CN204253302U - 激光诱导微泵 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光诱导微泵，其包括内部设有泵腔的泵体、设于所述泵腔前端的出流口、与所述泵腔后端连通的补液腔、插入所述泵腔并延伸至泵腔前端部的光纤单体或光纤束。通过激光诱导空化微泵技术，利用激光聚焦于微流道内液体介质产生空化泡，利用空化泡生长和溃灭产生的流体推进速度和推进力驱动流体流动，使流体具有动能，克服粘附力和出流口的管道阻力，将泵腔中的流体挤压从出流口推出。继而空化泡溃灭空间收缩，在平衡压力的推动下补液腔为泵腔补充流体，实现了流体在泵腔中的泵吸过程，进一步通过激光多脉冲连续作用形成类似微泵的效应，从而可以使用简单的激光微泵装置驱动流体微量流速可控地连续输出。

Description

激光诱导微泵

技术领域

本实用新型涉及一种微泵，尤其涉及一种激光诱导微泵。

背景技术

微流控技术是指在至少有一维为微米甚至纳米尺度的低维通道结构中控制体积为皮升至纳升的流体进行流动并传质、传热的技术，属于工程、物理、化学、生化、纳米技术、生物技术等众多学科交叉的技术领域。微流控芯片作为微流控技术的载体，通常为在一块几平方厘米的芯片上构建的化学或生物实验室。在微流控系统所需的功能单元中，微泵是采用不同的驱动方式在微通道的特定区域中形成整体定向流动的器件，因此微泵技术是驱动微流道中微流体运动的一种关键技术。

在微流控系统中，需要通过泵实现流体的驱动，通过阀控制流体，从而完成流控操作，这使得微流体驱动与控制操作单元极为重要。然而，在微观系统条件下，表面张力的影响变得十分明显，从工程意义上讲，常规宏观的流体体积流动的驱动方法在微管道中往往效果不好甚至是不可行的。目前用于微流体驱动的方法主要有两种：（1）机械微型泵技术，是把机械能转化为被驱动流体的流动动能。（2）基于电、光、磁等的非机械微型泵技术，把其它能量形式(电、光、磁、热等)转化或施加到被驱动流体，使之具有运动动能。机械微型泵技术和基于电、光、磁等的非机械微泵技术，在一定程度上和特定应用领域中，能够有效地驱动微流道中微流体定向流动，从而促进了微流控技术的发展。

目前，机械微型泵一般包含大量复杂的零部件，这些零部件要求具备高精度，在加工上存在较大的困难，泵的制造成本高；同时，机械微型泵零部件的装配和集成跟传统的宏观装配技术也存在很大的差异，在微观尺度下，零部件的重力等体积力的作用越来越弱，而粘附力等表面张力则起着决定性的作用。因此，机械微型泵零部件加工和集成技术存在的瓶颈在一定程度上制约了其发展。而基于电、光、磁等的非机械微型泵技术，虽然不存在机械微型泵零部件的加工和集成问题，但是由于其涉及到电、光、磁、热等能量转化，只能工作在某系特定应用领域，存在很大的局限性，限制了其进一步的发展。

发明内容

针对现有技术不足，本实用新型要解决的技术问题是提供一种可以驱动流体微量流速可控地连续输出的激光诱导微泵。

为了克服现有技术不足，本实用新型采用的技术方案是：一种激光诱导微泵，其包括内部设有泵腔的泵体、设于所述泵腔前端的出流口、与所述泵腔后端连通的补液腔、插入所述泵腔并延伸至泵腔前端部的光纤单体或光纤束，所述光纤单体或光纤束的后端连接有激光器。

作为本实用新型激光诱导微泵的技术方案的一种改进，所述泵体设有与出流口相对的端塞，所述端塞塞于所述泵体后端所开设的通孔，所述端塞具有供光纤单体或光纤束穿过并形成液封的穿孔。

