RU2408795C2

RU2408795C2 - Acoustic electronic micro-pump

Info

Publication number: RU2408795C2
Application number: RU2008148791/06A
Authority: RU
Inventors: Георгий Владимирович Анцев (RU); Георгий Владимирович Анцев; Сергей Владимирович Богословский (RU); Сергей Владимирович Богословский; Геннадий Анатольевич Сапожников (RU); Геннадий Анатольевич Сапожников
Original assignee: Георгий Владимирович Анцев; Сергей Владимирович Богословский; Геннадий Анатольевич Сапожников
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2011-01-10
Also published as: RU2008148791A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: acoustic electronic micro-pump is intended to move low volumes of liquid and can be used in microanalytical systems analysing low volumes of liquid, e.g. at investigation of water quality. Acoustic electronic micro-pump consists of not less than one acoustic electronic converter. Acoustic electronic converters are installed on hollow tube which is acoustic line. Acoustic electronic converter can be formed on edge of the tube. On the latter there can be formed a chamfer. Acoustic electronic converter can be formed on outer surface of tube and closed along the tube guide.

EFFECT: increasing temperature range of pumped liquid, decreasing overall dimensions of micro-pump.

3 dwg, 7 cl

Description

Изобретение относится к средствам для перекачивания малых количеств жидкости и может быть использовано в приборостроении для перемещения малых объемов жидкости в микроаналитических системах. Известны электрокинетические (электроосмотические) микронасосы (A.Manz, C.S.Effenhauser, N.Burggraf, D.J.Harrison, K.Seiler, K.Fluri, Electroosmotic pumping and electrophoretic separations for miniaturized chemical analysis systems, J.Micromech. Microeng., 1994, v.4, pp.257-265. Chuan-Hua Chen, Juan Santiago, A Planar Electroosmotic Micropump, J.Electromechanical Systems, 2002, v.11. No.6, pp.672-683. Oliver Geschke, Henning Klank, Pieter Telleman, Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, Willey-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, Weinheim, 2004, pp.46-50), основанные на использовании эффекта образования двойного электрического слоя на границе раздела полярная жидкость - твердый диэлектрик. При наложении внешнего электрического поля на высокопористые тела, находящиеся в контакте с полярной жидкостью и обладающие развитой поверхностью такого контакта, имеет место небольшое смещение подвижной (диффузной) части двойного электрического слоя относительно его неподвижной (пристеночной) части, за счет чего происходит принудительное перемещение жидкости в направлении, параллельном внешнему электрическому полю. Такие микронасосы имеют ряд ограничений, главными из которых являются электролиз перекачиваемого раствора, что может привести к изменению его химического состава, а также образование пузырьков газов в непосредственном контакте с пористым телом, что может привести к ухудшению или прекращению перекачивания жидкости.The invention relates to means for pumping small amounts of liquid and can be used in instrumentation for moving small volumes of liquid in microanalytical systems. Electrokinetic (electroosmotic) micropumps are known (A.Manz, CSEffenhauser, N. Burggraf, DJ Harrison, K. Seiler, K. Fluri, Electroosmotic pumping and electrophoretic separations for miniaturized chemical analysis systems, J. Micromech. Microeng., 1994, v, .4, pp. 257-265. Chuan-Hua Chen, Juan Santiago, A Planar Electroosmotic Micropump, J. Electromechanical Systems, 2002, v. 11. No.6, pp. 672-683. Oliver Geschke, Henning Klank, Pieter Telleman, Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, Willey-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, Weinheim, 2004, pp. 46-50) based on the use of the formation of a double electric layer at the polar-solid interface dielectric. When an external electric field is applied to highly porous bodies that are in contact with a polar liquid and have a developed surface of such a contact, there is a slight displacement of the movable (diffuse) part of the double electric layer relative to its fixed (wall) part, due to which the fluid is forcedly moved into direction parallel to the external electric field. Such micropumps have a number of limitations, the main of which are the electrolysis of the pumped solution, which can lead to a change in its chemical composition, as well as the formation of gas bubbles in direct contact with the porous body, which can lead to deterioration or termination of fluid pumping.

От указанных недостатков свободен электрокинетический микронасос [М.Moini, Р.Сао, A.J.Bard, Hydroquinone as a Buffer Additive for suppression of bubbles formed by Electrochemical oxidation, Anal. Chemistry, 1999, v.71, pp.1658-1661], при использовании которого в перекачиваемую жидкость вводятся микроколичества буферного вещества (например, гидрохинона), характеризующегося небольшими величинами окислительно-восстановительного потенциала и препятствующего электролитическому разложению воды или других газообразующих компонентов на электродах. Однако недостатком такого устройства является необходимость "загрязнения" перекачиваемой жидкости буферным веществом.An electrokinetic micropump is free from these drawbacks [M. Moini, R. Sao, A.J. Bard, Hydroquinone as a Buffer Additive for suppression of bubbles formed by Electrochemical oxidation, Anal. Chemistry, 1999, v.71, pp.1658-1661], when using which microquantities of a buffer substance (for example, hydroquinone) are introduced into the pumped liquid, which is characterized by small values of the redox potential and prevents the electrolytic decomposition of water or other gas-forming components on the electrodes. However, the disadvantage of such a device is the need for "contamination" of the pumped liquid with a buffer substance.

