CN1844681A - 微型扩散泵及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微型扩散泵及其制备方法，微型扩散泵主要包括：泵腔室、单向阀、泵入口、泵出口及泵腔室内的驱动结构，单向阀分别位于泵腔室与泵入口之间和泵腔室与泵出口之间，单向阀为正反向流量不同的楔形扩散管，泵腔室内流体在一定驱动方式下膨胀和收缩产生压力差，依据流体在楔形扩散管内的正反流压力不同的性质，在泵体内产生单向连续输运流体的作用。本发明提供的微型扩散泵可采用抽吸气体而驱动液体和直接驱动液体两种工作方式。微型扩散泵的制备基于硅微机械加工技术及微模型技术，制备工艺简单、加工成本低、可靠性好、易于与大多数微流体系统集成，在微流控分析芯片领域具有广泛的应用前景。

Description

微型扩散泵及其制备方法

技术领域

本发明属于微流体控制、传输、微执行器技术领域，涉及一种无可动阀片式微型扩散泵及其制备方法。

背景技术

微流控分析芯片系统的主要特征是流体在各种构型的微流道和反应池内流动，通过控制流体的流动，完成芯片系统上的各项功能。微流控芯片系统中操作的核心是微流体的驱动，微流体驱动是微流体技术的基础。微泵是一个非常重要的微驱动器，是微流体控制系统的核心元件。目前采用微机械加工(MEMS)技术制备的微型泵主要分为机械式流体控制微泵和非机械式流体控制微泵，机械式微泵的进口和出口都需匹配两个单向微阀来控制流体的定向流动，通过驱动膜片的往复运动引起泵腔体积变化而工作，机械式微泵驱动类型主要包括压电致动、电磁致动、静电致动、热致动、气动致动等方式。机械微泵由于需匹配两个单向微阀，由此增加了整个驱动系统结构的复杂性，在机械式微泵的工作过程中，进出口阀极易损坏，因此缩短了微泵的使用寿命及可靠性。

非机械式微泵无可动部件，主要依据系统所用驱动动力的不同进行工作，主要包括电渗流体驱动微泵、电流体驱动微泵、磁流体驱动微泵、毛细管作用微泵等。上述非机械微泵只能承担流道内简单的液流输送任务，液流是非均质移动，同时该类微泵多数要求所驱动液体为介电流体或导电流体，驱动需要高压，装置缺乏灵活性，应用局限性较大。

发明内容

本发明克服上述有阀机械式微泵结构复杂、制备工艺难度大以及非机械式微泵应用局限性等缺点，提供了一种无阀微型扩散泵，从而可以提高微泵的可靠性和工作稳定性，并易于与大多数微流体系统集成，适用于各种流体的微量输运。。

本发明的另一目的在于：降低微泵的制备成本，该扩散泵易于加工制备，泵体材料的选择范围大。

本发明的另一目的还在于：采用抽吸气体在泵内形成负压而驱动液体，有效避免在泵内形成死区和气泡淤积。

本发明的另一目的还在于：设计多个扩散泵的串连结构和并联多个泵腔的结构，通过依次施加脉冲信号，可以有效地提高微型扩散泵的泵液效率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种微型扩散泵，泵体结构主要包括泵腔室、单向阀、泵入口、泵出口及泵腔室内的驱动结构，单向阀分别位于泵腔室与泵入口之间和泵腔室与泵出口之间，单向阀为正反向流量不同的楔形扩散管，泵腔室内流体在一定驱动方式下膨胀和收缩产生压力差，依据流体在楔形扩散管内的正反流压力不同的性质，在泵体内产生单向连续输运流体的作用。