作为本实用新型激光诱导微泵的技术方案的一种改进，所述光纤单体或光纤束的前端朝向所述出流口。

作为本实用新型激光诱导微泵的技术方案的一种改进，所述补液腔与所述泵腔相互垂直或连接形成锐角。

本实用新型的有益效果是：通过激光诱导空化微泵技术，利用激光聚焦于微流道内液体介质产生空化泡，利用空化泡生长和溃灭过程中产生的流体推进速度和推进力驱动流体流动，空化泡膨胀挤压流体，使内部压力平衡的流体具有动能，克服粘附力和出流口的管道阻力，将泵腔中的流体挤压从出流口推出。继而空化泡溃灭空间收缩，在平衡压力的推动下补液腔为泵腔补充流体，实现了流体在泵腔中的泵吸过程。进一步通过激光多脉冲连续作用形成类似微泵的效应，从而可以使用简单的激光微泵装置驱动流体微量流速可控地连续输出，该微泵具有毫秒级反应时间而且没有复杂的活动零部件，可以广泛应用于微生物医学、MEMS、微流道，甚至喷墨打印机等领域。

附图说明

图1是本实用新型激光诱导微泵的实施例的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施方式进行具体描述。

如图1所示，本实用新型一种激光诱导微泵，其包括内部设有泵腔12的泵体10、设于所述泵腔12前端的出流口11、与所述泵腔12后端连通的补液腔13、插入所述泵腔12并延伸至泵腔12前端部的光纤单体16或光纤束，所述光纤单体或光纤束的后端连接有激光器15。通过激光诱导空化微泵技术，使用激光器15发射激光束17并通过光纤导入激光束17至泵腔12的前端部，利用激光聚焦于微流道内液体介质产生空化泡18，利用空化泡18生长和溃灭过程中产生的流体推进速度和推进力驱动流体流动。空化泡18膨胀挤压流体，使内部压力平衡的流体具有动能，克服粘附力和出流口的管道阻力，将泵腔12中的流体挤压从出流口11推出。继而空化泡18溃灭空间收缩，在平衡压力的推动下补液腔13为泵腔12补充流体，实现了流体在泵腔12中的泵吸过程。进一步通过激光多脉冲连续作用形成类似微泵的效应，从而可以使用较为简单的激光微泵装置驱动流体微量流速可控地连续输出，该微泵具有毫秒级反应时间而且没有复杂的活动零部件，为解决微流体的驱动问题提供了一种全新思路。同时，由于该微泵不存在特殊领域应用的局限性，可以广泛应用于微生物医学、MEMS、微流道，甚至喷墨打印机等领域。

本实用新型的激光诱导空化微泵技术是利用激光聚焦于微流道内液体介质产生空化泡，在内外压差的作用下，空化泡会逐渐生长，生长到一定程度时，将发生溃灭现象，利用空化泡生长和溃灭过程中产生的流体推进速度和推进力驱动流体流动，进一步可以通过激光多脉冲连续作用，连续不断地推动微流道中流体流动，形成类似微泵的效应。

更佳地，所述泵体设有与出流口相对的端塞，所述端塞塞于所述泵体后端所开设的通孔，所述端塞具有供光纤单体或光纤束穿过并形成液封的穿孔。图中所示的激光由激光器发射，要求激光能量、脉冲频率、激光光斑大小可调，实现空化泡18的大小和形成位置，空化过程中流体推进速度和推进力可控，以便通过优化工艺有效控制激光诱导空化微泵驱动微流道中微流体流动的效果。

图中所示的微泵体的泵腔12中盛放有工作液，激光由光纤引导聚焦到微泵体内部的工作液中，诱导发生空化现象。可以通过改变工作液的类型（如水、甘油、水和甘油混合液等）来改变其性质（如粘性、表面张力），进一步研究空化泡的动力学特性对微泵驱动微流体流动效果的影响，以便进一步提高流体推进速度和推进力，从而优化微泵的反应时间和驱动效率。

图中所示的微泵体，可以通过改变微泵体的形状（如圆形、方形、三角形等）来改变其对空化泡的约束状态，进一步研究空化泡在不同形状微流道内部的动力学特性，以便进一步探索不同微流道形状对流体推进速度和推进力的影响，找到最合适的微泵体形状，使微泵获得最优的反应时间和驱动效率。

图中所示出流口11，可以通过改变出流口的大小和形状（如圆形、方形、三角形等）来改变其对空泡溃灭微射流的约束状态，实现出流口射流的流量、流速可调， 甚至可做到单液滴出流的效果，实现各种不同工艺要求。

