CN203925955U - 一种基于微流控芯片的电磁微泵 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于微流控芯片的电磁微泵，包括微流控芯片、第一磁铁组、第二磁铁组和第三磁铁组；微流控芯片包括由上至下依次封接的盖板、弹性薄膜和基板；基板上的第一微通道通过弹性薄膜上的通孔Ⅰ和盖板上的进流孔与外界连通；基板上的第三微通道通过弹性薄膜上的通孔Ⅱ和盖板上的出流孔与外界连通；第一磁铁组、第二磁铁组和第三磁铁组分别包括上下对应设置的一个电磁铁和一个永磁铁；磁铁组的一个磁铁通过盖板上的磁铁安放孔与弹性薄膜固定，另一个磁铁设置在基板的下方；磁铁组的磁铁分别和基板上的第一隔离壁、第二微通道和第二隔离壁位置上下对应；本实用新型操作简单、响应速度快、容易控制泵的流量。

Description

一种基于微流控芯片的电磁微泵

技术领域

本实用新型涉及精密机械中微型流体泵技术领域，具体为一种基于微流控芯片的电磁微泵。

背景技术

微流控芯片技术以微加工技术为基础，在芯片上构建复杂的微通道，以可控流体贯穿整个***，从而在其上能够实现常规生物或化学实验室的各种功能。微流控芯片具有液体流动可控、样品消耗少、响应速度快、易于集成等优点,使得微流控芯片在包括疾病诊断、药物筛选、环境检测、食品安全等诸多领域广泛应用。

微流控芯片内流体输运和流量控制是微流控的关键技术。在微流控芯片内受空间尺寸限制和微尺度效应影响，常规的流体驱动和控制方法直接应用于微流控芯片变得不可行。流体的控制通常要求能够调节流量的大小、改变流道的通断状态以及切换流体流动方向，微泵和微阀是考虑微通道内流动特点，采用微机械加工技术在微流控芯片内制作的微流体驱动和控制装置。

微泵的驱动方式包括：压电驱动、热驱动、静电驱动和形状记忆合金驱动。这些驱动方式的微泵或制作过程复杂，或操作过程繁琐，或响应速度慢。而气动微泵虽然响应速度快、易于大规模集成，但PDMS属于多孔材质，容易造成气体泄漏或污染，而且使用这种微阀的微流控芯片制作周期长、过程繁琐、所用仪器价格昂贵、对加工环境清洁度要求高，因此使用这种微阀的微流控芯片仅限于少数实验室研究应用，很难普遍推广。

微泵还可通过电磁驱动，通过外加磁场和磁体的相互作用产生驱动力，电磁场可以不依靠媒介而存在，因此电磁驱动可以用在比较大的空间范围。电磁驱动驱动器设置方便，调整驱动线圈的频率可方便地控制振动膜的频率和振幅，可通过控制电流来控制泵的流量，具有响应速度快、操作控制性好等优点。

发明内容

本实用新型针对以上问题的提出，而研制一种操作简单、响应速度快、应用范围广、容易控制泵的流量的基于微流控芯片的电磁微泵。

本实用新型的技术手段如下：

一种基于微流控芯片的电磁微泵，其特征在于：所述电磁微泵包括微流控芯片、第一磁铁组、第二磁铁组和第三磁铁组；

所述微流控芯片包括由上至下依次封接的盖板、弹性薄膜和基板；

所述盖板上从左至右依次设置有进流孔、磁铁安放孔Ⅰ、磁铁安放孔Ⅱ、磁铁安放孔Ⅲ和出流孔；所述进流孔、磁铁安放孔Ⅰ、磁铁安放孔Ⅱ、磁铁安放孔Ⅲ和出流孔均为通孔；

所述弹性薄膜上设置有与所述进流孔同轴心的通孔Ⅰ和与所述出流孔同轴心的通孔Ⅱ；

所述基板上从左至右依次加工有第一微通道、第二微通道和第三微通道；所述第一微通道和所述第二微通道之间形成第一隔离壁；所述第二微通道和所述第三微通道之间形成第二隔离壁；所述第一微通道通过所述通孔Ⅰ和所述进流孔与外界连通；所述第一隔离壁设置在所述磁铁安放孔Ⅰ的正下方；所述第二微通道设置在所述磁铁安放孔Ⅱ的正下方；所述第二隔离壁设置在所述磁铁安放孔Ⅲ的正下方；所述第三微通道通过所述通孔Ⅱ和所述出流孔与外界连通；

