TWI576155B - 多流道磁控系統 - Google Patents

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TWI576155B
TWI576155B TW104131189A TW104131189A TWI576155B TW I576155 B TWI576155 B TW I576155B TW 104131189 A TW104131189 A TW 104131189A TW 104131189 A TW104131189 A TW 104131189A TW I576155 B TWI576155 B TW I576155B
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衛榮漢
許仁華
張慶瑞
黃晧庭
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國立清華大學
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Description

多流道磁控系統
本發明係揭露一種多流道磁控系統，係利用具不同磁異性之磁性元件所組成之磁場開關，以控制流道系統中的磁散場，對流道內之磁性物質產生磁力並影響其行進方向，以達到擾動流場使磁性流體產生混合，或將流體內之磁性物質分離之目的。
由於生物晶片及生醫微系統的快速發展，流體或其內物質在流道內的混合及分離早已成為研究的重點。對於連續流動的流體而言，流體的混合及其內物質的分離均可分為主動式及被動式兩種，其中主動式是以電或磁等方式對流體或物質施加外力，在應用上較具彈性，也較受注目，加上近年來磁性流體及磁性顆粒在生醫晶片上的應用，如何更有效利用磁性物質進行混合或收集磁性標定物質已成為研究的焦點。
然而習知技術係揭露利用電磁鐵為磁場開關以達到磁性流體混合或物質分離之目的，雖方便於調控其能產生之磁場大小，但以電磁鐵產生磁場時連帶會產生熱，造成溫度改變，進而引發流體本身或其內物質與溫度相依之特性產生變化及梯度；同時以電磁鐵做為磁場開關需持續提供電流。此外，以現今通用之微奈米製造技術難以實現微型線圈之製作，需有其他形式之磁場開關替代之。
綜觀前所述，是故，本發明之發明人經多年苦心潛心研究、思索並設計一種多流道磁控系統，以針對現有技術之缺失加以改善，進而增進產業上之實施利用。
有鑑於上述習知之問題，本發明之目的係提出一種多流道磁控系統，係藉由控制磁性元件的磁化方向可達成磁場開關的開與關，可在其開啟時使流道內具有磁性之流體或物質感受到磁力影響，並使其流向改變，達到流體混合或物質分離的目的；反之，可在不需使用時將其關閉。
有鑑於上述習知之問題，本發明之目的係提出一種多流道磁控系統，磁場開關係以磁性元件所組成，磁性元件被經磁化後可在不持續提供外加電場的條件下保有淨磁矩，故其不需持續使用電流以產生磁場，因此不會產生熱影響之問題，也無需耗費任何電能。
有鑑於上述習知之問題，本發明之目的係提出一種多流道磁控系統，係藉由多維度流道之排列與複數個磁場開關之配置，可同時進行混合及/或分離作業，以有效節省程序作業時間。
基於上述目的，本創作係提供一種多流道磁控系統，其包含複數個流道、複數個磁場開關以及控制模組。複數個流道可為二維平面排列或三維立體排列。複數個磁場開關係分別配置於複數個流道之間，其中複數個磁場開關之至少一磁場開關可為複數個流道之至少兩個流道所共用，每一複數個磁場開關可包含具不同翻轉磁場之複數個磁性元件。控制模組可根據一磁場分佈需求以改變至少一磁場開關之磁性元件之磁化方向，進而在複數個 流道產生一局部磁場梯度。
較佳地，複數個磁場開關位於至少一流道之兩側的配置模式包含對應配置、交錯配置或其組合。
較佳地，配置於至少一流道之同一側之複數個磁場開關之間係間隔一固定距離。
較佳地，固定距離之範圍係包含0.1μm~2000μm。
較佳地，複數個流道之相鄰兩流道之間之複數個磁場開關可為相鄰兩流道共用。
較佳地，控制模組係間歇控制複數個磁場開關之磁化方向以增加複數個流道中的流體混合效率及/或流體分離效率。
較佳地，控制模組係可根據流阻需求以控制複數個磁場開關之磁化方向。
較佳地，複數個流道的入出口更可增設磁阻式感測器，以檢測流體之混合程度或磁性物質分離後之殘留率。
較佳地，控制模組可根據磁場分佈需求以整體調控或局部控制複數個磁場開關。
較佳地，磁性元件可為由不同翻轉磁場之鐵磁性材質所組成，亦可由不同磁異向性之相同或相異材料組成。