Другим аналогом является микронасос, свободный от указанных недостатков (Y.Takamura, H.Onoda, H.Inokuchi, S.Adachi, A.Oki, Y.Horiikc, Lowvoltage electroosmosis pump for stand-alone microfluidic devices, Electrophoresis, 2003, 24, pp.185-192.). В этом микронасосе в качестве электрода используется электропроводящий полимерный гель в контакте с металлической платиной. Вместо образования газов в результате электролиза в таком устройстве имеет место химическая перегруппировка органических веществ в составе полимерного геля. Однако недостатком такого устройства является то, что плотность электрического тока, которую можно обеспечивать с помощью таких электродов, настолько низкая, что устройство может быть использовано только для целей химического анализа с применением аналитических микрочипов. Однако общим недостатком всех перечисленных конструкций является использование в соединении нескольких разнородных материалов, имеющих разные температурные коэффициенты расширения, что может нарушить их работоспособность в широком диапазоне положительных и отрицательных температур.Another analogue is a micropump free of these drawbacks (Y. Takamura, H. Onoda, H. Inokuchi, S. Adachi, A. Oki, Y. Horiikc, Lowvoltage electroosmosis pump for stand-alone microfluidic devices, Electrophoresis, 2003, 24, pp. 185-192.). In this micropump, an electrically conductive polymer gel in contact with platinum metal is used as an electrode. Instead of the formation of gases as a result of electrolysis, a chemical rearrangement of organic substances in the composition of the polymer gel takes place in such a device. However, the disadvantage of such a device is that the electric current density that can be provided using such electrodes is so low that the device can only be used for chemical analysis using analytical microarrays. However, a common drawback of all of the above structures is the use of several dissimilar materials with different temperature expansion coefficients in the joint, which can disrupt their performance in a wide range of positive and negative temperatures.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является микронасос, состоящий из не менее чем одного акустоэлектронного преобразователя (JP 2006090155 A, 06.04.2006).The closest in technical essence to the invention is a micropump consisting of at least one acoustoelectronic transducer (JP 2006090155 A, 04/06/2006).

Насос состоит из пластины пьезоэлектрика с нанесенной на его поверхности встречно-штыревым преобразователем (ВШП) и профилированной в виде канала крышкой, соединенной с пластиной пьезоэлектрика. Данный микронасос работоспособен в широком диапазоне температур, вплоть до кристаллизации перекачиваемой жидкости. Недостатками этих микронасосов являются относительно большие размеры, обусловленные апертурой ВШП и составляющие единицы миллиметров.The pump consists of a piezoelectric plate with an interdigital transducer (IDT) deposited on its surface and a cover profiled in the form of a channel connected to the piezoelectric plate. This micropump is operational in a wide temperature range, up to the crystallization of the pumped liquid. The disadvantages of these micropumps are relatively large sizes, due to the IDT aperture and amounting to units of millimeters.

Задачей настоящего изобретения является увеличение температурного диапазона и уменьшение габаритных размеров микронасоса.The objective of the present invention is to increase the temperature range and reduce the overall dimensions of the micropump.

Технический результат достигается тем, что в акустоэлектронном микронасосе, состоящем из не менее чем одного акустоэлектронного преобразователя, указанные акустоэлектронные преобразователи установлены на полой трубке, которая является звукопроводом.The technical result is achieved by the fact that in an acoustoelectronic micropump consisting of at least one acoustoelectronic transducer, said acoustoelectronic transducers are mounted on a hollow tube, which is a sound pipe.

Акустоэлектронный преобразователь может быть сформирован на торце трубки. На торце трубки может быть сформирована фаска.An acoustoelectronic converter may be formed at the end of the tube. A chamfer may be formed at the end of the tube.

Акустоэлектронный преобразователь может быть сформирован на внешней поверхности трубки и замкнут по направляющей трубки.The acoustoelectronic transducer can be formed on the outer surface of the tube and closed along the guide tube.

Акустоэлектронный преобразователь может быть не замкнут по направляющей трубки.The acoustoelectronic converter may not be closed along the guide tube.

Трубка может иметь переменную толщину стенки в месте присоединения акустоэлектронного преобразователя.The tube may have a variable wall thickness at the junction of the acoustoelectronic transducer.

Трубка может иметь отверстия на боковой поверхности.The tube may have openings on the side surface.

