CN111486072B - 一种利用定域非对称运动驱动微流体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用定域非对称运动驱动微流体的方法，通过定域振动的振子在振动的轴线方向上产生正压，在与其振动轴线正交的平面上所有方向上产生负压，从而驱动流体运动；或通过定域旋转的球体，旋转摩擦带动流体旋转并产生离心运动，在旋转轴方向上产生负压，在与旋转轴正交的平面的所有方向上产生正压从而驱动流体运动。本发明是根据对称性原理得到的通过振子和旋转子驱动流体运动两种最简方式，由此派生出最简的相关结构及驱动方式，能实现最大范围的应用场景和最低的制造成本。其驱动方式、材料、空间尺度、结构、输出能力等都具有可拓展性。同时具有可集成性，可广泛应用在化学、生命科学、环境科学、医疗卫生等领域。

Description

一种利用定域非对称运动驱动微流体的方法

技术领域

本发明涉及微流控领域，尤其涉及一种利用定域非对称运动驱动微流体的方法。

背景技术

微流控，是一种精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术，微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵、电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应。

微泵的分类方式有很多种：根据有无可动阀片，可分为有阀微泵和无阀微泵；根据驱动方式不同，可分为压电式、静电式、气动式、热驱动式等。有阀微泵一般是利用腔体容积的周期变化和单向阀门工作的，有阀微泵的原理简单，制作工艺较为成熟且易于控制，是目前应用的主流。但由于泵体中存在阀片等机械部件，阀片的疲劳和寿命问题一直是困扰研究者的难题，大大限制了其应用范围；而且这些机械可动部件的加工工艺和加工准确度限制了有阀微泵的进一步小型化，不适应近年来迅速发展的微流体芯片的技术需求。相比有阀微泵，无阀微泵由于其原理新颖、结构相对简单、制造工艺要求不高、适于微型化，因而具有独特的发展优势和广阔的应用前景。

循环系统是所有哺乳动物的生命流动系统，其流体是循环的，其血管直径是微米到毫米，其流动不是那么快。专利201310378611.5，提出了“一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵”，利用两组微磁阵列的相互作用在管道上产生四个振幅、频率、振动方向相同，而具有90度相位差的驻波，由于四列驻波可以在微流管道上合成行波，使管道内的液体沿行波方向流动。两组微型磁铁阵列，分别由四个环形磁铁和圆柱型磁铁组成，环形磁铁的尺寸为2mm高，直径为1mm，外直径为2.3mm，圆柱型磁铁的尺寸为2mm高，直径为1mm。电机的尺寸为直径6mm，长度为14mm。整个微流泵的整体尺寸在3cm左右，体积还是偏大，不适用于更细微的实验领域。

发明内容

本发明提供一种利用定域非对称运动驱动微流体的方法，以实现微流体的最简驱动结构。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种利用定域非对称运动驱动微流体的方法，其特征是：包括设置在流体内的运动子和设置在流体外的驱动子，所述运动子在所述驱动子的驱动下的沿Z轴进行周期运动，从而驱动流体运动。

优选的，所述运动子为振子，所述振子在振动的轴线方向上产生正压，在与其振动轴线正交的平面上所有方向上产生负压，从而驱动流体运动。

优选的，所述振子为具有明确NS极的球形磁子，所述驱动子为明确NS极的长方形磁铁片和驱动线圈，所述球形磁子放置在流体容腔内，所述长方形磁铁片和驱动线圈设置在流体容腔外，所述长方形磁铁片平放在所述驱动线圈的内环面内，对所述驱动线圈通方形波，所述球形磁子在流体内做往复运动。

优选的，所述球形磁子放入一带有循环通道的微芯片内，所述驱动线圈和长方形磁铁片设置在循环通道外，所述驱动线圈通过一音频线连接外部音频输出设备，所述音频线输入的音频为方波输入。

优选的，所述运动子为旋转子，所述旋转子旋转摩擦带动流体旋转并产生离心运动，在旋转轴方向上产生负压，在与旋转轴正交的平面的所有方向上产生正压从而驱动流体运动。

优选的，所述旋转子为具有明确NS极的球形磁子，所述驱动子为明确NS极的长方形磁铁片和微电机，所述球形磁子放置在流体容腔内，所述长方形磁铁片和微电机设置在流体容腔外，所述长方形磁铁片的中心连接所述微电机的输出轴，启动所述微电机，带动所述长方形磁铁片旋转，进而带动球形磁子旋转。

本发明是根据对称性原理得到的通过振子和旋转子驱动流体运动两种最简方式，由此派生出最简的相关结构及驱动方式，能实现最大范围的应用场景和最低的制造成本和最长的使用寿命。其驱动方式、材料、空间尺度、结构、输出能力等都具有可拓展性。同时具有可集成性，可广泛应用在化学、生命科学、环境科学、医疗卫生等领域。

