CN104533762B - 一种压电薄膜泵及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电薄膜泵及其制作方法，自上到下包括盖板、压电膜、通道层及基板，盖板、压电膜、通道层及基板之间固定连接，压电膜的上表面及下表面对应镀有导电膜区，导电膜区包括压电薄膜泵的工作区电极以及与压电薄膜泵的工作区电极相连接的导通区域。盖板上开设有第一通孔，第一通孔正对压电膜上对应的压电薄膜泵的工作区电极，通道层上开设有流体通道，流体通道的一端与外界相连通，流体通道包括第二通孔、储液池通孔、收液池通孔及通道槽孔，所述第二通孔正对第一通孔，第二通孔与收液池通孔及储液池通孔之间均通过通道槽孔相连通。制作方法简单方便，在整个制作过程中完全可以不需要昂贵的设备，完全可以广泛推广，实用性强。

Description

一种压电薄膜泵及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种压电泵及其制作方法，具体涉及一种压电薄膜泵及其制作方法。

背景技术

微流体检测芯片因为具有体积小、易集成、省时等特点而被广泛应用于生物检测、医学诊断、生化分析等领域。在微流体的使用中有一个不可缺少的部件，这就是微流泵。微流体芯片通道很小(微米级)，无法人为去操作，所以一切输送液体的工作都要靠泵去完成。目前研究微流体所使用的泵有两种，一种是注射泵，一种是蠕动泵。这两种泵已经商业化生产，能满足各种流速的需求。但是存在一个问题就是，这种泵体积庞大，外置在微流体芯片体外，靠输送管与微流体芯片连接。如此，最大的影响就是限制微流体芯片的集成，而且笨重复杂的装置也影响芯片的广泛使用。

采用将泵集成在微流体芯片上的例子也不少，但都存在这样那样的缺点。比如流体流动不连续、流速范围窄、制作工艺复杂、难集成等。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种压电薄膜泵及其制作方法，该压电泵可集成在微流体通道上充当通道壁，不存在自身体积，能够驱动流体连续流动、流速范围广，并且制作方便简单。

为达到上述目的，本发明所述的压电薄膜泵压电薄膜泵自上到下依次包括盖板、压电膜、用于为流体流动提供通道的通道层、以及基板，盖板、压电膜、通道层及基板之间相互连接；

所述压电膜的上表面及下表面对应镀有导电膜区，导电膜区包括压电薄膜泵的工作区电极以及与压电薄膜泵的工作区电极相连接的导通区域；

所述盖板上开设有第一通孔，第一通孔正对压电膜上对应的压电薄膜泵的工作区电极，通道层上开设有流体通道，流体通道的一端与外界相连通，流体通道包括第二通孔、储液池通孔、收液池通孔及通道槽孔，所述第二通孔正对第一通孔，第二通孔与收液池通孔及储液池通孔之间均通过通道槽孔相连通。

所述压电膜为已经极化且不带电极层的具有压电效应的压电薄膜。

所述盖板、通道层及基板均由玻璃、硅、二氧化硅、陶瓷、有机玻璃、聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、有机硅烷、纸、尼龙及橡胶中一种或者对其进行改性或复合而成的材料制作而成。

所述储液池通孔中的液体向第二通孔中流入过程中的阻力与收液池通孔中的液体向第二通孔中流入过程中的阻力不同；

所述第二通孔中的液体向储液池通孔中流入过程中的阻力与第二通孔中的液体向收液池通孔中流入过程中的阻力不同。

所述通道槽孔为梯形结构或Y型结构。

本发明所述的压电薄膜泵的制作方法包括以下步骤：

1)取一定形状的压电膜，将压电膜按照极化方向固定在夹具上，并在所述压电膜的上表面及下表面分别镀导电膜，使压电膜的上表面及下表面均形成镀膜区，所述镀膜区包括压电薄膜泵的工作区电极及与压电薄膜泵的工作区电极相连接的导通区域；

