CN104481850B - 一种光驱动微流体泵 - Google Patents

一种光驱动微流体泵 Download PDF

Info

Publication number
CN104481850B
CN104481850B CN201410641754.5A CN201410641754A CN104481850B CN 104481850 B CN104481850 B CN 104481850B CN 201410641754 A CN201410641754 A CN 201410641754A CN 104481850 B CN104481850 B CN 104481850B
Authority
CN
China
Prior art keywords
micro
grid array
wire grid
pump chamber
optical drive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201410641754.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104481850A (zh
Inventor
贾克辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changzhou University
Original Assignee
Changzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changzhou University filed Critical Changzhou University
Priority to CN201410641754.5A priority Critical patent/CN104481850B/zh
Publication of CN104481850A publication Critical patent/CN104481850A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104481850B publication Critical patent/CN104481850B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Reciprocating Pumps (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

本发明涉及一种光驱动微流体泵，在光能和机械能之间转换，由下往上依次包括出入口层、泵腔层、微线栅阵列驱动单元和基片；出入口层设有入口和出口；泵腔层包括泵腔和可形变的振膜；微线栅阵列驱动单元包括周期为百纳米级的微线栅阵列，微线栅阵列由栅脊和栅谷构成且为形状记忆材料偶氮苯液晶弹性体。本发明周期性的改变照射光种类和光强，可精确控制微流体泵泵腔容积周期性的变化，从而产生连续的差量流动。具有响应速度快、工作频率高、能耗小、驱动量大等优点；可精确控制流量，能够应用在细胞分离、流体微量配给、药物微量注射、微量化学分析等领域；器件制造可采用MEMS加工工艺，与IC制造工艺兼容，适合批量生产。

