CN1313356C - 基于双氧水分解的微氧气泵 - Google Patents

Abstract

一种基于双氧水分解的微氧气泵，由硅橡胶基底与玻璃基片组成，硅橡胶基底中设置有并列的双氧水泵腔，在双氧水泵腔两侧相对位置分别设置有双氧水入口微通道和氧气出口微通道，双氧水入口微通道与双氧水进液口连通，氧气出口微通道末端与毛细管微阀相连，毛细管微阀另一侧与储液腔连通，储液腔的下侧方设置有样本入口微通道，样本入口微通道与样本进液口相连通，储液腔的另一侧是蛇形微通道，蛇形微通道的尾端连接有出液口；玻璃基片上设置有驱动电极，驱动电极由微加热电极和微传感电极构成，微加热电极设置在一个双氧水泵腔的正上方，微传感电极设置在另一个双氧水泵腔中央。本发明开启能耗低、连续驱动能力强、能产生相对较大的压力。

Description

基于双氧水分解的微氧气泵

技术领域

本发明涉及一种气体液体微泵，具体涉及一种基于双氧水分解的微氧气泵。用于微电子机械系统领域。

背景技术

微泵是实现微流体控制的核心元件，基于MEMS加工技术的微泵按泵的原理一般可分为两种类型：机械式和非机械式。机械泵按致动类型可分为：压电式，气动式，热气动式，静电式以及电磁式等等。这些泵的工作原理大致都是利用较高的电压致动薄膜，产生往复运动驱动液体沿微通道运动。机械泵的好处是可以适用于任何液体，而且流速较少受通道内液流性质和通道内壁性质影响，可靠性较高。但机械泵有以下缺点：结构复杂，对设备和技术要求较高；必须与单向阀配合使用，增加了难度；泵压不高；有渗漏；不容易集成等等。为了克服这些缺点，人们对没有活动部件的非机械式微泵做了研究。非机械式微泵按其驱动动力可分为：电热致动泵、电渗流驱动泵、电流体动力泵、磁流体动力泵等等。近年来，利用气体的压力产生动力的微泵的研究也备受研究人员的关注。

经对现有技术的文献检索发现，Handique等在《Anal.Chem》2001，73：1831上发表的“On-chip thermopneumatic pressure for discrete drop pumping”(《分析化学》，单片热致动微泵驱动液滴)中报道了一种利用加热所产生的气动压力直接驱动流体的方法，其主要优点是微泵内不含有活动机械部件，其结构及工作原理如下：微泵主要包括气源部分、微通道及表面张力突破阀。气源部分包括一个小的气室(体积数百纳升)及其中的加热电阻丝，加热电阻丝加热使气室中的气体膨胀，产生驱动气压，直接推动微管道内的液体流动；保持对气室的不断加热，可保证液滴的连续流动。该微泵致动气源和控制气动部分完全可以集成于芯片上，为在芯片上集成气动驱动系统的研究提供了一个新思路。该气泵的缺点是必须不断的升温才能保证液体的驱动，产生的压力较小，只能驱动纳升级液滴。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺点，提供一种基于双氧水分解的微氧气泵。使其具有原理新颖、结构简单、制造成本低的特点，克服了热气泵存在的驱动能力不强、驱动压力过小的缺点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由两层结构组成，分别是包含有泵腔结构和微通道的硅橡胶基底与包含有加热电极和传感电极的玻璃基片，玻璃基片通过紫外光照射封装设置在硅橡胶基底的上方。所述的硅橡胶基底中设置有并列的两个浅腔体，在并列浅腔体两侧相对位置分别设置有双氧水入口微通道和氧气出口微通道，双氧水入口微通道与双氧水进液口相连通，氧气出口微通道末端与毛细管微阀相连，毛细管微阀另一侧与储液腔连通，储液腔的下侧方设置有样本入口微通道，样本入口微通道与样本进液口相连通，储液腔的另一侧是蛇形微通道，蛇形微通道的后半段设置成蜿蜒曲折的形状，末端与出液口相连。所述的玻璃基片上设置有驱动电极，驱动电极由微加热电极和微传感电极构成，微加热电极设置在并列的两个浅腔体的正上方，微传感电极设置在并列的两个浅腔体中央。

微加热电极采用多折线形状，微传感电极也采用多折线形状。在玻璃基片上还设置有双氧水进液孔和样本进液孔，双氧水进液孔与双氧水进液口相连通，样本进液孔与样本进液口相连通。

本发明采用一种简单的化学反应产生气体做驱动动力。双氧水是一种化学活性物质，如果加热超过其分解速度，它会迅速分解，产生水和氧气，反应式如下：

       (1)

根据反应式计算，仅仅1μl30％的双氧水就能产生大约100μl的氧气。产生氧气的速度取决于外界温度和催化剂的使用。只要温度等外界条件满足，反应可以持续地进行。反应的产物，水和氧气都是生物兼容的。