較佳地，磁性元件可為一多層膜堆疊或複數個分離之單層膜或複數個分離之多層膜。
較佳地，每一複數個磁性元件係相對應之不同之翻轉磁場，不同翻轉磁場之來源係為具不同磁異向性之同種或多種磁性 材料。
較佳地，磁性元件之不同磁異向性係源自形狀異向性或晶格異向性之差異。
本發明之主要目的係在於提供一種多流道磁控系統，其可具有下述多個優點：
1.減少耗能：利用鐵磁性材質本身之特性，自外部磁場作用下獲得磁性後，即使外部磁場消失也依舊保持其磁性，故其不需持續使用電流以產生磁場以減少耗能。
2.無熱影響：因無需持續施加電場以維持磁場，故可大幅降低熱能之產生，以避免流道系統之流體因受到溫度提升而造成影響。
3.多工處理：藉由多維度流道之排列與複數個磁場開關之配置，可同時進行混合及/或分離作業，以有效節省程序作業時間。
4.增加效率：根據磁場分佈需求以整體或局部控制複數個磁場開關之磁化方向，可增加流道系統中的流體混合效率及/或流體分離效率。
為了讓上述目的、技術特徵以及實際實施後之增益性更為明顯易懂，於下文中將係以較佳之實施範例輔佐對應相關之圖式來進行更詳細之說明。
10‧‧‧流道
20‧‧‧磁場開關
21‧‧‧磁異向性較小之磁性元件
22‧‧‧磁異向性較大之磁性元件
30‧‧‧控制模組
41‧‧‧磁性流體
42‧‧‧非磁性流體
43‧‧‧混合均勻之流體
50‧‧‧磁性物質
51‧‧‧吸附之磁性物質
52‧‧‧逸散之磁性物質
d‧‧‧固定距離
82‧‧‧強磁散場
84‧‧‧弱磁散場
本發明之上述及其他特徵及優勢將藉由參照附圖詳細說明其例示性實施例而變得更顯而易知，其中： 第1圖係為本發明之多流道磁控系統之結構示意圖。
第2圖係為本發明之多流道磁控系統之磁場開關概念示意圖。
第3圖係為本發明之多流道磁控系統之流體混合示意圖。
第4圖係為本發明之多流道磁控系統之流體混合實驗結果圖。
第5圖係為本發明之多流道磁控系統之物質分離示意圖。
第6圖係為本發明之多流道磁控系統之相鄰兩流道內皆施行流體混合之系統配置示意圖。
第7圖係為本發明之多流道磁控系統之相鄰兩流道同步施行流體混合與物質分離之系統配置示意圖。
為利 貴審查員瞭解本發明之特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍。
本發明之優點、特徵以及達到之技術方法將參照例示性實施例及所附圖式進行更詳細地描述而更容易理解，且本發明或可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例，相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。
請參閱第1圖，其係為本發明之多流道磁控系統之結構 示意圖。由圖中可知悉，本發明之多流道磁控系統其包含複數個流道10、複數個磁場開關20以及控制模組30。複數個流道10係可依需求或運用之不同以二維平面排列或三維立體排列，實施上更可進一步地可於空間中任意方向延伸排列。
複數個磁場開關20分別配置於複數個流道10之間，其中複數個磁場開關20之至少一磁場開關20可為複數個流道10之至少兩個流道10所共用，每一複數個磁場開關20可包含具不同磁異向性之複數個磁性元件。複數個磁場開關20位於至少一流道10之兩側的配置模式包含對應配置、交錯配置或其組合。
舉例說明但不以此為限，磁場開關20係包含兩個磁異向性較小之磁性元件21與一個磁異向性較大之磁性元件22，且磁性元件係為鐵磁性材質，其中磁性元件可為多層膜堆疊或是複數個分離之單層膜或是複數個分離之多層膜。
控制模組30可根據一磁場分佈需求以改變至少一磁場開關20之磁性元件之磁化方向，進而在複數個流道10產生一局部磁場梯度。其中控制模組30係可採用間歇式控制複數個磁場開關20之磁化方向，以增加複數個流道10中的流體混合效率及/或流體分離效率。
請參閱第2圖，其係為本發明之多流道磁控系統之磁場開關概念示意圖。由圖中可知悉，磁異向性較小之磁性元件21與磁異向性較大之磁性元件22為具有不同程度翻轉磁場之磁性材料，其中不同翻轉磁場來源係為不同磁性材料或不同磁異向性(如形狀異向性、晶格異向性或其組合)之同種或多種磁性材料，即為磁異向性較小之磁性元件21與磁異向性較大之磁性元件22 之磁化方向翻轉所需提供的翻轉磁場大小不同。