附图说明

图1是振子及其对一维、二维和三维空间中流体的影响示意图，图1a～d是一维空间中振子沿着z轴上下运动产生的负压示意图；图1e～h是二维中的振子上下振动产生的负压示意图；图1i～l是三维空间中振子沿着z轴上下振动产生的负压示意图。

图2是本发明实施例1的动作示意图，其中，图2a为初始状态示意图，图2b是磁铁顺时针旋转时，磁子的运动示意图，图2c是磁铁逆时针旋转时，磁子的运动示意图，图2d是方波电流下，磁铁和磁子的运动示意图。

图3是本发明实施例1的实体示意图。

图4是一个振子在各种边界条件下产生的流场示意图，其中，图4a是振子的几个位置线路；图4b是磁子悬浮于流体中(即无边界)条件下缓慢振动的示意图，图4c是无边界时快速振动的额示意图；图4d是振子沿平行竖向单边界方向快速振动的流场示意图；图4e是振子在角边界位置沿平行于竖向边界方向快速振动的流场示意图；图4f是振子垂直于单边界方向快速振动的流场示意图。

图5是多个振子的及流场叠加示意图，图5a为1个振子，图5b为两个振子，图5c为3个振子，图5d为4个振子。

图6是音频输入的微流控芯片的结构示意图。

图7是旋转子动作示意图。

图中，1球形磁子、2长方形磁铁片、3驱动线圈、4隔墙、5循环通道、6音频电缆。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1～7是本发明的具体实施方式，一种利用定域非对称运动驱动微流体的方法，包括设置在流体内的运动子和设置在流体外的驱动子，运动子在驱动子的驱动下的沿运动平面进行周期运动，从而驱动流体运动。

利用定域非对称运动驱动微流体方法有振子驱动和旋转子驱动两种，振子驱动是通过定域振动的振子，在振动的轴线方向上产生正压，在与其振动轴线正交的平面上所有方向上产生负压，从而驱动流体运动。

旋转子驱动是通过定域旋转的球体，旋转摩擦带动流体旋转并产生离心运动，在旋转轴方向上产生负压，在与旋转轴正交的平面的所有方向上产生正压从而驱动流体运动。

实际存在并占据一定空间的物体，有且仅有两种可能，即刚体和非刚体。对于三维空间中的刚体而言，有且仅有6个自由度：空间中的3个线位移自由度(Ux,Uy,Uz)，相当于直角坐标系中的坐标；三个角位移(θx,θy,θz)，相当于物体可分别绕x,y,z旋转。对于非刚体而言，除了这6个自由度之外，还可叠加变形运动。由于变形运动可分解为多个更小刚性局部(无穷小时称为质点)的复合运动，因此我们在考虑什么是最简定域运动形式的时候应仅仅考虑刚体的6个自由度。

运动只可能在这6个自由度的框架下进行。这6个自由度可分为两类，第一类为3个线位移自由度(Ux,Uy,Uz)，第二类为三个角位移(θx,θy,θz)。只有产生运动，这6个自由度上的值必不能全为0(|Ux|+|Uy|+|Uz|+|θx|+|θy|+|θz|>0,这个式子表示所有运动的绝对值之和必大于零，否则没有任何形式的运动)。最简的运动，显然是其中一个自由度上的运动不为0而其他自由度上的运动都为0的运动，任何固定于某个直线方向的运动可以通过旋转坐标系而将运动至于z坐标轴上。因此，通过旋转坐标轴，我们可以进一步将运动简化为Uz和θz两种方式。(即单一的Ux或Uy可变换为Uz,单一的θx或θy可以变换为θz这样我们只需考虑Uz和θz两种方式即可。)

泵，是指固定区域的装置，而对于固定于一个区域的运动，我们称之为定域运动，这意味着刚体不能离开它的位置很远。在三个线性位移自由度(Ux，Uy，Uz)内，线性振子是最简单的局部化运动(简并度为三，因为空间中的任何线性振子都可以通过旋转转化为Uz)。在三个角位移自由度(θx，θy，θz)内，旋量是最简单的局部运动(简并度是三，因为空间中旋量的任何方向都可以通过旋转转化为θz)。有许多种宏泵采用旋转原理，例如离心泵。

对于Uz类型的运动来说，固定的区域，不管是否存在长期或短期的平衡位置，都只能通过往复运动实现，我们把它叫振子。对于θz类型的运动来说，不叠加Uz类型的运动，则是定位绕z轴旋转的运动，我们把它叫旋转子。