还包括若干个并联泵腔室，并联泵腔室通过方向相同的扩散管连接到同一进、出口，在相邻的泵腔室上施加互补脉冲信号，可减少泵内流体的脉动。

包括若干个串联泵腔室，串联泵腔间由楔形扩散管相连，依次在泵腔室上施加脉冲信号，可驱动多个扩散泵依次工作，构成蠕动型扩散泵，驱动待吸流体流动。

所述泵腔室可以是圆柱体、长方体、正方体、棱台等形状。

所述楔形扩散管横截面为半圆形、方形、矩形等形状，扩散管的长度和扩散截面及泵腔几何尺寸在微米至毫米之间，扩散角在5-20°之间。

所述驱动方式包括驱动液体和驱动气体两种方式，两种流体均可在膜片驱动模式下工作，即在泵腔上设置有膜片，外加周期性信号使膜片振动，泵腔体积改变使腔内流体膨胀和收缩，在单向扩散管的作用下，达到驱动流体定向流动的目的。所述膜片驱动需在泵腔的膜片上设置致动装置，驱动膜片振动装置包括压电、静电、电磁、热气动、形状记忆合金等致动器。

对于泵吸气体工作方式，所述泵进口连接于一微流体芯片，所述泵出口连接于废液室或废气室。对于泵吸液体工作方式，所述泵进口连接于一储液室，所述泵出口连接于微流体芯片进口。

所述驱动气体方式还包括气热驱动，即在泵腔上设置加热电阻，周期性信号加热、冷却泵腔内气体，使腔内气体膨胀和收缩，从而驱动气体自身的定向运动，在与泵腔入口相连的芯片内形成负压，从而导入液体。

一种微型扩散泵的制备方法，包括以下步骤：

(1)在硅片上生长两层掩膜，掩膜一和掩膜二，该两层掩膜是腐蚀泵腔及扩散管时的保护层。

(2)用掩膜板1对经步骤(1)的硅片进行第一次光刻，经反应离子刻蚀，刻蚀出微型扩散泵的主体结构，包括泵出口腔，泵入口腔，泵腔室和两个单向楔形扩散管的掩膜图形。

(3)用掩膜板2对经步骤(2)的硅片进行第二次光刻，经反应离子刻蚀，在硅片上形成泵腔室，泵出口腔和泵入口腔的掩膜图形。

(4)采用干法或湿法刻蚀技术刻蚀/腐蚀经步骤(3)的硅片，去除泵腔室，泵出口腔和泵入口腔部位的部分硅，形成三维结构。

(5)采用干法或湿法刻蚀技术刻蚀/腐蚀经步骤(4)的硅片，形成扩散扩散管结构，这时各腔室和扩散管是同时刻蚀的。

(6)对采用气热驱动的微泵，在盖片上溅射、腐蚀形成金属加热电阻，该盖片可以为聚合物、玻璃或硅片。

(7)在盖片上开进出口，可以采用激光、超声打孔、腐蚀等方法。

(8)将经步骤(5)的硅片硅片和经步骤(7)盖片对准键合，键合方法包括阳极键合、聚合物键合等技术。

(9)对采用膜片振动方式驱动的扩散泵粘接微致动器。

一种基于聚合物材料的微型扩散泵制备方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)制备模具；模具制备方法包括采用厚胶光刻技术制备SU-8胶模具，采用LIGA技术制备金属模具，采用硅微机械加工技术制备硅模具；

(2)采用聚合物为泵体结构材料，利用步骤(1)所述模具，采用微模型技术成形三维结构的泵体，该结构包括微型扩散泵的泵入口、泵出口、泵腔室和两个单向楔形扩散管。微模型技术加工扩散泵方法包括模塑成型法、真空热压法及LIGA技术；

