專(zhuān)利名稱(chēng)：氣壓式微流體輸運(yùn)方法及其器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及用于微量液體輸運(yùn)微流體執(zhí)行器件的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
微流體輸運(yùn)器件包括各種微泵、微閥作為微流體中的主要執(zhí)行器件已有約二十年的發(fā)展歷史，其加工技術(shù)由金屬的普通機(jī)械加工方法發(fā)展到硅材料的微加工方法。
在驅(qū)動(dòng)方式上相繼出現(xiàn)了靜電式、壓電式、電磁式、形狀記憶合金式、磁致伸縮式等。
在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了蠕動(dòng)泵、無(wú)閥泵、有閥泵等多種形式。
如德國(guó)夫郎和費(fèi)(Fraunhofer)固體技術(shù)研究所研制的靜電致動(dòng)微型泵由靜電驅(qū)動(dòng)單元和硅微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成。
荷蘭特文特大學(xué)研制的壓電致動(dòng)微型泵，采用壓電片驅(qū)動(dòng)玻璃泵膜。以上微泵均為液體泵，適用于液體的連續(xù)輸送，而不適于微量液體的定量輸送。在結(jié)構(gòu)上和工作原理上都有很多缺點(diǎn)，它的靜電驅(qū)動(dòng)力很弱，需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓和很小的電極間距，工藝的誤差很可能導(dǎo)致泵無(wú)法工作。此外，以往大多數(shù)泵和閥的變形膜片均為硅材料制成，變形膜片的使用壽命都較短，閥的泄露量較大。以往的泵多為液體的連續(xù)輸送而設(shè)計(jì)，液體需先通過(guò)閥和泵腔之后才被輸出，這不僅要有較多的待輸送液體被用于填充泵腔，而且使閥和泵腔被污染。而對(duì)于微量液體的輸送更是極為不適用的。
發(fā)明創(chuàng)造的內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中變形膜片和閥的使用壽命較短，閥的泄露量較大，且需要較多待輸送液體填充泵腔，不適用于對(duì)微量液體輸運(yùn)等問(wèn)題，本發(fā)明利用高壓空氣推動(dòng)液體的方法，實(shí)現(xiàn)微量液體定量輸出的目的，將要提出一種用于微量液體輸運(yùn)并定量輸出而設(shè)計(jì)的新型氣壓式微流體輸運(yùn)方法及其器件。
本發(fā)明利用硅和非硅微加工技術(shù)制造氣壓式微流體輸運(yùn)器件，其輸運(yùn)方法及器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本發(fā)明的微流體輸運(yùn)步驟將進(jìn)氣閥A、泵體B、排氣閥C中的永磁體安裝固定在變形膜片的相應(yīng)位置，并使永磁體的磁極方向保持一致。
通過(guò)驅(qū)動(dòng)電源在電磁線圈上施加偏壓，當(dāng)電磁線圈上電壓方向不斷變化時(shí)，電磁線圈的磁極方向也隨之發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)電磁線圈磁極對(duì)永磁體的吸引和排斥作用，使永磁體帶動(dòng)變形膜片的相應(yīng)部位不斷產(chǎn)生上下位移，在進(jìn)氣閥A、排氣閥C中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)閥口的動(dòng)作，在泵體B中產(chǎn)生吸氣和壓氣運(yùn)動(dòng)。
