CN117006024A - 一种压电式止回阀微泵及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电式止回阀微泵及制作方法，所述微泵具有泵体，泵体包括泵腔、连接泵腔的入口流道和出口流道，在泵腔位置设置有压电振子，在入口流道和出口流道中设置有止回阀，入口流道具有入口宽口流道区和入口狭窄流道区，入口宽口流道区的截面面积大于入口狭窄流道区的截面面积，所述入口宽口流道区与泵腔连接，所述入口狭窄流道区与微泵入口管道连接，所述止回阀为圆柱形，设置在入口宽口流道区中。本发明提供的压电式止回阀微泵，较于同尺寸压电微泵，具有结构简单、性能优良、流量较大等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电式止回阀微泵及其制作方法，属于微流控制技术领域。
背景技术
微泵作为微流控系统中心的核心控制元件，广泛应用于在药物输送、芯片与化学分析系统和精确控制等领域。
压电式微泵作为新型流体输送装置，相对于传统机械式泵而言，具有驱动方式简单、可集成度高、响应快、泵送效率高，且不受电磁信号干扰，对输送的流体介质不敏感等优点。压电式微泵属于往复式容积泵，其工作原理是利用压电材料的逆压电效应，将工作容积循环增大与变小，以实现机械能不断转化为输送流体的能力。
虽然压电式微泵相较于传统机械式泵具有较多优点，但是，现有的电压式微泵仍然存在较多的缺陷，包括：(1)微泵整体结构复杂，制作繁琐；(2)阀门气密性比较差，反向泄漏较大；(3)大多数压电驱动为块材压电陶瓷，不易于集成化、小型化；(4)能量转换利用率低影响输出流量。
因此，有必要对压电式微泵进行深入研究，以解决上述问题。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了深入研究，设计出一种压电式止回阀微泵，具有泵体，所述泵体包括泵腔、连接泵腔的入口流道和出口流道，
在泵腔位置设置有压电振子，在入口流道和出口流道中设置有止回阀。
在一个优选的实施方式中，所述入口流道具有入口宽口流道区和入口狭窄流道区，入口宽口流道区的截面面积大于入口狭窄流道区的截面面积，
所述入口宽口流道区与泵腔连接，所述入口狭窄流道区与微泵入口管道连接，
所述止回阀为圆柱形，设置在入口宽口流道区中，止回阀的截面面积大于入口狭窄流道区的截面面积，使得止回阀不能进入入口狭窄流道区。
在一个优选的实施方式中，所述出口流道具有出口宽口流道区和出口狭窄流道区，出口宽口流道区的截面面积大于出口狭窄流道区的截面面积，
所述出口宽口流道区与微泵出口管道连接，所述出口狭窄流道区与泵腔连接，
所述止回阀为圆柱形，设置在出口宽口流道区中，止回阀的截面面积大于出口狭窄流道区的截面面积，使得止回阀不能进入出口狭窄流道区。
在一个优选的实施方式中，在入口宽口流道区和出口宽口流道区中设置有阻挡块，所述止回阀设置在阻挡块与入口狭窄流道区或出口狭窄流道区之间。
在一个优选的实施方式中，所述压电振子包括PZT薄膜和PDMS薄膜，其中PDMS薄膜为基层，PZT薄膜覆盖在PDMS薄膜上。
在一个优选的实施方式中，所述压电式止回阀微泵包括基板和盖板，所述盖板盖在基板上，在基板上设置有泵体。
在盖板上设置有压电振子孔，使得压电振子能够部分露出，在盖板上设置有入液孔作为微泵入口管道，在盖板上设置有出液孔作为微泵出口管道。
在一个优选的实施方式中，所述基板为硅材料，所述盖板为玻璃，基板与盖板之间通过树脂粘接密封。
所述止回阀为光固化复合树脂材料。
本发明还提供了一种压电式止回阀微泵的制作方法，
将PDMS薄膜与PZT薄膜结合，形成压电振子；
在基板上开设泵体，在盖板上开设压电振子孔、入液孔和出液孔；
将基板与盖板粘合，在粘合前，将压电振子置于泵体中，且压电振子通过压电振子孔部分露出；
在泵体中设置止回阀。
在一个优选的实施方式中，所述基板为硅材料，通过MEMS技术腐蚀形成泵体。
在一个优选的实施方式中，将光固化复合树脂注入泵体的入口流道和出口流道，通过掩模版将紫外线光照射光固化复合树脂进行固化形成止回阀。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)通过优化止回阀结构设计，更好的提高了止回阀的气密性，有效的减少了反向泄露；