所述第一磁铁组包括上下相对设置的磁铁Ⅰ和磁铁Ⅱ；所述磁铁Ⅰ设置在所述磁铁安放孔Ⅰ中，且固定安装在所述弹性薄膜上；所述磁铁Ⅱ设置在所述基板的下方；所述磁铁Ⅰ和所述磁铁Ⅱ一个为永磁铁，另一个为电磁铁；

所述第二磁铁组包括上下相对设置的磁铁Ⅲ和磁铁Ⅳ；所述磁铁Ⅲ设置在所述磁铁安放孔Ⅱ中，且固定安装在所述弹性薄膜上；所述磁铁Ⅳ设置在所述基板的下方；所述磁铁Ⅲ和所述磁铁Ⅳ一个为永磁铁，另一个为电磁铁；

所述第三磁铁组包括上下相对设置的磁铁Ⅴ和磁铁Ⅵ；所述磁铁Ⅴ设置在所述磁铁安放孔Ⅲ中，且固定安装在所述弹性薄膜上；所述磁铁Ⅵ设置在所述基板的下方；所述磁铁Ⅴ和所述磁铁Ⅵ一个为永磁铁，另一个为电磁铁。

进一步地，所述盖板和所述基板由PMMA材料制成。PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，即有机玻璃，材料透明度优良，具有良好的绝缘性和机械强度，它的比重不到普通玻璃的一半，抗碎裂能力却高出几倍。

进一步地，所述弹性薄膜由PDMS材料制成。PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料与PMMA材料之间具有良好的粘附性，且具有良好的化学惰性；由于PDMS薄膜的弹性模量仅为0.75MPa，因此使用PDMS制作泵的振动膜可以适当增加振动膜的厚度，一般情况下采用数百微米厚的PDMS厚膜不但可以满足强度方面的要求，而且可以产生更大的形变量；另外PDMS材料具有良好的延伸性，封装以及粘贴驱动器时不易损坏。

进一步地，所述磁铁Ⅰ、磁铁Ⅲ和磁铁Ⅴ为永磁铁；所述磁铁Ⅱ、磁铁Ⅳ和磁铁Ⅵ为电磁铁。永磁铁相对电磁铁形状比较规则，且易于和PDMS材料制成的弹性薄膜粘接。

进一步地，所述第一微通道一端设置有进流槽；所述进流槽与所述进流孔位置上下对应；所述第二微通道上设置有储流槽；所述储流槽与所述磁铁安放孔Ⅱ位置上下对应；所述第三微通道一端设置有出流槽；所述出流槽与所述出流孔位置上下对应。进流槽用来储存从进流孔流入的流体，储流槽储存从第一隔离壁流入的流体，并且由于储流槽增大了第二微通道的容积，使得弹性薄膜虽然变形很小也能吸取或排出更多的流体，出流槽用来储存要从出流孔排出的流体。

进一步地，所述第一微通道、所述第二微通道和所述第三微通道均为直形通道；所述进流槽与所述进流孔同轴心且直径相同；所述储流槽与所述磁铁安放孔Ⅱ同轴心且直径相同；所述出流槽与所述出流孔同轴心且直径相同。在微流控芯片上加工微通道往往工艺比较复杂，直形通道降低了加工难度。

