CN102678526A - 多级扩散微流管道的行波式无阀压电微泵 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多级扩散微流管道行波式无阀压电微泵的结构和形成方法。这种微泵的结构包括：微泵基底，微流管道和行波驱动阵列。微泵基底主要由驱动阵列卡槽、微流管道键合区、样品进口和出口组成；多级扩散微流管道的材料为PDMS，对应于每一级扩散结构，在管道上表面制作有相应的梯形突起，外形尺寸与扩散管内径相吻合，微流管道与微泵基底键合在一起形成完整的泵体；行波驱动阵列采用压电双晶片平行分布，每片压电双晶片的一端置于微流管道表面相应的梯形突起上并紧密接触，另一端固定在微泵基底上。本发明将多级扩散微流管道与行波式无阀压电微泵相结合，减小微泵管道的反向回流，提高了微泵输出流速，而且具有制作工艺简单、体积小、流量控制方便准确等特点，适合于集成微流体芯片的制造。

Description

多级扩散微流管道的行波式无阀压电微泵

技术领域

本发明涉及到一种多级扩散微流管道的无阀压电微泵，其驱动方式为行波驱动。

背景技术

微流体(芯片实验室)技术是目前迅速发展的高新技术和多学科交叉科技前沿领域之一，是生命科学、化学科学与信息科学信号检测和处理方法研究的重要技术平台。它可以使生物医学领域中的生物样品和试剂消耗量大大降低，而且分析速度成倍提高，成本成倍下降；在化学领域，它可以在一块芯片上使用少量样品和试剂以很短的时间同时完成大量实验；在分析化学领域，它使大的分析仪器变成平方厘米尺寸规模的分析仪。微流体芯片所涉及到的部件包括：与进样及样品处理有关的透析、膜、固相萃取、净化；用于流体控制的微阀(包括主动阀和被动阀)，微泵(包括机械泵和非机械泵)；微混合器，微反应器，当然还有微通道和微检测器等。

微泵作为微流体芯片流体驱动部分的重要执行部件，是其发展水平的重要标志。微泵在整个***中主要用来提供流体驱动力，负责控制泵送样品，控制流量及流速。微泵的分类方式有很多种：根据有无可动阀片，可分为有阀微泵和无阀微泵；根据驱动方式不同，可分为压电式、静电式、气动式、热驱动式等。

有阀微泵一般是利用腔体容积的周期变化和单向阀门工作的，有阀微泵的原理简单，制作工艺较为成熟且易于控制，是目前应用的主流。但由于泵体中存在阀片等机械部件，阀片的疲劳和寿命问题一直是困扰研究者的难题，大大限制了其应用范围；而且这些机械可动部件的加工工艺和加工准确度限制了有阀微泵的进一步小型化，不适应近年来迅速发展的微流体芯片的技术需求。相比有阀微泵，无阀微泵由于其原理新颖、结构相对简单、制造工艺要求不高、适于微型化，因而具有独特的发展优势和广阔的应用前景。

运用在无阀微泵中的行波驱动技术，是使用压电执行器阵列在弹性微流管道上激起一列行波，驱动液体定向流动的泵液方式。这种微泵以加在压电执行器上的电压信号来控制液体流动，以改变电压相位实现液体双向输送。在这种行波驱动方式下，微流管道中液体质点的运动轨迹近似为椭圆运动，在一个行波周期后，液体质点与初始位置相比发生微小移动，这种移动最终形成一定流速的定向液体流动。

1993年Estemme等人研制了一种新型收缩/扩张型无阀微泵，是以收缩和扩张的不同形状微流管道代替可动阀片，利用微流管道结构的不对称引起的压力损失不对称来实现液体的泵送，但这类泵的反向止流性能较差，液体从收缩和扩张管道同时流入和流出泵腔，导致流量损失较大，效率较低。这种收缩/扩张型的无阀微泵结构简单，新颖，适于将这种结构的微泵集成到微流控芯片中。

为了减小行波微泵的微流管道阻力和提高微泵输出流速，本发明提出一种多级扩散微流管道行波式无阀压电微泵。多级扩散微流管道是将多个扩散管结构横向叠加，置于行波微泵的泵区部分，并将压电执行器阵列安装在多级扩散管结构上表面，直接在微流管道中激起行波。利用多级扩散管结构的不对称性导致对流体阻力的不同，减小液体在管道中单一方向的阻力，同时，多个扩散管结构的级联还能有效提高管道的反向止流性能。这种行波微泵只能实现单向泵送，但是可以有效提高最大流速和背压。

发明内容

本发明的目的是：针对现有微泵结构复杂，效率较低的现状，提出了一种多级扩散微流管道行波式无阀压电微泵，这种微泵的特点是：结构简单，泵液效率高，便于小型化和集成制造。

行波式无阀压电微流体驱动和控制技术，是通过驱动控制电路产生多个振幅、频率、振动方向相同，而具有一定相位差的驱动信号，由压电执行器的逆压电效应将电信号转变为机械振动，在微流管道上激起行波，使管道内的液体沿行波方向流动，这是一种新型的微流体驱动技术。而液体流速可以通过驱动信号的电压和频率来控制。