(2)极大地提高了微泵的驱动能力，提升微泵的输出流量，提高微泵对流体输运的控制范围；
(3)利于实现微泵的集成化、小型化，实现批量化生产；
(4)微泵具有结构简单、性能优良、流量较大等优点，相较于传统的有阀压电微泵，可以更广泛的运用于生物医药等微流体系统中。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的压电式止回阀微泵爆炸结构示意图；
图2示出根据本发明一种优选实施方式的压电式止回阀微泵俯视结构示意图；
图3示出根据本发明一种优选实施方式的压电式止回阀微泵压电振子向上运动后流体运动示意图；
图4示出根据本发明一种优选实施方式的压电式止回阀微泵压电振子向下运动后流体运动示意图；
图5示出实施例1中止回阀关闭状态示意图；
图6示出实施例1中止回阀打开状态示意图；
图7示出实施例1中供电频率与微泵流量的关系。
附图标号说明
1-泵体；
2-压电振子；
3-止回阀；
4-基板；
5-盖板；
11-泵腔；
12-入口流道；
13-出口流道；
14-阻挡块；
21-PDMS薄膜；
22-PZT薄膜；
51-压电振子孔；
52-入液孔；
53-出液孔；
121-入口宽口流道区；
122-入口狭窄流道区；
131-出口宽口流道区；
132-出口狭窄流道区。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明提供的一种压电式止回阀微泵，具有泵体1，其特征在于，所述泵体1包括泵腔11、连接泵腔11的入口流道12和出口流道13，
在泵腔11位置设置有压电振子2，在入口流道12和出口流道13中设置有止回阀3，图1示出了一种压电式止回阀微泵的爆炸结构示意图。
所述压电振子为能够在交变电压下发生机械振动的器件，已被广泛使用在各个领域中。
在一个优选的实施方式中，如图1、2所示，所述入口流道12具有入口宽口流道区121和入口狭窄流道区122，入口宽口流道区121的截面面积大于入口狭窄流道区122的截面面积，
所述入口宽口流道区121与泵腔11连接，所述入口狭窄流道区122与微泵入口管道连接，
所述止回阀3为圆柱形，设置在入口宽口流道区121中，止回阀3的截面面积大于入口狭窄流道区的截面面积，使得止回阀3不能进入入口狭窄流道区122。
进一步地，所述出口流道13具有出口宽口流道区131和出口狭窄流道区132，出口宽口流道区131的截面面积大于出口狭窄流道区132的截面面积，
所述出口宽口流道区131与微泵出口管道连接，所述出口狭窄流道区132与泵腔11连接，
所述止回阀3为圆柱形，设置在出口宽口流道区131中，止回阀3的截面面积大于出口狭窄流道区的截面面积，使得止回阀3不能进入出口狭窄流道区132。
在本发明中，通过止回阀与入口流道和出口流道结构的配合，采用简单结构实现了优良的止逆、泵送效果，有效的减少了反向泄漏。并且，止回与流道设计相配合，有效减少了微泵的整体体积，提高了微泵的流量。
具体地，如图3所示，当压电振子1向上运动，泵腔11体积变大内部压力减小，出口流道13中止回阀3向出口狭窄流道区132方向移动，阻塞出口狭窄流道区132，阻止微泵出口管道中流体流入泵腔11，同时，入口流道12中止回阀3向泵腔11方向移动，避免入口狭窄流道区122被堵塞，使得微泵入口管道中流体能够被吸入泵腔11中。
如图4所示，当压电振子1向下运动，泵腔11体积变小内部压力变大，入口流道12中止回阀3向入口狭窄流道区122方向移动，堵塞入口狭窄流道区122，阻止泵腔11内流体进入入口狭窄流道区122，同时，出口流道13中止回阀3向微泵出口管道方向移动，避免出口狭窄流道区132被阻塞，使得泵腔11中流体被排出，进入微泵出口管中。
通过交变电压驱动压电振子，使得微泵在吸入与排出状态交替转换，实现流体的连续泵送。
在一个优选的实施方式中，在入口宽口流道区121和出口宽口流道区131中设置有阻挡块14，所述止回阀3设置在阻挡块14与入口狭窄流道区122或出口狭窄流道区132之间。
阻挡块14可以是圆形柱体、方形柱体或其它形状、结构，只要能够实现对止回阀3的阻挡即可，在本发明中对其具体形状、结构不做限定。
