CN100540896C - 一种新型自吸微型泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以自吸的新型微型泵，有效地解决周期性波动、流量不稳、不能自吸、以及不能用于气体工作物质等问题，使输出流量稳定、连续可调、完全自吸，而不需要注样，既可以用于液体工作物质，也可以用于气体工作物质，扩大了微泵的使用范围，提高微泵的使用寿命和工作稳定性。新型微型泵结构简单，包括：泵体下片、泵体上片、驱动器、泵腔、阀座、第一锥形扩散管、锥形收缩管、第二锥形扩散管；具有响应快、驱动频率宽、可控性强、功耗低、寿命长、体积小、制备工艺简单、成本低等优点；此外，本发明可采用微细加工和微机械技术相兼容的材料和工艺制造，容易和其它微检测和微控制元件集成等，适合大批量生产，有很广泛的应用前景。

Description

一种新型自吸微型泵

技术领域

本发明属于微电子机械***领域，涉及微流体传输与控制技术，尤其是涉及微型泵结构。

背景技术

近些年来，MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)是集成微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路甚至接口、通信和电源等于一体的微型器件或***，是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造具有特定功能的微型装置。利用微机械加工技术制作微流体器件，用于输送、检测控制微升量级流量、流体的器件，它是微流体***的基础，其中微阀、微型泵、微通道和微流量传感器是最具代表性的微流体器件。

微流体***由于具有体积小、操作简单、安装方便、计算机接口控制等优越性，非常适合于生命科学、生物化学、分析化学和医学等研究应用领域。利用MEMS工艺技术制作出功能完备、价格低廉、携带方便的生物芯片，它往往集样品处理、检测、分析及结果输出为一体，成为一个微型的片上生物实验室，可以完成如体液成分分析、DNA成分分析等诸多功能。

作为微流量***中流体驱动部分的微泵，由于其能精确驱动和控制流体，在药物微量输送、燃料微量喷射、细胞分离、集成电子元件冷却、基因工程、微量化学分析以及微小型卫星的推进等方面有着重要的和广泛的应用。

目前，已研制出来的微型泵结构、加工工艺形式多样，驱动方式分别有静电驱动、压电驱动、电磁驱动、热驱动、气动、电液驱动、光驱动、超声驱动、气泡驱动以及形状记忆合金膜驱动等等，但是实用化的微泵在国内还没有，与其它应用于微电子机械***的驱动方式相比较，基于压电驱动、静电和电磁驱动方式具有优越的力学特性，能提供足够大的驱动力和位移，响应速度快，可靠性好。因此得到普遍关注。

无阀微泵利用流体在微尺寸下的新特性，原理新颖，但是有回流现象存在，使其使用的范围变小。被动止回阀式的微泵，虽然截流性能提高了，止回阀的开启与关闭主要是利用内外压差，如果压差太小，开启就很困难，同时阀片容易被堵塞，特别是液体中有微小的微粒，所以维护就很困难，使用寿命会变短。也有热驱动双腔微泵的报道，这种结构微泵的主要缺点在于：1)泵腔死体积过大，不容实现自吸，工作时候需要注样，这样就会浪费药品或试剂。2)热驱动的响应速度低。3)对液体泵速不高，4)不能泵送气体。由于有上述这些不足之处，这些类型的微泵商业化是很困难的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术加工工艺难、使用寿命短和工作不稳的问题，提供一种主动阀与变间隙弹性缓冲机制相结合的自吸微型泵。

为了实现上述目的，本发明自吸微型泵的技术方案如下：包括主要由泵体下片、泵体上片和驱动器三部分组成，其中：在驱动器和泵体下片之间有泵体上片；在泵体下片本体上有泵腔、阀座、第一锥形扩散管、锥形收缩管、第二锥形扩散管；在泵腔上的第一锥形扩散管和第二锥形扩散管之间有阀座，在阀座上镶嵌有锥形收缩管。

微型自吸泵的工作原理为：在压电驱动器上加有方波交流信号时，压电驱动器会周期性振动，驱动器会使泵膜振动，锥形收缩管的收缩口会周期性地被堵住与打开，锥形扩散管的扩散口一直处于打开状态，由于泵膜在周期的驱动力下作周期性振动，使得泵腔体积作周期性变化，从而实现工作物质的吸入与排出。