压电执行器为压电双晶片，采用PZTS(锆钛酸铅)的压电陶瓷材料，具有高耦合系数和高压电应变常数，机电参数具有优异的时间和温度稳定性。压电双晶片是一种利用压电陶瓷横向逆压电效应制作的换能器，采用双层叠片结构，外加电场方向与振动方向相互垂直。其位移可表示为：

$u=\frac{3d_{31}{U}_s}{4D^2}{H}^2---\left(1\right)$

其中，d31为压电陶瓷材料的横向压电常数；Us为外加电压；H和D分别为压电双晶片中单片压电陶瓷的长度和厚度。

利用压电双晶片阵列在微流管道上激发一组振幅、频率相同的驻波，合成的行波使管道中的液体沿一定方向连续流动。为了降低液体在管道内的回流现象，用多个扩散管横向叠加的方式取代泵区原有的直管道，这种结构起到了单向阀的作用，抑制了液体在管道中的反向流动。将多级扩散微流管道与行波驱动压电结构结合，可以实现液体的单向流动，且流速和背压大大提高。

行波是波的形态随时间的推移在介质中沿一定方向不断向前推进所形成的。处于波动的各点在其平衡位置处振动，而其振动状态、能量沿波的行进方向传播。驻波和行波之间有着密切的联系，两列满足一定条件的驻波就可以叠加成为一列行波。假设两列驻波的函数为：

将这两列驻波叠加为一列行波，可以得到行波沿正x方向和负x方向传播的条件分别是：

以上两式给出了压电执行器阵列中各压电双晶片间距与各驱动信号相位差的关系：(θ₂-θ₁)·(λ/2π)为两列驻波波腹位置的间距，

为两列驻波的相位差。

以采用四片压电执行器的驱动阵列为例，它们的振幅、频率、振动方向相同，而相位依次相差π/2相邻压电执行器间距为四分之一行波波长，即微流管道上的驻波波腹位置相差四分之一行波波长。其合成行波的方式可以表示如下：

$y_A={\mathrm{\ϵ}}_0\sin \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\·\sin {\mathrm{\ω}}_{0}t---\left(6\right)$

$y_B={\mathrm{\ϵ}}_0\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x+\frac{\mathrm{\π}}{2})\·\sin ({\mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{\mathrm{\π}}{2})={\mathrm{\ϵ}}_0\cos \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\·\cos {\mathrm{\ω}}_{0}t---\left(7\right)$

$y_C={\mathrm{\ϵ}}_0\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x+\mathrm{\π})\·\sin ({\mathrm{\ω}}_{0}t+\mathrm{\π})={\mathrm{\ϵ}}_0\sin \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\·\sin {\mathrm{\ω}}_{0}t---\left(8\right)$

$y_D={\mathrm{\ϵ}}_0\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x+\frac{3\mathrm{\π}}{2})\·\sin ({\mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{3\mathrm{\π}}{2})={\mathrm{\ϵ}}_0\cos \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\·\cos {\mathrm{\ω}}_{0}t---\left(9\right)$

在弹性体中，四列驻波合成一列行波：

$y=y_A+y_B+y_C+y_D=2{\mathrm{\ϵ}}_0(\sin \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\·\sin {\mathrm{\ω}}_{0}t+\cos \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\·\cos {\mathrm{\ω}}_{0}t)$

$=2{\mathrm{\ϵ}}_0\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x-{\mathrm{\ω}}_{0}t)---\left(10\right)$

多级扩散微流管道的材料为PDMS，预聚体与固化剂按10∶1体积比充分混合，在模具中成形并完全固化。再将PDMS微流管道与微泵基底键合在一起，制成完整泵体。多级扩散微流管道上表面分布有一组梯形突起，压电驱动阵列中的每片双晶片对应置于每个梯形突起上，压电双晶片之间的间距应符合式(4)、(5)的规则，使其激发的驻波可以合成为一定方向的行波。对于式(6～10)的特例中，压电双晶片之间的间距为四分之一波长，波长λ可由行波波速得到，弹性体中的横波波速v表示为：

$v=\sqrt{G/\mathrm{\ρ}}---\left(11\right)$

其中ρ为弹性体密度，G为弹性体的剪切模量。

多级扩散微流管道的每个扩散管结构可以分为两部分：两个张角不同的扩散口相对连接。两个扩散口连接处的角度为90°，因此两个扩散口的张角互为余角，且其中一个张角远小于另一个。为了得到最好的性能，微泵的几何尺寸可以相应调整，本发明在测试中所用尺寸参数：两个扩散口的张角分别约为6.5°和83.5°，单个扩散管最小宽度200μm，最大宽度700μm，长度约为2.2mm。