2)取盖板、通道层及基板，再在盖板上开设第一通孔，并在通道层上开设储液池通孔、收液池通孔、通道槽孔、以及正对第一通孔的第二通孔，第一通孔正对压电膜上压电薄膜泵的工作区电极，然后再将盖板、压电膜、通道层及基板自上到下固定连接，最后给导通区域上连接测试引线，得压电薄膜泵。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述压电薄膜泵自上到下依次包括盖板、压电膜、通道层及基板，盖板、压电膜、通道层及基板之间相互连接，压电膜的上表面及下表面对应镀有导电膜区，导电膜区包括压电薄膜泵的工作区电极以及与压电薄膜泵的工作区电极相连接的导通区域，导通区域的作用只是引出电极用以测试方便。盖板上开设有第一通孔，第一通孔正对压电膜上对应的压电薄膜泵的工作区电极，通道层上开设有流体通道，流体通道的一端与外界相连通，流体通道包括第二通孔、储液池通孔、收液池通孔及通道槽孔，所述第二通孔正对第一通孔，第二通孔与收液池通孔及储液池通孔之间均通过通道槽孔相连通；第一通孔和第二通孔都是用以给压电薄膜泵提供振动空间，也是压电薄膜泵给通道中的流体施加驱动力的位置，并且制作方法简单方便，在整个制作过程中完全可以不需要昂贵的设备、材料，完全可以广泛推广，实用性强。

附图说明

图1为本发明中盖板2的结构示意图；

图2为本发明中压电膜1的结构示意图；

图3为本发明中通道层3的结构示意图；

图4为本发明中所述压电薄膜泵的剖面图；

图5为本发明中实施例一制备的压电薄膜泵的流速测试结果；

图6为本发明中实施例一制备的压电薄膜泵的流速随所加幅值及频率的变化情况；

图7为本发明中实施例二制备的用于微滴生成的微流体***的通道层3的结构示意图。

其中，1为压电膜、2为盖板、3为通道层、4为工作区电极、5导通区域、6第一通孔、7为第二通孔、8为储液池、9为收液池、10为通道槽孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7，本发明所述的压电薄膜泵自上到下依次包括盖板2、压电膜1、通道层3及基板，盖板2、压电膜1、通道层3及基板之间相互连接；压电膜1的上表面及下表面对应镀有导电膜区，导电膜区包括压电薄膜泵的工作区电极4、以及与压电薄膜泵的工作区电极相连接的导通区域5。导通区域的作用只是引出电极用以测试方便；所述盖板2上开设有第一通孔6，第一通孔6正对压电膜1上对应的压电薄膜泵的工作区电极4，通道层3上开设有流体通道，流体通道的一端与外界相连通，流体通道包括第二通孔7、储液池通孔8、收液池通孔9及通道槽孔10，所述第二通孔7正对第一通孔6，第二通孔7与收液池通孔9及储液池通孔8之间均通过通道槽孔10相连通。第一通孔6和第二通孔7都是用以给压电薄膜泵提供振动空间，也是压电薄膜泵给通道中的流体施加驱动力的位置。

压电膜1为已经极化且不带电极层的具有压电效应的压电薄膜；盖板2、通道层3和基板均由玻璃、硅、二氧化硅、陶瓷、有机玻璃、聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、有机硅烷、纸、尼龙及橡胶中一种或者对其进行改性或复合而成的材料制作而成。盖板2和基板的使用主要是固定压电薄膜工作区域的边界，以确保工作区域的压电薄膜工作时可以自由振动；通道层是为流体流动提供通道，所用材料不会与通道中所通流体发生反应、渗漏等情况。比如，通道中的流体若是水溶液，那么通道层材料则不宜为亲水的材料；所述储液池通孔8中的液体向第二通孔7中流入过程中的阻力与收液池通孔9中的液体向第二通孔7中流入过程中的阻力不同；所述第二通孔7中的液体向储液池通孔8中流入过程中的阻力与第二通孔7中的液体向收液池通孔9中流入过程中的阻力不同；流通通道为梯形结构或Y型结构。具体体现在，流体从储液池向压电薄膜泵的工作区流经的通道为梯形，具体实现方法是，储液池的开口口径d与压电薄膜泵的工作区的开口口径D数值不一致，d大于D或者d小于D，形成梯形结构，前提是储液池的开口与压电薄膜泵的工作区的开口位于同一中心线上，梯形结构的不同角度可通过调整d和D的数值实现；另外，流体从压电薄膜泵的工作区向收液池流经的通道亦为梯形，实现方式与上文所述一致。对于“Y”型，所述的是从储液池流出时的一路通道在中途分开为两路流入压电薄膜泵的工作区，从压电薄膜区流向收液池的结构与之相同。结构形状类似于字母“Y”。

