CN112709685A - 一种基于面固化3d打印的无阀微泵器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，所述器件包括从下向上依次组合的泵体、隔膜、致动器和密封盖，所述泵体包括依次连通的样本液体入口、入口储液室、样本液体流道、泵室、出口储液室和样本液体出口；所述泵室包括成对布设在样本液体入口和样本液体出口两侧的第一泵室和第二泵室；所述第一泵室通过第一扩张/收缩流道与入口储液室连通，通过第二扩张/收缩流道与出口储液室连通；所述第二泵室通过第三扩张/收缩流道与入口储液室连通，通过第四扩张/收缩流道与出口储液室连通。采用本发明实施例的无阀微泵，能够实现驱动流量大，驱动电压低，精确驱动控制的效果。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体来说，涉及一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件。
背景技术
随着微流控芯片的微型化，微流道宽度和高度尺寸也变得更小，对流量的控制更加精确，这对作为一种微流控系统动力源的微泵提出了更高要求。现有技术中的微泵如需实现微型化和低电压，则会使得微泵输出压力和输出流量降低。恒定功率驱动的微泵，输出流量越大，输出压力越小，反之亦然。因此，在低功率和实现微型化的前提下，提高微泵的输出流量和输出压力具有重大意义。根据微泵是否带有阀门结构，分为有阀微泵和无阀微泵。无阀微泵结构简单，制作方便，在输送液体如血液时具有不可替代的作用，无阀微泵在化学、医学以及生物医学领域具有很高的应用价值。
但这样的设计还是存在着一些缺陷，比如目前电渗式、表面张力式、磁流体式、热气泡式微泵驱动流量都较小，而静电式微泵不仅输出力小而且驱动电压较高。因此，随着生物芯片技术的快速发展，迫切需要一种驱动流量大、驱动电压低以及精确驱动的基于面固化3D打印的无阀微泵器件。
发明内容
本发明针对上述不足，提供一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，实现驱动流量大，驱动电压低，精确驱动控制的效果。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用以下技术方案：
本发明实施例提供一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，其特征在于，所述器件包括从下向上依次组合的泵体、隔膜、致动器和密封盖，所述泵体包括依次连通的样本液体入口、入口储液室、样本液体流道、泵室、出口储液室和样本液体出口；所述泵室包括成对布设在样本液体入口和样本液体出口两侧的第一泵室和第二泵室；所述第一泵室通过第一扩张/收缩流道与入口储液室连通，通过第二扩张/收缩流道与出口储液室连通；所述第二泵室通过第三扩张/收缩流道与入口储液室连通，通过第四扩张/收缩流道与出口储液室连通。
优选的，所述第一扩张/收缩流道、第二扩张/收缩流道、第三扩张/收缩流道和第四扩张/收缩流道结构相同，均为含有扩张角β的锥台形状流道,所述锥台形状流道包括一个流道小端口和一个流道大端口，且扩张角β为锐角。
优选的，所述第一泵室与第一扩张/收缩流道的大端口和第二扩张/收缩流道的小端口连通；所述第二泵室与第三扩张/收缩流道的大端口和第四扩张/收缩流道的小端口连通。
优选的，所述致动器包括压电振子、压电陶瓷和电极，所述压电振子为圆柱片；所述压电陶瓷为圆形截面，且涂于压电振子表面；所述电极包括正电极和负电极，所述正电极通过焊锡方式固定于压电陶瓷与压电振子接触处，所述负电极通过焊锡方式固定于涂有压电陶瓷一侧的压电振子圆周位置。
优选的，所述致动器为两个，分别放置在第一泵室和第二泵室上，所述两个致动器中的第一正电极与第二正电极相连，第一负电极与第二负电极相连。
优选的，所述电极接入脉冲波形的交流电信号，当接入频率f的脉冲信号时，压电陶瓷表现为一定频率的收缩与膨胀，同时带动压电振子振动。
优选的，所述第一泵室和第二泵室均为圆形截面，且高度大于压电振子最大振幅，所述第一泵室的上表面为第一圆环台阶，所述第二泵室的上表面为第二圆环台阶，所述第一圆环台阶与第一隔膜面接触，所述第二圆环台阶与第二隔膜面接触。
优选的，一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件还包括入口密封塞与出口密封塞，所述入口密封塞与样本液体入口过盈配合，所述出口密封塞与样本液体出口过盈配合。
优选的，在泵体上表面的4个角还设有定位通孔，所述定位通孔用于将无阀微泵固定于工作台上。
与现有技术相比，本发明的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，可实现驱动流量大，驱动电压低，精确驱动控制的效果。本实施例的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，所述器件包括从下向上依次组合的泵体、隔膜、致动器和密封盖，所述泵体包括依次连通的样本液体入口、入口储液室、样本液体流道、泵室、出口储液室和样本液体出口；所述泵室包括成对布设在样本液体入口和样本液体出口两侧的第一泵室和第二泵室；所述第一泵室通过第一扩张/收缩流道与入口储液室连通，通过第二扩张/收缩流道与出口储液室连通；所述第二泵室通过第三扩张/收缩流道与入口储液室连通，通过第四扩张/收缩流道与出口储液室连通。通过在入口与密封腔之间通过锥台形状流道连通，同时采用双泵室结构形成密封腔，根据液体流过锥台形状流道受到的阻力显著不同，实现双泵室的液体只从流一个入口或出口流入流出，在相同的参数下，达到驱动流量大、输出压力大的泵吸泵送效果；基于组合式锥台通道，如对称组合、沿着入口或出口均匀分布组合，多层叠加组合等，使得液体进出工作频率较小时，也可以精确控制泵送流速。
附图说明
图1(a)是本发明实施例中锥台形状流道的结构示意图；
图1(b)是本发明实施例中锥台形状流道的俯视图；
图2(a)是本发明实施例中无阀微泵的泵吸原理示意图；
图2(b)是本发明实施例中无阀微泵的泵送原理示意图；
图3是本发明实施例中双泵室压电无阀微泵结构的爆炸图；
图4是本发明实施例中双泵室压电无阀微泵结构B-B方向的剖视图。
图中：泵体1；样本液体入口111；样本液体出口112；第一泵室121和第二泵室122；第一圆环台阶131和第二圆环台阶132；第一扩张/收缩流道141、第二扩张/收缩流道142、第三扩张/收缩流道143和第四扩张/收缩流道144；入口储液室151；出口储液室152；流道小端口161；流道大端口162；定位通孔171；第一隔膜21和第二隔膜22；第一压电振子31和第二压电振子32；第一压电陶瓷41和第二压电陶瓷42；第一正电极511、第一负电极512、第二正电极521和第二负电极522；第一密封盖61和第二密封盖62；入口密封塞72和出口密封塞71。
具体实施方式
以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。下面结合具体实施例，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1至4所示，本发明实施例的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，所述器件包括从下向上依次组合的泵体1、隔膜、致动器和密封盖，所述泵体1包括依次连通的样本液体入口111、入口储液室151、样本液体流道、泵室、出口储液室152和样本液体出口112；所述泵室包括成对布设在样本液体入口111和样本液体出口112两侧的第一泵室121和第二泵室122；所述第一泵室121通过第一扩张/收缩流道141与入口储液室151连通，通过第二扩张/收缩流道142与出口储液室152连通；所述第二泵室122通过第三扩张/收缩流道143与入口储液室151连通，通过第四扩张/收缩流道144与出口储液室152连通。
其中，泵体1、隔膜、密封盖采用面固化3D打印工艺制造，流道高度达到100μm，宽度达到50μm。隔膜由面固化3D打印工艺制造，厚度达到150μm至250μm，具有良好的弹性变形能力，采用面固化3D打印工艺，可有效节省泵的加工时间，节约制作成本；同时，隔膜也可通过PDMS膜代替，并与压电振子通过AB胶胶接方式，使隔膜紧密贴合在压电振子的一个表面上，随压电振子振动而振动。通过在入口与密封腔之间通过锥台形状流道连通，同时采用双泵室结构形成密封腔，根据液体流过锥台受到的阻力显著不同，实现双泵室的液体只从流一个入口或出口流入流出，在相同的参数下，达到驱动流量大、输出压力大的泵吸泵送效果；基于组合式锥台通道，如对称组合、沿着入口或出口均匀分布组合，多层叠加组合等，使得液体进出工作频率较小时，也可以精确控制泵送流速。
上述实施例的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件中，优选的，所述第一扩张/收缩流道141、第二扩张/收缩流道142、第三扩张/收缩流道143和第四扩张/收缩流道144结构相同，均为含有扩张角β的锥台形状流道,所述锥台形状流道包括一个流道小端口161和一个流道大端口162，且扩张角β为锐角。
优选的，所述第一泵室121与第一扩张/收缩流道141的大端口和第二扩张/收缩流道142的小端口连通；所述第二泵室122与第三扩张/收缩流道143的大端口和第四扩张/收缩流道144的小端口连通。通过锥台形状流道，液体由大端向小端流动时，流阻增大，由小端向大端流动时，流阻减小；在入口与密封腔之间采用圆台通道，且大端与密封腔连通，小端与入口连通。出口与密封腔之间也采用圆台通道，且小端与密封腔连通，大端与出口连通；当密封腔体积增大，从小端流向大端的流阻小，即从入口流入密封腔的液体多；当密封腔体积减小，从小端流向大端的流阻小，即从出口流出密封腔的液体多。
优选的，所述致动器包括压电振子、压电陶瓷和电极，所述压电振子为圆柱片；所述压电陶瓷为圆形截面，且涂于压电振子表面；所述电极包括正电极和负电极，所述正电极通过焊锡方式固定于压电陶瓷与压电振子接触处，所述负电极通过焊锡方式固定于涂有压电陶瓷一侧的压电振子圆周位置。隔膜胶接于压电振子光滑的一面，与压电振子组成一个整体，有效防止压电振子与液体的直接接触，避免了样本液体的污染风险；压电振子通过隔膜与圆环台阶面接触，有效支撑了压电振子；致动器周圈通过胶接方式或密封结构实现隔膜与泵室的密封连接，隔膜与泵室之间的空间形成密封腔即泵腔。隔膜随压电振子的振动而上下振动。
优选的，所述致动器为两个，分别放置在第一泵室121和第二泵室122上，所述两个致动器中的第一正电极511与第二正电极521相连，第一负电极512与第二负电极522相连。两个致动器的同一相同电极上的输入电压和输入频率应相同，否则致动器振动不同步，会导致泵吸泵送效果不佳。所述两致动器结构还包括第一压电振子31、第二压电振子32、第一压电陶瓷41和第二压电陶瓷42。两个致动器上方分别盖有第一密封盖61和第二密封盖62。
优选的，所述电极接入脉冲波形的交流电信号，当接入频率f的脉冲信号时，压电陶瓷表现为一定频率的收缩与膨胀，同时带动压电振子振动。实际情况中，频率f介于200Hz与1kHz之间,电压U介于100V与200V之间，输入脉冲信号。
优选的，所述第一泵室121和第二泵室122均为圆形截面，且高度大于压电振子最大振幅，所述第一泵室121的上表面为第一圆环台阶131，所述第二泵室122的上表面为第二圆环台阶132，所述第一圆环台阶131与第一隔膜21面接触，所述第二圆环台阶132与第二隔膜22面接触。
优选的，一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件还包括入口密封塞72与出口密封塞71，所述入口密封塞72与样本液体入口111过盈配合，所述出口密封塞71与样本液体出口112过盈配合。作为提高密封效果的措施，设置了入口密封塞72和出口密封塞71，并且采用过盈配合，进一步提高了密封效果。
优选的，在泵体1上表面的4个角还设有定位通孔171，所述定位通孔171用于将无阀微泵固定于工作台上。
上述实施例的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件的工作过程为：基于双泵室压电无阀微泵工作表现为两个状态，即泵吸和泵送状态。泵体1与致动器组合，当致动器中的第一压电振子31和第二压电振子32，分别同时朝向远离第一泵室121和第二泵室122下表面的方向垂直运动，第一泵室121与第一隔膜21之间、第二泵室122与第二隔膜22之间形成的两个泵腔体积增大，第一扩张/收缩流道141和第三扩张/收缩流道143表现为扩散流道，第二扩张/收缩流道142和第四扩张/收缩流道144表现为收缩流道，由于样本液体流经第一扩散流道和第三扩散流道受到的阻力要比样本液体流经第二收缩流道和第四收缩流道所受到的阻力小，样本液体通过第一扩张/收缩流道141和第三扩张/收缩流道143流入的流量大于由第二扩张/收缩流道142和第四扩张/收缩流道144流入的流量，泵表现为泵吸状态；
当致动器中的第一压电振子31和第二压电振子32朝向靠近第一泵室121和第二泵室122的下表面方向振动时，第一泵室121与第一隔膜21之间、第二泵室122与第二隔膜22之间形成的泵腔体积减小，第一扩张/收缩流道141和第三扩张/收缩流道143表现为收缩流道，第二扩张/收缩流道142和第四扩张/收缩流道144表现为扩张流道，由于样本液体流经第二扩散流道和第四扩散流道受到的阻力要比样本液体流经第一收缩流道和第三收缩流道所受到的阻力小，样本液体通过第二扩张/收缩流道142和第四扩张/收缩流道144流出的流量大于由第一扩张/收缩流道141和第三扩张/收缩流道143流出的流量，泵表现为泵送状态。
与现有技术相比，采用本发明的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，通过在入口与密封腔之间采用锥台形状流道连通，同时采用双泵室结构形成密封腔，根据液体流过锥台形状流道受到的阻力显著不同，实现双泵室的液体只从流一个入口或出口流入流出，在相同的参数下，达到驱动流量大、输出压力大的泵吸泵送效果。实现驱动流量大、驱动电压低以及精确驱动的效果。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的优选实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。