图中所示光纤引导激光进入微泵体内部合适位置，减少了能量的损失，提高了能量的利用率。通过单路光纤引导激光进入微泵体内，聚焦诱导空化泡驱动工作液，使微泵体中产生单气泡，从而精确控制流体流动，实现出流口11工作液单液滴出流。激光也可以通过多路光纤在微泵体的泵腔12中形成空泡群来驱动流体运动，加强微泵驱动微流体流动的效果，实现出流口11工作液连续出流。

上述整个过程阐述了激光器发射激光，通过单路或多路光纤聚焦到微泵体内工作液中产生单个空化泡或空化泡群，通过空化泡或空化泡群生长和溃灭过程中产生的推进速度和推进力驱动流体流动，提出了一种新型的微泵原理。激光诱导空化驱动流体流动包括两种情况：第一种情况，当激光脉冲的发射周期小于空泡的脉动周期时，在第一个空化泡处于振荡阶段时，激光器已经发出第二个空化泡，第二个空化泡与第一个空化泡公共作用，继续推动流体作用，形成连续的微泵效应，同时，可以通过多路光纤形成空化气泡群，从而加强连续推动效果；第二种情况，当激光脉冲的发射周期大于空泡的脉动周期时，在激光器发出第二个空泡时，第一个空泡脉动可能已经结束，流体处于稳定状态，这时第二次空化过程产生的流体推进速度和推进力继续驱动流体流动，形成脉动的微泵效应，其脉动时间可以通过激光、液体和微流道等参数进行有效地调节和控制，同时，通过对出流口11的有效控制，还可以实现流体单液滴出流。

将激光聚焦于微流道内液体介质产生空化泡，利用空化泡生长和溃灭过程中产生的流体推进速度和推进力驱动流体流动，由于空化泡的整个脉动周期相当短，可以达到毫秒级甚至微秒级，相对其它类型的微型泵而言，其拥有毫米级反应时间的优点，是其它类型微泵所无法比拟。该微泵不存在复杂的零部件和活动部件，并且拥有毫米级甚至微秒级的反应时间，能够级大地丰富和完善微流体非机械驱动技术体系，推动微流控芯片向更宽应用领域发展。

该方法空化泡由光学击穿产生，通过控制光纤的位置，能够精确控制激光聚焦到微流道内部合适的位置产生空化泡。另外，通过调整激光束的能量和脉冲频率，可以对空化泡的大小、能量密度以及空化产生的温度、压强、冲击波强度和流体推进速度、推进力等因素进行控制，从而实现芯片中微尺度流体运动的精确控制。与其他驱动控制技术不同的是，激光束可以容易的聚焦到几个微米量级，适合50微米以下微流道中微流体的操控，使其在微纳尺度流体输送方面具有相当大的优势，这是其他非机械驱动技术如电驱动难以实现的。因此，其不存在应用领域局限性的问题，能够广泛应用于于微生物医学、MEMS、微流道，甚至喷墨打印机等领域。

更佳地，所述光纤单体16或光纤束的前端朝向所述出流口11，从而使得空化泡朝着出流口11生长，产生的气泡具有更多的朝向出流口11的推动力，更易于将液体从出流口11推出。

更佳地，所述补液腔13与所述泵腔12相互垂直或连接形成锐角，更易于量连通的补液腔13与泵腔12维持内部压力平衡，在微振动驱动液体从出流口11流出的同时，对补液腔13产生更少的压力影响，气泡产生的振动波未传到补液腔就已经被流体吸收消散，从而可以持续稳定地补充流体。

以上所揭露的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种激光诱导微泵，其特征在于：包括内部设有泵腔的泵体、设于所述泵腔前端的出流口、与所述泵腔后端连通的补液腔、插入所述泵腔并延伸至泵腔前端部的光纤单体或光纤束，所述光纤单体或光纤束的后端连接有激光器。

2.根据权利要求1所述的激光诱导微泵，其特征在于：所述泵体设有与出流口相对的端塞，所述端塞塞于所述泵体后端所开设的通孔，所述端塞具有供光纤单体或光纤束穿过并形成液封的穿孔。

3.根据权利要求1所述的激光诱导微泵，其特征在于：所述光纤单体或光纤束的前端朝向所述出流口。

4.根据权利要求1所述的激光诱导微泵，其特征在于：所述补液腔与所述泵腔相互垂直或连接形成锐角。