CN112963326B - 一种基于微机电技术的声流体微型泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微机电技术的声流体微型泵，其包括：泵腔，具有入口与出口；泵腔内设置有GHz级别的谐振器；从所述出口向所述谐振器延伸、且与谐振器非接触的设置有一管道。本发明通过在泵腔中设置GHz级别的谐振器与其正上方非接触的管道，外接功率放大器及信号发生器，可得到稳定快速的单向声射流，实现了对液体的高效连续泵送。具有体积微型、结构简单、功耗低，且应用广泛可与半导体工艺兼容，可通过无线驱动方式更加便携等优点。

Description

一种基于微机电技术的声流体微型泵

技术领域

本发明涉及微电子器件领域，特别是指一种基于微机电技术的声流体微型泵。

背景技术

微型泵作为微流体***的主要驱动部件，自提出以来就受到许多科研工作者的关注和研究，目前已广泛应用于生物医学、生化传感、药物递送、药物开发和燃料电池等不同领域。已有的主动式微型泵大致可以分为两类：机械式微型泵与非机械式微型泵。机械式微型泵通过运动部件的位移驱动流体流动，常见工作原理有压电驱动、热驱动、静电驱动、相变驱动、电磁驱动，以及一些特殊形状材料驱动。非机械式微型泵通过将非机械能转换为液体动能，从而泵送流体，常见工作原理有电动流体力学、磁流体动力学、电渗和超声驱动等。

目前，通过止回阀对流体运动进行限制得到单向流的机械泵近年来有了较大的发展，如无线控制的无源镍钛合金泵。通过射频加热镍钛合金使其改变形状，挤压泵室使得液体喷出；关闭射频后镍钛合金冷却恢复，将液体从储物罐吸入，通过控制射频信号源使其在两种状态间转换，实现液体泵送。然而，该技术采用了较为复杂的单向阀结构，单次泵送时间长，泵送液量低，无法进行连续、快速的泵送，且工作时使镍钛合金变形的最低温度达到65摄氏度，带来样品存储以及热安全等问题。

在2019年，有相关的研究报道了一种声流体泵，这种声流体泵通过利用C形叉指换能器产生的声表面波驱动的局部流体与三角形侧壁相互作用，从而在微通道内生成稳定的单向流。但是，这种声流体泵无法实现电能-声能-动能的有效转换，在6W的输入功率下泵送流速不到50nL/min，功耗较高，整体小型化比较困难。

综上所述，机械式微型泵由于具有较为复杂的几何结构，阻碍了其尺寸和制造的发展进步，限制了其应用。而非机械式微型泵也都存在着各式各样的问题，比如电/磁流体力学式都对液体电磁特性有着特别的要求，且需要很高的电压；电化学泵会产生额外产物，且不能持续等。近年来，各种微型泵的性能都得到了优化提升，但其中的关键问题依旧没有得到解决，无法跟上实际应用的需求。因此，目前亟需一种普遍适用、易于集成的微型泵能够很好地同不同的微流体***结合，共同解决生物医学、药物输送、生化检测方面的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于微机电技术的声流体微型泵，可以利用基于微机电技术制造的谐振频率在1到3GHz的高频固体封装型体声波谐振器在其正上方激发的声射流，通过将声射流同腔体内其它流体分离完成对声射流的截取，可以得到稳定快速的单向流，实现对流体的连续泵送。

为实现上述目的，本发明公开的一种基于微机电技术的声流体微型泵，其包括：

泵腔，具有入口与出口；

泵腔内设置有GHz级别的谐振器；

从所述出口向所述谐振器延伸、且与谐振器非接触的设置有一管道。

由上，本发明的一种基于微机电技术的声流体微型泵不需要单向阀等机械部件，因此具备结构简单、功耗低并且可以保持微型化的优点，在GHz级别的频率下可产生强大的体积力推动液体，通过设置的管道可得到稳定快速的单向流，以实现对流体的连续、快速的泵送。

