專利名稱：一體化微流體泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于生物醫(yī)學(xué)微流體元器件，特別涉及微流體泵。
背景技術(shù)：
一般的生物醫(yī)學(xué)分析包括樣品預(yù)處理、混合反應(yīng)和分離檢測(cè)三個(gè)基本步驟，將這三個(gè)分析步驟集成在一個(gè)微流體分析系統(tǒng)中，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室工作，這就是實(shí)驗(yàn)室芯片(Lab-on-a-chip)或者叫微型全分析系統(tǒng)(Micro Total Analytical System，μTAS)。這種微流體系統(tǒng)由微流體泵、微閥、微控制器、微混合反應(yīng)器、毛細(xì)管電泳等微流體元器件以及連接它們的微流體通道網(wǎng)路組成。生化分析是流體在微系統(tǒng)中連續(xù)流動(dòng)過程中完成的，微流體泵是提供液體連續(xù)流動(dòng)的動(dòng)力元件。
機(jī)械式微泵有壓電、靜電、熱驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)、超導(dǎo)和記憶合金等多種形式，其中壓電微流體泵應(yīng)用最廣，其壓電片在交變電場(chǎng)作用下驅(qū)動(dòng)硅膜周期性振動(dòng)，進(jìn)而改變泵腔的體積和壓強(qiáng)，在控制閥的引導(dǎo)下，驅(qū)動(dòng)流體產(chǎn)生定向流量。早期的有閥微流體泵制造復(fù)雜，壽命短，成本高。無閥微流體泵采用微擴(kuò)散管代替可關(guān)閉的控制閥門，它最大程度地減少可動(dòng)的機(jī)械部件，由于微擴(kuò)散管兩個(gè)流動(dòng)方向的流體能量變化規(guī)律和流動(dòng)阻力不同，擴(kuò)散方向的流體流量大于收縮方向的流量，一個(gè)周期的平均流量不為零，這使得無閥壓電微流體泵具有定向?qū)Я髂芰?。微泵進(jìn)出口無需壓強(qiáng)差。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、易加工、成本低的優(yōu)點(diǎn)，無閥壓電壓電微流體泵在微分析系統(tǒng)中大量使用，見[1]謝海波，陳遠(yuǎn)玲.微型無閥泵的數(shù)值仿真與參數(shù)設(shè)計(jì)，流體機(jī)械，2000，30(1)11-14；[2]謝海波，陳遠(yuǎn)玲.微型無閥泵的流動(dòng)特征仿真與實(shí)驗(yàn)研究，機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38(7)54-57；[3]Anders Olsson，Gran Stemme，Erik Stemme.Numerical and experimental studies of flat-walled diffuser elements forvalve-less micropumps[J].Sensors and Actuators.A，2000，84165-175；[4]Jiang X.N，Zhou Z.Y.Micronozzle/diffuser flow and its applicationin valve-less pumps[J].Sensors and Actuators.A，1998，7081-87；[5]Amos Ullmann，Ilan Fono and Yehuda Taitel.A Piezoelectric Valve-LessPump-Dynamic Model[J].Journal of Fluids Engineering.2001，12392-98；[6]Amos Ullmann and Ilan Fono.The Piezoelectric Valve-LessPump-Improved Dynamic Model[J].Journal of MicroelectromechanicalSystem，2002，11(6)655-664；[7]Amos Ullmann.The piezoelectricvalve-less pump performance enhancement analysis[J].Sensors andActuators.A，1998，6997-100；[8]Anders Olsson，Goran Stemme andErik Stemme.A valve-less planar fluid pump with two pump chambers[J].Sensors and Actuators A，1995，47549-556.934-44。