Description

一种光驱动微流体泵
技术领域
本发明涉及光-机械能转换的微驱动器件，特别涉及一种光驱动微流体泵。
背景技术
微流体***包括微流体泵、微阀、微传感器、微喷和微通道等，其中，微流体泵是微流体***中的一个关键装置。
根据驱动方式的不同，微流体泵可分为压电驱动型、静电驱动型、形状记忆合金驱动型、热驱动型等多种类型。上述驱动方式各具不同的优点，然而也具有各自的不足。例如压电驱动型微泵的驱动电压偏高；静电驱动型微泵的驱动力较小，形变位移较小；热驱动型微泵的工作频率较低，限制其输出流量和背压。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有微流体泵的不足，本发明提供一种光驱动微流体泵，光驱动不需要电能驱动，具有响应速度快、工作频率高、能耗小、驱动量大等优点，可成为微流体泵的理想驱动方式。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光驱动微流体泵，由下往上依次包括出入口层、泵腔层、微线栅阵列驱动单元和基片；
所述出入口层，设有入口和出口，用于传送液体；
所述泵腔层，包括泵腔和可形变的振膜，泵腔与出入口层的入口和出口连通；
所述微线栅阵列驱动单元包括周期为百纳米级的微线栅阵列，所述微线栅阵列由栅脊和栅谷构成，且微线栅阵列为形状记忆材料偶氮苯液晶弹性体，微线栅阵列的液晶基元取向受限于微线栅阵列结构且垂直于微线栅阵列的沟槽方向；
基片为石英玻璃，石英玻璃作为为微线栅阵列的基片，同时对微线栅阵列的栅脊纵向膨胀变形起阻挡作用。
所述出入口层和泵腔层为单晶硅片，出入口层与泵腔层通过硅硅键合工艺相互对齐、键合。
所述出入口层和泵腔层为经过KOH腐蚀液体硅各向异性腐蚀的单晶硅片。
泵腔层的振膜厚度为5μm。
所述出入口层和泵腔层的硅片厚度为350μm。
振膜的形变量受限于微线栅阵列的结构参数。同等条件下，小的微线栅阵列周期和大的栅脊纵向高度可使振膜获得更大的形变，从而使泵腔获得更大的驱动力。由于工艺的限制，优选微线栅阵列的周期为200-500nm区间，栅脊纵向高度为50-100nm区间。
栅谷为空气，微线栅阵列面积小于振膜面积。
所述基片的厚度为0.5mm。
微线栅阵列驱动单元通过粘结剂与泵腔层的振膜粘结在一起。
所述粘结剂为环氧树脂类粘结剂、聚丙烯酸酯类粘结剂中的一种。
作为优选，所述粘结剂为环氧树脂类粘结剂。
本发明的工作原理是，利用微线栅阵列的光致形变效应，交替地采用紫外光和可见光对微线栅阵列进行垂直照射，紫外光和可见光的切换频率保持固定；微线栅阵列的栅脊将产生周期性的可逆形变，即纵向膨胀和复原；驱动泵腔的振膜往复运动，即弯曲和复原；泵腔容积周期性变化，从而驱动整个泵工作。
微线栅阵列在紫外光照射下，栅脊高度线性膨胀，推动振膜向下形变，泵腔内体积减小，泵腔内的流体由入口和出口同时向泵腔外流出，此时入口的锥形管为收缩管，出口的锥形管则为扩散管，扩散管的流量大于收缩管的流量，微流体泵处于泵出模式。
继续用可见光照射，栅脊高度发生线性收缩，并恢复到初始的状态，此过程使振膜向上形变，泵腔内体积增加，外部的流体由入口和出口同时向泵腔内流入，此时入口的锥形管为扩散管，出口的锥形管则为收缩管，由于它们的压降不同，扩散管的流量大于收缩管的流量，微流体泵处于供给模式。
周期性的改变照射光种类和光强，可精确控制微流体泵泵腔容积周期性的变化，从而产生连续的差量流动。
本发明的有益效果是，本发明的一种光驱动微流体泵，在光能和机械能之间转换，具有响应速度快、工作频率高、能耗小、驱动量大等优点；可精确控制流量，能够应用在细胞分离、流体微量配给、药物微量注射、微量化学分析等领域；器件制造可采用MEMS加工工艺，与IC制造工艺兼容，适合批量生产。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的光驱动微流体泵实施例的结构示意图。
图2是本发明的光驱动微流体泵实施例中微线栅阵列驱动单元的结构示意图。
图3是本发明的光驱动微流体泵实施例中微线栅阵列在紫外光照射下的结构示意图。
图4是本发明的光驱动微流体泵实施例中微线栅阵列在可见光照射下的结构示意图。
图中1、出入口层，2、泵腔层，3、微线栅阵列驱动单元，4、基片，5、入口，6、出口，7、泵腔，8、振膜，9、微线栅阵列，91、栅脊，92、栅谷，α、入口的侧边与底边的夹角。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，为本发明光驱动微流体泵实施例的示意图，本发明由下往上依次包括出入口层1、泵腔层2、微线栅阵列驱动单元3和基片4。
出入口层1提供入口5和出口6，用于传送液体，入口5为上宽下窄的锥形口，出口6则正好相反，为上窄下宽的锥形口，入口5和出口6的形状、大小相同，但上下颠倒，如下图1，且入口5的侧边与底边的夹角α为54.74°；出入口层1采用N型<100>晶向单晶正方形硅片，在KOH腐蚀液中进行体硅各向异性腐蚀制备，硅片厚度为350μm，当振膜8运动时,由于微扩散作用,入口5和出口6的阻力不同,整体可表现为流体的单向流动。
泵腔层2包括泵腔7和可形变的振膜8，泵腔7与出入口层1的入口5和出口6连通。泵腔层2采用N型<100>晶向单晶硅片在KOH腐蚀液中进行体硅各向异性腐蚀制备，硅片厚度为350μm，振膜厚度为5μm。