通过阻挡块14，限制了止回阀3在微泵泵送过程中的位移范围，避免止回阀3与入口狭窄流道区122、出口狭窄流道区132的距离过远导致止逆不及时，从而提高止回阀3的响应速度，避免反向泄漏。
优选地，阻挡块14与入口狭窄流道区122或出口狭窄流道区132的距离为止逆阀截面直径的1.2-2倍。
在一个优选的实施方式中，入口宽口流道区与入口狭窄流道区截面比例，以及出口宽口流道区与出口狭窄流道区截面比例，均为3:1～4:3，比例过大会让止回阀的密封性降低，比例过小会影响流量的大小，会在止回阀区域形成更大涡流从而影响密封性，更优选为2:1，在此比例下，对流量的影响最低，且密封性整体良好。在一个优选的实施方式中，所述压电振子2包括PZT薄膜22和PDMS薄膜21，其中PDMS薄膜21为基层，PZT薄膜22覆盖在PDMS薄膜21上。
更优选地，所述PZT薄膜以云母为基底。
传统的微泵一般采用压电陶瓷材料作为压电振子，但是压电陶瓷材料体积较大，难以小型化，且不易于集成，并且与泵腔的结合紧密型差，容易出现泄漏。发明人发现，在同尺寸情况下，薄膜类要比块材类产生的形变量大，极大地提高了微泵的驱动能力，提升微泵的输出流量，提高微泵对流体输运的控制范围，且降低了压电振子的占用体积，提高了压电振子与泵腔结合精密度。
同时，以云母为基底的PZT薄膜和PDMS薄膜所组成的压电振子，相比于其它材料，能够使微泵在低频低压下获得更大的驱动力。
PZT薄膜(锆钛酸铅薄膜)具有成膜温度低成膜速率快成膜均匀性好压电系数高疲劳特性好等特点，广泛应用于传感器件中。
PDMS薄膜属于一种高分子弹性聚合物薄膜，具有永久弹性、低杨氏模量、优异的气体透过性、化学稳定性、热稳定性、低温柔韧性等特性，广泛使用于医疗器械、电子柔性器件、微流控芯片等领域。
在一个优选的实施方式中，PZT薄膜厚度在1-2μm之间，PDMS薄膜厚度在1.5～2.5μm，例如2μm。PZT薄膜厚度在1-2μm之间提供的驱动力能够使得压电式止回阀微泵运行更加平稳，PZT薄膜厚度过薄时，驱动能力不足，PZT薄膜厚度过厚，驱动力会提高，但会影响止回阀的运动形态从而影响微泵的流量输出大小，甚至会引起止回阀静止不动。PDMS薄膜不宜过厚也不宜过薄，过厚会影响驱动力，PZT振动带不起来整个PDMS薄膜；若PDMS过薄，振动会将薄膜撕裂。
在一个优选的实施方式中，所述压电式止回阀微泵包括基板4和盖板5，所述盖板5盖在基板4上，在基板4上设置有泵体。
在盖板5上设置有压电振子孔51，使得压电振子2能够部分露出，在盖板5上设置有入液孔52作为微泵入口管道，在盖板5上设置有出液孔53作为微泵出口管道。
在一个优选的实施方式中，所述基板4为硅材料，所述盖板5为玻璃，基板4与盖板5之间通过树脂粘接密封。
所述止回阀3为光固化复合树脂材料。
在本发明中，所述基板优选采用硅材料，从而可以利用MEMS技术大批量制作更小尺寸的微泵结构，也更方便与其他传感器集成化，且加工精度高，硅表面光滑度高易于密封，材料不易变形，无毒无害。采用玻璃作为盖板，与光固化复合树脂配合，便于形成止回阀，具体地，光固化复合树脂通过透光的玻璃进行紫外光照固化，形成止回阀。
本发明还提供了一种压电式止回阀微泵的制作方法，其特征在于，
将PDMS薄膜与PZT薄膜结合，形成压电振子；
在基板上开设泵体，在盖板上开设压电振子孔、入液孔和出液孔；
将基板与盖板粘合，在粘合前，将压电振子置于泵体中，且压电振子通过压电振子孔部分露出；
在泵体中设置止回阀。
在一个优选的实施方式中，采用甩胶的方式将PDMS薄膜与PZT薄膜结合。
所述甩胶为微电子制造中常用的一种粘接方式，利用旋转产生的离心力原理，将胶液均匀甩开，从而获得更好的贴合效果。
在一个优选的实施方式中，所述基板为硅材料，通过MEMS技术腐蚀形成泵体。
优选地，所述泵体包括泵腔、入口流道和出口流道，所述入口流道具有入口宽口流道区和入口狭窄流道区，入口宽口流道区的截面面积大于入口狭窄流道区的截面面积，
所述入口宽口流道区与泵腔连接，所述入口狭窄流道区与微泵入口管道连接，
所述出口流道具有出口宽口流道区和出口狭窄流道区，出口宽口流道区的截面面积大于出口狭窄流道区的截面面积，
所述出口宽口流道区与微泵出口管道连接，所述出口狭窄流道区与泵腔连接，