當具有不同程度磁異向性之磁性元件並列時，施加一足夠大之外加磁場使所有磁性元件之磁化方向(見磁性元件中箭頭)相同，也就是使所有磁性元件之南北磁極指向相同，可將該些磁性元件視為組成一個大磁鐵，以形成一強磁散場82，即可定義磁場開關20為”開”。
同理，當施加一與磁性元件初始磁化方向相反之外加磁場，且此外加磁場只足以讓磁異向性較小之磁性元件21產生磁化翻轉，此時因磁異向性較小之磁性元件21與磁異向性較大之磁性元件22之磁極指向相反，由兩旁磁異向性較小之磁性元件21所散發之磁場會立刻進入磁異向性較大之磁性元件22之端點，進而形成一弱磁散場84，則將此態樣定義為磁場開關20為”關”。
請同時參閱第3圖及第4圖，由圖中可知悉，本發明之多流道磁控系統中，配置於至少一流道10之同一側之複數個磁場開關20之間係間隔一固定距離d，且流道10對側之複數個磁場開關20係交錯配置，固定距離d之範圍係包含0.1μm~2000μm。實施上，當磁場開關20之磁性元件為多層膜堆疊時，則相隔的固定距離d可小於0.1μm。
開始時，於流道10內通入一磁性流體41及一非磁性流體42，當配置於流道10兩側之磁場開關20未啟動時，磁性流體41與非磁性流體42需流經相當長之距離後，方能稍微混合。
進行流體混合時，當開啟複數個磁場開關20時，磁場開關20所散發出之強磁散場82可對磁性流體41造成磁力影響，將磁性流體41往磁場開關20所在處吸引，同時排擠非磁性流體 42，使流體的流動路徑呈現彎曲變化，以增加流體之間的接觸長度及接觸時間且造成紊亂流場使流體混合，可增強磁性流體41與非磁性流體42的混合效率，使磁性流體41與非磁性流體42在流經複數個磁場開關20後，以形成混合均勻之流體43。
且由第4圖中可發現，隨著磁場開關20之磁散場的強弱變化，混合效率亦隨之改變，磁場開關20於距離流道10入口處之500μm後開始設置，當所導通之磁場強度為30000A/m以上時，在流道10之1500μm處時，其混和效率即可達84%以上，且由實驗結果發現當導通之磁場強度越強其混合效率越佳。由實驗結果證實本發明之多流道磁控系統確實能增加混合均勻之流體43之混合效率。
請參閱第5圖，其係為利用多流道磁控系統進行磁性物質50分離之實施例，將磁場開關20以對應方式配置於流道10之兩側，位於同一側之磁場開關20仍以固定距離d相間隔開來。
圖中可知悉，於流道10中通入包含磁性物質50之流體，當配置於流道10兩側之磁場開關20未啟動時，其流動不受磁場影響。當開啟複數個磁場開關20時，磁場開關20所散發出之強磁散場82對磁性物質50產生磁力影響，將磁性物質50往磁場開關20處吸引，吸附之磁性物質51被吸附且停留於流道10之壁緣周圍，而逸散之磁性物質52之數量遠低於吸附之磁性物質51，證明磁場開關20確實能有效吸引捕捉大部分之目標磁性物質50。
當將磁場開關20定義為”關”時，弱磁散場84則會將原本吸附之磁性物質51釋放回流道10中，此時即可於流道10之出口處收集磁性物質50，以達到磁性物質50分離之效果。
請參閱第6圖，由圖中可知悉，本實施例僅舉例兩個流道10為平行並列時，複數個流道10之相鄰兩流道10之間之複數個磁場開關20為相鄰兩流道10共用，且可利用控制模組30根據磁場分佈需求以整體調控或局部控制複數個磁場開關20。
當相鄰之兩流道10欲同時進行流體混合時，複數個磁場開關20係以交錯方式配置於流道10之外側周圍，由於磁場開關20之磁散場為立體空間環繞，故能同時對相鄰兩流道10進行磁力影響，當複數個磁場開關20為”開”時，磁性流體41與非磁性流體42間之混合效率於兩流道10內皆會增加，可同時處理相較於單一流道10時之兩倍流體量，但所需設置的磁場開關20則因被共用而能減少配置，進而節省配置成本。
請參閱第7圖，圖中的磁場開關20之配置相似於第6圖所示，其差異之處在於磁場開關20在上方流道10與下方流道10兩側之配置方式不同。
當欲對流道系統同時施行流體混合與物質分離時，磁場開關20在上方流道10兩側之配置為交錯配置排列，將上方流道10做為實施流體混合之用。磁場開關20在下方流道10兩側之配置為對應且對稱排列，可將下方流道10做為實施磁性物質50分離之用。
設置磁場開關20於流道10兩側時可有多種變化，可產生不同的流體混合或物質分離的效果。同時控制模組30可根據磁場分佈需求以整體調控或局部控制複數個磁場開關20，以產生不同強度之局部磁場梯度。進一步說明，當局部磁場梯度產生時，可對不同磁矩之磁性物質50進行差別性分離，以達到篩選分離 之目的。