在泵體B的吸氣和壓氣過(guò)程中，控制進(jìn)氣閥A、排氣閥C的打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)序，使得在高氣壓腔中產(chǎn)生高壓空氣，利用高壓空氣推動(dòng)待輸出液體注入腔中的液體輸出。
利用電磁線圈10、永磁體9、進(jìn)氣閥A、泵體B、排氣閥C和變形膜片7的固定結(jié)構(gòu)，在電磁線圈上施加的電壓方向變換時(shí)序固定，泵體的每一次吸氣和壓氣運(yùn)動(dòng)的排氣量相對(duì)確定，使得輸出液體每一次的泵送量一定，通過(guò)計(jì)量泵送次數(shù)即可得到待輸出液體注入腔中液體的輸出量。
本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)在電磁線圈基板11的上表面分別固定安置有進(jìn)氣閥A、泵體B、排氣閥C的電磁線圈10和驅(qū)動(dòng)電源15；電磁線圈10的兩端與可施加正反兩方向偏壓的驅(qū)動(dòng)電源15相連；在變形膜片7的下表面分別固定安置進(jìn)氣閥A、泵體B、排氣閥C的永磁體9，在變形膜片7與電磁線圈基板11之間固定安置有支撐塊14，在變形膜片7的本體上制備有兩個(gè)凸起，變形膜片7的上表面與泵腔結(jié)構(gòu)6的下表面固定連接，泵腔結(jié)構(gòu)6的上表面與微通道結(jié)構(gòu)5的下表面固定連接，微通道結(jié)構(gòu)5的上表面與蓋板13的下表面固定連接，在蓋板13的本體上制備有液體注入孔2，注入孔2與密封蓋3連接，在微通道結(jié)構(gòu)5和泵腔結(jié)構(gòu)6的本體上制備有待輸出液體注入腔1。
變形膜片7采用聚合物材料制成。電磁線圈10采用平面線圈。
本發(fā)明工作過(guò)程(a)泵送準(zhǔn)備打開(kāi)密封蓋3，通過(guò)液體注入孔2將待輸出液體注入到待輸出液體注入腔1中，關(guān)閉密封蓋3，使之與蓋板13和注入孔2密封。
(b)泵送過(guò)程為電磁線圈10施加電壓，使進(jìn)氣閥A、排氣閥C關(guān)閉，泵體B處于壓氣(排氣)位置。改變進(jìn)氣閥A、泵體B的電磁線圈10的電壓方向，使進(jìn)氣閥A打開(kāi)，同時(shí)泵體B實(shí)現(xiàn)吸氣運(yùn)動(dòng)?？諝馔ㄟ^(guò)常壓腔12和進(jìn)氣閥A進(jìn)入泵腔體8。
同時(shí)改變進(jìn)氣閥A、泵體B、排氣閥C的電磁線圈10的電壓方向，使進(jìn)氣閥A關(guān)閉，排氣閥C打開(kāi)，泵體B進(jìn)行壓氣(排氣)運(yùn)動(dòng)。泵腔體7中的空氣被壓縮，通過(guò)排氣閥C打開(kāi)的閥口進(jìn)入高氣壓腔4。
被壓入高氣壓腔4的高壓氣體推動(dòng)待輸出液體注入腔1中的待輸出液體輸出。
排氣閥C關(guān)閉，完成一次泵送運(yùn)動(dòng)。
多次重復(fù)進(jìn)行以上泵送運(yùn)動(dòng)，可使待輸出液體連續(xù)輸出。
本發(fā)明的積極效果為了解決背景技術(shù)中變形膜片和閥的使用壽命較短，閥的泄露量較大的問(wèn)題，本發(fā)明提出用聚合物材料制作變形膜片，可延長(zhǎng)變形膜片的使用壽命。變形膜片本體上的兩個(gè)凸起，可大大減小閥的泄露量。
采用了驅(qū)動(dòng)力較大的電磁驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)平面電磁線圈所產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動(dòng)在變形膜片上的永磁體，可使變形膜片產(chǎn)生較大的變形量。本發(fā)明利用永磁材料和電磁驅(qū)動(dòng)方式，不僅可以增加泵的壓力，還可大大減小閥的泄露。電磁線圈采用平面線圈結(jié)構(gòu)，有利于提高器件的集成度。