优选地，在刻蚀过程中，在入口宽口流道区和出口宽口流道区中保留柱形区域，形成阻挡块。
在一个优选的实施方式中，所述盖板为玻璃，通过激光刻蚀形成所述压电振子孔、入液孔和出液孔。
在一个优选的实施方式中，通过树脂将基板与盖板粘合，形成密封。
在一个优选的实施方式中，将光固化复合树脂注入泵体入口流道和出口流道，通过掩模版将紫外线光照射光固化复合树脂进行固化形成止回阀，通过去离子水冲洗泵体将多余未固化的复合树脂去除。
光固化复合树脂多用于牙齿修复，相较于其他光固化材料，具有固化速度快、硬度高、耐磨、无毒无害等优点，是一种环境友好型材料，其更利于实现微泵的集成化、小型化，实现批量化生产。
在本发明中，先将基板与盖板粘合，形成密封，再制作止回阀，具有以下优点：(1)可以减少与空气的接触，避免由于制作过程中灰尘颗粒引入而影响固化效果；(2)可以使止回阀更好的贴合玻璃盖板与硅基板，提高密封性，避免微泵工作过程中，流体的泄漏；(3)可以减少工艺步骤，工艺流程简单。
进一步，通过先将基板与盖板粘合，形成密封，再制作止回阀，还避免了先制作止回阀再放入泵体内带来的一系列问题，包括：(1)降低制造复杂性，先制作止回阀还需要制作一个模具，来盛放液态树脂，否则无法成型，这样会增加工艺复杂性，浪费材料；(2)提高适配性，由于止回阀尺寸较小，止回阀的模具与微泵的结构存在一定误差，若制作出来的止回阀过厚则在泵体内不会运动，过薄在泵体内会影响流量输出大小；(3)提高制造成品率，由于止回阀尺寸较小，在泵体外制作止回阀，然后放入泵体内这个转移的过程中，不易操作，也会引起止回阀的变形，影响密封性。
实施例
制作一个压电式止回阀微泵，微泵尺寸20mm×10mm，具有基板和盖板，在基板上设置有泵体，盖板盖在基板，形成微泵，泵体包括泵腔、连接泵腔11的入口流道12和出口流道13，
在泵腔11位置设置有压电振子2，在入口流道12和出口流道13中设置有止回阀3。
基板为硅材料，盖板为玻璃，基板4与盖板5之间通过树脂粘接密封，压电振子2，以PDMS薄膜21为基底，甩胶粘合PZT薄膜22。
入口流道12具有入口宽口流道区121和入口狭窄流道区122，入口宽口流道区121的截面面积大于入口狭窄流道区122的截面面积，入口宽口流道区121与泵腔11连接，所述入口狭窄流道区122与微泵入口管道连接，止回阀3为圆柱形，设置在入口宽口流道区121中，止回阀3的截面面积大于入口狭窄流道区的截面面积，使得止回阀3不能进入入口狭窄流道区122。
出口流道13具有出口宽口流道区131和出口狭窄流道区132，出口宽口流道区131的截面面积大于出口狭窄流道区132的截面面积，出口宽口流道区131与微泵出口管道连接，所述出口狭窄流道区132与泵腔11连接，止回阀3为圆柱形，设置在出口宽口流道区131中，止回阀3的截面面积大于出口狭窄流道区的截面面积，使得止回阀3不能进入出口狭窄流道区132。
在入口宽口流道区121和出口宽口流道区131中设置有阻挡块14，止回阀3为光固化复合树脂材料，将光固化复合树脂注入泵体入口流道和出口流道13，通过掩模版将紫外线光照射光固化复合树脂进行固化形成止回阀，通过去离子水冲洗泵体将多余未固化的复合树脂去除。
最终获得的压电式止回阀微泵在电压100V下进行测试，如图5-6所示，其中图5示出：止回阀关闭时状态；图6示出止回阀打开状态。
图7示出了压电式止回阀微泵流量随频率的变化图，频率100Hz最大出口流量为0.17677μL/s，频率50Hz时最大出口流量0.23015μL/s，总体上随着频率的增加出口流量逐渐减少。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的普通连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种压电式止回阀微泵，具有泵体(1)，其特征在于，所述泵体(1)包括泵腔(11)、连接泵腔(11)的入口流道(12)和出口流道(13)，
在泵腔(11)位置设置有压电振子(2)，在入口流道(12)和出口流道(13)中设置有止回阀(3)。
2.根据权利要求1所述的压电式止回阀微泵，其特征在于，
所述入口流道(12)具有入口宽口流道区(121)和入口狭窄流道区(122)，入口宽口流道区(121)的截面面积大于入口狭窄流道区(122)的截面面积，
