CN112283061B - 一种基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵 - Google Patents

Abstract

一种基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵，属于微流控流体驱动技术领域，通过密闭容器内可溶性气体溶解到触发液中产生出负压作为源动力，通过压力执行单元的转换，作为正向驱动和负向驱动来驱动与之连接的微流控芯片，本发明结构新颖，构思巧妙，无需外接电源，适应能力强，应用范围广，驱动动力强，工作精确，使用效果好。

Description

一种基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵

技术领域

本发明涉及微流控流体驱动技术领域，具体是一种以可溶性气体的溶解来提供驱动动力的微流控的被动泵送系统。

背景技术

微流控器件因其操作简单、生产成本低等优点而被应用于生物医学和化学分析、环境检测等领域。便携性微流控设备在资源有限的环境中有着巨大的应用前景，例如军事地区或极地科考等特殊环境。

尽管微流控设备使复杂的流体系统能够小型化，但便携式微流控设备的发展目前仍处于不成熟阶段，而限制便携性微流控设备发展的主要原因之一是目前大多数微流控设备所需的驱动泵都存在笨重且耗电的问题。理想的微流体驱动装置，除了要具有小型化的特点外，其流体流量还应具有精确性和稳定性，由于电渗技术在微流控芯片毛细管电泳中的应用，目前已经开发出各种微流体驱动泵，其驱动机制多种多样，如：压电、气动、蠕动、静电、离心、超声波、电渗或磁流体力学效应。然而这些驱动方法都需要外部电源，但是在一些特殊环境无法提供驱动这些泵所需要的外接电源。鉴于这个原因，无动力泵送技术已引起了广泛的关注。

许多研究工作致力于开发用于微流控设备的无动力便携式泵。先前的研究中大部分无动力便携式泵都是依赖于毛细管和蒸发效应，基于蒸发效应的驱动泵存在的主要问题为其流量相对较低，通常约为1μl/min，由蒸发驱动泵驱动的微流控芯片处理的样本效率低，因此需要设计一种新的无动力泵送技术，使得其能满足微流控芯片在特殊环境下的应用。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出一种基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵，能够在无外接电源时为微流控芯片提供动力。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵，与微流控芯片连接，包括压力执行单元、反应容器和流量控制阀，压力执行单元包括上腔室和下腔室，上腔室与反应容器连通，下腔室与微流控芯片连通，上腔室内设置有自由滑动的上腔室活塞，下腔室内设置有自由活动的下腔室活塞，上腔室与下腔室通过密封连接，上腔室活塞与下腔室活塞之间设置有活塞连杆，活塞连杆的两端分别与上腔室活塞和下腔室活塞固定连接；反应容器内填充有可溶性气体和与可溶性气体配合的触发液，并连接有流量控制阀，流量控制阀向反应容器内引入触发液。

在本发明中，所述上腔室与下腔室的连接处设置有箍环，活塞连杆穿过箍环且与箍环活动密封，使得上腔室分隔为上腔室上空间和上腔室下空间，下腔室分隔为下腔室上空间和下腔室下空间，其中，上腔室的上腔室活塞上方为上腔室上空间，上腔室的上腔室活塞与箍环之间为上腔室下空间，下腔室的下腔室活塞与箍环之间为下腔室上空间，下腔室的下腔室活塞下方为下腔室下空间；箍环有两个开口并内设通道，一侧开口通过箍环与上腔室下空间连通，另一侧开口通过箍环与下腔室上空间连通，两侧开口均与微流控芯片相连通，通道内注有泵送液体。

