CN111396281A - 一种微流控芯片的控制结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微流控芯片的控制结构，包括具有明确NS极的球形磁子、具有明确NS极的长方形磁铁片和驱动线圈；球形磁子设置在流体容腔内，长方形磁铁片和驱动线圈设置在流体容腔外，长方形磁铁片平放在所述驱动线圈的内环面内，对驱动线圈通方形波，球形磁子在流体内做往复运动。本发明利用方波电流产生变化磁场来带动强磁性的长方形磁铁片摆动，从而以更强的摆动磁场带动球形磁子振动，通过球形磁子在不同通道条件下的振动，实现流体的不同流向。本发明整体尺寸可控制在1cm以内，体积小、成本低，具有可拓展性和可集成性，可广泛应用在化学、生命科学、环境科学、医疗卫生等领域。
Description
技术领域
本发明涉及微流控领域，尤其涉及一种微流控芯片的控制结构。
背景技术
微流控，是一种精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术，微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路***，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵、电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应。
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。
专利201310378611.5，提出了“一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵”，利用两组微磁阵列的相互作用在管道上产生四个振幅、频率、振动方向相同，而具有90度相位差的驻波，由于四列驻波可以在微流管道上合成行波，使管道内的液体沿行波方向流动。两组微型磁铁阵列，分别由四个环形磁铁和圆柱型磁铁组成，环形磁铁的尺寸为2mm高，直径为1mm，外直径为2.3mm，圆柱型磁铁的尺寸为2mm高，直径为1mm。电机的尺寸为直径6mm，长度为14mm。整个微流泵的整体尺寸在3cm左右，体积还是偏大，不适用于更细微的微流控领域。
发明内容
本发明提供一种微流控芯片的控制结构，以实现微流体的最简驱动结构。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种微流控芯片的控制结构，其特征是：包括具有明确NS极的球形磁子、具有明确NS极的长方形磁铁片和驱动线圈；所述球形磁子设置在流体容腔内，所述长方形磁铁片和驱动线圈设置在流体容腔外，所述长方形磁铁片平放在所述驱动线圈的内环面内，对所述驱动线圈通方形波，所述球形磁子在流体内做往复运动。
本发明利用方波电流产生变化磁场来带动强磁性的长方形磁铁片摆动，从而以更强的摆动磁场带动球形磁子振动，通过球形磁子在不同通道条件下的振动，实现流体的不同流向。本发明整体尺寸可控制在1cm以内，体积小、成本低，具有可拓展性和可集成性，可广泛应用在化学、生命科学、环境科学、医疗卫生等领域。
附图说明
图1是本发明的基本组成结构示意图。
图2是本发明的动作示意图，其中，图2a为初始状态示意图，图2b是磁铁顺时针旋转时，磁子的运动示意图，图2c是磁铁逆时针旋转时，磁子的运动示意图，图2d是方波电流下，磁铁和磁子的运动示意图。
图3是本发明实施例1的实体示意图。
图4是一个振子在各种边界条件下产生的流场示意图，其中，图4a是振子的几个位置线路；图4b是磁子悬浮于流体中(即无边界)条件下缓慢振动的示意图，图4c是无边界时快速振动的额示意图；图4d是振子沿平行竖向单边界方向快速振动的流场示意图；图4e是振子在角边界位置沿平行于竖向边界方向快速振动的流场示意图；图4f是振子垂直于单边界方向快速振动的流场示意图。
图5是多个振子的及流场叠加示意图，图5a为1个振子，图5b为两个振子，图5c为3个振子，图5d为4个振子。
图6是音频输入的微流控芯片的结构示意图。
图中，1球形磁子、2长方形磁铁片、3驱动线圈、4隔墙、5循环通道、6音频电缆。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