本發(fā)明提出的氣壓式微流體輸運(yùn)器件結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)微量液體的定量輸出，待輸送液體不需經(jīng)過(guò)進(jìn)氣閥A、泵體B、排氣閥C構(gòu)成的泵腔體和微閥腔體，本發(fā)明不需要大量待輸送液體連續(xù)流動(dòng)輸運(yùn)，對(duì)待輸送液體的需要量很小，通過(guò)泵腔產(chǎn)生的高氣壓，可將待輸出的微量液體由待輸出液體注入腔直接壓出。解決了背景技術(shù)中一般液體泵需要較多待輸送液體填充泵腔的問(wèn)題。例如將本發(fā)明用于微型生化分析儀系統(tǒng)，由于所需待輸送液體量(即被測(cè)樣品)很少，使得試劑量大大減少，因而使用本發(fā)明可以降低檢測(cè)所需的成本、縮短檢測(cè)所需時(shí)間、提高儀器的使用效率。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如附圖所示主要包括進(jìn)氣閥A、泵體B、排氣閥C、儲(chǔ)液輸出體D四部分組成。
進(jìn)氣閥A由微通道結(jié)構(gòu)5、泵腔結(jié)構(gòu)6、蓋板13、變形膜片7、永磁體9、電磁線圈10、電磁線圈基板11、支撐塊14、常壓腔12的整體或部分組成；泵體B由微通道結(jié)構(gòu)5、泵腔結(jié)構(gòu)6、蓋板13、變形膜片7、泵腔體8、永磁體9、電磁線圈10、電磁線圈基板11的整體或部分組成；排氣閥C由高氣壓腔4、微通道結(jié)構(gòu)5、泵腔結(jié)構(gòu)6、蓋板13、變形膜片7、永磁體9、電磁線圈10、電磁線圈基板11、的整體或部分組成；儲(chǔ)液輸出體D由待輸出液體注入腔1、液體注入孔2、密封蓋3、高氣壓腔4、微通道結(jié)構(gòu)5、泵腔結(jié)構(gòu)6、蓋板13、變形膜片7、支撐塊14、電磁線圈基板11的整體或部分組成；最佳實(shí)施例器件材料選擇密封蓋3、微通道結(jié)構(gòu)5、泵腔結(jié)構(gòu)6、蓋板13、電磁線圈基板11和支撐塊14采用透明玻璃、石英、硅或聚合物等材料制成；變形膜片7采用聚合物材料制成，例如聚二甲基硅氧烷、SU-8、聚酰亞胺等材料；永磁體9采用如釹鐵硼等永磁材料；電磁線圈10采用銅制成的平面線圈；在驅(qū)動(dòng)電源15可接入驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)。
制作工藝1)微通道層制作工藝將硅片進(jìn)行雙面氧化；一次光刻待輸出液體注入腔1圖形；SiO2一次刻蝕；Si一次刻蝕；二次光刻微通道結(jié)構(gòu)5圖形；SiO2二次刻蝕；Si二次刻蝕。
2)泵腔層制作工藝將硅片進(jìn)行雙面氧化；一次光刻進(jìn)氣閥A、泵體B、排氣閥C圖形；SiO2一次刻蝕；Si一次刻蝕；SiO2二次光刻泵腔結(jié)構(gòu)6圖形；Si二次刻蝕。
3)變形膜片制作工藝將硅片進(jìn)行雙面氧化；光刻變形膜片7圖形；SiO2刻蝕；硅刻蝕；聚合物變形膜片結(jié)構(gòu)微鑄塑；聚合物變形膜片結(jié)構(gòu)脫模。
4)電磁線圈制作工藝將硅片進(jìn)行氧化；一次光刻線圈圖形；SiO2刻蝕；Si干法刻蝕；濺射Cu電鑄種子層；二次光刻線圈圖形；電鑄線圈；去膠；去多余種子層；引出電極。
5)鍵合工藝微通道層下表面與泵腔層上表面鍵合；微通道層上表面與蓋板下表面鍵合；泵腔層下表面與聚合物變形膜片結(jié)構(gòu)上表面鍵合；永磁體與聚合物變形膜片粘合；電磁線圈基板上表面與支撐塊下表面鍵合；聚合物變形膜片下表面與支撐塊上表面鍵合。
權(quán)利要求