本发明的优点在于：

1.本发明的泵膜(泵体上片)可以采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)、硅、玻璃或高分子聚合物材料，泵膜材料选取具有多样性。

2.本发明将泵体上片、主动阀片和弹性缓冲单元结合于一体，使自吸微型泵死体积小。

3.本发明的驱动部分采用的可以是压电、静电、电磁等多样性的驱动方式。

4.本发明所提供的主动阀与扩散管、收缩管相结合的微泵，避免了应用被动阀片。由于被动阀片容易疲劳损坏、反向截流性能不好等缺点，主动阀的应用延长了微型泵的使用寿命，提高了微型泵的可靠性。

5.本发明可以采用微细加工、微机械技术相兼容的材料和工艺制造，具有结构简单、易于批量生产、成本低。

6.体积小、重量轻、功耗低，易集成化等优点。

该微泵是一种单主动阀、单泵膜、单泵腔结构，能有效地解决周期性波动、流量不稳、不能自吸和不能用于气体工作物质等的问题，使输出流量稳定、连续可调、完全自吸不需要注样。既可以用于液体工作物质，也可以用于气体工作物质，提高微泵的使用寿命和工作稳定性。

附图说明

图1是本发明一种新型自吸微型泵主视图

图2是本发明一种新型自吸微型泵结构示意图

图3是本发明一种单进样双出样压电驱动微型泵结构示意图

图4是本发明一种单进样单出样微型泵结构示意图

图5为本发明实施例新型自吸微型泵的照片

图6为本发明实施例图4的流速与驱动电压的关系。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

根据本发明的图1和图2，是一种新型自吸微型泵主视图，是一种新型自吸微型泵结构示意图所示：由泵体下片5、泵体上片1和驱动器4三部分组成，其中：在驱动器4和泵体下片5之间有泵体上片1；在泵体下片5本体上有泵腔2、阀座3、第一锥形扩散管6、锥形收缩管7、第二锥形扩散管8；在泵腔2上的第一锥形扩散管6和第二锥形扩散管8之间有阀座3，在阀座3上镶嵌有锥形收缩管7。

实施例1：

所述第一锥形扩散管6、锥形收缩管7和第二锥形扩散管8都与泵腔2连通。所述锥形收缩管7的小口端与泵体上片1接触，将锥形收缩管7常闭。所述第一锥形扩散管6和第二锥形扩散管8的大口端位于泵腔2内，处于常开状态。所述阀座3位于泵腔2的中间，泵腔2形状是正方形或圆形。所述锥形收缩管7的小口端位于泵腔2中部突起的阀座3的中心位置，且锥形收缩管7的小口端尺寸小于阀座3的尺寸。所述阀座3的上表面高度高于或等高于泵体下片5四周的上表面。泵体下片5材料可采用硅、聚合物或塑料。所述第一锥形扩散管6、第二锥形扩散管8和锥形收缩管7均采用锥形。所述第一锥形扩散管6、第二锥形扩散管8的端部为出样口，锥形收缩管7的端部为进样口。所述泵体上片1将泵膜、主动阀片和弹性缓冲单元三种功能集于一体。

实施例2：

如图3是一种压电驱动的单进样双出样微型泵，其结构包括泵体上片1、泵腔2、阀座3、压电悬臂梁驱动器4、泵体下片5、第一锥形收缩管6、锥形扩散管7、第二锥形收缩管8、驱动器固定件9；泵腔2采用圆形或方形单腔，由锥形收缩管7组成单进样口；由第一锥形扩散管6、第二锥形扩散管8组成双出样口。泵体下片5采用硅片；泵体上片1为PDMS(聚二甲基硅氧烷)泵膜。其中泵体下片5上有泵腔2、阀座3、第一锥形扩散管6和第二锥形扩散管8。

当对该设备加载交流电压时，本实施例可以当微型泵使用，可以自吸；当对该设备加载直流电压时可以当微型阀使用。用MEMS技术加工出泵体上片1、泵腔2、阀座3、第一锥形扩散管6、第二锥形扩散管8和锥形收缩管7，且第一锥形扩散管6、第二锥形扩散管8对称于锥形收缩管7分布。用密封胶将泵体上片1和泵体下片5粘合成一体，再将压电悬臂梁驱动器4用固定件固定在泵体上片边缘上，并引出两个电极10和11。驱动器4是压电双晶片，将两个压电片并联使用，分别施加相反的电场，使其中一片伸长而另一片缩短，这样在一端固定的情况下压电双晶片发生弯曲从而其末端可以产显著的纵向位移。根据模拟和计算，当外加电压为V时，压电双晶片的末端的纵向位移ΔS可通过

