CN117411275A - 一种微型磁流体驱动装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型磁流体驱动装置和方法，该微型磁流体驱动装置包括：一固定腔体；至少一组电极，每组电极的内侧面相对设置并且位于固定腔体的内表面；一流体输入口；一流体输出口，流体输入口和流体输出口分别设置在固定腔体的两端并与固定腔体连通；多根导体引线，每根导体引线的一端与驱动电源连接，另一端与其中一个电极的外侧面连接，驱动电源输出的电压呈周期性变化，在一个电压周期的前半周期与后半周期，驱动电源输出的电压幅值不变但方向相反，在每一电压周期的前半周期和后半周期，施加方向分别为一第一方向和一第二方向的外加磁场，第一方向和第二方向相反并且外加磁场使得作用于所述流体的安培力的方向相同。

Description

一种微型磁流体驱动装置和方法

技术领域

本发明涉及磁流体领域，具体而言，涉及一种微型磁流体驱动装置和方法。

背景技术

当前，大规模商业化应用的磁流体泵主要是应用于熔融金属的驱动方面，其原因在于，在熔融金属的磁流体泵应用中，驱动电流在电源-电极-流体的全部通路中，载流子均为电子，因此不涉及到载流子的变化。而当待驱动流体为电解质时，因电解质中的主要载流子为溶液中的离子，因此在电极和流体的界面中会发生电子-离子的载流子切换过程，该切换过程即为电化学反应过程。典型的电化学反应中，正电极得到电子，发生还原反应，负电极失去电子，发生氧化反应，氧化反应和还原反应统称为氧化还原反应，也即电解反应。电解反应可能会产生气泡，导致电极钝化、驱动流体的化学成分改变或pH值改变等诸多不利后果。

因此，在驱动电解质的磁流体泵设计中，现有方案主要是采用感应电流驱动的方式，通过变化的磁场在电解质中产生电流，在利用该电流与激励磁场的安培力来推动流体驱动。

中国专利CN106428498A公开了一种主要应用在海水中的电磁推进器，其核心设计就是通过脉冲电流产生脉冲磁场，从而在海水中产生感应电流与磁场的相互作用来推动海水做功。这种方式避免了电极到海水的界面，从而可以提高磁流体驱动效率。

中国专利CN1485101A公开了一种磁流体血液泵，也是利用磁体转子相对于固定的学动力室的运动产生的电磁力使血液流动循环。其驱动电流也是通过变化磁场在血液中产生感应电流的方式，避免了电极的应用。

但是上述通过感应电流与磁场安培力作用的磁流体驱动方式，虽然通过避免电极的引入，规避了电极-电解质界面的电解反应，但是由于其感应电流是由外置线圈或者运动磁铁产生，因此效率较低。另外，感应电流的大小与电解质的导电率相关，当电解质等效电阻较高时，感应电流很小，磁流体驱动力受限，系统效率较低。增大感应电流则需要增加磁通量，因而磁通面积需要较大，这限制了现有方案在微型系统中的应用。在微米或者纳米尺度的微通道流体系统中，感应电流的磁流体驱动方式很难实现。

在微通道流体系统中，磁流体驱动有着便于控制和调整，精度高，压力脉冲波动小，方便与电路集成等优点，磁流体驱动泵在微通道流体驱动中有广泛的应用前景。

中国专利201310597265公开了一种采用平面磁铁的磁流体驱动，该方案通过使用平面型电磁铁代替了三维电磁铁作为磁场激励源，易于微型化。但是电极材料使用金，钛，镍等金属材料，电极和流体的界面存在着载流子的变化，电化学反应不可避免。因此在该磁流体微泵中需要严格进行微气泡的捕捉和控制，才可能规避电解反应导致的微气泡问题。另外，电解反应对电极的钝化也会限制该磁流体泵的可用寿命。

中国专利200310108407公开了一种磁流体推进式微型泵，该方案通过采用侧壁电极增加了电极和流体的接触面，减少接触电阻，并使得流体中的驱动电流均匀分布在微通道流体之中，一定程度上提高了磁流体推进泵的效率。但是该泵虽然通过采用惰性金属电极延缓电极钝化，但是无法避免电极-电解质界面的电解反应，因此气泡析出不可避免。另外，该方案中，激励磁场是固定方向的，通过采用电流的正负变化来控制驱动流体的力的方向，这样的方式也限定了驱动电流的直流特性，一定程度上加快电极钝化和气泡析出等电极电解反应不良效果。