本发明所述的压电薄膜泵的制作方法包括以下步骤：

1)取一定形状的压电膜1，将压电膜1按照极化方向固定在夹具上，并在所述压电膜1的上下表面分别镀导电膜，使压电膜1的上表面及下表面均形成镀膜区，所述镀膜区包括压电薄膜泵的工作区电极4及与压电薄膜泵的工作区电极相连接的导通区域5；

2)取盖板2、通道层3及基板，再在盖板2上开设第一通孔6，并在通道层3上开设储液池通孔8、收液池通孔9、通道槽孔10、以及正对第一通孔6的第二通孔7，第一通孔6正对压电膜1上压电薄膜泵的工作区电极4，然后再将盖板2、压电膜1、通道层3及基板自上到下固定连接，最后给导通区域5上连接测试引线，得压电薄膜泵。

实施例一

本发明所述的压电薄膜泵及其制作方法包括以下步骤：

1)用锋利的刀片将厚度为28微米的已极化的不带电极的PVDF压电薄膜按照极化方向裁剪成20×40毫米的长条，将其沿着极化方向固定在夹具上，安装制作图形化电极的掩膜板，该掩膜板是使用1毫米厚的有机玻璃板激光切割制成，掩膜板上的压电薄膜泵工作区电极为孔径为5毫米的圆形；

2)利用直流溅射仪在压电薄膜上表面及下表面分别镀黄金电极，设置溅射电流为10毫安，时间为25分钟，在PVDF压电薄膜上表面及下表面各沉积一层厚度约为100纳米的图形化的黄金电极，结束后，拆掉掩膜板；

3)使用激光切割机将厚度为500微米的有机玻璃切成一块45×10毫米的矩形；一块40×10毫米的矩形，并有直径与隔膜直径相同的圆形通孔；将厚度为250微米的有机玻璃切成一块45×10毫米的矩形，并刻有角度为15°的梯形通道，储液池开口口径d约为0.5毫米，工作区的开口口径D约为2毫米；PVDF薄膜及三块有机玻璃之间用厚度为50微米的双面胶粘结，最后在导通区域用室温银浆粘结银丝作为测试导线，至此，整个器件制作完成。

参考图5及图6，施加幅值为3000伏的方波时，流体速度起初是随电压频率的增加而增加，但是在达到最大频率(110赫兹)后，流速开始迅速减小。这个情况与预想的一致：频率太大时，隔膜形变很小，对通道中的流体的压力也较小，所以流速会减小。测试得到最大流速大约为300微升/分钟，对应的流速范围就是0-300微升/分钟。通过改变驱动电压的参数即可达到改变流速的效应。

施加不同幅值的方波时，可以看到，同一频率下，电压幅值越大流体速度越大；不同幅值下，流速随频率的变化趋势基本一致，随频率增大流速先增大后减小，最大流速在100赫兹到110赫兹之间。幅值超过3000伏特后，压电薄膜容易被击穿，幅值太低时难以驱动液体流动。

实施例二

本发明所述压电薄膜泵用于微流体***的制作方法包括以下步骤：

1)用锋利的刀片将厚度为28微米的已极化的不带电极的PVDF压电薄膜按照极化方向裁剪成50×110毫米的矩形，将其沿着极化方向固定在夹具上，安装制作图形化电极的掩膜板，该掩膜板是使用1毫米厚的有机玻璃板激光切割制成，掩膜板上的压电薄膜泵工作区电极为孔径为5毫米的圆形；