本發明之磁場開關係主要由複數個具不同磁異向性之磁性元件所組成，因磁性元件之磁異向性特性僅需施加極短時間之外加磁場，即可將磁性元件磁化，且磁性元件內的磁化態及其磁極強度可在不需持續對其提供能量的條件下維持相當長的時間。本發明之磁場開關確實能改善習知採用電磁鐵需持續通電所產生耗能及溫度提升之問題。
然而本發明之另一特點係為磁控系統之運用，依據實際的磁場分佈需求，針對複數個磁場開關之作動頻率及導通磁場之強弱等參數，進行整體性或局部性的操控，以產生不同強度之局部磁場梯度。再者，亦可根據磁流體的流阻需求以相對應控制磁場分布需求，以作為磁流體之流阻控制元件。
本發明能藉由多維度流道之排列與複數個磁場開關之配置，可同時進行混合及/或分離作業，以有效節省程序作業時間。本發明更可於流道之入出口設置磁阻式感測器，以檢測流體之混合程度或磁性物質分離後之殘留率。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
10‧‧‧流道
20‧‧‧磁場開關
21‧‧‧磁異向性較小之磁性元件
22‧‧‧磁異向性較大之磁性元件
30‧‧‧控制模組

Claims (12)

  1. 一種多流道磁控系統，係包含：複數個流道，係為二維平面排列或三維立體排列；複數個磁場開關，係分別配置於該複數個流道之間，其中該複數個磁場開關之至少一磁場開關係為該複數個流道之至少兩個流道所共用，每一該複數個磁場開關係包含具不同翻轉磁場之複數個磁性元件；以及一控制模組，係根據一磁場分佈需求以改變該至少一磁場開關之磁性元件之磁化方向，進而在該複數個流道產生一局部磁場梯度；其中，利用一外加磁場使磁異向性較小之磁性元件翻轉，而改變磁場方向。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多流道磁控系統，其中該複數個磁場開關位於該至少一流道之兩側的配置模式包含對應配置、交錯配置或其組合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多流道磁控系統，其中配置於該至少一流道之同一側之該複數個磁場開關之間係間隔一固定距離。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之多流道磁控系統，其中該固定距離之範圍係包含0.1μm~2000μm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之多流道磁控系統，其中該複數個流道之相鄰兩該流道之間之該複數個磁場開 關係為相鄰兩該流道共用。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多流道磁控系統，其中該控制模組係間歇控制該複數個磁場開關之磁化方向，以增加該複數個流道中的流體混合效率及/或流體分離效率。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之多流道磁控系統，其中該控制模組係根據流阻需求以控制該複數個磁場開關之磁化方向。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之多流道磁控系統，其中該複數個流道之入出口更設置磁阻式感測器以檢測流體之混合程度或磁性物質分離後之殘留率。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之多流道磁控系統，其中該控制模組係根據該磁場分佈需求以整體調控或局部控制該複數個磁場開關。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之多流道磁控系統，其中該複數個磁性元件係為一多層膜堆疊或複數個分離之單層膜或複數個分離之多層膜。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之多流道磁控系統，其中每一該複數個磁性元件係相對應之不同翻轉磁場，該不同翻轉磁場之來源係為具不同磁異向性之同種或多種磁性材料。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之多流道磁控系統，其中每一該複數個磁性元件之不同磁異向性係源自形狀 異向性或晶格異向性之差異。
TW104131189A 2015-09-21 2015-09-21 多流道磁控系統 TWI576155B (zh)

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