由此可见，有且只有两种最简的运动方式，即振子和旋转子，他们分别属于Uz类型的运动和θz类型的运动。

目前所有的宏观和微观的尺度上泵的驱动动作，都是建立在这两种运动之上的运动，是xyz方向上以及Uz类型的运动和θz类型的复合结果。

在原理一部分根据对称性原则得出了振子和旋转子可以作为稳定的流体驱动装置的结论，结合此处振子和旋转子是仅有的两种最简的运动方式，我们可以进一步得到振子泵和旋转子泵是最简的泵驱动原理。由此派生出最简的相关结构及驱动方式可能使该类泵(特别对于微流控芯片所用的微泵来说)获得最大范围的应用场景、最可靠最稳定的输出和和最低的制造成本。

振子泵(基于Uz)和旋转子泵(基于θz)都产生以z轴为对称轴的压力向量场或者流场，其静压力或静流向集中在z轴的正负方向和x-y平面上。他们的不同在于方向刚好相反。振子泵在z轴上产生离开原点向外的压力或流，而在x-y平面产生聚向原点的向内的压力或流，如图1振子对一维、二维和三维空间中流体的影响图所示。在一维流体空间(图1a)中，振子沿着z轴上下运动，形成一个局域振子。当它上升时(图1b)，它以正压力推动流体上升，并留下一个负压中心。由于中心和流体体之间的压力差，流体从下面充满中心。由于它必须返回(图1c)，它向下推动流体，留下一个负压中心。从上到下的液体充满中心。循环的完成不会导致净流量(图1d)。或者，换句话说，对称性锁定了流体。在二维流体空间中(图1e)中，如果振子上升(图1f)，它将流体沿z轴方向上推。但这一次，后面的负中心将吸引所有方向的流体，而不仅仅是从负z轴方向，对称性将被打破。当它下降时(图1g)，流体从各个方向涌向中心，而不仅仅是从正z轴方向。这个局域振荡器对打破了流体运动的对称性，因为空腔负向吸引流体从各个方向运动，流场显现出了x轴流入和z轴流出(图1h)的二维流。与二维空间中的振荡器类似，三维空间(图1i、图1j和图1k)中，附加的y轴为流体填充空隙中心提供了更多的角度(图1j和k)，净流量沿赤道方向(x-y平面)向z轴方向流动，振荡器产生x-y平面流入和z轴流出(图1l)。

旋转子泵则在z轴上产生聚向原点的向内的压力或流，而在x-y平面产生远离原点向外的压力或流(图7)。振子泵和旋转子泵只需要在Uz类型运动与θz类型之间切换，即可完成振子泵与旋转子泵之间的切换而无须实体的改变或结构的改变。这对于流控制的多样性及制造的最简化是有价值的。

在Uz类型运动与θz类型之间切换情况下，流的方向得到了切换。同时，振动驱动与旋转驱动对流产生的干扰类型也不同，例如，振子泵可能产生附加的波，而旋转子泵则可能不产生附加的波。另一方面，振子原理可能易于设计产生比较高的压力且高线速度的流输出泵，而旋转子原理则可能易于设计产生低压的且慢速而连续的流输出泵。根据这两种互补的运动方式易于设计出可能适用于不同场景的微泵。

驱动的方式可以根据实际的需要选择，如隔空驱动、连接驱动、磁场驱动、电场驱动、声波驱动等，只要振动的幅度和稳定性或者转速及稳定性达到一定的要求，驱动就是成功的，振子或转子就会产生足够的流体驱动作用。

本发明采用的驱动方式是利用方波电流产生变化磁场来带动强磁性的方形永磁体的摆动或转动，从而以更强的摆动或转动的磁场带动球形永磁体的振动或转动来完成振子振动或旋转子旋转的动作。可以有全密封非接触式和全封闭连接密封式两种方式驱动被隔开的流体。全封闭连接密封式属于机械泵，因存在物理连接，连接件的密封较复杂，成本高、寿命短，体积也难做到很小。因此本发明选择全密封非接触式，利用磁场来控制振子振动或旋转子旋转，这是穿透隔墙进行控制的首选方式，可根据工作温度选择永磁振子，具有屏蔽磁场材质不能用于制作隔墙，例如用磁导率高的铁磁材料如软铁、硅钢、坡莫合金做的铁磁屏蔽层等，可以在很高温度的恶劣环境条件下正常工作。