2)利用直流溅射仪在压电薄膜上表面及下表面分别镀黄金电极，设置溅射电流为10毫安，时间为25分钟，在PVDF压电薄膜上表面及下表面各沉积一层厚度约为100纳米的图形化的黄金电极，结束后，拆掉掩膜板；

3)使用激光切割机将厚度为1毫米的有机玻璃切成一块50×110毫米的矩形，并在压电薄膜泵工作区的对应位置刻有与之相同尺寸的圆形通孔；一块50×110毫米的矩形，并刻有位于储液池和收液池上的进样孔及出样孔；将厚度为150微米的双面胶切成一块50×110毫米的矩形，并刻有角度为15°的梯形泵的通道及其它附属的流体微通道，储液池开口口径d约为0.5毫米，工作区的开口口径D约为2毫米；各层材料固定连接，最后在用于连接引线的导通区用室温银浆粘结银丝作为测试导线，至此，一个应用于微滴生成的微流体***制作完成。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种压电薄膜泵的制作方法，其特征在于，所述压电薄膜泵自上到下依次包括盖板(2)、压电膜(1)、用于为流体流动提供通道的通道层(3)、以及基板，盖板(2)、压电膜(1)、通道层(3)及基板之间相互连接；

所述压电膜(1)的上表面及下表面正对镀有导电膜区，导电膜区包括压电薄膜泵的工作区电极(4)以及与压电薄膜泵的工作区电极相连接的导通区域(5)；

所述盖板(2)上开设有第一通孔(6)，第一通孔(6)正对压电膜(1)上对应的压电薄膜泵的工作区电极(4)，通道层(3)上开设有流体通道，流体通道的一端与外界相连通，流体通道包括第二通孔(7)、储液池通孔(8)、收液池通孔(9)及通道槽孔(10)，第二通孔(7)正对第一通孔(6)，第二通孔(7)与收液池通孔(9)及储液池通孔(8)之间均通过通道槽孔(10)相连通；

包括以下步骤：

1)取一定形状的压电膜(1)，将压电膜(1)按照极化方向固定在夹具上，并在所述压电膜(1)的上表面及下表面分别镀导电膜，使压电膜(1)的上表面及下表面均形成镀膜区，所述镀膜区包括压电薄膜泵的工作区电极(4)及与压电薄膜泵的工作区电极相连接的导通区域(5)；

2)取盖板(2)、通道层(3)及基板，再在盖板(2)上开设第一通孔(6)，并在通道层(3)上开设储液池通孔(8)、收液池通孔(9)、通道槽孔(10)、以及正对第一通孔(6)的第二通孔(7)，第一通孔(6)正对压电膜(1)上压电薄膜泵的工作区电极(4)，然后再将盖板(2)、压电膜(1)、通道层(3)及基板自上到下依次固定连接，最后给导通区域(5)上连接测试引线，得压电薄膜泵。

2.根据权利要求1所述的压电薄膜泵的制作方法，其特征在于，所述压电膜(1)为已经极化且不带电极层的具有压电效应的压电薄膜。

3.根据权利要求1所述的压电薄膜泵的制作方法，其特征在于，所述盖板(2)、通道层(3)及基板均由玻璃、硅、二氧化硅、陶瓷、有机玻璃、聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、有机硅烷、纸、尼龙及橡胶中一种或者对其进行改性或复合而成的材料制作而成。

4.根据权利要求1所述的压电薄膜泵的制作方法，其特征在于，所述储液池通孔(8)中的液体向第二通孔(7)中流入过程中的阻力与收液池通孔(9)中的液体向第二通孔(7)中流入过程中的阻力不同；

所述第二通孔(7)中的液体向储液池通孔(8)中流入过程中的阻力与第二通孔(7)中的液体向收液池通孔(9)中流入过程中的阻力不同。

5.根据权利要求1所述的压电薄膜泵的制作方法，其特征在于，所述通道槽孔(10)为梯形结构或Y型结构。