更进一步地，所述储流槽设置在所述第二微通道的中间位置。磁铁Ⅲ在上拉或下压弹性薄膜时使弹性薄膜各方向受力比较均匀，可有效增加弹性薄膜的使用寿命。

由于采用了上述技术方案，本实用新型提供的一种基于微流控芯片的电磁微泵，利用PDMS薄膜易于发生弹性变形的特点，在磁力的作用下，改变微通道的体积，同时控制各微通道之间的连通状态，从而实现有序的吸、排流体动作。此种微泵结构简单，可方便的通过控制电流的大小控制泵的流量，操作控制性好，且响应速度快，适用范围广。

附图说明

图1为本实用新型实施例盖板、弹性薄膜和基板的结构示意图；

图2为本实用新型实施例微流控芯片的结构示意图；

图3为本实用新型实施例沿图2中I-I面的剖视图；

图4为本实用新型实施例吸取模式工作示意图；

图5为本实用新型实施例泵送模式工作示意图。

图中：1、盖板，10、进流孔，11、磁铁安放孔Ⅰ，12、磁铁安放孔Ⅱ，13、磁铁安放孔Ⅲ，14出流孔，2、弹性薄膜，20通孔Ⅰ，21通孔Ⅱ，3、基板，30、第一微通道，31、第二微通道，32、第三微通道，33、第一隔离壁，34、第二隔离壁，301、进流槽，311、储流槽，321、出流槽，40、磁铁Ⅰ，41、磁铁Ⅱ，50、磁铁Ⅲ，51、磁铁Ⅳ，60、磁铁Ⅴ，61、磁铁Ⅵ。

具体实施方式

如图1～图5所示的基于微流控芯片的电磁微泵，包括微流控芯片、第一磁铁组、第二磁铁组和第三磁铁组；如图1和图2所示，其中微流控芯片包括由从上至下封接设置的盖板1、弹性薄膜2和基板3；盖板1和基板3由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料制成，弹性薄膜2由PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料制成；此外，盖板1和基板3还可采用与PMMA材料性能相似的硅片、石英、玻璃或PC、PET等高分子聚合物；弹性薄膜2还可采用与PDMS材料性能相似的聚四氟乙烯。

从图1～图3可以看出，盖板1上从左至右依次设置有进流孔10、磁铁安放孔Ⅰ11、磁铁安放孔Ⅱ12、磁铁安放孔Ⅲ13和出流孔14；进流孔10、磁铁安放孔Ⅰ11、磁铁安放孔Ⅱ12、磁铁安放孔Ⅲ13和出流孔14均为通孔；

弹性薄膜2上设置有通孔Ⅰ20和通孔Ⅱ21；通孔Ⅰ20与进流孔10同轴心；通孔Ⅱ21与出流孔14同轴心；

基板3上从左至右依次加工有第一微通道30、第二微通道31和第三微通道32；第一微通道30和第二微通道31之间形成第一隔离壁33；第二微通道31和第三微通道32之间形成第二隔离壁34；第一微通道30通过通孔Ⅰ20和进流孔10与外界连通；第一隔离壁33设置在磁铁安放孔Ⅰ11的正下方；第二微通道31设置在磁铁安放孔Ⅱ12的正下方；第二隔离壁34设置在磁铁安放孔Ⅲ13的正下方；第三微通道32通过通孔Ⅱ21和出流孔14与外界连通。

从图4和图5可以看出，第一磁铁组包括上下相对设置的磁铁Ⅰ40和磁铁Ⅱ41；磁铁Ⅰ40设置在磁铁安放孔Ⅰ11中，且固定安装在弹性薄膜2上；磁铁Ⅱ41设置在基板3的下方；磁铁Ⅰ40和磁铁Ⅱ41一个为永磁铁，另一个为电磁铁；

第二磁铁组包括上下相对设置的磁铁Ⅲ50和磁铁Ⅳ51；磁铁Ⅲ50设置在磁铁安放孔Ⅱ12中，且固定安装在弹性薄膜2上；磁铁Ⅳ51设置在基板3的下方；磁铁Ⅲ50和磁铁Ⅳ51一个为永磁铁，另一个为电磁铁；