进一步的，所述箍环的两个开口处设置有鲁尔二通阀。

在本发明中，所述上腔室的顶部设置有上腔室盖，反应容器的顶部设置有反应容器盖，上腔室与反应容器通过上腔室盖和反应容器盖及压力输送管道相连通。

进一步的，所述上腔室盖上设置有针头，针头中空，与上腔室上空间相连通，针头处设有阀门。

在本发明中，所述反应容器连接有通入可溶性气体的鲁尔二通阀。

在本发明中，所述反应容器的下端设置有排污口。

在本发明中，所述压力执行单元和反应容器的下方设置有固定底座，固定底座上预设孔槽和缺口，压力执行单元的下方插接到固定底座的孔槽内，反应容器放置到固定底座的缺口内。

进一步的，所述缺口为横置的U型缺口，反应容器竖直置入U型缺口内，U型缺口的封口处设置有可分离的固定挡板，对缺口内的反应容器进行限位，避免反应容器的倾斜。

基于上述构造，一种微流控被动泵的驱动方法包括以下步骤：

（1）向反应容器内通入可溶性气体，排空空气；

（2）通过流量控制阀向反应容器内缓慢注入与可溶性气体配合的触发液，此时可溶性气体与触发液在反应容器内反应，并产生负压；

（3）上步骤产生的负压传递到压力执行单元的上腔室，上腔室活塞上移；

（4）在活塞连杆的带动下，下腔室活塞上移；

（5）在步骤（3）和步骤（4）的过程中，下腔室上空间内的泵送液体向微流控芯片内泵送，为微流控芯片的提供正向驱动，泵送液体从微流控芯片向上腔室下空间内泵送，为微流控芯片提供负向驱动；

（6）通过对正向驱动和负向驱动的分配，来驱动微流控芯片工作。

在本发明中，反应容器内的可溶性气体与触发液进行溶解或反应，使得其在反应容器内占用体积减少，为反应容器提供一定的负压，负压通过反应容器与压力执行单元连通的压力输送管道传递到上腔室上空间内，促使上腔室活塞上移，并通过活塞连杆带动下腔室活塞上移，进而促使下腔室上空间内的泵送液体向微流控芯片内泵送，为微流控芯片的提供正向驱动，与此同时，上腔室下空间牵引与之连通的微流控芯片，使得泵送液体从微流控芯片向上腔室下空间内泵送，为微流控芯片提供负向驱动。在这个基础上，通过对反应容器内注入触发液的速率和进入量进行调节，来控制可溶性气体与触发液反应的剧烈程度，进而对负压产生的速率进行调节，以此来实现对压力执行单元的执行速率进行调节。

其中：触发液通往反应容器的体积流量为L，受流量控制阀调节，该值为根据流量控制阀调节的可变常数；反应腔室的体积为V，该值为常数；大气压值为P，该值为常数；可溶性气体在触发液中的溶解程度为m，该值为根据不同可溶性气体与触发液配合的可变常数；负压拖动的压力输送管道产生的阻力值为R；压力输送管道内的惰性液体产生的体积流量为F；工作时间为t；则：

反应容器在t时刻产生的负压值为：

；

式中：V-tLm为反应腔室中t时刻剩余的充填气体的体积；V- t（F+L）为t时刻当惰性液体以及触发液流入后反应腔室剩余的空腔体积；

反应容器在t时刻产生的流速为:

；

得出

；

在实际应用场景中，

因为大气压值P远大于FR，所以该值近似为0；

故有

所以

因此，通过配合气体溶解度以及流速阀可以调节和计算出该泵产生的体积流量，以及最终产生的推动压力执行单元的驱动动力。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1） 通过可溶性气体与触发液进行的反应来作为源动力，生成驱动微流控的正向驱动和负向驱动，无需外接电源，适应能力强，能够适应各种极端环境；