生物溶液和化學(xué)試劑的混合反應(yīng)是生化分析的一個(gè)重要步驟。在微流體分析系統(tǒng)中，液體流動(dòng)速度很低，一般屬于低雷諾數(shù)層流流動(dòng)。如果液體混合依靠分子自身擴(kuò)散來完成，效率很低。實(shí)現(xiàn)高效率的液體混合是生化分析的關(guān)鍵。在微系統(tǒng)中，液體混合反應(yīng)一般在單獨(dú)的混合反應(yīng)腔進(jìn)行的。為了提高液體混合效率，可以利用機(jī)械或電磁周期擾動(dòng)，在混合腔制造“混亂”流動(dòng)狀態(tài)提高液體混合的效果，見[9]Johnson T.J.，Ross D，Locascio L.E.，Rapid microfluidic mixing，Anal.Chem.，7445～51，2002，[10]Rife J.C.，Bell M.I.，Kim W.J.，et al.，Miniaturevalveless ultrasonic pump and mixers，Sensors and Actuators，Aphysical，86135～140，2000，[11]Yang Z.，Goto H.，Matsumoto M.，et al.，Activemicromixers for microfluidic systems using lead-zirconate(PZT)-generatedultrasonic vibration，Electrophoresis，21116～119，2000，[12]Liu H.R.，Stremler M.A.，Sharp K.V.，Olsen M.G，Santiago J.G，Atrian R.Aref J.，H.，Beebe D.J.，Passive mixing in a three-dimensional serpentinemicrochannel，J.MEMS，9190～197，2000；[13]Bertsch A.，Heimgartner S.，Conssean P.，Renand P.，Static micromixers based on larger-scale industrialmixer geometry，Lab.On a Chip，156～60，2000；[14]Gobby D.，AngeliP.，Gavriilidis A.，Mixing characteristics of T-type microfluidic mixers，J.Micromechanics，Microengineering，11126～132，2001。其缺點(diǎn)是必須提供附加機(jī)電擾動(dòng)裝置，增加微分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和生產(chǎn)成本。
目前微分析系統(tǒng)中的微泵大多只具有流體驅(qū)動(dòng)單一功能，如專利申請(qǐng)?zhí)?2153470一種具有新型高頻閥的壓電泵，專利申請(qǐng)?zhí)?2117352高頻閥壓電泵及其泵腔設(shè)計(jì)方法，專利申請(qǐng)?zhí)?2275088多腔壓電薄膜驅(qū)動(dòng)泵，專利申請(qǐng)?zhí)?2132855多腔壓電薄膜驅(qū)動(dòng)泵，專利申請(qǐng)?zhí)?00410043699無閥微泵及其封裝方法，專利申請(qǐng)?zhí)?3264486帶無移動(dòng)部件的單向閥的微泵，專利申請(qǐng)?zhí)?3137756帶無移動(dòng)部件的單向閥的微泵，專利申請(qǐng)?zhí)?3116069帶懸掛T字型閥膜微閥的單片型單向液體微泵，專利申請(qǐng)?zhí)?2150822雙片型單向液體微泵及其制造方法，均是單一的流體驅(qū)動(dòng)功能微泵，不涉及液體混合、化學(xué)反應(yīng)多功能問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提出一種一體化微流體泵，集流體驅(qū)動(dòng)、混合，化學(xué)反應(yīng)多功能為一體，讓生物溶液和化學(xué)試劑溶液在流經(jīng)微泵泵腔的同時(shí)，完成混合和化學(xué)反應(yīng)，即一泵多用，從而省去單獨(dú)的混合反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)，以使得微分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，降低成本。
本實(shí)用新型的一體化微流體泵，包括硅基片和與其鍵合的封底玻璃片，其特征在于所述硅基片上采用光刻方法制備泵腔及與其連通的兩個(gè)進(jìn)口擴(kuò)散管通道、一個(gè)出口擴(kuò)散管通道；硅基片的表面開有液體進(jìn)水孔和液體出水孔，分別與兩個(gè)進(jìn)口擴(kuò)散管通道及出口擴(kuò)散管通道的末端連通；硅基片表面正對(duì)泵腔位置粘貼有壓電片；封底玻璃片泵腔位置粘貼有電加熱金屬片。
所述的多功能一體化微流體泵，其進(jìn)一步特征在于所述兩個(gè)進(jìn)口擴(kuò)散管通道相對(duì)于出口擴(kuò)散管通道的方向均勻分布；兩個(gè)進(jìn)口擴(kuò)散管通道的矩形截面從泵腔到進(jìn)口端面逐漸收縮；所述出口擴(kuò)散管通道的矩形截面從泵腔到出口端面逐漸擴(kuò)大。
本實(shí)用新型讓生物溶液和化學(xué)試劑溶液在流動(dòng)經(jīng)過微泵泵腔的同時(shí)，完成混合和化學(xué)反應(yīng)，即一泵多用。從而省去單獨(dú)的混合反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)，這使得微分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，降低成本。采用本實(shí)用新型，微分析系統(tǒng)的成本可望降低20％～30％，并具有更好的工作可靠性。
