CN203742955U - 一种基于超磁致伸缩薄膜驱动器的微泵 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超磁致伸缩薄膜驱动器的微泵，包括泵体、将该泵体分成上、下泵体的基片，下泵体上设有进液口、出液口，下泵体内设有阀腔体，上泵体的上表面设有平面螺旋线圈，该平面螺旋线圈与外部电源电连接；基片和下泵体形成液体腔，该液体腔与进液口、阀腔体连通，阀腔体与出液口连通，液体腔与进液口的连接处设有单向进液膜，液体腔与阀腔体连接处设有单向出液膜；基片的上表面设有正磁致伸缩效应薄膜，下表面设有逆磁致伸缩效应薄膜。本实用新型采用超磁致伸缩材料，具有响应速度快、频响高等特点；由平面线圈提供的磁场驱动，体积小、结构简单，显著提高微泵的工作性能，平面螺旋线圈驱动，简化了微泵结构，减小了微泵体积。

Description

一种基于超磁致伸缩薄膜驱动器的微泵

技术领域

本实用新型涉及一种微型泵，具体涉及一种基于超磁致伸缩薄膜驱动器的微泵。

背景技术

随着MEMS技术的成熟，微型化器件的制作成本逐渐降低，并且能够在同一芯片上集成多种功能的元器件，从而使得微型化器件越来越受到使用者的欢迎。微流体器件广泛应用于分析化学、医疗诊断、药物缓释、基因组学、蛋白质组学等研究领域，具有试剂用量少、污染物排放低、化学反应速度快、精确控制反应、便携性等优点。从2005年至2011年，微流体领域的市场值以每年16％的速度增长，截止2011年，整个微流体器件的市场值已经达到50亿欧元。微流体系统是微机电系统（MEMS）的一个分支，它广泛应用于生物化学方面和食品饮料的实验检测，如微量配给，微量注射、微全分析系统(MicrioTotalAnalysisSystem，μ-TAS)、芯片实验室（LabOnaChip）和PCR芯片（PolymeraseChainReaction）。微泵、微阀和微流量传感器是构成微流体系统的重要部件，微泵和微阀是关键执行部件，微流量传感器是检测器件。微泵作为微流体器件的重要组成部分，其作用是实现流体的定量传输，从而使得在同一芯片上实现样品的流动、混合、分离、分析检测等功能。随着微流体器件领域的快速发展，微泵将占据巨大的市场价值。

在微流体系统中，微泵作为执行器是最为核心的部分。薄膜型微泵作为微泵分类中的一种容积泵，其工作原理是靠膜的弯曲变形带动泵腔体的容积发生变化，从而引起腔体内外压力的不同，进而完成液体的吸排与输送。由于其流量控制精确，结构简单的特点，微泵在基因筛选、药物分析与输送、体液检测、集成芯片的温控、气体分子浓度检测等领域展现出很宽阔的应用前景。微泵的研究始于二十世纪八十年代初Stanford大学的Wallmark和Smit。随后，人们围绕微泵展开了大量的研究工作。按照其结构，可将微泵分为机械式微泵和非机械式微泵，机械式微泵靠活动部件来传输、控制流体，而非机械式微泵则是依靠物理化学反应提供动力源。机械式微泵中主要研究的是往复膜片式（振动膜式）微泵，它是依靠驱动器使膜片变形，引起泵腔内压力变化，从而将流体定向输送。按驱动原理，振动膜微泵主要有压电驱动式、静电驱动式、电磁驱动式、热驱动式、形状记忆合金驱动式和薄膜型超磁致伸缩材料驱动式等。压电驱动式微泵的的驱动电压偏高，难与IC电路兼容且压电泵的噪音比较大。静电驱动式微泵的体积冲程比较小，且驱动电压较高，不利于应用。而热驱动式微泵因为热冷却慢，驱动频率低导致其输出流量和压力比较小，同时耗能也比较大。形状记忆合金驱动的驱动频率过低，同时输出的流量也比较小。而且以上的各种驱动式微泵的体积相对来说都是比较大，不宜与集成化。

在中国专利申请号：201210536492，公开日2013.4.3中公开了一种基于合成射流的压电微泵，包括泵进口、泵出口、上泵体、上腔体、喷口、下泵体、下腔体、振动膜片和压电致动器，泵进口和泵出口位于泵的最上端，上泵体下部是上腔体，泵进口和泵出口通过上腔体与喷口相连通，下泵体位于上腔体的下方，喷口将上、下腔体连通，振动膜片粘结于下泵体下表面，压电致动器通过粘结剂（导电环氧树脂）粘结在振动膜片下表面中央。该技术方案驱动电压偏高，难与IC电路兼容且压电泵的噪音比较大、且体积较大。