另外，以上现有方案也很难对流体的驱动力进行精密的调整和控制。

发明内容

本发明提供一种微型磁流体驱动装置和方法，用以解决上述现有技术中存在的至少一个问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种微型磁流体驱动装置，其包括：

一固定腔体，所述固定腔体内部为中空以用于容置流体；

至少一组电极，每组电极的内侧面相对设置并且位于所述固定腔体的内表面；

一流体输入口；

一流体输出口，所述流体输入口和所述流体输出口分别设置在所述固定腔体的两端并与所述固定腔体连通；

多根导体引线，每根导体引线的一端与驱动电源连接，另一端与其中一个电极的外侧面连接，

所述驱动电源输出的电压呈周期性变化，在一个电压周期的前半周期与后半周期，所述驱动电源输出的电压幅值不变但方向相反，在每一电压周期的前半周期和后半周期，施加方向分别为一第一方向和一第二方向的外加磁场，所述第一方向和所述第二方向相反并且所述外加磁场使得作用于所述流体的安培力的方向相同，在每一电压周期的前半周期和后半周期，电极输出的电荷量均不大于电极的最大电荷容量。

在本发明的一实施例中，电极为双电层电容电极或者赝电容电极，每组电极内均形成交变电流。

在本发明的一实施例中，对于每一组电极，在一个电流周期内，通过电极的循环充放电或者是氧化还原反应提供形成交变电流所需要的电荷。在本发明的一实施例中，所述电极的材质为二氧化钌的水合物、水钠锰矿化合物、分散的纳米碳胶体或者导电聚合物。

在本发明的一实施例中，所述电极的最大电荷容量、所述驱动电源的电压周期以及所述驱动电源的输出功率均为可调节。

在本发明的一实施例中，所述固定腔体的截面为圆形、椭圆、矩形、圆角矩形或者以上形状的组合形式。

在本发明的一实施例中，所述固定腔体中的最小径向尺寸介于10纳米～10毫米之间。

在本发明的一实施例中，所述外加磁场为在平面线圈中通入电流而获得，所述平面线圈中电流的大小、频率和相位均为可调节。

在本发明的一实施例中，在所述平面线圈与所述固定腔体之间设置有磁路优化装置。

在本发明的一实施例中，所述磁路优化装置的材质为软磁材料。

本发明还提供了一种应用于上述微型磁流体驱动装置中的微型磁流体驱动方法，其包括：

a.将含有带电粒子的流体从所述流体输入口输入；

b.使得所述流体在所述固定腔体中流动；

c.将与电极相连的导体引线与所述驱动电源连接；

d.在电压周期的前半周期，所述驱动电源输出的电压驱动所述流体中的带电粒子在电极之间流动而产生电流，同时，施加一方向为第一方向的外加磁场，使得作用于所述流体的安培力的方向朝向所述流体输出口；

e.在电压周期的后半周期，所述驱动电源输出的电压驱动所述流体中的带电粒子在两个电极之间流动而产生电流，同时，施加一方向为第二方向的外加磁场，使得作用于所述流体的安培力的方向朝向所述流体输出口，

其中，所述第一方向和所述第二方向相反并且所述外加磁场使得作用于所述流体的安培力的方向相同，在每一电压周期的前半周期和后半周期，电极输出的电荷量均不大于电极的最大电荷容量。

本发明提供的微型磁流体驱动装置和方法更加便于微型化，其中的驱动装置可以更加方便的与微流控系统整合，用以与现代生物工程(例如细胞、微囊、囊泡、蛋白质、纳米药物等)和化学工程中的各种分析、提取技术相结合，从而可以提升速度、提高精度、减少样品需求量，加快药物研发和分析诊断水平。同时，本发明易于集成，易于控制，能够在微管尺度上实现精确的流体驱动、测量和控制，从而带来较大的社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的微型磁流体驱动装置；

图2为本发明一实施例的两个电极输出的电压示意图；

图3为本发明一实施例的驱动电流的示意图；

图4为本发明一实施例的外加磁场的示意图；

图5为本发明一实施例的驱动力的示意图；

图6为本发明一实施例的固定腔体的局部示意图；

图7为本发明一实施例的固定腔体下方设有平面线圈的示意图。

附图标记说明：1-固定腔体；21/22-电极；3-流体输入口；4-流体输出口；51/52-导体引线；6-平面线圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的微型磁流体驱动装置提供使流体中产生驱动力来调节流体的流动，如图1所示为本发明一实施例的微型磁流体驱动装置，其包括：