出入口层1与泵腔层2通过硅硅键合工艺相互对齐、键合。
微线栅阵列驱动单元3包括周期为百纳米级的微线栅阵列9，纳米压印的微线栅阵列9的周期为200nm-500nm，本实施例中周期为300nm，周期的大小决定液晶基元在栅脊91中的取向度，进而影响栅脊91光致形变效应的膨胀效率。如图2所示，微线栅阵列9由栅脊91和栅谷92构成，栅脊91纵向高度为50nm-100nm，图2中x方向为轴向，y方向为纵向，本实施例中栅脊91纵向高度为60nm；栅谷92为空气。且微线栅阵列9为形状记忆材料偶氮苯液晶弹性体，微线栅阵列9的液晶基元取向受限于微线栅阵列结构且垂直于微线栅阵列9的沟槽方向；微线栅阵列9的面积小于泵腔振膜面积。偶氮苯液晶弹性体材料的微线栅阵列结构在紫外光照射下，偶氮苯分子的构象转变，使有序的偶氮苯液晶基元变为无序，从而导致纵向膨胀，栅脊高度增加，为了保持体积不变，栅脊同时沿轴向收缩。用可见光照射，顺式偶氮苯又恢复到反式构象，微线栅阵列的栅脊高度恢复到初始状态。
基片4采用石英玻璃，厚度为0.5mm。
将微线栅阵列驱动单元3与振膜8采用粘结剂粘结在一起。粘结剂选用环氧树脂类粘结剂、聚丙烯酸酯类粘结剂中的一种，优先选用环氧树脂类粘结剂，本实施例中具体选用环氧树脂粘结剂。
本发明采用的光源为紫外光和可见光交替照射，本实施例中具体紫外光波长为365nm，光强为1mw/cm2；具体可见光波长为633nm，光强为100mw/cm2。
偶氮苯液晶弹性体材料构成的微线栅阵列，液晶基元取向垂直于微线栅阵列的沟槽方向，当交替地采用紫外光和可见光照射时，微线栅阵列的栅脊纵向高度会发生周期性的膨胀和复原，本发明利用了这一特点，作为微流体泵的驱动单元，来实现微流体的泵出和供给。
下面为本发明的光驱动微流体泵实现微流体的泵出和供给的过程：
如图3所示，微线栅阵列9在紫外光照射下，栅脊91纵向高度线性膨胀，推动振膜8向下形变，泵腔7内体积减小，泵腔7内的流体由入口5和出口6同时向泵腔7外流出，此时入口5的锥形管为收缩管，出口6的锥形管则为扩散管，扩散管的流量大于收缩管的流量，微流体泵处于泵出模式。
如图4所示，继续用可见光照射，栅脊91纵向高度线性收缩，并恢复到起始状态，此过程使振膜8向上形变，泵腔7内体积增加，外部的流体由入口5和出口6时向泵腔7内流入，此时入口5的锥形管为扩散管，出口6的锥形管则为收缩管，由于它们的压降不同，扩散管的流量大于收缩管的流量，微流体泵处于供给模式。
图3、图4中，粗箭头表示流量大，细箭头表示流量小，总效果显示为净流入或流出。
周期性的改变照射光种类和光强，可精确控制泵腔7容积周期性的变化，从而产生连续的差量流动。
通过上述的过程可实现微流体的泵出和供给。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种光驱动微流体泵，其特征在于：由下往上依次包括出入口层(1)、泵腔层(2)、微线栅阵列驱动单元(3)和基片(4)；
所述出入口层(1)，设有入口(5)和出口(6)，用于传送液体；
所述泵腔层(2)，包括泵腔(7)和可形变的振膜(8)，泵腔(7)与出入口层(1)的入口(5)和出口(6)连通；
所述微线栅阵列驱动单元(3)包括周期为百纳米级的微线栅阵列(9)，所述微线栅阵列(9)由栅脊(91)和栅谷(92)构成，且微线栅阵列(9)为形状记忆材料偶氮苯液晶弹性体，微线栅阵列(9)的液晶基元取向受限于微线栅阵列结构且垂直于微线栅阵列(9)的沟槽方向；
基片(4)为石英玻璃。
2.如权利要求1所述的光驱动微流体泵，其特征在于：所述出入口层(1)和泵腔层(2)为单晶硅片，出入口层(1)与泵腔层(2)通过硅硅键合工艺相互对齐、键合。
3.如权利要求2所述的光驱动微流体泵，其特征在于：所述出入口层(1)和泵腔层(2)为经过KOH腐蚀液体硅各向异性腐蚀的单晶硅片。
4.如权利要求1所述的光驱动微流体泵，其特征在于：泵腔层(2)的振膜(8)厚度为5μm。
5.如权利要求2所述的光驱动微流体泵，其特征在于：所述出入口层(1)和泵腔层(2)的硅片厚度为350μm。
6.如权利要求1所述的光驱动微流体泵，其特征在于：所述微线栅阵列(9)的周期为200nm-500nm，栅脊(91)纵向高度为50nm-100nm，栅谷(92)为空气，微线栅阵列(9)面积小于振膜(8)的面积。
7.如权利要求1所述的光驱动微流体泵，其特征在于：所述基片(4)的厚度为0.5mm。
8.如权利要求1所述的光驱动微流体泵，其特征在于：微线栅阵列驱动单元(3)通过粘结剂与泵腔层(2)的振膜(8)粘结在一起。
9.如权利要求8所述的光驱动微流体泵，其特征在于：所述粘结剂为环氧树脂类粘结剂、聚丙烯酸酯类粘结剂中的一种。
10.如权利要求9所述的光驱动微流体泵，其特征在于：所述粘结剂为环氧树脂类粘结剂。
CN201410641754.5A 2014-11-13 2014-11-13 一种光驱动微流体泵 Expired - Fee Related CN104481850B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410641754.5A CN104481850B (zh) 2014-11-13 2014-11-13 一种光驱动微流体泵