由反应动力学和经典气体定律，可获得一个样本输送率和反应温度的关系式。

lnf＝lnk₁(RT/P).A+Ea/RT＝K/T    (2)

k₁-单位转换常数，为3.6×10⁶，R——经典气体常数，为0.082 056 1atm/mol.K，T——温度(K)，P——气体压力(atm)，K——比例系数，Ea——活化能，A——浓度。

由上式，控制反应温度就可以一定的速率控制样本输送。

本发明工作时，分别由双氧水进液孔和样本进液孔注入双氧水和样本溶液。双氧水溶液通过双氧水入口微通道流入双氧水泵腔，样本溶液通过样本入口微通道流入储液腔，由于毛细管阀的作用，双氧水不会流入储液腔，样本溶液也不会流入双氧水泵腔。封好双氧水进液孔和样本进液孔后，给加热器施加一定的电流，同时通过温度传感器感知温度，调节电流大小，控制双氧水泵腔的温度，双氧水分解，产生压力，驱动储液腔的样本溶液流入微通道，持续施加电流，最终溶液从出液口流出。

本发明开启能耗低、连续驱动能力强、能产生相对较大的压力，克服了前述热气泵存在的驱动能力不强、驱动压力过小的缺点。而且，本发明微氧气泵是单片型的，其结构简单，并采用简单、灵活、易于集成的新型制作工艺方法制造，材料选用价格低廉的普通玻璃和高分子材料，进一步降低了制造成本，因此，本发明有利于促进单片型微流体系统的发展。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图中，1是出液口，2是包含有微腔和微通道的硅橡胶基底，3是包含有加热器和传感器的玻璃基片，4是双氧水泵腔，5是毛细管微阀，6是双氧水入口微通道，7是氧气出口微通道，8是储液腔，9是蛇形微通道，10是样本进液微通道，11是双氧水进液口，12是双氧水进液孔，13是微传感电极，14是微加热电极，15是样本进液孔，16是样本进液口

具体实施方式

如图1所示，本发明由两层结构组成，分别是包含有泵腔结构和微通道的硅橡胶基底2与包含有加热电极和传感电极的玻璃基片3，玻璃基片3通过紫外光照射封装设置在硅橡胶基底2的上方，所述的硅橡胶基底2中设置有并列的双氧水泵腔4，在双氧水泵腔4两侧相对位置分别设置有双氧水入口微通道6和氧气出口微通道7，双氧水入口微通道6与双氧水进液口11连通，氧气出口微通道7末端与毛细管微阀5相连，毛细管微阀5另一侧与储液腔8连通，储液腔8的下侧方设置有样本入口微通道10，样本入口微通道10与样本进液口16相连通，储液腔8的另一侧是蛇形微通道9，蛇形微通道9的尾端连接有出液口1；所述的玻璃基片3上设置有驱动电极，驱动电极由微加热电极14和微传感电极13构成，微加热电极14设置在一个双氧水泵腔4的正上方，微传感电极13设置在另一个双氧水泵腔4中央。

蛇形微通道9的后半段设置成蜿蜒曲折的形状。

微传感电极13、微加热电极14为多折线形状。

在玻璃基片3上还设置有双氧水进液孔12和样本进液孔15，双氧水进液孔12与双氧水进液口11相连通，样本进液孔15与样本进液口16相连通。

Claims (3)

1、一种基于双氧水分解的微氧气泵，由硅橡胶基底(2)与玻璃基片(3)组成，玻璃基片(3)通过紫外光照射封装设置在硅橡胶基底(2)的上方，其特征在于，所述的硅橡胶基底(2)中设置有并列的双氧水泵腔(4)，在双氧水泵腔(4)两侧相对位置分别设置有双氧水入口微通道(6)和氧气出口微通道(7)，双氧水入口微通道(6)与双氧水进液口(11)连通，氧气出口微通道(7)末端与毛细管微阀(5)相连，毛细管微阀(5)另一侧与储液腔(8)连通，储液腔(8)的下侧方设置有样本入口微通道(10)，样本入口微通道(10)与样本进液口(16)相连通，储液腔(8)的另一侧是蛇形微通道(9)，蛇形微通道(9)的尾端连接有出液口(1)；所述的玻璃基片(3)上设置有驱动电极，驱动电极由微加热电极(14)和微传感电极(13)构成，微加热电极(14)设置在一个双氧水泵腔(4)的正上方，微传感电极(13)设置在另一个双氧水泵腔(4)中央。

2、根据权利要求1所述的基于双氧水分解的微氧气泵，其特征是，微传感电极(13)、微加热电极(14)为多折线形状。

3、根据权利要求1所述的基于双氧水分解的微氧气泵，其特征是，在玻璃基片(3)上还设置有双氧水进液孔(12)和样本进液孔(15)，双氧水进液孔(12)与双氧水进液口(11)相连通，样本进液孔(15)与样本进液口(16)相连通。

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