附图说明

附图中，1-微泵基底；2-多级扩散微流管道；3-行波驱动阵列；4-驱动阵列卡槽；5-微流管道键合区；6-样品进口；7-样品出口；8-微流管道阳模；9-微流管道阴模；10-多级扩散微流管道内轮廓阳模；11-多级扩散微流管道外轮廓阴模；12-梯形突起阴模；13-梯形突起。

图1是微泵整体示意图。

图2是微泵基底示意图。

图3是微流管道模具阳模示意图。

图4是微流管道模具阴模示意图。

图5是多级扩散微流管道结构示意图。

图6是压电执行器阵列驱动信号图。

具体实施方式

微泵的制作过程与材料的选择密切相关，不同的材料采用不同的微加工方法。微泵基底和微流管道模具材料可采用硅或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，硅材料可使用等离子刻蚀工艺，与成熟的MEMS工艺相兼容；而PMMA具有良好的光学性质、化学稳定性和机械性能，被广泛用于微泵的结构材料，可以使用微机械加工方法。

使用微机械加工方法制作PMMA材料的微泵基底和微流管道模具，在微泵基底表面制作100μm深的微流管道键合区和一定深度的压电驱动阵列卡槽；而微流管道模具的管道内部高100μm，管道壁厚300μm；泵区多级扩散结构的两个张角分别约为6.5°和83.5°，单个扩散管最小宽度200μm，最大宽度700μm，长度约为2.2mm；管道上表面梯形突起高度约120μm，突起的几何尺寸略小于微流管道内部尺寸。如果需要制作结构更为细致的微流管道，可采用等离子刻蚀等方法在硅片上制作模具。

微流管道的材料则选用PDMS(聚二甲基硅氧烷)，它是微流体技术领域中微流管道的主要制作材料。目前微流体芯片的PDMS微流管道，主要采用注入法来加工完成，这种方法具有准确性高，可重复使用，制作简单，工艺周期短，对加工环境没有特殊要求等突出优点，它可以精确复制微米级别的微结构，与传统微加工工艺相比，具有极大的优势。

PDMS微流管道是将PDMS预聚体和固化剂按一定比例充分混合，真空脱气后注入到模具里，在恒温烘箱中恒温固化一定时间制得的。这里的PDMS微流管道的预聚体和固化剂的比例是10∶1；充分搅拌混合后放入真空干燥器脱气30min，真空度为10^-1kg/cm²，之后分注入到微流管道模具中。再将注有PDMS的微流管道模具放入65℃的恒温烘箱里，恒温固化30min。此时PDMS尚未完全固化，将PDMS微流管道脱模，并放置在PMMA微泵基底的微流管道键合区(键合区事先涂覆一层100μm的PDMS薄膜，预聚体和固化剂的比例为5∶1，并在恒温烘箱中固化10min)，利用范德华力，使管道和基底粘合在一起。此时PDMS微流管道和基底薄膜均未完全固化，再在65℃下恒温固化60min，使其完全固化，之后放在干燥皿中待用。

压电双晶片组成的压电驱动阵列一端被固定在基底的卡槽中，另一端分别压在泵区微流管道多级扩散结构的梯形突起上。压电双晶片由相差π/4的四路正弦波、方波或三角波信号来驱动，在微流管道中激起行波，推动管道中的液体流动。

Claims (5)

1.一种多级扩散微流管道的行波式无阀压电微泵，采用行波驱动阵列作为微泵驱动部件，驱动阵列下方泵区的微流管道为多级扩散管结构，使每个压电执行器位于对应扩散管的正上方，并与微流管道顶部的突起紧密接触。

2.根据权利要求1所述微泵，其结构包括微泵基底，微流管道和行波驱动阵列；微泵基底上制作有一个微流管道键合区、一个样品进口、一个样品出口和一个驱动阵列卡槽；微流管道的中部泵区是横向叠加的多级扩散管结构，管道底面的沟槽并未封闭，与微泵基底键合在一起之后，形成完整的泵体；在管道上表面制作有梯形突起，每个梯形突起对应放置于单级扩散结构的上方，外形尺寸与扩散管内径相吻合；行波驱动阵列采用压电双晶片平行分布，每片压电双晶片的一端置于多级扩散管相应的梯形突起上，另一端固定在微泵基底上。

3.根据权利要求1、2所述微泵，微流管道的材料为PDMS，与微泵基底的键合方法采用氧等离子体键合、紫外键合或热键合方法；在热键合方法中，需要在微泵基底的键合区涂覆一薄层PDMS，制作微流管道的PDMS采用10∶1的预聚体与固化剂配比，微泵基底上覆盖的PDMS采用5∶1的配比。

4.根据权利要求1、2所述微泵，微泵基底和微流管道模具的材料为PMMA或硅，加工方法采用等离子刻蚀或微机械加工工艺。

5.根据权利要求1、2所述微泵，驱动阵列是由多片压电双晶片平行排列组成，驱动信号为具有一定相位差的正弦波、方波或三角波电压信号，通过调节压电双晶片间距，驱动信号频率、相位来控制微流管道上行波的合成。

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