CN1908432A - 双向无阀微泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种双向无阀微泵。它包括泵体和泵盖，在泵体上开有泵腔、流体进、出口沟道等结构图形，泵盖上开有进口和出口，泵体与泵盖键合在一起，键合后在泵体与泵盖之间形成薄壁孔口与厚壁孔口，泵腔外安装压电驱动元件。本发明产品的优点在于：微泵体积小、结构简单、无电磁干扰、易于操作、适合批量化生产，并能实现对流体的正、反向泵送。该泵在化学分析、医疗器械、粘接剂喷涂，以及汽车发动机燃料供给等方面均有应用前景。因其无阀门、且具有正、反向泵送特性尤其适用于微沟道及微小零部件的清洗，在微流体系统中具有很大的应用潜力。

Description

双向无阀微泵

(一)技术领域

本发明涉及的是一种具有双向泵送特性的无阀微泵。

(二)背景技术

微泵是微流体系统中最重要的流体控制元件之一，是微流体系统发展水平的标志。微流体系统作为微电子机械系统(Micro-electromechanical system MEMS)的一个重要分支，近年来取得了很大的进展。微流体系统是由微沟道、微泵、微阀、微流量传感器等微型流体测量、控制部件组成的小型系统，可进行微体压力、流量和方向的控制，以及成分分析。作为MEMS领域的一个较大分支，微流体系统同样具有集成化和大批量生产的特点，同时由于尺寸微小，可减小流体系统中的无效体积，降低能耗和试样用量，而且响应快，因此应用前景十分广阔。

现有的无阀微泵难以实现流体的正、反向流动。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种具有双向泵送特性、结构简单、易于实现批量化生产的双向无阀微泵。微泵采用压电元件的逆压电效应驱动。

本发明的目的是这样实现的：它包括泵体和泵盖，在泵体上开有包括泵腔、流体进口沟道、流体出口沟道的结构图形，泵盖上开有进口和出口，泵体与泵盖键合在一起，它还包括泵体与泵盖键合后在泵体与泵盖之间形成的薄壁孔口与厚壁孔口，泵腔外安装有压电驱动元件。

本发明还包括这样一些结构特征：

1、薄壁孔口、厚壁孔口的壁厚分别为e_i、e_o，孔口高度为h，孔口宽度为b，它们之间应当满足如下关系：孔径 $d=2\frac{\mathrm{bh}}{b+h};$ 有，e_i≤0.5d；e_o＝(2-4)d。

2、泵体材料为硅片，或者是PDNMS。

3、泵盖材料为Pyrex7740玻璃，。

本发明的无阀微泵具有结构简单，可采用MEMS技术批量化生产，易于在微流体系统中集成等优点；而且由于没有可动的阀片部分，使无阀微泵适用于各种液体，及带有固体微粒的液体等，且减少了阻塞现象的发生。和有阀微泵相比，该泵更加可靠、耐用；和现有的无阀微泵相比，可通过改变电压波形容易地控制流体的正、反向流动。采用压电驱动，具有驱动元件结构简单、在泵体基片上安装便利，效率高，反应快，易于控制等优点。工作电压为不对称三角波，在0-±110V范围具有较宽的微流量控制能力，正向流量在0-70μm/min之间，反向流量在0-56μm/min之间。

该泵在化学分析、医疗器械、粘接剂喷涂，以及汽车发动机燃料供给等方面均有应用前景。因其无阀门、且具有正、反向泵送特性尤其适用于微沟道及微小零部件的清洗，在微流体系统中具有很大的应用潜力。

(四)附图说明

图1和图2是本发明的驱动电压示意图；

图3和图4是本发明的工作原理示意图；

图5是本发明的结构示意图；

图6是本发明的泵体的加工工艺流程图。

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

(五)具体实施方式

结合图5，双向无阀微泵的组成包括泵体1和泵盖2，在泵体上开有包括泵腔3、流体进口沟道4、流体出口沟道5的结构图形，泵盖上开有进口6和出口7，泵体与泵盖键合在一起，它还包括泵体与泵盖键合后在泵体与泵盖之间形成的薄壁孔口8与厚壁孔口9，泵腔外安装有压电驱动元件--压电片10。