一固定腔体1，固定腔体1内部为中空以用于容置流体；

本发明中的流体中包含带正、负电荷的离子，流体可为导电流体，例如生理盐水、磷酸缓冲液等。

一组电极(21/22)，电极(21/22)的内侧面相对设置并且位于固定腔体1的内表面；

本实施例以一组电极为例，一组电极包括两个电极，在其他实施例中，电极的数目可以为两组或两组以上，以与图1中相同的方式设置。

一流体输入口3；

一流体输出口4，流体输入口3和流体输出口4分别设置在固定腔体1的两端并与固定腔体1连通；

两根导体引线(51/52)，两根导体引线(51/52)的一端与驱动电源(图中未示出)连接，另一端分别与其中一个电极(21/22)的外侧面连接，如图1所示，本实施例中的导体引线51是与电极21连接，导体引线52是与电极22连接，

本实施例以一组电极为例，故导体引线为两根，当电极为多组时，导体引线的数目也同步增加，增加的导体引线以与图1中相同的方式与电极连接，本领域技术人员根据图1可以清楚得知导体引线的连接方式，在此不予赘述。

驱动电源输出的电压呈周期性变化，在一个电压周期的前半周期与后半周期，驱动电源输出的电压幅值不变但方向相反，在每一电压周期的前半周期和后半周期，施加方向分别为一第一方向和一第二方向的外加磁场，图1示出的是在电压周期的前半周期时外加磁场的方向，将电极22上的电压V2为正时视为前半周期，第一方向和第二方向相反并且外加磁场使得作用于流体的安培力的方向相同，图1中，根据左手定则可知，其中的安培力是向右侧方向，也即朝向流体输出口的方向，安培力驱动流体由流体输入口3流向流体输出口4。在每一电压周期的前半周期和后半周期，电极输出的电荷量均不大于电极的最大电荷容量，电极可持续稳定工作。

图2为本发明一实施例的两个电极输出的电压示意图。因驱动电源输出的电压规律如上，故电极21/22之上输出的电压如图2。其中，V1为电极21上输出的电压，V2为电极22上输出的电压。在前半周期，电极22的电压为V，电极21的电压为0，此时流体中带电粒子流动产生的驱动电流为从电极22流向电极21(以该方向为电流正方向)，驱动电流大小为I，在后半周期，电极21的电压为V，电极22的电压为0，此时流体中带电粒子流动产生的驱动电流为从电极22流向电极21，电流方向变为相反，但是驱动电流大小仍为I。由此可见，在一个电压周期的前半周期和后半周期，电极21和电极22循环充放电，两个电极之间产生正反向交替、平均值为零的驱动电流(交流电流)如图3，因此，只要电极的最大电荷容量大于半个周期内电极释放的电荷，以避免电荷耗尽后产生电极-电解质反应，就能够满足本发明的需求。因此，本发明对基于双电层电容电极/赝电容电极的电荷容量要求极低，从而使得极小体积和质量的电极即可满足流体驱动要求，也使得本发明能够更方便的应用于微米/纳米尺度的微通道流体系统中。

图4为本发明一实施例的外加磁场的示意图，在电压周期的前半周期和后半周期，分别施加一第一方向(视该方向为正方向)和第二方向的外加磁场，图1中示出了外加磁场的第一方向，第一方向和第二方向相反，目的在于控制流体中的带电粒子的移动，具体为控制带电粒子朝向流体输出口4移动，由于电压周期的前半周期和后半周期中，驱动电源输出的电压方向相反，因此，对应的，使得外加磁场的方向也相反，二者综合作用之下，对流体的安培力方向不变，在流体中形成稳定的驱动力，从而可以驱动微通道中流体进行定向运动。