$\mathrm{\ΔS}=\frac{3d_{31}{\mathrm{Vl}}^2}{{4h}^2}$ 计算，其中l为双晶压电片的长度，h为单侧压电陶瓷的厚度。

在本实施例的工艺中，泵体上片1是用PDMS(聚二甲基硅氧烷)加工而成的，将PDMS旋涂在长有氮化硅的硅片上，其厚度在0.2mm左右，并一定的温度下固化，然后剥离。泵腔2、第一扩散口6、收缩口7、第二扩散口8以及阀座3是在硅片上用三次光刻和湿法腐蚀而成。最后将泵体上片1、泵体下片5和驱动器4按图2方式进行封装如图3的结构。

本发明的主要技术参数：外形尺寸为9mm×9mm×1.5mm(长×宽×高)，泵腔2尺寸为6mm×6mm×0.03mm(长×宽×高)，第一锥形扩散管6和第二锥形扩散管8的大口端的尺寸为0.8mm×0.8mm，小口端尺寸为0.3mm×0.3mm。以去离子水为工作物质，最大流速达到5ml/min，最大背压达到15KPa。以空气为工作物质时最大泵速达到30ml/min。

实施例3：

如图4也是一种单进样单出样微型泵，包括泵体上片1、泵腔2、阀座3、驱动器4、泵体下片5、第一锥形扩散管6、锥形收缩管7。所述在泵体下片5上有一个锥形扩散管6和一个锥形收缩管7，泵腔2采用单腔结构。其工作原理、几何尺寸与图3所示的实例情况相同，只是少一扩散管。

图5为实施例微型泵的照片。

图6为实施例图4的流速与驱动电压的关系曲线，从图中可以看出：在零背压的条件下，驱动电压在100V时，最大流速达到5000μL/min，流速随电压几乎是线性增加。

上面的描述是用于实现本发明及其实施例，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求来限定的范围。

Claims (8)

1.一种新型自吸微型泵，其特征在于：由泵体下片(5)、泵体上片(1)和驱动器(4)三部分组成，其中：在驱动器(4)和泵体下片(5)之间有泵体上片(1)；在泵体下片(5)本体上有泵腔(2)、阀座(3)、第一锥形扩散管(6)、锥形收缩管(7)、第二锥形扩散管(8)；在泵体下片(5)上的第一锥形扩散管(6)和第二锥形扩散管(8)之间有阀座(3)，在阀座(3)上镶嵌有锥形收缩管(7)，所述锥形收缩管(7)的小口端与泵体上片(1)接触，将锥形收缩管(7)常闭；所述第一锥形扩散管(6)和第二锥形扩散管(8)的大口端位于泵腔(2)内，处于常开状态。

2.如权利要求1所述的自吸微型泵，其特征在于：所述第一锥形扩散管(6)、锥形收缩管(7)和第二锥形扩散管(8)都与泵腔(2)连通；第一锥形扩散管(6)、第二锥形扩散管(8)的端部为出样口，锥形收缩管(7)的端部为进样口。

3.如权利要求1所述的自吸微型泵，其特征在于：所述阀座(3)位于泵腔(2)的中间，泵腔(2)形状是正方形或圆形。

4.如权利要求1所述的自吸微型泵，其特征在于：所述锥形收缩管(7)的小口端位于泵腔(2)中部突起的阀座(3)的中心位置，且锥形收缩管(7)的小口端尺寸小于阀座(3)的尺寸。

5.如权利要求1所述的自吸微型泵，其特征在于：所述在泵体下片(5)上采用一个锥形扩散管和一个锥形收缩管；或采用一个锥形收缩管和两个锥形扩散管，且两个锥形扩散管对称于锥形收缩管分布。

6.如权利要求1所述的自吸微型泵，其特征在于：所述阀座(3)的上表面高度高于或等高于泵体下片(5)四周的上表面。

7.如权利要求1或6所述的自吸微型泵，其特征在于：泵体下片(5)材料采用硅、聚合物或塑料。

8.如权利要求1所述的自吸微型泵，其特征在于：所述泵体上片(1)，是将泵体上片(1)、主动阀片和弹性缓冲单元结合于一体。

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