1.氣壓式微流體輸運(yùn)方法，其特征在于利用進(jìn)氣閥A、泵體B、排氣閥C中的永磁體和變形膜片使永磁體的磁極方向保持一致；利用永磁體帶動(dòng)變形膜片的相應(yīng)部位不斷產(chǎn)生上下位移，在進(jìn)氣閥A、排氣閥C中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)閥口的動(dòng)作，在泵體B中產(chǎn)生吸氣和壓氣運(yùn)動(dòng)；在泵體B的吸氣和壓氣過(guò)程中，控制進(jìn)氣閥A、排氣閥C的打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)序，使得在高氣壓腔中產(chǎn)生高壓空氣，利用高壓空氣推動(dòng)待輸出液體注入腔中的液體輸出；利用電磁線圈、永磁體、進(jìn)氣閥、泵體、排氣閥和變形膜片的固定結(jié)構(gòu)，在電磁線圈上施加的電壓方向變換時(shí)序固定，泵體的每一次吸氣和壓氣運(yùn)動(dòng)的排氣量相對(duì)確定，使得輸出液體每一次的泵送量一定，通過(guò)計(jì)量泵送次數(shù)即可得到待輸出液體注入腔中液體的輸出量。
2.氣壓式微流體輸運(yùn)器件，包括液體注入孔2、密封蓋3、電磁線圈基板11、蓋板13、支撐塊14、驅(qū)動(dòng)電源15，其特征在于還包括待輸出液體注入腔1、高氣壓腔4、微通道結(jié)構(gòu)5、泵腔結(jié)構(gòu)6、變形膜片7、泵腔體8、永磁體9、電磁線圈10、常壓腔12，在電磁線圈基板11的上表面分別固定安置有進(jìn)氣閥A、泵體B、排氣閥C的電磁線圈10和驅(qū)動(dòng)電源15；電磁線圈10的兩端與可施加正反兩方向偏壓的驅(qū)動(dòng)電源15相連；在變形膜片7的下表面分別固定安置進(jìn)氣閥A、泵體B、排氣閥C的永磁體9，在變形膜片7與電磁線圈基板11之間固定安置有支撐塊14，在變形膜片7的本體上制備有兩個(gè)凸起，變形膜片7的上表面與泵腔結(jié)構(gòu)6的下表面固定連接，泵腔結(jié)構(gòu)6的上表面與微通道結(jié)構(gòu)5的下表面固定連接，微通道結(jié)構(gòu)5的上表面與蓋板13的下表面固定連接，在蓋板13的本體上制備有液體注入孔2，注入孔2與密封蓋3連接，在微通道結(jié)構(gòu)5和泵腔結(jié)構(gòu)6的本體上制備有待輸出液體注入腔1。
3.氣壓式微流體輸運(yùn)器件，其特征在于變形膜片7采用聚合物材料制成。
4.氣壓式微流體輸運(yùn)器件，其特征在于電磁線圈10采用平面線圈。
全文摘要
本發(fā)明涉及微量液體輸運(yùn)方法及器件。進(jìn)氣閥A、泵體B、排氣閥C中永磁體與變形膜片連接使磁極方向一致使變形膜片上下位移，在進(jìn)、排氣閥和泵體中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)閥口和吸、壓氣動(dòng)作；控制泵和進(jìn)、排氣閥的開(kāi)關(guān)時(shí)序，使高氣壓腔產(chǎn)生高壓空氣推動(dòng)待輸出液體輸出；利用驅(qū)動(dòng)電壓變換時(shí)序固定，計(jì)量待輸出液體泵送次數(shù)得到其輸出量。包括注入腔1、注入孔2、密封蓋3、高氣壓腔4、通道5、泵腔6、膜片7、泵腔8、永磁體9、線圈10、基板11、常壓腔12、蓋板13、支撐塊14、電源15。膜片用聚合物材料延長(zhǎng)使用壽命。電磁驅(qū)動(dòng)使泵壓力增大使閥泄露減小。待輸送液體不需經(jīng)泵腔體和微閥腔體連續(xù)流動(dòng)，泵腔產(chǎn)生高氣壓將待輸出液體直接壓出。
文檔編號(hào)F04B43/04GK1542277SQ03127060
公開(kāi)日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2003年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月4日
發(fā)明者張平, 吳一輝, 韓邦成, 王淑榮, 鞠揮, 白蘭, 張 平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研