安培力的大小与驱动电流I和外加磁场的强度的乘积成正比，因此可通过调整驱动电流I或者外加磁场的大小，对驱动力的进行调整。

图5为本发明一实施例的驱动力的示意图，因驱动电流的频率与电压周期有关，也可以通过调整外加磁场的周期与电压周期来实现对驱动力的调整。例如，当外加磁场的周期与电压周期相同且二者同步时，二者之间可视为相位差为0度，此时流体获得的驱动力最大；如果外加磁场的周期与电压周期相同但相位差为90度，则流体获得的驱动力最小；当外加磁场的周期与电压周期的相位差为180度时，则驱动力也为最大，但是驱动力的方向与0度相位差时正好相反。当外加磁场的周期与电压周期的相位差在0度至90度之间变化时，驱动力与相位差大小成反比关系如图5。

由于通过上述周期变化的电流和磁场共同作用，产生一致的流体驱动力，流体的驱动力越大，单位时间内流过的流体流量越大。因此通过控制外加磁场的周期与电压周期，也可以对流体流量的精确控制，便于数字化的测量和控制。

另外，在电极所能提供的最大电荷量不变时，可以通过缩短电压周期，提高切换频率来增加提升电流，从而得到更大的驱动功率。或者在驱动功率一定时，通过提高驱动频率缩短电压周期，可以降低对电极的半周期电荷量的要求，从而易于将电极小型化和微型化。

在本发明的一实施例中，电极例如为双电层电容电极或者赝电容电极，，每组电极内均形成交变电流。对于每一组电极，在一个电流周期内，通过电极的循环充放电或者是氧化还原反应提供形成交变电流所需要的电荷。该种类型电极与流体中存在一定电容量的电荷交换时，不会在电极界面上发生载流子变化以及对应的电极-电解反应，即避免电化学反应产生气泡，从根源上解决了电化学反应带来的各种不良后果(产生包括气泡在在内的各种附属产物，电化学反应带来的额外的能量消耗，使用过程导致的电极钝化或者腐蚀)。电极的材质可为二氧化钌的水合物、水钠锰矿化合物、分散的纳米碳胶体或者导电聚合物(例如PEDOT:PSS，polyanline，polypyrrole等)，或其他能够满足实际使用需求的材质，本发明不以以上所列出的电极材质为限。

本发明中的固定腔体的截面为圆形、椭圆、矩形、圆角矩形或者以上形状的组合形式，亦或是其它能够满足实际使用需求的形状。图6为本发明一实施例的固定腔体的局部示意图，该实施例中的固定腔体所占的空间形状为较扁的圆柱形，两侧分别设有流体输入口3和流体输出口4，流体输入口3和流体输出口4构成微通道，其是固定腔体中的最小径向尺寸，介于10纳米～10毫米之间。

图7为本发明一实施例的固定腔体下方设有平面线圈的示意图，如图7所示，本发明中的外加磁场可以在平面线圈6中通入电流而获得，平面线圈6中电流的大小、频率和相位均为可调节，通过改变平面线圈的电流频率和相位，可以方便的对外加磁场与流体中驱动电流的相对相位进行调整，从而可以调整驱动力的大小和方向。

另外，还可以进一步在平面线圈与固定腔体之间设置有磁路优化装置，磁路优化装置的材质例如为软磁材料，可以对磁路进行优化，提高激励磁场强度和均匀度，降低磁流体驱动泵的磁泄漏，提高整体驱动效率，并避免外界磁场的干扰。

在本发明的一实施例中，电极的最大电荷容量、驱动电源的电压周期以及驱动电源的输出功率均为可调节的，以调节与驱动力。

调节方式如下：

(1)外加磁场固定不变时，通过驱动电源的电压周期(频率)来调节驱动力。

(2)驱动电源固定不变时，通过调整平面线圈中电流的大小来调节驱动力。

本发明中，驱动力越大，流体的压强和流速越大，驱动力越小，流体的压强和流速越小，因此，若要改变流体的压强和流速，调节驱动力是较为直接的方法。

本发明还提供了一种应用于上述微型磁流体驱动装置中的微型磁流体驱动方法，其包括：

a.将含有带电粒子的流体从流体输入口输入；

b.使得流体在固定腔体中流动；

c.将与电极相连的导体引线与驱动电源连接；

在电压周期的前半周期，驱动电源输出的电压驱动流体中的带电粒子在电极之间流动而产生电流，同时，施加一方向为第一方向的外加磁场，使得作用于流体的安培力的方向朝向流体输出口；

在电压周期的后半周期，驱动电源输出的电压驱动流体中的带电粒子在两个电极之间流动而产生电流，同时，施加一方向为第二方向的外加磁场，使得作用于流体的安培力的方向朝向流体输出口，