（2） 通过对可溶性气体与触发液进行调节和替换，以及对反应容器的替换，能够为压力执行单元提供各种规格的驱动压力，应用范围广，驱动动力强；

（3） 反应容器和压力执行单元均为密封结构，结构精密，工作精确，使用效果好；

（4） 固定底座为压力执行单元和反应容器提供足够的限位和固定功能，在为反应容器提供替换余地的基础上，防止反应容器倾斜，并避免了因此带来的误差；

综上，本发明结构新颖，构思巧妙，无需外接电源，适应能力强，应用范围广，驱动动力强，工作精确，使用效果好。

附图说明

图1 为本发明的整体结构示意图；

图2 为本发明的反应容器和压力执行单元的纵剖面图。

图中：针头1、上腔室2、上腔室活塞3、箍环4、活塞连杆5、下腔室6、下腔室活塞7、鲁尔二通阀8、固定支座9、固定挡板10、反应容器11、流量控制阀12、压力输送管道13、反应容器盖14、上腔室盖15。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1和2所示的基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵，包括反应容器11、压力执行单元和流量控制阀12，压力执行单元包括上腔室2和下腔室6，上腔室2与下腔室6相接，连接处设置有箍环4，上腔室2内设置有自由滑动的上腔室活塞3，下腔室6内设置有自由活动的下腔室活塞7，上腔室活塞3与下腔室活塞7之间设置有活塞连杆5，活塞连杆5的两端分别与上腔室活塞3和下腔室活塞7固定连接，活塞连杆5穿过箍环4且与箍环4活动密封；上腔室活塞3将上腔室2分隔为上腔室上空间和上腔室下空间，下腔室活塞7将下腔室6分隔为下腔室上空间和下腔室下空间，箍环4有两个开口并内设通道，一侧开口通过箍环4与上腔室下空间连通，另一侧开口通过箍环4与下腔室上空间连通，两侧开口均与微流控芯片相连通，通道内注有泵送液体，箍环4的两个开口处设置有鲁尔二通阀8。

反应容器11有两个开口，一个开口处设置有鲁尔二通阀8，反应容器11通过鲁尔二通阀8引入可溶性气体，另一个开口与流量控制阀12连接，由流量控制阀12引入与可溶性气体配合的触发液。

上腔室2的顶部设置有上腔室盖15，反应容器11的顶部设置有反应容器盖14，上腔室2与反应容器11通过上腔室盖15和反应容器盖14及压力输送管道13相连通，上腔室盖15上设置有针头1，针头中空，与上腔室上空间相连通。

压力执行单元和反应容器11的下方设置有固定底座9，固定底座9上预设孔槽和缺口，压力执行单元的下方插接到固定底座9的孔槽内，反应容器11放置到固定底座9的缺口内，缺口为横置的U型缺口，反应容器9竖直置入U型缺口内，U型缺口的封口处设置有可分离的固定挡板10，对缺口内的反应容器11进行限位，避免反应容器11的倾斜。

作为本发明优选的实施案例，所述可溶性气体为二氧化碳气体，与之配合的触发液为氢氧化钠溶液，二氧化碳气体由鲁尔二通阀通入到反应容器内，氢氧化钠溶液在流量控制阀的调解下缓慢注入反应容器内，二氧化碳气体与氢氧化钠溶液在反应容器内进行反应；但是，可溶性气体与触发液并不局限与二氧化碳气体和氢氧化钠溶液，还可以替换为氨气与水或者其它组合。

在本实施案例中，上腔室的截面为外径是30mm的圆，下腔室的截面为外径是30mm的圆，反应容器的截面为外径是30mm的圆，流量控制阀的截面为外径是28mm的圆，流量控制阀的高度为27mm；固定支座的长度为75mm，宽度为60mm，高度为35mm，固定挡板的长度为47mm，宽度为15mm，固定挡板嵌入在固定支座的U型缺口的封口处。

本发明应用于微流控芯片时，反应容器11内通过鲁尔二通阀8通入二氧化碳气体，排空空气，然后通过流量控制阀12向反应容器11内缓慢注入氢氧化钠溶液，二氧化碳气体和氢氧化钠溶液在反应容器11内反应，减少二氧化碳气体和氢氧化钠溶液在反应容器11内的空间占用，构成了一定的负压，负压通过压力输送管道13传递到上腔室上空间内，促使上腔室活塞3上移，并通过活塞连杆5带动下腔室活塞7上移，进而促使下腔室上空间内的泵送液体向微流控芯片内泵送，为微流控芯片的提供正向驱动，与此同时，上腔室下空间牵引与之连通的微流控芯片，使得泵送液体从微流控芯片向上腔室下空间内泵送，为微流控芯片提供负向驱动。通过对正向驱动和负向驱动的分配，即可有效的驱动微流控芯片进行工作，通过对流量控制阀12的调节，即可对反应容器11内的反应速率进行调节，进而调节反应容器内负压的产生速率，进而对压力执行单元的正向驱动和负向驱动的驱动动力进行调节。