图1-6是本发明的优选方案，本发明是一种驱动容腔流体的微流泵，包括具有明确NS极的球形磁子1、具有明确NS极的长方形磁铁片2和驱动线圈3；将球形磁子1放置在流体容腔内，长方形磁铁片2和驱动线圈3为驱动主体，设置在流体容腔外，即长方形磁铁片2和驱动线圈3与球形磁子1之间有隔墙4(又称边界)。球形磁子1会被长方形磁铁片2吸附在容腔的最近内壁上，浮力一定时，球形磁子1可悬浮在流体内。长方形磁铁片2平放在驱动线圈3的内环面内，驱动线圈3具有驱动长方形磁铁2旋转或摆动的能力。图3是本发明一个具体实施例的实体示意图，球形磁子1、长方形磁铁片2和驱动线圈3均为市面购买，本实施例采用的是直径为2mm的球形磁子1，长度为4.5mm的长方形磁铁片2，以及内圈宽5mm、长度为3mm的驱动线圈3，将长方形磁铁片2放入驱动线圈3内，整个实验装置的整体尺寸不超过1cm，较其他微流泵的体积大大减小。球形磁子1、长方形磁铁片2和驱动线圈3可应用需要拓展大小。
驱动线圈3通电后，通过调整电流大小，长方形磁铁片2的N极和S极的位置会发生变化，从而引起球形磁子1的位置变化，如图2所示，以长方形磁铁片2的中心为摆动支点，驱动线圈3正向通电时，长方形磁铁片2的N级朝向球形磁子1发生顺时针发在摆动；驱动线圈3反向通电时，S级朝向球形磁子1发生逆时针发在摆动；当驱动线圈3的输入电流为方波电流时，长方形磁铁片2以中心为支点，进行规律摆动，磁力的变化引起隔墙4另一侧的球形磁子1在平行于长方形磁铁片2的方向上往复运动。
球形磁子1在各种边界条件下振动产生的流场如图4所示，可以看出无边界时(即振子位于流体中)，在振子周围的流场会产生4个旋涡(图4b和图4c)，而在单一边界时，在振子周围的流场就产生2个旋涡，振动方向不同，旋涡形状不同，如图4d和图4f，振子位于角边界时，受隔墙4的影响，所形成的旋涡流场较小。
因球形磁子1的体积小，一台振子泵最小只需要0.248mw的能量，驱动4个球形磁子振动仅需不到1mW的功耗，本实施例采用声波作为驱动源，设计一个双泵式微芯片连接外部音频输出设备，如图6所示，该微芯片带有内部循环通道5，循环通道5内装有液体，芯片安装在一个手镜形状的双泵塑料驱动器中间，带有一个3.5毫米音频插孔，将两个球形磁子1放入循环通道5内，两个驱动线圈3(内含长方形磁铁片2)放置在靠近两个球形磁子1的循环通道5外，如图6所示，两个球形磁子1放置在循环通道5左右两侧，制成左泵和右泵。左右泵的驱动线圈分别直接连接到外部音频输出的左右声道，播放立体声音乐时，左或右电音频信号分别通过3.5毫米音频电缆6到达左泵或右泵。两个振子泵相当于两个耳机，将音频输出文件改为方波文件，即可实现有效驱动。
本发明利用振子驱动微流体，振子驱动是通过定域振动的振子，在振动的轴线方向上产生正压，在与其振动轴线正交的平面上所有方向上产生负压，从而驱动流体运动。利用音频方波产生变化磁场来带动强磁性的长方形磁铁片2的摆动，从而以更强的摆动磁场带动球形磁子1的振动，来完成振子振动动作。本发明为全密封非接触式，利用磁场来控制振子振动或旋转子旋转，这是穿透隔墙进行控制的首选方式，可根据工作温度选择球形磁子1，可以在很高温度的恶劣环境条件下正常工作。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，仍属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种微流控芯片的控制结构，其特征是：包括具有明确NS极的球形磁子、具有明确NS极的长方形磁铁片和驱动线圈；所述球形磁子设置在流体容腔内，所述长方形磁铁片和驱动线圈设置在流体容腔外，所述长方形磁铁片平放在所述驱动线圈的内环面内，对所述驱动线圈通方形波，所述球形磁子在流体内做往复运动。
2.如权利要求1所述的一种微流控芯片的控制结构，其特征是：所述球形磁子放入一带有循环通道的微芯片内，所述驱动线圈和长方形磁铁片设置在循环通道外，所述驱动线圈通过一音频线连接外部音频输出设备，所述音频线输入的音频为方波输入。
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