CN1442612A - 无阀薄膜驱动型微泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无阀薄膜驱动型微泵，该微泵是一种单膜双腔结构，双腔中间由基底膜与功能膜构成的驱动膜完全隔离，每个泵腔通过各自的锥形扩散管与进水孔相连，通过各自的锥形收缩管与出水孔相连。本发明采用单膜双腔结构，利用信号控制两个腔体容积的变化，使两个腔体容积变化得到实时互补，输出流量稳定，且具有结构及制备工艺简单、响应快、驱动频率宽、可控性强、能耗低、寿命长等特点。此外，本发明可采用微细加工和微机械技术相兼容的材料和工艺制造，具有体积小、成本低、容易和其它微检测和微控制元件集成等特点，适应于大批量生产，具有可观的应用前景。

Description

无阀薄膜驱动型微泵
技术领域
本发明涉及薄膜驱动型微泵，属于微流体传输与控制、微机械
技术领域。
背景技术
微流体控制***能精确检测和控制每分钟微升量级的流量，在药物微量输送、燃料微量喷射、细胞分离、集成电子元件冷却以及微量化学分析等方面有着重要的应用前景。微泵作为一个重要的微流体执行器件，是微流体***发展水平的重要标志。目前应用较多的是薄膜驱动型微泵，它的流量控制是通过驱动膜的往复运动引起泵腔体的体积变化而实现的。驱动膜的驱动原理有压电、静电、电磁、热气动、双金属效应和形状记忆效应驱动等。在使用以上驱动方式的各类驱动器中，压电驱动器因其响应快、承载力高、能耗低和价格低等特点备受关注。薄膜驱动型微泵根据其有无可动阀片又可分为有阀微泵和无阀微泵。有阀微泵往往基于机械驱动，原理简单，制造工艺成熟，易于控制，是目前应用的主流；无阀微泵则利用流体在微尺寸下的新特性，原理新颖，更适于微型化，具有更大的发展前景。无论是有无可动阀片，目前应用的薄膜驱动型微泵普遍采用单膜单腔结构，由周期信号控制单腔容积的变化。假定，上半周期腔体容积增加，则微泵处于吸入状态；反之，下半周期泵腔体容积减少，微泵处于泵出状态。在一个工作周期中，微流体输出只存在于下半周期中，泵出与吸入不能同时进行。因此，存在周期性波动和流量不稳的情况，这很大限制了薄膜驱动型微泵的推广应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种无阀薄膜驱动型微泵，该微泵是一种单膜双腔结构，能有效地解决周期性波动和流量不稳的问题，使输出流量连续稳定。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：在上泵体上开有上泵腔、锥形扩散管、锥形收缩管、左侧水孔及右侧水孔，上泵腔通过扩散管与左侧水孔相连，通过收缩管与右侧水孔相连，在上泵体的下面有下泵体，在下泵体上开有相应的下泵腔、锥形扩散管、锥形收缩管及相应的左侧水孔、右侧水孔，下泵腔通过扩散管与左侧水孔相连，通过收缩管与右侧水孔相连，上、下泵腔由基底膜与功能膜构成的驱动膜隔离，两个扩散管与两个收缩管的锥形角度均相等。
本发明的优点在于：
1.由于本发明采用了单膜双腔结构，利用信号控制两个腔体容积的变化，使两个腔体容积变化得到实时互补，输出流量连续稳定，且具有结构及工艺简单、响应快、驱动频率宽、可控性强、能耗低、寿命长等特点。
2.本发明可采用微细加工和微机械技术相兼容的材料和工艺制造，具有体积小、成本低、容易和其它微检测和微控制元件集成等特点，适应于大批量生产。
附图说明
图1为本发明一种实施例的结构简图。
图2为图1中A-A剖面图。
图3为图1实施例的轴视图。
图4为本发明另一种实施例的结构简图。
图5为图4中驱动膜的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，在上泵体1上开有上泵腔4、锥形扩散管3、锥形收缩管7、左侧水孔2及右侧水孔8，在上泵体1的基底膜5表面置有一层功能膜6，形成驱动膜，该功能膜可以是压电膜或磁电膜等。上泵腔4通过扩散管3与水孔2相连，通过收缩管7与水孔8相连。在上泵体1的下面有下泵体13，在下泵体13上开有相应的下泵腔11、锥形扩散管12、锥形收缩管10及相应的水孔2、水孔8，下泵腔11通过扩散管12与水孔2相连，通过收缩管10与水孔8相连。上、下泵腔4、11由上述驱动膜隔离。两个扩散管3、12，两个收缩管7、10的锥形角度均相等。在上泵体1的上面置有封盖9，其上开有相应的左侧水孔2及右侧水孔8。
当锥形扩散管3、12，锥形收缩管7、12的锥形角度a为5°～12°之间时，该泵的输出能力较大。
工作时，驱动膜在交变电信号的激励下将发生近抛物球面状变形，从而使泵腔的体积发生增大和减小的交替变化。现将水孔2作进水端、水孔8作出水端，当上泵腔4容积减少ΔV，设上泵腔扩张管3输出流量为Q1、收缩管7输出流量为Q2，由于扩张管、收缩管在流体流向上呈锥形，根据收缩管、扩张管管内流体的流动特性，Q2＞Q1，也即上泵腔4处于泵出状态；同时，下泵腔11容积相应增加ΔV，设下泵腔扩张管12输入流量为Q3、收缩管10输入流量为Q4，根据收缩管、扩张管管内流体的流动特性，Q3＞Q4，也即下泵腔11处于吸入状态。在进水孔2端，上泵腔扩张管3实际起到流体收缩作用，下泵腔扩张管12起到流体扩张作用，Q3＞Q1，整泵在进水孔2端处于吸入状态。在出水孔8端，上泵腔收缩管7实际起到流体扩张作用，下泵腔收缩管10起到流体收缩作用，Q2＞Q4，整泵在出水孔8端处于泵出状态。由于上、下泵腔4、11对应布置，上泵腔4容积增加时，根据以上分析过程同理可知，整泵在进水孔2端仍处于吸入状态、在出水孔8端处于泵出状态。因此，在一个工作周期中，微泵实现了流体的连续吸入和泵出。微泵流量大小由交变电信号的幅度和频率控制。同时，本发明使用化学性能稳定、绝缘性能良好的光敏聚酰亚胺薄膜作为电隔离层，提高了微泵的可靠性和寿命。
本发明的主要技术指标可达到：外形尺寸为8mm×8mm×1.5mm(长×宽×高)，腔体尺寸为5mm×0.3mm(直径×高)，压电薄膜尺寸为3mm×3mm×40μm；流量在0.5-100μL/min连续可调；最高泵压为2.6Kpa。
结合图1对本发明的具体工艺流程作一定叙述。该微泵可由3层硅(玻璃)结构经硅(玻)—硅(玻)键合工艺组合而成，分别为上泵体、下泵体及封盖。首先使用厚膜制备工艺在上泵体的Si基下表面直接沉积一层约40μm的压电膜，在压电膜的背面使用深度反应离子刻蚀技术刻蚀出上泵腔体，进水孔，出水孔，收缩管，扩张管。刻蚀上泵腔体时，刻蚀至Si膜厚度约为100μm。下泵体的制作工艺除了无压电薄膜的制备，其余与上泵体相同。封盖的制作相对较为简单，只需刻蚀出相应的进、出水孔即可。三层结构采用硅(玻)—硅(玻)直接键合工艺键合在一起就组成了整泵。整个加工过程十分简单，适宜于批量生产。
本发明的结构还可如图4、图5所示，由上泵体16，下泵体13及驱动膜组成，驱动膜由基底膜15及功能膜14构成，固定于上泵体16与下泵体13之间。
显然，本发明不仅适用于压电微泵，且可应用于其它的薄膜驱动微泵，如SMA薄膜驱动微泵、磁力薄膜驱动微泵、双金属热驱动微泵、热气驱动微泵等。

Claims (3)

1.一种无阀薄膜驱动型微泵，其特征在于：在上泵体(1)上开有上泵腔(4)、锥形扩散管(3)、锥形收缩管(7)、左侧水孔(2)及右侧水孔(8)，上泵腔(4)通过扩散管(3)与左侧水孔(2)相连，通过收缩管(7)与右侧水孔(8)相连，在上泵体(1)的下面有下泵体(13)，在下泵体(13)上开有相应的下泵腔(11)、锥形扩散管(12)、锥形收缩管(10)及相应的左侧水孔(2)、右侧水孔(8)，下泵腔(11)通过扩散管(12)与左侧水孔(2)相连，通过收缩管(10)与右侧水孔(8)相连，上、下泵腔(4)、(11)由基底膜(5)与功能膜(6)构成的驱动膜隔离，两个扩散管(3)、(12)与两个收缩管(7)、(10)的锥形角度均相等。
2.根据权利要求1所述的无阀薄膜驱动型微泵，其特征在于：在上泵体(1)的上面置有封盖(9)，其上开有相应的左侧水孔(2)及右侧水孔(8)。
3.根据权利要求1或2所述的无阀薄膜驱动型微泵，其特征在于：锥形扩散管(3)、(12)，锥形收缩管(7)、(10)的锥形角度a为5°～12°。
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