第三磁铁组包括上下相对设置的磁铁Ⅴ60和磁铁Ⅵ61；磁铁Ⅴ60设置在磁铁安放孔Ⅲ13中，且固定安装在所述弹性薄膜2上；磁铁Ⅵ61设置在基板3的下方；磁铁Ⅴ60和磁铁Ⅵ61一个为永磁铁，另一个为电磁铁。

如图1和图2所示，作为优选方案，第一微通道30一端设置有进流槽301所述进流槽301与进流孔10位置上下对应；第二微通道31上设置有储流槽311；储流槽311与所述磁铁安放孔Ⅱ12位置上下对应；所述第三微通道32一端设置有出流槽321；所述出流槽321与所述出流孔14位置上下对应。

作为优选方案，第一微通道30、第二微通道31和第三微通道32均为直形通道；进流槽301与进流孔10同轴心且直径相同；储流槽311与磁铁安放孔Ⅱ12同轴心且直径相同；出流槽321与所述出流孔14同轴心且直径相同。

作为优选方案，储流槽311设置在第二微通道31的中间位置。

以磁铁Ⅰ40、磁铁Ⅲ50和磁铁Ⅴ60为永磁铁，磁铁Ⅱ41、磁铁Ⅳ51和磁铁Ⅵ61为电磁铁为例，结合图4和图5说明本实用新型实施例所述的基于微流控芯片的电磁微泵的工作原理。当磁铁Ⅱ41、磁铁Ⅳ51和磁铁Ⅵ61通电产生电磁场，使得磁铁Ⅰ40在磁场的作用下受排斥力上移，带动弹性薄膜2发生弹性变形，连通第一微通道30和第二微通道31；磁铁Ⅲ50在磁场的作用下受排斥力上移，带动弹性薄膜2发生弹性变形，导致第二微通道31中的容积变大，使第二微通道31中产生一定的负压；而磁铁Ⅴ60在磁场的作用下受吸引力下压，隔断第二微通道31和第三微通道32；这样流体从进流孔10经第一微通道30被吸入第二微通道31，即为微泵的“吸取模式”。当“吸取模式”完成后，控制磁铁Ⅱ41、磁铁Ⅳ51和磁铁Ⅵ61三个电磁铁通过的电流与“吸取模式”时反向，磁铁Ⅰ40在磁场的作用下受吸引力下压，带动弹性薄膜2发生弹性变形，隔断第一微通道30和第二微通道31；磁铁Ⅲ50在磁场的作用下受吸引力下压，带动弹性薄膜2发生弹性变形，导致第二微通道31中的容积变小，使第二微通道31中产生一定的正压；而磁铁Ⅴ60在磁场的作用下受排斥力上移，连通第二微通道31和第三微通道32；这样流体从第二微通道31被压入到第三微通道32，经出流孔14排出，即为微泵的“泵送模式”。这样通过电磁铁和永磁铁的配合工作改变第二微通道31的体积、第一微通道30和第二微通道31的通断以及第二微通道31和第三微通道32的通断就完成了一个周期的“吸排流体”动作。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于微流控芯片的电磁微泵，其特征在于：所述电磁微泵包括微流控芯片、第一磁铁组、第二磁铁组和第三磁铁组；

所述微流控芯片包括由上至下依次封接的盖板(1)、弹性薄膜(2)和基板(3)；

所述盖板(1)上从左至右依次设置有进流孔(10)、磁铁安放孔Ⅰ(11)、磁铁安放孔Ⅱ(12)、磁铁安放孔Ⅲ(13)和出流孔(14)；所述进流孔(10)、磁铁安放孔Ⅰ(11)、磁铁安放孔Ⅱ(12)、磁铁安放孔Ⅲ(13)和出流孔(14)均为通孔；