(3)采用聚合物、玻璃或硅片作为上盖片，对采用气热驱动的微泵在盖片上溅射、腐蚀金属加热电阻；

(4)在盖片或腔体上开进出口，可以采用激光、超声打孔、腐蚀等方法；

(5)将制得的聚合物泵体与盖片对准键合，键合方法为聚合物键合技术；

(6)对采用膜片振动方式驱动的微泵粘接微致动器。

本发明的技术效果：本发明提出的微型扩散泵是一无阀片式微型泵，其突出特点是结构简单、易于加工、可靠性高。微型扩散泵以结构简单的楔形通道代替以往的单向微阀，起到驱动液体定向流动的作用，即在泵腔室与泵出入口之间设有正反流压力损失不同的楔型扩散管结构，依据流体在楔型管道内产生正反流压力不同的流动特性，起到单向输运流体的作用。与其它微型泵相比具有以下优点：没有可动阀片使得微泵的使用寿命延长；微型扩散泵的工作流体可选择为气体，抽吸气体使芯片内部保持一个负压的状态而驱动液体流动，根据流体力学的原理，抽负压的方法可以更有效避免气泡的产生，减小固液界面应力和死区；并联和串联扩散泵的新颖结构没有增加泵的加工难度，但却提高了泵的可靠性和工作效率；除常规膜片振动驱动方式外，本发明提出采用加热电阻直接促使泵腔内气体膨胀和收缩来驱动气体的定向流动，无需额外设计和加工可动泵腔膜片，大大简化了加工实现的难度和驱动方法。

本发明提出选用聚合物作为泵体材料的制备方法，聚合物材料的可选择范围非常广泛，且生产成本低、生物兼容性好，从而为其广泛应用提供保障。基于上述技术优势，该微型扩散泵可广泛应用于微流控分析芯片系统上，适于生物医学领域中微量生物物质的检测与分析。

附图说明：

图1微型扩散泵结构示意图；

图2微型扩散泵工作原理示意图；

图3扩散管参数设计说明；

图4双泵腔并联微型扩散泵结构示意图；

图5串联微型扩散泵结构示意图；

图6基于硅微机械加工工艺制备微型扩散泵工艺流程剖面图；

图7基于微模型技术制备微型扩散泵工艺流程剖面图；

图8硅片上加工的单个微型扩散管扫描电子显微镜照片。

具体实施方式：

本发明提供的微型扩散泵采用楔形扩散管作为其微阀，即采用正反流压力损失不同的楔形扩散管结构，依据流体在扩散管内的正反流压力不同的流动性质，起到单向连续输运流体的作用。图1为微型扩散泵结构示意图。它主要包括：泵进口1、入口扩散管2、泵腔室3、出口扩散管5、泵出口6、泵腔室内的驱动膜片振动装置4及电极7，正反向流量不同的扩散管2、5分别设置在泵腔室3与泵入口1和出口6之间，在泵入口1的一侧楔形扩散管2的宽口与泵腔室3相连，在泵出口6一侧楔形扩散管5的窄口与泵腔室3相连。泵腔室3的形状可以是圆柱体、长方体、正方体、棱台等形状，扩散管2、5的横截面可以是半圆形、方形、矩形、梯形等形状。

微型扩散泵的工作原理如图2所示，无论对驱动气体还是驱动液体工作的微扩散泵，其工作过程如下：周期性脉冲信号加热气体或周期性驱动信号驱动泵腔膜片振动，在前半周期内，气体膨胀或泵腔体积膨胀，由于扩散管正向的流速大于负向的流速，扩散管2流入泵腔3的流体大于扩散管5流入泵腔3的流体，因此泵入口1流入泵腔室3的流量大于泵出口6流入泵腔室3的流量(图2a)。脉冲信号进入后半周期，泵室内部的压力增加，微泵处于泵气模式，扩散管2流出泵腔3的流体小于扩散管5流出泵腔3的流体，因此泵出口6流出泵腔室3的流量大于泵入口1流出泵腔室3的流量(图2b)。在一个工作周期内正向流量大于负向流量，因此在微型扩散泵内形成了流体的正向流动。

上述扩散泵中扩散管和泵腔室的尺寸依据要求改变扩散管长度L、扩散角2θ、扩散截面W1、W2及泵腔尺寸如图3中所示，其几何尺寸在微米至毫米之间，扩散角在5-20°之间。。根据不同流量范围的要求，可以通过调节驱动信号电压和频率等参数，控制流体的膨胀、收缩幅度和频率，进一步控制微型扩散泵的流量。