实施例1：

对于振子驱动方式，本发明提供一个片内循环系统的微珠振子泵，该振子泵包括具有明确NS极的球形磁子1、具有明确NS极的长方形磁铁片2和驱动线圈3；将球形磁子1放置在流体容腔内，长方形磁铁片2和驱动线圈3为驱动主体，设置在流体容腔外，即长方形磁铁片2和驱动线圈3与球形磁子1之间有隔墙4(又称边界)。球形磁子1会被长方形磁铁片2吸附在容腔的最近内壁上，浮力一定时，球形磁子1可悬浮在流体内。长方形磁铁片2平放在驱动线圈3的内环面内，驱动线圈3具有驱动长方形磁铁2旋转或摆动的能力。图3是本实施例的其中一个实验的实体示意图，球形磁子1、长方形磁铁片2和驱动线圈3均为市面购买，本实验采用的是直径为2mm的球形磁子1，长度为4.5mm的长方形磁铁片2，以及内圈宽略大于5mm、长度为3mm的驱动线圈3，将长方形磁铁片2放入驱动线圈3内，整个实验装置的整体尺寸不超过1cm，较其他微流泵的体积大大减小。驱动原理相同，球形磁子1、长方形磁铁片2和驱动线圈3可应用需要拓展大小。

驱动线圈3通电后，通过调整电流大小，长方形磁铁片2的N极和S极的位置会发生变化，从而引起球形磁子1的位置变化，如图2所示，以长方形磁铁片2的中心为摆动支点，驱动线圈3正向通电时，长方形磁铁片2的N级朝向球形磁子1发生顺时针发在摆动；驱动线圈3反向通电时，S级朝向球形磁子1发生逆时针发在摆动；当驱动线圈3的输入电流为方波电流时，长方形磁铁片2以中心为支点，进行规律摆动，磁力的变化引起隔墙4另一侧的球形磁子1在平行于长方形磁铁片2的方向上往复滚动。

球形磁子1在各种边界条件下振动产生的流场如图4所示，可以看出无边界时(即振子位于流体中)，在振子周围的流场会产生4个旋涡(图4b和图4c)，而在单一边界时，在振子周围的流场就产生2个旋涡，振动方向不同，旋涡形状不同，如图4d和图4f，振子位于角边界时，受隔墙4的影响，所形成的旋涡流场较小。

因球形磁子1的体积小，一台振子泵最小只需要0.248mw的能量，驱动4个球形磁子振动仅需不到1mW的功耗，本实施例采用声波作为驱动源，设计一个双泵式微芯片连接外部音频输出设备，如图6所示，该微芯片带有内部循环通道5，循环通道5内装有液体，芯片安装在一个手镜形状的双泵塑料驱动器中间，带有一个3.5毫米音频插孔，将两个球形磁子1放入循环通道5内，两个驱动线圈3(内含长方形磁铁片2)放置在靠近两个球形磁子1的循环通道5外，如图6所示，两个球形磁子1放置在循环通道5左右两侧，制成左泵和右泵。左右泵的驱动线圈分别直接连接到外部音频输出的左右声道，播放立体声音乐时，左或右电音频信号分别通过3.5毫米音频电缆6到达左泵或右泵。两个振子泵相当于两个耳机，将音频输出文件改为方波文件，即可实现有效驱动。

实施例2：

对于旋转驱动方式，本发明的旋转子泵的实体结构包括具有明确NS极的球形磁子、具有明确NS极的长方形磁铁片和微电机(图中未示出)；同样将球形磁子1放置在流体容腔内，长方形磁铁片和微电机为驱动主体，设置在流体容腔外，即长方形磁铁片和微电机与球形磁子之间有隔墙。长方形磁铁片中心连接微电机的电机输出轴，在微电机的带动下旋转，磁力的变化引起流体容腔内的球形磁子也旋转。长方形磁铁片的长度与球形磁子直径相当，使球形磁子保持旋转而非圆周运动。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，仍属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用定域非对称运动驱动微流体的方法，其特征是：包括设置在流体内的运动子和设置在流体外的驱动子，所述运动子放入微芯片的循环通道内，所述运动子可沿Z轴方向上进行Uz类型线性位移运动与θz类型角位移运动，所述运动子在所述驱动子的驱动下的沿Z轴进行周期运动，从而驱动流体运动。

2.如权利要求1所述的一种利用定域非对称运动驱动微流体的方法，其特征是：所述运动子为振子，所述振子在振动的轴线方向上产生正压，在与其振动轴线正交的平面上所有方向上产生负压，从而驱动流体运动。

3.如权利要求2所述的一种利用定域非对称运动驱动微流体的方法，其特征是：所述振子为具有明确NS极的球形磁子，所述驱动子是利用方波电流产生变化磁场带动所述球形磁子在流体内振动。

4.如权利要求3所述的一种利用定域非对称运动驱动微流体的方法，其特征是：所述球形磁子有两个，放置在所述循环通道左右两侧，所述驱动子有两个，靠近所述球形磁子放置在所述循环通道外。

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