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410641754.5A CN104481850B (zh) 2014-11-13 2014-11-13 一种光驱动微流体泵

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104481850A CN104481850A (zh) 2015-04-01
CN104481850B true CN104481850B (zh) 2016-08-03

Family

ID=52756432

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410641754.5A Expired - Fee Related CN104481850B (zh) 2014-11-13 2014-11-13 一种光驱动微流体泵

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104481850B (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105842018B (zh) * 2016-03-18 2018-12-07 西安交通大学 一种实时监测气体浓度的光驱动柔性气泵
CN107676541B (zh) * 2016-08-02 2020-06-05 复旦大学 一种光控微流体运动的方法
CN111094745A (zh) * 2017-07-07 2020-05-01 缇科玛特有限公司 微流体装置
CN107859613B (zh) * 2017-09-22 2019-05-28 宁波大学 一种光控微泵装置
CN108704679B (zh) * 2018-05-24 2020-09-08 北京大学 一种光微流控复合管型通道
CN108517295A (zh) * 2018-06-01 2018-09-11 东莞东阳光科研发有限公司 一种细胞捕获装置
CN110206993B (zh) * 2019-05-28 2021-01-05 哈尔滨工业大学 一种基于无阀压电微泵的轴承主动微冗余润滑机构
ES2887874B2 (es) * 2020-06-23 2022-11-18 Consejo Superior Investigacion Valvula microfluidica, procedimiento de fabricacion y usos de la misma
CN113842270A (zh) * 2021-11-09 2021-12-28 清华大学 基于液晶弹性体网状点阵结构的收缩止血贴及其制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4427350A (en) * 1982-01-11 1984-01-24 Hare Louis R O Solar diaphragm pump
CN1822897A (zh) * 2003-07-11 2006-08-23 日本碍子株式会社 微型反应器
CN101709789A (zh) * 2009-11-19 2010-05-19 复旦大学 一种光驱动微阀及其驱动方法
CN101709695A (zh) * 2009-11-19 2010-05-19 复旦大学 光致弯曲膜驱动型微泵
CN101832927A (zh) * 2010-05-28 2010-09-15 天津大学 采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器
CN104110355A (zh) * 2014-07-02 2014-10-22 南京理工大学 一种光致伸缩材料驱动的微泵装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003276193A (ja) * 2002-03-22 2003-09-30 Ricoh Co Ltd 静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4427350A (en) * 1982-01-11 1984-01-24 Hare Louis R O Solar diaphragm pump
CN1822897A (zh) * 2003-07-11 2006-08-23 日本碍子株式会社 微型反应器
CN101709789A (zh) * 2009-11-19 2010-05-19 复旦大学 一种光驱动微阀及其驱动方法
CN101709695A (zh) * 2009-11-19 2010-05-19 复旦大学 光致弯曲膜驱动型微泵
CN101832927A (zh) * 2010-05-28 2010-09-15 天津大学 采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器
CN104110355A (zh) * 2014-07-02 2014-10-22 南京理工大学 一种光致伸缩材料驱动的微泵装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN104481850A (zh) 2015-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104481850B (zh) 一种光驱动微流体泵
Wang et al. Micropumps and biomedical applications–A review
Peng et al. A high-flow, self-filling piezoelectric pump driven by hybrid connected multiple chambers with umbrella-shaped valves
Hilber Stimulus-active polymer actuators for next-generation microfluidic devices
CN102145265B (zh) 一种压电微流体混合器
Coppola et al. Direct writing of microfluidic footpaths by pyro-EHD printing
CN102678526B (zh) 多级扩散微流管道的行波式无阀压电微泵
US20100091459A1 (en) Streaming-based micro/mini channel electronic cooling techniques
Lee et al. Four-electrode micropump with peristaltic motion
CN101424262A (zh) 一种锯齿形流道单向压电微泵
CN103816805A (zh) 电渗微泵装置
CN107420291B (zh) 一种基于可变弹性模量的复合薄膜压电微泵
CN204200532U (zh) 一种基于超磁致伸缩薄膜驱动器的双平面线圈驱动式微泵
CN105201796A (zh) 一种压电蠕动微泵
CN205078430U (zh) 一种压电蠕动微泵
Le Van et al. Simulation and experimental study of a synthetic jet valveless pump
CN103170265A (zh) 一种压电微混合器
Zhao et al. Rational design of robust flower-like sharp-edge acoustic micromixers towards efficient engineering of functional 3D ZnO nanorod array
CN209451370U (zh) 一种偏场加热的交流电热微混合装置
Wei et al. A novel PDMS diaphragm micropump based on ICPF actuator
CN101059526B (zh) 微通道中利用电热流驱动流体运动的方法
Li et al. A review of recent studies on valve-less piezoelectric pumps
Zhang et al. Travelling-wave piezoelectric micropump with low resistance microchannel
Pan et al. Design and investigation on a piezoelectric screw pump with high flowrate
CN203525623U (zh) 一种压电微混合器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20160803

Termination date: 20211113

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee