專利名稱：一種微機械往復(fù)膜片泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機械往復(fù)膜片泵，特別是涉及生物化學(xué)微量分析用的微機械往復(fù)膜片泵。
背景技術(shù)：
在生物化學(xué)微量分析中廣泛地采用微機械往復(fù)膜片泵，它在進樣、分析、清洗等步驟中起到泵送試樣、試劑、緩沖液的作用。一般微機械往復(fù)膜片泵的工作原理是在泵腔兩端連接選向閥，在泵腔上方覆蓋膜片，膜片進行往復(fù)運動，迫使泵腔從一端吸入流體，從另一端排出流體。微機械往復(fù)膜片泵可以根據(jù)采用有運動件單向閥、無運動件選向閥分為兩大類。
采用有運動件單向閥的微機械往復(fù)膜片泵，其優(yōu)點是可以阻止靜態(tài)回流，缺點是結(jié)構(gòu)制作復(fù)雜、運動件的壽命短、閥口運動件對細胞與大分子有一定破壞作用、驅(qū)動含較大固體顆粒的流體會影響閥口密封、泵壓低、輸出脈動大。中國專利95117829.6“硅微熱致動泵及其制造工藝”公開了一種采用有運動件單向閥、泵腔為單連通域的微機械泵。
采用無運動件選向閥的微機械往復(fù)膜片泵，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易制作、壽命長，缺點是不能阻止靜態(tài)回流。由于允許流體含較大顆粒、對細胞和大分子不造成破壞，采用無運動件單向閥的微機械往復(fù)膜片泵特別適用于生物化學(xué)微量分析。中國專利96232181“硅微機械泵”公開了一種采用錐口作為無運動件閥、泵腔為單連通域的微機械泵。迄今為止，采用無運動件單向閥的微機械往復(fù)膜片泵的主要缺陷是泵壓不足、輸出脈動大，限制了其應(yīng)用范圍。
中國專利01207658“雙腔式雙金屬膜熱驅(qū)動微型泵”公開了雙泵腔并聯(lián)結(jié)構(gòu)的微機械泵，雙腔之間反相動作可以減小輸出脈動。中國專利02132855.2“多腔壓電薄膜驅(qū)動泵”，采用多泵腔串、并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)，使泵腔間工作形成相位關(guān)系，可以獲得更高泵壓、更小輸出脈動。專利中采用有運動件單向閥，但其專利原理同樣適用于采用無運動件單向閥的微機械往復(fù)膜片泵。多泵腔串、并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)的缺點是結(jié)構(gòu)較為龐大復(fù)雜，泵腔占用流體量大。
由Fred K.Foster等人發(fā)明的美國專利5,876,187及US6,227,809B1公開了一種采用慣性整流流道作為無運動件閥、單泵腔、泵腔為單連通域的微機械往復(fù)膜片泵。該泵整體結(jié)構(gòu)由硅泵體、石英膜片、壓電晶片三個零件組成，其特征是在硅泵體上刻蝕出的無運動件閥采用一種慣性整流流道，比常用的錐口無運動件閥具有更好的流阻選向效果，可以獲得更大的泵壓。此種慣性整流流道基于1920年由Nicola Tesla發(fā)明的美國專利1329559的原理、結(jié)構(gòu)，將流體的慣性動量與流道結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使正、反兩個方向流動經(jīng)歷不同的流動軌線，從而產(chǎn)生不同的流阻。
由Fred K.Foster等人發(fā)明的這種微泵，只考慮到在無運動件閥中利用慣性整流，沒有對泵內(nèi)整個流動過程進行慣性整流；對于生物化學(xué)分析的應(yīng)用而言，它可獲得泵壓仍然不夠高，輸出脈動仍然很大。它采用的泵腔與已有微機械往復(fù)膜片泵泵腔相同，均為單連通域腔，占用流體量大、流體在其中停滯時間不確定、清洗過程長。

發(fā)明內(nèi)容
為解決微機械無運動件閥往復(fù)膜片泵的上述問題，本發(fā)明提出一種在泵內(nèi)整個流動過程中實現(xiàn)雙級慣性整流、采用非單連通域泵腔的微機械泵，目的是提高泵壓、減小輸出脈動、減小泵腔占用流體量。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下微機械泵由泵體基板與膜片鍵合、膜片與壓電振子粘接形成一體。泵體基板上表面刻蝕出的環(huán)形槽、圓臺，與膜片之間形成慣性環(huán)行腔；慣性環(huán)行腔通過兩個慣性整流流道分別與輸入腔、輸出腔連接。慣性整流流道端口段與慣性環(huán)行腔形成相切位置關(guān)系，并且兩個慣性整流流道的端口之間形成口對口的位置關(guān)系。與輸入腔相連接的慣性整流流道內(nèi)，從輸入腔流向慣性環(huán)行腔的流阻小于從慣性環(huán)行腔流向輸入腔的流阻；與輸出腔相連接的慣性整流流道內(nèi)，從輸出腔流向慣性環(huán)行腔的流阻大于從慣性環(huán)行腔流向輸出腔的流阻。
本發(fā)明與背景技術(shù)中的微機械無運動件閥往復(fù)膜片泵相比，具有的有益效果是1、本發(fā)明提供微機械往復(fù)膜片泵，采用慣性整流流道、慣性環(huán)行腔的雙級慣性整流結(jié)構(gòu)，可以提高從輸入口流向輸出口、從輸出口流向輸入口兩個流動方向的流動阻尼差，從而實現(xiàn)更大泵壓。
2、本發(fā)明提供微機械往復(fù)膜片泵，在慣性環(huán)行腔吸入流體階段，已存在于慣性環(huán)行腔的環(huán)流會對從輸出腔向慣性環(huán)行腔的回流產(chǎn)生堵截作用，從而降低輸出口回流造成的輸出脈動。
3、本發(fā)明提供微機械往復(fù)膜片泵，采用非單連通域的環(huán)形槽泵腔，使泵腔成為一段流道，有利于減小泵腔占用試液體積，并使流體通過泵腔的時間縮短；前后段流體之間形成相互驅(qū)動關(guān)系，流體在泵腔中停留時間一致，有利于提高生物化學(xué)分析的一致性；流體在泵腔中不會形成滯留，避免了死體積，有利于清洗、換液。


圖1、圖2為本發(fā)明具體實施方式
的單腔泵結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖1為圖2的A-A平面的剖面圖，圖2為圖1的B-B平面的剖面圖。
圖中泵體基板1，膜片2，壓電振子3、慣性整流流道4與4’、環(huán)形槽5’、環(huán)形腔5、輸入槽6、輸出槽7、圓臺8。
圖3是本發(fā)明的慣性整流流道4或4’結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4a是本發(fā)明單腔泵工作上半周期(吸入流體時)的動量關(guān)系示意圖；圖4b是本發(fā)明單腔泵工作下半周期(排出流體時)的動量關(guān)系示意圖；圖4c是本發(fā)明單腔泵工作上半周期(吸入流體時)環(huán)流對輸出回流產(chǎn)生堵截作用的動量關(guān)系示意圖。
圖5a是本發(fā)明雙泵腔同相工作上半周期(上、下泵腔均吸入流體)的流動動量示意圖；圖5b是本發(fā)明雙泵腔同相工作下半周期(上、下泵腔均排出流體)的流動動量示意圖；圖5c是本發(fā)明雙泵腔反相工作上半周期(上泵腔吸入流體、下泵腔排出流體)的流動動量示意圖；圖5d是本發(fā)明雙泵腔反相工作下半周期(上泵腔排出流體、下泵腔吸入流體)的流動動量示意圖。
圖6是本發(fā)明單腔泵一個工作周期內(nèi)輸出口截面的“當量流速—時間”曲線圖。