在中国专利申请号：201310597265，公开日2014.2.12中公开了一种尺寸较小、可与便携式芯片集成的磁流体力学微泵。该磁流体力学微泵，包括基底，所述基底的下表面设置有平面型电磁铁，所述基底的上表面设置有基体，所述基体上刻蚀有微通道以及与微通道连通的储液池，在微通道的两侧设置有电极，所述电极溅射在基体的上表面，还包括用于将微通道密封的封装层，所述封装层上设置有注液口和电极接入孔。该技术方案电磁铁与基底直接接触，工作时有冲击，产生噪音、且体积较大。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种提高微泵的工作特性、简化其结构的基于超磁致伸缩薄膜驱动器的微泵。

为了解决上述问题，本实用新型提供的技术方案为：

一种基于超磁致伸缩薄膜驱动器的微泵，包括泵体、将该泵体分成上、下泵体的基片，所述下泵体上设有进液口、出液口，所述下泵体内设有阀腔体，所述上泵体的上表面设有平面螺旋线圈，该平面螺旋线圈与外部电源电连接；所述基片和所述下泵体形成液体腔，该液体腔与所述进液口、阀腔体连通，所述阀腔体与所述出液口连通，所述液体腔与所述进液口的连接处设有单向进液膜，所述液体腔与所述阀腔体连接处设有单向出液膜；所述基片的上表面设有正磁致伸缩效应薄膜，下表面设有逆磁致伸缩效应薄膜。在平面螺旋线圈通入一定频率的交流电，平面螺旋线圈在电流的作用下产生相应的交变磁场。正、逆磁致伸缩效应薄膜在外加磁场的作用下发生变形，当电流增大时，磁场随着电流增大而增大，具有逆磁致伸缩效应薄膜在外加磁场作用下缩短，具有正磁致伸缩效应薄膜在外加磁场作用下伸长，从而带动基片向下弯曲，压缩液体腔，使液体腔的压力增大，推动单向出液膜一端打开，产生一定的间隙，液体流入阀腔体，再经过出液口对系统提供微量流体。单向进液膜在自身材料的弹性作用力和液体压力作用下紧贴进液管道，阻止液体从进流管道流出，实现微泵的排液过程。当通入平面螺旋线圈的电流从峰值减小到零时，磁场随着电流的减小而减小，逆磁致伸缩效应薄膜和正磁致伸缩效应薄膜逐渐恢复原长，从而带动基片恢复到原来位置，液体腔的体积增大，压力减小，液体在大气压的作用下推开单向进液膜的一端进入液体腔，单向出液膜在自身材料弹性的作用力下紧贴出液管道阻止液体流出，从而实现微泵的吸油过程。

优选的，所述正、逆磁致伸缩效应薄膜均有2片，分布于所述基片两端。

优选的，所述单向进液膜的一端粘接在所述液体腔内壁上形成悬臂梁结构，所述单向出液膜一端粘接在所述阀腔体内壁上形成悬臂梁结构。

优选的，所述平面螺旋线圈上覆盖有绝缘保护层；对平面螺旋线圈进行保护。

优选的，所述平面螺旋线圈采用光刻或腐蚀工艺制作。

优选的，所述正磁致伸缩效应薄膜的材料为TbDyFe合金，所述逆磁致伸缩效应薄膜的材料为SmFe合金。

优选的，所述基片由硅薄片制成；硅薄片有较大的张力。

优选的，所述单向进、出液膜由橡胶、塑胶或硅薄膜制成；具有足够弹性、韧性、耐腐蚀。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型采用超磁致伸缩材料，具有响应速度快、频响高等特点；且由平面线圈提供的磁场驱动，体积小、结构简单，因此可以显著提高微泵的工作性能。

2、本实用新型采用平面螺旋线圈驱动，简化了微泵的结构，减小了微泵的体积，便于实现与微流体芯片系统集成。

3、本实用新型为磁场驱动为非接触式，无冲击，噪音低。

附图说明

图1为本实用新型微泵非驱动时结构示意图；

图2为本实用新型微泵立体结构分解示意图。

图中：1、进液橡皮管，2、进液口，3、单向进液膜，4、基片，5、上泵体，6、绝缘保护层，7、平面螺旋线圈，8、逆磁致伸缩效应薄膜，9、正磁致伸缩效应薄膜，10、液体腔，11、单向出液膜，12、阀腔体，13、出液口，14、出液橡皮管，15、下泵体，16线圈电极对引线，17、空气腔。