Claims (9)
1.一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，其特征在于，所述器件包括从下向上依次组合的泵体(1)、隔膜、致动器和密封盖，所述泵体(1)包括依次连通的样本液体入口(111)、入口储液室(151)、样本液体流道、泵室、出口储液室(152)和样本液体出口(112)；所述泵室包括成对布设在样本液体入口(111)和样本液体出口(112)两侧的第一泵室(121)和第二泵室(122)；所述第一泵室(121)通过第一扩张/收缩流道(141)与入口储液室(151)连通，通过第二扩张/收缩流道(142)与出口储液室(152)连通；所述第二泵室(122)通过第三扩张/收缩流道(143)与入口储液室(151)连通，通过第四扩张/收缩流道(144)与出口储液室(152)连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，其特征在于，所述第一扩张/收缩流道、第二扩张/收缩流道、第三扩张/收缩流道和第四扩张/收缩流道结构相同，均为含有扩张角β的锥台形状流道,所述锥台形状流道包括一个流道小端口(161)和一个流道大端口(162)，且扩张角β为锐角。
3.根据权利要求2所述的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，其特征在于，所述第一泵室(121)与第一扩张/收缩流道(141)的大端口和第二扩张/收缩流道(142)的小端口连通；所述第二泵室(122)与第三扩张/收缩流道(143)的大端口和第四扩张/收缩流道(144)的小端口连通。
4.根据权利要求1所述的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，其特征在于，所述致动器包括压电振子、压电陶瓷和电极，所述压电振子为圆柱片；所述压电陶瓷为圆形截面，且涂于压电振子表面；所述电极包括正电极和负电极，所述正电极通过焊锡方式固定于压电陶瓷与压电振子接触处，所述负电极通过焊锡方式固定于涂有压电陶瓷一侧的压电振子圆周位置。
5.根据权利要求4所述的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，其特征在于，所述致动器为两个，分别放置在第一泵室(121)和第二泵室(122)上，所述两个致动器中的第一正电极(511)与第二正电极(521)相连，第一负电极(512)与第二负电极(522)相连。
6.根据权利要求5所述的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，其特征在于，所述电极接入脉冲波形的交流电信号，当接入频率f的脉冲信号时，压电陶瓷表现为一定频率的收缩与膨胀，同时带动压电振子振动。
7.根据权利要求6所述的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，其特征在于，所述第一泵室(121)和第二泵室(122)均为圆形截面，且高度大于压电振子最大振幅，所述第一泵室(121)的上表面为第一圆环台阶(131)，所述第二泵室(122)的上表面为第二圆环台阶(132)，所述第一圆环台阶(131)与第一隔膜(21)面接触，所述第二圆环台阶(132)与第二隔膜(22)面接触。
8.根据权利要求1所述的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，其特征在于，还包括入口密封塞(72)与出口密封塞(71)，所述入口密封塞(72)与样本液体入口(111)过盈配合，所述出口密封塞(71)与样本液体出口(112)过盈配合。
9.根据权利要求1所述的一种基于面固化3D打印的无阀微泵器件，其特征在于，在泵体(1)上表面的4个角还设有定位通孔(171)，所述定位通孔(171)用于将无阀微泵固定于工作台上。
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-
2020
- 2020-12-25 CN CN202011560327.6A patent/CN112709685A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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