将图3所示扩散管按照顺序分成三个区域：1区、2区、3区，其中1区为进口扩散管与泵腔连接区域，2区为泵腔，3区为出口扩散管与泵腔连接区域。依据伯努力方程，流体在扩散管2和收缩管5两种流动方向下的压强差ΔP_diff、ΔP_nozzle可表示为各区压强差的和；

                    ΔP_diff＝ΔP_d1+ΔP_d2+ΔP_d3      (1)

                    ΔP_nozzle＝ΔP_n1+ΔP_n2+ΔP_n3    (2)依据理论 $\mathrm{\Δp}=K\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{u}}^2,$ 其中K为三个区域的压力损失系数，p为流体密度，u为流体流速，因此公式(1)、(2)中扩散管和收缩管的压强差可重新表示为：

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{diff}}=[K_{d1}+K_{d2}+K_{d3}{\left(\frac{A_1}{A_3}\right)}^2]\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{{\stackrel{\‾}{u}}_1}^2---\left(3\right)$

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{nozzle}}=[K_{n1}+(K_{n2}+K_{n3}){\left(\frac{A_1}{A_3}\right)}^2]\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{{\stackrel{\‾}{u}}_1}^2---\left(4\right)$

由此公式(3)(4)定义扩散管和收缩管的压力损失系数分别为：

${\mathrm{\ξ}}_d=K_{d1}+K_{d2}+K_{d3}{\left(\frac{A_1}{A_3}\right)}^2---\left(6\right)$

${\mathrm{\ξ}}_n=K_{n1}+(K_{n2}+K_{n3}){\left(\frac{A_1}{A_3}\right)}^2---\left(7\right)$

微扩散泵的流阻系数η定义为收缩管的压力损失系数与扩散管的压力损失系数之比ξ_n/ξ_d，因此η可以通过公式(8)确定：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ξ}}_n}{{\mathrm{\ξ}}_d}=\frac{K_{n1}+(K_{n2}+K_{n3}){(A_1/A_3)}^2}{K_{d1}+K_{d2}+K_{d3}{(A_1/A_3)}^2}---\left(8\right)$

上面各式中，ΔP_diff和ΔP_nozzle分别表示扩散和收缩方向的压强差，K表示压力损失系数， u表示扩散(收缩)管内流体的平均流速，A₁、A₃为扩散管最窄和最宽口的截面积，η为流阻系数。

微扩散泵在一个周期内的流量Q可由公式(9)计算得出，而泵腔内流体的体积变化量ΔV_m可由公式(10)表示

$Q=\frac{A}{T}\underset{0}{\overset{T/2}{\∫}}|v_d-v_n|\mathrm{dt}---\left(9\right)$

${\mathrm{\ΔV}}_m=\frac{A}{2}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}(v_d+v_n)\mathrm{dt}---\left(10\right)$

公式(9)、(10)中v_d、v_n分别为扩散、收缩方向截面积最小处流体的速度，T为驱动信号周期，根据上面各式，可得到一个周期内微扩散泵的流量变化

$Q=\frac{2\mathrm{\Δ}{V}_m}{T}\frac{\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_n/{\mathrm{\ξ}}_d}-1}{\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_n/{\mathrm{\ξ}}_d}+1}---\left(11\right)$

整流系数ε标志着微扩散泵在正向、反向驱动流体的能力，定义为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{Q_{+}-Q_{-}}{Q_{+}+Q_{-}}---\left(12\right)$

Q₊、Q_-分别代表流体正向流动和反向流动时微泵的流量变化。由公式(11)、(12)可明显看出，微扩散泵的工作效率依赖于扩散管的流阻系数η和整流效率，而K、η和ε又取决于扩散管的各项参数及微泵的几何结构。

为了减少周期性信号驱动所带来的流动脉动，可采用微型扩散泵并联的结构，如图4所示，将两个或多个扩散管方向相同的泵体并联到同一进出口，在并联的每个泵腔室上加上互补的脉冲信号，这样在一个泵腔收缩时，另一个泵腔膨胀，可使微泵连续工作，这样可以减少流体的脉动，形成连续的流动。

