孔器在PDMS芯片上加工出进液口及出液口；
第六步，采用键合方法把制有加热盘的玻璃基底和PDMS芯片键合在一起，同时保证加热盘位于泵腔的中央；然后用导热硅胶把励磁线圈固定在微泵和制冷装置中间。
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