圖中當量流速為輸出口截面上多點的平均流速，正值為從輸出口向泵腔回流，當量流速負值為從輸出口泵出。流量近似等于當量流速與輸出口截面之積。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1、圖2所示，本發(fā)明微機械泵由泵體基板1與膜片2鍵合、膜片2與壓電振子3粘接形成一體。端口段泵體基板1上表面刻蝕出環(huán)形槽5’、圓臺8，與膜片2之間形成慣性環(huán)行腔5；慣性環(huán)行腔5通過兩個慣性整流流道4、4’分別與輸入腔6、輸出腔7連接。慣性整流流道4、4’端口段與慣性環(huán)行腔5形成相切位置關(guān)系，并且兩個慣性整流流道4、4’的端口之間形成口對口的位置關(guān)系。與輸入腔6相連接的慣性整流流道4內(nèi)，從輸入腔6流向慣性環(huán)行腔5的流阻小于從慣性環(huán)行腔5流向輸入腔6的流阻；與輸出腔7相連接的慣性整流流道4’內(nèi)，從輸出腔7流向慣性環(huán)行腔5的流阻大于從慣性環(huán)行腔5流向輸出腔7的流阻。
所說的慣性整流流道4、4’具有完全相同的結(jié)構(gòu)尺寸。
所說的圓臺8與膜片2不形成一體，使膜片2可以上下振動。
所說的泵體基板1材料為硅片或石英，膜片2材料為石英或銅。
所說的壓電振子3采用壓電晶片。
壓電振子3驅(qū)動膜片2作撓曲變形，產(chǎn)生簡諧振動，從而使慣性環(huán)行腔5體積做增大、減小的往復(fù)變化，促使流體流動。如圖3所示，慣性整流流道4、4’根據(jù)1920年由NicolaTesla發(fā)明的美國專利1329559的原理設(shè)計成；由于流動慣性，流體在每個流道分叉口處將優(yōu)先流入使其動量方向改變較小的流道；圖中帶箭頭的細實線指出了兩個相反方向流動時流體的流動軌跡。從A端流入的流體經(jīng)過的路徑短、路徑彎折角度小，從而流阻?。粡腂端流入的流體經(jīng)過的路徑長、路徑彎折角度大，從而流阻大。
在慣性整流流道4、4’與慣性環(huán)行腔5相切連接處，進一步提高相反兩個流動方向的流阻差。如圖4a所示，當慣性環(huán)行腔5吸入流體時，慣性環(huán)行腔5中形成環(huán)流，環(huán)流方向和連接輸入腔6的慣性整流流道4中的流動趨勢一致，而和連接輸出腔7的慣性整流流道4’中的流動趨勢相反。如圖4b所示，當泵腔排出流體時，慣性環(huán)行腔中保持環(huán)流，環(huán)流方向和連接輸出腔7的慣性整流流道4’中的流動趨勢一致，而和連接輸入腔6的慣性整流流道4中的流動趨勢相反。由于相同方向動量(或流動趨勢)會相互增強、相反方向動量(或流動趨勢)會相互削弱，總的結(jié)果是從輸入腔6流向輸出腔7方向的總流阻得到降低，從輸出腔7流向輸入腔6方向的總流阻得到提高。兩個方向總流阻差的提高，有助于產(chǎn)生更大的輸出泵壓。
如圖4c所示，當慣性環(huán)行腔5吸入流體階段時，已存在的環(huán)流會注入連接輸出腔7的慣性整流流道4’中，對從輸出腔7向慣性環(huán)行腔5的流動產(chǎn)生堵截作用，可以有效減小輸出回流，從而減小輸出脈動。
由圖6可以近似反映一個周期內(nèi)流量的變化規(guī)律；由于流量近似等于當量流速與輸出口截面之積，可以分析出，一個周期內(nèi)的輸出流量遠大于回流流量。從圖上還可以看出，由于慣性環(huán)流的作用，從輸出口排出流體的時間遠大于吸入流體的時間。
如圖5所示，本發(fā)明還可以采用雙泵腔的結(jié)構(gòu)，兩個泵腔協(xié)同工作。當兩個慣性環(huán)行腔5如圖5a、圖5b所示同相工作時，可以提高輸出泵壓；當兩個慣性環(huán)行腔5如圖5c、圖5d所示反相工作時，可以減小輸出脈動。本發(fā)明還可以采用其它的多泵腔組合結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明與美國專利5,876,187及US6,227,809B1公開的微機械往復(fù)膜片泵的主要結(jié)構(gòu)區(qū)別在于a.本發(fā)明采用環(huán)形流道式泵腔，美國專利5,876,187及US6,227,809B1采用的是單連通域圓柱形泵腔。b.本發(fā)明使慣性整流流道4、4’與慣性環(huán)行腔5形成相切位置關(guān)系，并且兩個慣性整流流道4、4’與慣性環(huán)行腔5連接的端口形成口對口的位置關(guān)系。美國專利5,876,187及US6,227,809B1中慣性整流流道端口段與單連通域圓柱形泵腔連接的方式是垂直連接，并不要求相對位置。