具体实施方式

下面对本实用新型做进一步说明：

结合图1、图2，一种基于超磁致伸缩薄膜驱动器的微泵，包括泵体、将该泵体分成上、下泵体的基片4，下泵体15上设有进液口2、出液口13，下泵体15内设有阀腔体12，上泵体5的上表面设有平面螺旋线圈7，基片4的上表面设有正磁致伸缩效应薄膜9，下表面设有逆磁致伸缩效应薄膜8，正、逆磁致伸缩效应薄膜均有2片，分布于基片4两端；进液口2上设有进液橡皮管1，出液口13上设有出液橡皮管14。

基片4和下泵体15形成液体腔10，基片4与下泵体15、液体腔10构成封闭空间，在基片4的张力作用下与流道口形成启闭，基片4与上泵体5形成空气腔17；液体腔10与进液口2、阀腔体12连通，阀腔体12与出液口13连通，液体腔10与进液口2的连接处设有单向进液膜3，液体腔10与阀腔体12连接处设有单向出液膜11；单向进液膜3的一端粘接在液体腔10内壁上形成悬臂梁结构，单向出液膜11通过一端粘接在阀腔体12内壁上形成悬臂梁结构。

平面螺旋线圈7上覆盖有绝缘保护层6，对平面螺旋线圈7进行保护；并露出线圈电极对16与外部电源电连接。

平面螺旋线圈7采用光刻或腐蚀工艺制作。

正磁致伸缩效应薄膜9的材料为TbDyFe合金，逆磁致伸缩效应薄膜8的材料为SmFe合金。

基片4由硅薄片制成；硅薄片有较大的张力。

单向进、出液膜由橡胶、塑胶或硅薄膜制成；具有足够弹性、韧性、耐腐蚀。

在平面螺旋线圈7通入一定频率的交流电，平面螺旋线圈7在电流的作用下产生相应的交变磁场。正、逆磁致伸缩效应薄膜在外加磁场的作用下发生变形，当电流增大时，磁场随着电流增大而增大，逆磁致伸缩效应薄膜8在外加磁场作用下缩短，正磁致伸缩效应薄膜9在外加磁场作用下伸长，从而带动基片4向下弯曲，压缩液体腔10，使液体腔10的压力增大，推动单向出液膜11一端打开，产生一定的间隙，液体流入阀腔体12，再经过出液口13对系统提供微量流体。单向进液膜3在自身材料的弹性作用力和液体压力作用下紧贴进液管道，阻止液体从进流管道流出，实现微泵的排液过程。当通入平面螺旋线圈7的电流从峰值减小到零时，磁场随着电流的减小而减小，逆磁致伸缩效应薄膜8和正磁致伸缩效应薄膜9逐渐恢复原长，从而带动基片4恢复到原来位置，液体腔10的体积增大，压力减小，液体在大气压的作用下推开单向进液膜3的一端进入液体腔19，单向出液膜11在自身材料弹性的作用力下紧贴出液管道阻止液体流出，从而实现微泵的吸油过程。微泵流量的大小还可由通入平面螺旋线圈7电流的大小和频率控制，基于超磁致伸缩薄膜驱动器的平面线圈驱动式微泵适用于低压、高频驱动的弱磁场驱动场合。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于超磁致伸缩薄膜驱动器的微泵，其特征在于：包括泵体、将该泵体分成上、下泵体的基片，所述下泵体上设有进液口、出液口，所述下泵体内设有阀腔体，所述上泵体的上表面设有平面螺旋线圈，该平面螺旋线圈与外部电源电连接；所述基片和所述下泵体形成液体腔，该液体腔与所述进液口、阀腔体连通，所述阀腔体与所述出液口连通，所述液体腔与所述进液口的连接处设有单向进液膜，所述液体腔与所述阀腔体连接处设有单向出液膜；所述基片的上表面设有正磁致伸缩效应薄膜，下表面设有逆磁致伸缩效应薄膜。

2.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩薄膜驱动器的微泵，其特征在于：所述正、逆磁致伸缩效应薄膜均有2片，分布于所述基片两端。

3.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩薄膜驱动器的微泵，其特征在于：所述单向进液膜的一端粘接在所述液体腔内壁上形成悬臂梁结构，所述单向出液膜的一端粘接在所述阀腔体内壁上形成悬臂梁结构。

4.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩薄膜驱动器的微泵，其特征在于：所述平面螺旋线圈上覆盖有绝缘保护层。