参考图5，还设计了串联结构的扩散泵结构，该结构包括多个泵腔，泵腔间由楔形扩散管相连，中间的楔形扩散管分别作为前一个泵腔的扩散管和后一个泵腔的收缩管，将串联的每个泵腔室依次加上脉冲信号，每个泵腔依次工作，推动流体前进，形成蠕动型微泵。

上述发明的微型扩散泵可以通过以下制作实施例实现：

方案一：硅微机械加工工艺，加工流程示意图见图6

(1)如图6-a所示，硅片8上淀积复合掩膜，9为掩膜一，10为掩膜二，掩膜材料可以为氧化硅、氮化硅或其它材料，如光刻胶、金属掩膜等。

(2)如图6-b所示，利用掩膜板1在掩膜一9上光刻，光刻出包括泵入口腔1、泵出口腔6、泵腔室3和两个单向楔形扩散管2、5结构图形。

(3)如图6-c所示，利用掩膜板2在掩膜二10上光刻，光刻出包括泵腔3，泵入口腔1和泵出口腔6结构图形。

(4)如图6-d所示，湿法或干法刻蚀硅片，形成泵腔3、泵入口腔1、泵出口腔6结构，具体腐蚀深度根据性能指标确定。

(5)如图6-e所示，将硅片上剩余的掩膜二10除去，湿法或干法刻蚀硅片，刻蚀出扩散管2、5结构，具体的刻蚀深度根据性能指标确定。

(6)如图6-f所示，将硅片上剩余的掩膜腐蚀掉。

(7)如图6-g所示在盖片11上溅射加热金属电阻7，并开进出液口孔1、2，盖片可以为聚合物、玻璃或硅片，可以采用激光打孔、超声打孔及腐蚀的方法。

(8)如图6-h所示将刻蚀完的硅片与盖片对准键合，键合方法包括阳极键合和聚合物键合等。

(9)如果采用膜片振动方式驱动，可在振动膜片上粘贴压电薄膜等致动器，通过施加脉冲信号，驱动扩散泵工作。

图8给出在硅片上加工出的单个扩散管结构扫描电子显微镜照片。

方案二：微模型技术加工微扩散泵，加工流程见图7，具体步骤是：

(1)如图7-a所示，首先是制作负模具13，其工艺过程为在硅片上光刻并腐蚀出微型扩散泵泵体的互补结构，具体步骤与方案一中加工硅基微型扩散泵的过程相同。模具13也可以采用其它材料(如SU-8、金属等)利用厚胶光刻、LIGA技术制得。

(2)如图7-b所示，以聚合物材料(如PDMS、PF、PE、PMMA等)为泵体材料14，采用聚合物材料的三维成型方法，如模塑法、热压法、LIGA技术等加工方法在模具上制得聚合物材料的泵体14。

(3)模塑法制备微扩散泵方法包括：首先在模具13长生长和涂覆一层脱模剂，以便于聚合物泵体易于从模具上剥离；将聚合物及其固化剂充分混合14，并在一定真空条件下脱气，去掉混合物内的空气；模具放置于浅盘中，盘的厚度与所需泵体厚度一致；混合的聚合物浇注在模具上，并作进一步脱气；在一定温度和时间条件下固化聚合物，固化温度和时间依据材料性质决定(如图7-b)；从模具上剥离聚合物，得到与负模具图案互补的泵体结构14(如图7-c所示)；

(4)热压法制备微扩散泵需要配备热压装置，其关键的制备方法是：制备一个模具13(金属、硅等材料)(图7-a)；在热压装置中将聚合物基片加热到软化温度；通过在模具上施加一定压力，并保持一定时间，即可在聚合物基片上压制出与模具凹凸互补的泵体结构(图7-b)；在加压的条件下，将模具与基片一起冷却后脱模，得到所需微结构14(图7-c)；