作为一个可能的实现方式，所述谐振器正对所述出口设置，且所述管道的内径从靠近谐振器的一端到连接所述出口的一端整体呈增大或不变的趋势。管道采取二维轴对称的形式，可使流场稳定，减少流体所受的管道内壁的摩擦阻力的损失，更快速地推动液体向外运动。

作为一个可能的实现方式，所述管道距离谐振器最近的内径不超过谐振器外周圆半径的5倍。可完全将谐振器激发的声射流涵盖在管道内，减少体积力的损失。

作为一个可能的实现方式，所述管道靠近谐振器的一端与谐振器的距离范围是10-1000um。谐振器所产生的体声波能量会在所述距离范围内迅速衰减并转换为液体动能，以减少声射流动能的损失。

作为一个可能的实现方式，所述泵腔的入口位于泵腔底部，出口位于泵腔顶部且在谐振器上方；所述谐振器位于泵腔底部。可将要泵送的液体通入泵腔并充满整个腔体且无气泡，谐振器位于泵腔底部可便于使用和安装。

作为一个可能的实现方式，所述泵的入口和出口分别外接管道。可便于液体的输入和输出，操作简单。

作为一个可能的实现方式，所述泵的入口可为多个。可输入多种液体以实现泵的液体混合功能。

作为一个可能的实现方式，还包括驱动所述谐振器工作的电路；该电路可与外部信号发生器连接。可驱动液体的泵送，耗能低且适用性高，可与半导体工艺兼容。

作为一个可能的实现方式，所述连接包括：有线连接或无线连接。可成为移动的便携式微型泵，适用范围更加广泛。

综上所述，本发明通过在泵腔中设置GHz级别的谐振器与其正上方非接触的管道，外接功率放大器及信号发生器，实现了对液体的高效泵送。整个***具有体积微型、结构简单、功耗低、应用广泛等优点，克服了现有技术中无法平衡结构复杂、无法连续、快速泵送以及耗能高等缺陷。此外，又增加了液体混合的功能，使本发明的适用范围更加广泛。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于微机电技术的声流体微型泵的主体结构的示意图。

图2为本发明实施例提供的一种基于微机电技术的声流体微型泵启动时流场的示意图。

附图标记说明

1、泵腔；11、出口；12、入口；2、谐振器；3、管道；4、电路板

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的区间。

实施例一

本发明提供一种基于微机电技术的声流体微型泵，包括：

泵腔，可用于样品的固定及存储。腔体顶部有一开口供一硬质管道***作为出口，腔体底部的开口处可作为入口。

谐振器，设置在泵腔的底部，通过电路板可与外部信号发生器连接，具有GHz级谐振频率。

管道，为一二维轴对称的薄壁管道，其上方与出口相连，当管道内被驱动的液体在工作时，其与管道内壁接触的部分所受到的力在阻碍其向上传播，容易引起回流并减小背压，因此该管道下方的内径可逐渐减小，以减少体积力的损失，抑制回流，增加背压，更快速地推动液体向上运动；其端口截面的半径不超过谐振器外周圆半径的5倍；其位于谐振器正上方，距离谐振器10-1000um，可分离谐振器产生的声射流，以得到稳定可控的单向声射流。

电路板，位于谐振器底部，外部可有线连接信号发生器。

为了更清楚的说明本申请的技术方案，现将本申请的一种基于微机电技术的声流体微型泵的工作原理说明如下：

首先将所要泵送的液体通过入口12通入到泵腔1中，使液体充满腔体且排除气泡；然后外部信号发生器通过电路板4可给谐振器2施加一同谐振频率一致的信号，以使谐振器2的振动幅度处于最大值；谐振器2产生的体声波能量在其正上方十微米内迅速衰减，转换为液体动能，从而产生声射流；通过截取管道3分离声射流，可以得到单向的声射流；声射流经过出口11单向流出，同时带动入口12处的液体流入进行补充，时刻维持泵腔1内部液体充满的状态，以完成连续泵送；在确定面积和结构的管道和谐振器情况下，通过调节输入信号的功率可以控制泵送速率，在1W的输入功率下最高可达到6ml/min的泵送流速，且负载压差最高能达到6千帕。

实施例二

为使本发明微型化和简洁化的特点更加突出，在实施例一的基础上，发明人做了进一步地改进。

谐振器可通过电路板与微小型天线连接，通过无线供能的方式驱动谐振器工作，可实现与实施例一相同的功能，并可摆脱有线连接的束缚，使其成为可移动的便携式微型泵，适用范围更为广泛且不受拘束。

本发明通过采用GHz固体封装型体声波谐振器与带有截取管道的腔体结合，进而实现了液体的高效泵送，提供一种基于微机电技术的声流体微型泵。该微型泵的泵体的三维尺寸均在10毫米左右，具有微型化的优点；且没有阀、膜等机械结构，使其结构简洁；同时，通过调整谐振器面积和通道内边界条件，在1W的输入功率下即可达到6ml/min的泵送流速和6千帕的负载压差，使其具备了功耗低的优势；该微型泵基于微机电技术，在单个微型泵的基础上易于阵列化，或者单个泵的谐振器也可呈阵列化，以实现更复杂的流体泵送，也易与微流控技术结合，应用广泛，可以大规模制造。另外，该微型泵也具备了适用性高和与半导体工艺兼容等优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

例如，在上述实施方式中，采用的是GHz固体封装型体声波谐振器，本领域技术人员也可采用其他类型(如不同谐振频率、不同尺寸或形状)的固体封装型体声波谐振器作为该微型泵的驱动元件；截取管道的端口截面可以和谐振器振动区域大小一样或稍小，都可对声射流进行截取；管道下方的内径可以逐渐减小，也可以保持内径不变，都可以使流场稳定，减少流体所受的管道内壁的摩擦阻力的损失；泵体的入口可以设为多个，或者通过分叉管从多个液体泵中抽入液体，再利用微型泵的混合功能使不同液体被快速混合；泵体的出口可以通过分叉管或出口管内部呈蜂窝状以实现多出口泵送；通过在有限范围内改变谐振器与截取管道之间的距离以实现多种性能的泵送。

另外，在上述实施方式中，说明了一种基于微机电技术的声流体微型泵的一些参数范围，然而这些参数并不构成对本发明的限制，本发明采用其他参数也可以。

Claims (8)

1.一种基于微机电技术的声流体微型泵，其特征在于，包括：

泵腔，具有入口与出口；

泵腔内设置有1-3GHz级别的谐振器；以使谐振器产生的体声波能量转换为液体动能，从而产生声射流；

从所述出口向所述谐振器延伸、且与谐振器非接触的设置有一管道，该管道用于分离谐振器产生的声射流得到单向声射流；

所述谐振器正对所述出口设置，且所述管道的内径从靠近谐振器的一端到连接所述出口的一端整体呈增大的趋势。

2.如权利要求1所述的一种基于微机电技术的声流体微型泵，其特征在于，所述管道靠近谐振器的一端的内径不超过谐振器外周圆半径的5倍。

3.如权利要求1所述的一种基于微机电技术的声流体微型泵，其特征在于，所述管道靠近谐振器的一端与谐振器的距离范围是10-1000um。

4.如权利要求1所述的一种基于微机电技术的声流体微型泵，其特征在于，所述泵腔的入口可位于泵腔底部、顶部或侧壁，出口位于泵腔顶部且在谐振器上方；

所述谐振器位于泵腔底部。

5.如权利要求1所述的一种基于微机电技术的声流体微型泵，其特征在于，所述泵的入口和出口分别外接管道。

6.如权利要求1所述的一种基于微机电技术的声流体微型泵，其特征在于，所述泵的入口可为两个以上。

7.如权利要求1所述的一种基于微机电技术的声流体微型泵，其特征在于，还包括驱动所述谐振器工作的电路；

该电路可与外部信号发生器连接。

8.如权利要求7所述的一种基于微机电技术的声流体微型泵，其特征在于，所述连接包括：有线连接或无线连接。

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