所述弹性薄膜(2)上设置有与所述进流孔(10)同轴心的通孔Ⅰ(20)和与所述出流孔(14)同轴心的通孔Ⅱ(21)；

所述基板(3)上从左至右依次加工有第一微通道(30)、第二微通道(31)和第三微通道(32)；所述第一微通道(30)和所述第二微通道(31)之间形成第一隔离壁(33)；所述第二微通道(31)和所述第三微通道(32)之间形成第二隔离壁(34)；所述第一微通道(30)通过所述通孔Ⅰ(20)和所述进流孔(10)与外界连通；所述第一隔离壁(33)设置在所述磁铁安放孔Ⅰ(11)的正下方；所述第二微通道(31)设置在所述磁铁安放孔Ⅱ(12)的正下方；所述第二隔离壁(34)设置在所述磁铁安放孔Ⅲ(13)的正下方；所述第三微通道(32)通过所述通孔Ⅱ(21)和所述出流孔(14)与外界连通；

所述第一磁铁组包括上下相对设置的磁铁Ⅰ(40)和磁铁Ⅱ(41)；所述磁铁Ⅰ(40)设置在所述磁铁安放孔Ⅰ(11)中，且固定安装在所述弹性薄膜(2)上；所述磁铁Ⅱ(41)设置在所述基板(3)的下方；所述磁铁Ⅰ(40)和所述磁铁Ⅱ(41)一个为永磁铁，另一个为电磁铁；

所述第二磁铁组包括上下相对设置的磁铁Ⅲ(50)和磁铁Ⅳ(51)；所述磁铁Ⅲ(50)设置在所述磁铁安放孔Ⅱ(12)中，且固定安装在所述弹性薄膜(2)上；所述磁铁Ⅳ(51)设置在所述基板(3)的下方；所述磁铁Ⅲ(50)和所述磁铁Ⅳ(51)一个为永磁铁，另一个为电磁铁；

所述第三磁铁组包括上下相对设置的磁铁Ⅴ(60)和磁铁Ⅵ(61)；所述磁铁Ⅴ(60)设置在所述磁铁安放孔Ⅲ(13)中，且固定安装在所述弹性薄膜(2)上；所述磁铁Ⅵ(61)设置在所述基板(3)的下方；所述磁铁Ⅴ(60)和所述磁铁Ⅵ(61)一个为永磁铁，另一个为电磁铁。

2.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的电磁微泵，其特征在于所述盖板(1)和所述基板(3)由PMMA材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的电磁微泵，其特征在于所述弹性薄膜(2)由PDMS材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的电磁微泵，其特征在于所述磁铁Ⅰ(40)、磁铁Ⅲ(50)和磁铁Ⅴ(60)为永磁铁；所述磁铁Ⅱ(41)、磁铁Ⅳ(51)和磁铁Ⅵ(61)为电磁铁。

5.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的电磁微泵，其特征在于所述第一微通道(30)一端设置有进流槽(301)；所述进流槽(301)与所述进流孔(10)位置上下对应；所述第二微通道(31)上设置有储流槽(311)；所述储流槽(311)与所述磁铁安放孔Ⅱ(12)位置上下对应；所述第三微通道(32)一端设置有出流槽(321)；所述出流槽(321)与所述出流孔(14)位置上下对应。

6.根据权利要求5所述的一种基于微流控芯片的电磁微泵，其特征在于所述第一微通道(30)、所述第二微通道(31)和所述第三微通道(32)均为直形通道；所述进流槽(301)与所述进流孔(10)同轴心且直径相同；所述储流槽(311)与所述磁铁安放孔Ⅱ(12)同轴心且直径相同；所述出流槽(321)与所述出流孔(14)同轴心且直径相同。

7.根据权利要求6所述的一种基于微流控芯片的电磁微泵，其特征在于所述储流槽(311)设置在所述第二微通道(31)的中间位置。