采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD軟件FLUENT對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示泵腔內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)非?；靵y，表明這種微流體泵同時(shí)具備非常有效的液體驅(qū)動(dòng)和混合功能。


圖1為本實(shí)用新型的正面剖視圖；圖2為本實(shí)用新型的俯視圖。
具體實(shí)施方式
如圖1和圖2所示采用光刻，蝕刻方法在硅基片11上制備泵腔8、第一進(jìn)口擴(kuò)散管通道1、第二進(jìn)口擴(kuò)散管通道2和出口擴(kuò)散管通道3；在硅基片的進(jìn)出口處鉆液體進(jìn)水孔4，液體出水孔5；使用環(huán)氧樹脂將壓電片6粘貼在硅膜7上；用環(huán)氧樹脂將電加熱金屬片9粘貼在封底玻璃片10上；最后硅基片11-封底玻璃片10鍵合；封底玻璃片10采用醫(yī)用玻璃Pyrex。
工作原理微流體泵液體進(jìn)水孔4和上游的生物溶液，化學(xué)試劑溶液儲(chǔ)存腔連接，圓形壓電片6上下表面連接交變電源，在交變電場(chǎng)作用下激發(fā)圓形硅膜7上下周期性振動(dòng)，使泵腔8的體積和壓強(qiáng)周期性變化，驅(qū)動(dòng)液體交替排出和吸入，同時(shí)使液體在泵腔內(nèi)上下翻滾，自然形成非?！盎靵y”的流動(dòng)狀態(tài)，這有利于液體充分混合。由于進(jìn)口擴(kuò)散管通道1、2的吸入流量大于排出流量，出口擴(kuò)散管通道3的排出流量大于吸入流量，這使得微泵具有定向?qū)Я髂芰ΑＭ瑫r(shí)生物溶液和化學(xué)試劑溶液分別通過進(jìn)口擴(kuò)散管通道1、2進(jìn)入泵腔8，在“混亂”的流動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)充分混合和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。電加熱金屬片9連接電源加熱，化學(xué)反應(yīng)要求的溫度由電加熱金屬片9控制。最后混合反應(yīng)生成物溶液由出口擴(kuò)散管通道3排出，液體出水孔5下游連接分離檢測(cè)部件(如毛細(xì)管電泳分離通道)。微泵流量大小由外加電場(chǎng)的電壓和頻率來控制?；瘜W(xué)反應(yīng)速度由流量大小和電加熱金屬片溫度控制。
權(quán)利要求1.一體化微流體泵，包括硅基片和與其鍵合的封底玻璃片，其特征在于所述硅基片上采用光刻方法制備泵腔及與其連通的兩個(gè)進(jìn)口擴(kuò)散管通道、一個(gè)出口擴(kuò)散管通道；硅基片的表面開有液體進(jìn)水孔和液體出水孔，分別與兩個(gè)進(jìn)口擴(kuò)散管通道及出口擴(kuò)散管通道的末端連通；硅基片表面正對(duì)泵腔位置粘貼有壓電片；封底玻璃片泵腔位置粘貼有電加熱金屬片。
2.如權(quán)利要求1所述的一體化微流體泵，其特征在于所述兩個(gè)進(jìn)口擴(kuò)散管通道相對(duì)于出口擴(kuò)散管通道的方向均勻分布；兩個(gè)進(jìn)口擴(kuò)散管通道的矩形截面從泵腔到進(jìn)口端面逐漸收縮；所述出口擴(kuò)散管通道的矩形截面從泵腔到出口端面逐漸擴(kuò)大。
專利摘要一體化微流體泵，屬于生物醫(yī)學(xué)微流體元器件，集流體驅(qū)動(dòng)、混合，化學(xué)反應(yīng)多功能為一體，以使得微分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，降低成本。本實(shí)用新型包括硅基片和與其鍵合的封底玻璃片，硅基片上采用光刻方法制備泵腔及與其連通的兩個(gè)進(jìn)口擴(kuò)散管通道、一個(gè)出口擴(kuò)散管通道；硅基片的表面開有液體進(jìn)水孔和液體出水孔，分別與兩個(gè)進(jìn)口擴(kuò)散管通道及出口擴(kuò)散管通道的末端連通；硅基片表面正對(duì)泵腔位置粘貼有壓電片；封底玻璃片泵腔位置粘貼有電加熱金屬片。本實(shí)用新型讓生物溶液和化學(xué)試劑溶液在流動(dòng)經(jīng)過微泵泵腔的同時(shí)，完成混合和化學(xué)反應(yīng)，從而省去單獨(dú)的混合反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)，這使得微分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，成本可望降低20％～30％，并具有更好的工作可靠性。
文檔編號(hào)A61M5/14GK2809266SQ20052009710
公開日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者吳健康 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)