所述入口宽口流道区(121)与泵腔(11)连接，所述入口狭窄流道区(122)与微泵入口管道连接，
所述止回阀(3)为圆柱形，设置在入口宽口流道区(121)中，止回阀(3)的截面面积大于入口狭窄流道区的截面面积，使得止回阀(3)不能进入入口狭窄流道区(122)。
3.根据权利要求1所述的压电式止回阀微泵，其特征在于，
所述出口流道(13)具有出口宽口流道区(131)和出口狭窄流道区(132)，出口宽口流道区(131)的截面面积大于出口狭窄流道区(132)的截面面积，
所述出口宽口流道区(131)与微泵出口管道连接，所述出口狭窄流道区(132)与泵腔(11)连接，
所述止回阀(3)为圆柱形，设置在出口宽口流道区(131)中，止回阀(3)的截面面积大于出口狭窄流道区的截面面积，使得止回阀(3)不能进入出口狭窄流道区(132)。
4.根据权利要求2或3所述的压电式止回阀微泵，其特征在于，
在入口宽口流道区(121)和出口宽口流道区(131)中设置有阻挡块(14)，所述止回阀(3)设置在阻挡块(14)与入口狭窄流道区(122)或出口狭窄流道区(132)之间。
5.根据权利要求1所述的压电式止回阀微泵，其特征在于，
所述压电振子(2)包括PDMS薄膜(21)和PZT薄膜(22)，其中PDMS薄膜(21)为基层，PZT薄膜(22)覆盖在PDMS薄膜(21)上。
6.根据权利要求1所述的压电式止回阀微泵，其特征在于，
所述压电式止回阀微泵包括基板(4)和盖板(5)，所述盖板(5)盖在基板(4)上，在基板(4)上设置有泵体(1)；
在盖板(5)上设置有压电振子孔(51)，使得压电振子(2)能够部分露出，在盖板(5)上设置有入液孔(52)作为微泵入口管道，在盖板(5)上设置有出液孔(53)作为微泵出口管道。
7.根据权利要求1所述的压电式止回阀微泵，其特征在于，
所述基板(4)为硅材料，所述盖板(5)为玻璃，基板(4)与盖板(5)之间通过树脂粘接密封；
所述止回阀(3)为光固化复合树脂材料。
8.一种压电式止回阀微泵的制作方法，其特征在于，
将PDMS薄膜与PZT薄膜结合，形成压电振子；
在基板上开设泵体，在盖板上开设压电振子孔、入液孔和出液孔；
将基板与盖板粘合，在粘合前，将压电振子置于泵体中，且压电振子通过压电振子孔部分露出；
在泵体中设置止回阀。
9.根据权利要求8所述的压电式止回阀微泵的制作方法，其特征在于，
所述基板为硅材料，通过MEMS技术腐蚀形成泵体。
10.根据权利要求8所述的压电式止回阀微泵的制作方法，其特征在于，
将光固化复合树脂注入泵体入口流道和出口流道，通过掩模版将紫外线光照射光固化复合树脂进行固化形成止回阀。
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| CN202310926234.8A CN117006024A (zh) | 2023-07-26 | 2023-07-26 | 一种压电式止回阀微泵及其制作方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117732525A (zh) * | 2024-02-19 | 2024-03-22 | 杭州联川生物技术股份有限公司 | 一种微流控芯片制造方法 |
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- 2023-07-26 CN CN202310926234.8A patent/CN117006024A/zh active Pending
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| CN117732525A (zh) * | 2024-02-19 | 2024-03-22 | 杭州联川生物技术股份有限公司 | 一种微流控芯片制造方法 |
| CN117732525B (zh) * | 2024-02-19 | 2024-05-14 | 杭州联川生物技术股份有限公司 | 一种微流控芯片制造方法 |
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