Расположение акустоэлектронного преобразователя на полой трубке позволяет сформировать внутри трубки бегущую акустическую волну, которая и осуществляет перенос жидкости по трубке. Акустоэлектронные преобразователи, установленные на звукопровод, работоспособны в широком диапазоне температур, по крайней мере от минус 200 до плюс 200 град. С. При этом габаритные размеры определяются только внешним диаметром трубки и могут составлять доли миллиметра.The location of the acoustoelectronic transducer on the hollow tube allows the formation of a traveling acoustic wave inside the tube, which carries out the transfer of fluid through the tube. Acoustoelectronic transducers mounted on a sound duct are operable in a wide temperature range, at least from minus 200 to plus 200 degrees. C. In this case, the overall dimensions are determined only by the outer diameter of the tube and may be fractions of a millimeter.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 приведены структура акустоэлектронного микронасоса с акустоэлектронным преобразователем на торце трубки.figure 1 shows the structure of the acoustoelectronic micropump with acoustoelectronic Converter at the end of the tube.

на фиг.2 приведены структура акустоэлектронного микронасоса с фаской на торце трубки.figure 2 shows the structure of the acoustoelectronic micropump with a chamfer at the end of the tube.

на фиг.3 приведены структура акустоэлектронного микронасоса с трубкой, имеющей переменную толщину стенки в месте присоединения акустоэлектронного преобразователя.figure 3 shows the structure of the acoustoelectronic micropump with a tube having a variable wall thickness at the junction of the acoustoelectronic transducer.

Акустоэлектронный микронасос (фиг.1, фиг.2, фиг.3) состоит из полой трубки 1, на которой сформированы не менее одного акустоэлектронного преобразователя 2.The acoustoelectronic micropump (Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3) consists of a hollow tube 1 on which at least one acoustoelectronic transducer 2 is formed.

Акустоэлектронный преобразователь может быть сформирован на торце трубки.An acoustoelectronic converter may be formed at the end of the tube.

На торце трубки может быть сформирована фаска.A chamfer may be formed at the end of the tube.

Трубка 1 может быть выполнена из стекла, пластмассы, а также сформирована методами травления в кристаллическом материале.The tube 1 can be made of glass, plastic, and also formed by etching in a crystalline material.

Формирование акустоэлектронного преобразователя может быть реализовано по технологии фотолитографии и травления.The formation of an acoustoelectronic converter can be implemented using photolithography and etching technology.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Акустоэлектронный преобразователь 2, сформированный на полой трубке 1, под действием поданного с генератора (на фиг.1, фиг.2, фиг.3 не показан) переменного напряжения совершает колебания с заданной частотой. Данные колебания, распространяясь в материале трубки 1, являются бегущими акустическими волнами. В зависимости от толщины стенки и материала трубки 1 могут быть реализованы различные типы волн: поверхностные волны Релея, волны Лэмба и др. Распространяясь вдоль внутренней поверхности трубки 1, бегущая волна взаимодействует с жидкостью и проталкивает жидкость внутрь трубки в направлении распространения бегущей волны. В случае, если акустоэлектронный преобразователь 2 формирует объемную акустическую волну, то распространяясь вблизи границы раздела сред или по тонкой поверхности (тонкой стенке трубки 1), данный тип волны будет трансформироваться и образует составляющие, взаимодействующие с материалом на внутренней поверхности трубки 1.The acoustoelectronic converter 2 formed on the hollow tube 1, under the action of an alternating voltage supplied from a generator (not shown in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3), vibrates with a given frequency. These oscillations, propagating in the material of the tube 1, are traveling acoustic waves. Depending on the wall thickness and material of tube 1, various types of waves can be realized: surface Rayleigh waves, Lamb waves, and others. Propagating along the inner surface of tube 1, the traveling wave interacts with the liquid and pushes the liquid inside the tube in the direction of propagation of the traveling wave. If the acoustoelectronic transducer 2 forms a volumetric acoustic wave, then propagating near the interface or on a thin surface (thin wall of tube 1), this type of wave will transform and form components that interact with the material on the inner surface of tube 1.

Таким образом, описываемый микронасос является устройством для перемещения малых объемов жидкости внутри полой трубки в широком диапазоне температур и имеет малые габариты.Thus, the described micropump is a device for moving small volumes of liquid inside a hollow tube in a wide temperature range and has small dimensions.

Claims

1. Acoustoelectronic micropump, consisting of at least one acoustoelectronic transducer, characterized in that the acoustoelectronic transducers are mounted on a hollow tube, which is a sound pipe.

2. The acoustoelectronic micropump according to claim 1, characterized in that the acoustoelectronic converter is formed at the end of the tube.

3. The acoustoelectronic micropump according to claim 2, characterized in that a chamfer is formed at the end of the tube.

4. The acoustoelectronic micropump according to claim 1, characterized in that the acoustoelectronic converter is formed on the outer surface of the tube and is closed along the guide tube.

5. The acoustoelectronic micropump according to claim 1, characterized in that the acoustoelectronic converter is not closed along the guide tube.

6. The acoustoelectronic micropump according to claim 1, characterized in that the tube has a variable wall thickness at the point of connection of the acoustoelectronic transducer.

7. The acoustoelectronic micropump according to claim 1, characterized in that the tube has openings on the side surface.