本发明的最佳参数选择之一是一种Si/Glass结构的压电式双向无阀微泵：薄壁孔口、厚壁孔口的壁厚分别为e_i＝25、e_o＝180μm，孔口高度为h＝25μm，孔口宽度为b＝500μm，孔径： $d=2\frac{\mathrm{bh}}{b+h}=47.8\mathrm{\μm};$ e_i≈0.5d；e_o＝(2-4)d；泵腔直径Φ＝8.8mm；压电片的弹性体直径Φ＝14mm，压电陶瓷片直径Φ＝7mm。

微泵泵体采用双面抛光3时(100)晶向n-Si，厚度为400μm。泵盖片采用Pyrex7740玻璃。压电片为市售的压电峰鸣片。

结合图6，微泵采用集成电路平面工艺和微机械加工技术制作。制作硅泵体的工艺流程按图6的顺序进行。采用电化学打孔仪(中国专利号：03132459.2)，在玻璃片上用电化学腐蚀方法打出进、出口。以Si/Glass阳极键合方法进行泵体和泵盖的键合封装。最后，在泵腔下方粘接压电片，并在进、出口上粘接塑料导水管。粘接用胶均为K-508胶。

下面结合图1-图4描述本发明的工作原理：

当施加如图1)中所示的正向三角波形时，经过一个完整周期后，微泵便会产生正向流动的效果；当施加如图2中所示的反向三角波形时，经过一个完整的周期后，微泵便会产生反向流动的效果。

加载正向工作电压波形时，电压先是快速增加，微泵处于泵出模式，见图3所示。腔体体积快速减小。此时，薄、厚壁孔口内流体速度很快，处于紊流状态，当流体从孔口出流时，因其具有尖锐边缘，流线不能突然折转，只能以圆滑曲线方式逐渐弯曲流出，在流股距孔口边缘约d/2处形成一个最小截面，图中C-C位置。而厚壁孔口的C-C位置在孔壁内，此处产生负压，对流体有抽吸作用，促使出流流量增大。也可以从流量系数上来分析：薄壁孔口的流量系数为0.62；厚壁孔口的流量系数为0.82，出流流量与流量系数成正比。因此，薄壁孔口泵出的流体少于厚壁孔口泵出的流体。

当电压缓慢下降时，微泵处于吸入模式，见图4所示。腔体体积缓慢增大，此时，薄、厚壁孔口内流体速度较慢，处于层流状态，流体是沿着孔壁被吸入泵腔，而层流阻力包括沿程阻力和局部阻力。首先分析沿程阻力，厚壁孔口流程大于薄壁孔口流程(此处的流程就是孔口壁厚)，因此，厚壁孔口沿程阻力大于薄壁孔口沿程阻力；再来分析局部阻力，由于薄、厚壁孔口的形状相同，局部阻力也就相同。总之流体通过孔口时薄壁孔口的阻力小于厚壁孔口。因此，薄壁孔口吸入的流体多于厚壁孔口的流体。

综上所述，微泵正向工作一个周期，流体自进口沟道流入泵腔，从出口沟道流出，实现了正向泵送。可按同理分析微泵的反向工作情况。

Claims (4)

1、一种双向无阀微泵，它包括泵体和泵盖，在泵体上开有包括泵腔、流体进口沟道、流体出口沟道的结构图形，泵盖上开有进口和出口，泵体与泵盖键合在一起，其特征是：它还包括泵体与泵盖键合后在泵体与泵盖之间形成的薄壁孔口与厚壁孔口，泵腔外安装有压电驱动元件。

2、根据权利要求1所述的双向无阀微泵，其特征是：薄壁孔口、厚壁孔口的壁厚分别为e_i、e_o，孔口高度为h，孔口宽度为b，它们之间应当满足如下关系：孔径 $d=2\frac{\mathrm{bh}}{b+h};$ 有，e_i≤0.5d；e_o＝(2-4)d。

3、根据权利要求1或2所述的双向无阀微泵，其特征是：泵体材料为硅片或为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

4、根据权利要求1或2所述的双向无阀微泵，其特征是：泵盖材料为Pyrex7740玻璃或为PDMS。

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