(5)采用聚合物或玻璃作为微泵封盖12，在盖片上溅射加热金属电阻7，并开进出液口孔1、2，可以采用激光打孔、超声打孔及腐蚀的方法(图7-d)。

(6)泵体与封盖对准键合(图7-e)，键合方式可采用聚合物键合技术，可借助反应离子刻蚀系统活化聚合物及玻璃表面，实现微泵的密封封装。

(7)如果采用膜片振动方式驱动，可在振动膜片上粘贴压电薄膜等致动器，通过施加脉冲信号，驱动扩散泵工作。

基于硅微机械加工技术和微模型技术制备微扩散泵的方法技术成熟，可靠性高，加工制备方法简单，制备成本非常低，易于与其它芯片系统集成。微扩散泵广泛应用于微流控分析芯片系统内的流体控制，该发明在生物医学、环境监控、食品质量检测、突发应急事件的研究领域具有广泛的应用前景。

Claims (9)

1、一种微型扩散泵，泵体结构主要包括泵腔室、单向阀、泵入口、泵出口及泵腔室内的驱动结构，单向阀分别位于泵腔室与泵入口之间和泵腔室与泵出口之间，其特征在于：单向阀为正反向流量不同的楔形扩散管，泵腔室内流体在一定驱动方式下膨胀和收缩产生压力差，依据流体在楔形扩散管内的正反流压力不同的性质，在泵体内产生单向连续输运流体的作用。

2、如权利要求1所述的微型扩散泵，其特征在于：包括若干个并联泵腔室，并联泵腔室通过方向相同的扩散管连接到同一进、出口，在相邻的泵腔室上施加互补脉冲信号，可减少泵内流体的脉动。

3、如权利要求1所述的微型扩散泵，其特征在于：包括若干个串联泵腔室，串联泵腔间由楔形扩散管相连，依次在泵腔室上施加脉冲信号，可驱动多个扩散泵依次工作，构成蠕动型扩散泵，驱动待吸流体流动。

4、如权利要求1、2或3所述的微型扩散泵，其特征在于：在泵腔室的外表面淀积金属加热电阻，通过加热该电阻加热、冷却泵腔气体来控制流体的膨胀与收缩。

5、如权利要求1、2或3所述的微型扩散泵，其特征在于：在泵腔室上增设薄振动膜片，采用压电、电磁等致动器驱动泵腔膜片振动来改变泵腔室内体积，达到控制流体膨胀与收缩的目的。

6、如权利要求1所述微型扩散泵，其特征在于：所述楔形扩散管横截面为半圆形、方形、矩形等形状，扩散管的长度和扩散截面及泵腔几何尺寸在微米至毫米之间，扩散角在5°-20°之间。

7、如权利要求1所述微型扩散泵，其特征在于：所述泵腔室为圆柱体、长方体、正方体或棱台形状。

8、一种微型扩散泵的制备方法，步骤包括：

(1)在硅片上进行光刻和刻蚀，刻蚀出微型扩散泵的主体结构，包括泵出口腔，泵入口腔，泵腔室和两个单向扩散阀；

(2)在硅片或盖片上的淀积加热电阻，所述盖片可以为聚合物、玻璃或硅片；

(3)采用激光、超声打孔技术或腐蚀技术在盖片或硅片上形成微泵进出口；

(4)硅片和盖片对准键合，键合方式包括阳极键合和聚合物键合；

(5)在振动膜片上粘贴压电薄膜等致动器。

9、一种微型扩散泵的制备方法，步骤包括：

(1)制备模具；采用厚胶光刻、LIGA、硅微机械加工技术，以SU-8光刻胶、金属、硅为材料制备三维无阀微型扩散泵模具结构；

(2)采用聚合物(PDMS，PE、PMMA等)为泵体材料；

(3)采用模塑、热压等技术制备聚合物材料的泵体结构；

(4)在泵体或盖片上开进出口，所述盖片可以为聚合物、玻璃；

(5)在泵体或盖片上光刻溅射加热金属电阻；

(6)将聚合物泵体与盖片对准键合，键合方式可采用聚合物键合技术；

(7)在所述振动膜片上粘贴压电薄膜等致动器。

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