權(quán)利要求
1.一種微機械往復(fù)膜片泵，其特征在于它包括由泵體基板[1]與膜片[2]鍵合、膜片[2]與壓電振子[3]粘接形成一體，泵體基板[1]上表面刻蝕出環(huán)形槽[5’]、圓臺[8]，與膜片[2]之間形成慣性環(huán)行腔[5]；慣性環(huán)行腔[5]通過兩個慣性整流流道[4]、[4’]分別與輸入腔[6]、輸出腔[7]連接；慣性整流流道[4]、[4’]端口段與慣性環(huán)行腔[5]形成相切位置關(guān)系，并且兩個慣性整流流道4、[4’]的端口之間形成口對口的位置關(guān)系；與輸入腔[6]相連接的慣性整流流道[4]內(nèi)，從輸入腔[6]流向慣性環(huán)行腔[5]的流阻小于從慣性環(huán)行腔[5]流向輸入腔[6]的流阻；與輸出腔[7]相連接的慣性整流流道[4’]內(nèi)，從輸出腔[7]流向慣性環(huán)行腔[5]的流阻大于從慣性環(huán)行腔[5]流向輸出腔[7]的流阻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機械往復(fù)膜片泵，其特征在于所說的慣性整流流道[4]、[4’]具有完全相同的結(jié)構(gòu)尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機械往復(fù)膜片泵，其特征在于所說的圓臺[8]與膜片[2]不形成一體，使膜片[2]可以上下振動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機械往復(fù)膜片泵，其特征在于所說的泵體基板[1]材料為硅片或石英，膜片[2]材料為石英或銅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機械往復(fù)膜片泵，其特征在于所說的壓電振子[3]采用壓電晶片，驅(qū)動膜片[2]作撓曲變形，產(chǎn)生簡諧振動。
全文摘要
本發(fā)明是一種微機械往復(fù)膜片泵，特別是涉及生物化學(xué)微量分析用的微機械往復(fù)膜片泵。它采用壓電驅(qū)動器件作為動力源，使泵腔膜片產(chǎn)生振動，從而迫使泵腔往復(fù)地吸入、泵出流體；本發(fā)明采用慣性整流流道作為無運動件閥，使得沿一個方向的流動阻尼大于相反方向的流動阻尼；本發(fā)明采用慣性環(huán)行腔，進一步明顯增大兩個方向的阻尼差，有利于提高輸出泵壓，并減小由于輸出回流導(dǎo)致的流量輸出脈動。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)、可以驅(qū)動含有較大顆粒流體、不破壞流體中的細胞或大分子、無死體積、相同體積液體流過泵腔的時間一致等優(yōu)點。本發(fā)明適用于在截面尺寸為幾十、幾百微米的微流道中驅(qū)動微小體積流體。
文檔編號F04B17/00GK1673528SQ20041000345
公開日2005年9月28日 申請日期2004年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月24日
發(fā)明者王皓, 姚漢民, 杜春雷, 焦玉中 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所