其中，第一方向和第二方向相反并且外加磁场使得作用于流体的安培力的方向相同，在每一电压周期的前半周期和后半周期，电极输出的电荷量均不大于电极的最大电荷容量。

以上微型磁流体驱动方法中涉及的概念、名称等根据以上实施例的描述而得知，在此不予赘述。

本发明提供的微型磁流体驱动装置和方法更加便于微型化，其中的驱动装置可以更加方便的与微流控系统整合，用以与现代生物工程(例如细胞、微囊、囊泡、蛋白质、纳米药物等)和化学工程中的各种分析、提取技术相结合，从而可以提升速度、提高精度、减少样品需求量，加快药物研发和分析诊断水平。同时，本发明易于集成，易于控制，能够在微管尺度上实现精确的流体驱动、测量和控制，从而带来较大的社会效益。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种微型磁流体驱动装置，其特征在于，包括：

一固定腔体，所述固定腔体内部为中空以用于容置流体；

至少一组电极，每组电极的内侧面相对设置并且位于所述固定腔体的内表面；

一流体输入口；

一流体输出口，所述流体输入口和所述流体输出口分别设置在所述固定腔体的两端并与所述固定腔体连通；

多根导体引线，每根导体引线的一端与驱动电源连接，另一端与其中一个电极的外侧面连接，

所述驱动电源输出的电压呈周期性变化，在一个电压周期的前半周期与后半周期，所述驱动电源输出的电压幅值不变但方向相反，在每一电压周期的前半周期和后半周期，施加方向分别为一第一方向和一第二方向的外加磁场，所述第一方向和所述第二方向相反并且所述外加磁场使得作用于所述流体的安培力的方向相同，在每一电压周期的前半周期和后半周期，电极输出的电荷量均不大于电极的最大电荷容量。

2.根据权利要求1所述的微型磁流体驱动装置，其特征在于，电极为双电层电容电极或者赝电容电极，每组电极内均形成交变电流。

3.根据权利要求1所述的微型磁流体驱动装置，其特征在于，对于每一组电极，在一个电流周期内，通过电极的循环充放电或者是氧化还原反应提供形成交变电流所需要的电荷。

4.根据权利要求2所述的微型磁流体驱动装置，其特征在于，所述电极的材质为二氧化钌的水合物、水钠锰矿化合物、分散的纳米碳胶体或者导电聚合物。

5.根据权利要求1所述的微型磁流体驱动装置，其特征在于，所述电极的最大电荷容量、所述驱动电源的电压周期以及所述驱动电源的输出功率均为可调节。

6.根据权利要求1所述的微型磁流体驱动装置，其特征在于，所述固定腔体的截面为圆形、椭圆、矩形、圆角矩形或者以上形状的组合形式。

7.根据权利要求1所述的微型磁流体驱动装置，其特征在于，所述固定腔体中的最小径向尺寸介于10纳米～10毫米之间。

8.根据权利要求1所述的微型磁流体驱动装置，其特征在于，所述外加磁场为在平面线圈中通入电流而获得，所述平面线圈中电流的大小、频率和相位均为可调节。

9.根据权利要求8所述的微型磁流体驱动装置，其特征在于，在所述平面线圈与所述固定腔体之间设置有磁路优化装置。

10.根据权利要求9所述的微型磁流体驱动装置，其特征在于，所述磁路优化装置的材质为软磁材料。

11.一种应用于权利要求1-10中任一项的微型磁流体驱动方法，其特征在于，包括：

a.将含有带电粒子的流体从所述流体输入口输入；

b.使得所述流体在所述固定腔体中流动；

c.将与电极相连的导体引线与所述驱动电源连接；

d.在电压周期的前半周期，所述驱动电源输出的电压驱动所述流体中的带电粒子在电极之间流动而产生电流，同时，施加一方向为第一方向的外加磁场，使得作用于所述流体的安培力的方向朝向所述流体输出口；

e.在电压周期的后半周期，所述驱动电源输出的电压驱动所述流体中的带电粒子在电极之间流动而产生电流，同时，施加一方向为第二方向的外加磁场，使得作用于所述流体的安培力的方向朝向所述流体输出口，

其中，所述第一方向和所述第二方向相反并且所述外加磁场使得作用于所述流体的安培力的方向相同，在每一电压周期的前半周期和后半周期，电极输出的电荷量均不大于电极的最大电荷容量。