因此，结合上述构造和工作过程可以发现，本发明所述的基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵结构新颖，构思巧妙，无需外接电源，适应能力强，应用范围广，驱动动力强，工作精确，使用效果好。

Claims (9)

1.一种基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵，与微流控芯片连接，其特征在于：包括压力执行单元、反应容器和流量控制阀，压力执行单元包括上腔室和下腔室，上腔室与反应容器连通，下腔室与微流控芯片连通，上腔室内设置有自由滑动的上腔室活塞，下腔室内设置有自由活动的下腔室活塞，上腔室与下腔室通过密封连接，上腔室活塞与下腔室活塞之间设置有活塞连杆，活塞连杆的两端分别与上腔室活塞和下腔室活塞固定连接；反应容器内填充有可溶性气体和与可溶性气体配合的触发液，并连接有流量控制阀，流量控制阀向反应容器内引入触发液。

2.根据权利要求1所述的基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵，其特征在于：所述上腔室与下腔室的连接处设置有箍环，活塞连杆穿过箍环且与箍环活动密封，使得上腔室分隔为上腔室上空间和上腔室下空间，下腔室分隔为下腔室上空间和下腔室下空间，其中，上腔室的上腔室活塞上方为上腔室上空间，上腔室的上腔室活塞与箍环之间为上腔室下空间，下腔室的下腔室活塞与箍环之间为下腔室上空间，下腔室的下腔室活塞下方为下腔室下空间；箍环有两个开口并内设通道，一侧开口通过箍环与上腔室下空间连通，另一侧开口通过箍环与下腔室上空间连通，两侧开口均与微流控芯片相连通，通道内注有泵送液体。

3.根据权利要求2所述的基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵，其特征在于：箍环的两个开口处设置有鲁尔二通阀。

4.根据权利要求2所述的基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵，其特征在于：所述上腔室的顶部设置有上腔室盖，反应容器的顶部设置有反应容器盖，上腔室与反应容器通过上腔室盖和反应容器盖及压力输送管道相连通。

5.根据权利要求4所述的基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵，其特征在于：所述上腔室盖上设置有针头，针头中空，与上腔室上空间相连通。

6.根据权利要求1所述的基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵，其特征在于：所述反应容器连接有通入可溶性气体的鲁尔二通阀。

7.根据权利要求1所述的基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵，其特征在于：所述压力执行单元和反应容器的下方设置有固定底座，固定底座上预设孔槽和缺口，压力执行单元的下方插接到固定底座的孔槽内，反应容器放置到固定底座的缺口内。

8.根据权利要求7所述的基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵，其特征在于：所述缺口为横置的U型缺口，反应容器竖直置入U型缺口内，U型缺口的封口处设置有可分离的固定挡板。

9.一种微流控被动泵的驱动方法，基于权利要求4所述的基于可溶性气体溶解提供驱动的微流控被动泵，其特征在于：包括以下步骤：

(1)向反应容器内通入可溶性气体，排空空气；

(2)通过流量控制阀向反应容器内缓慢注入与可溶性气体配合的触发液，此时可溶性气体与触发液在反应容器内反应，并产生负压；

(3)上步骤产生的负压传递到压力执行单元的上腔室，上腔室活塞上移；

(4)在活塞连杆的带动下，下腔室活塞上移；

(5)在步骤（3）和步骤（4）的过程中，下腔室上空间内的泵送液体向微流控芯片内泵送，为微流控芯片的提供正向驱动，泵送液体从微流控芯片向上腔室下空间内泵送，为微流控芯片提供负向驱动；

(6)通过对正向驱动和负向驱动的分配，来驱动微流控芯片工作。

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