專利名稱：一種新型自吸微型泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及微流體傳輸與控制技術(shù)，尤 其是涉及微型泵結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
近些年來，MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)是集成微 型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路甚至接口、 通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)，是以微電子、微機(jī)械及材料科 學(xué)為基礎(chǔ)，研究、設(shè)計(jì)、制造具有特定功能的微型裝置。利用微機(jī)械加 工技術(shù)制作微流體器件，用于輸送、檢測(cè)控制微升量級(jí)流量、流體的器 件，它是微流體系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其中微閥、微型泵、微通道和微流量傳感 器是最具代表性的微流體器件。
微流體系統(tǒng)由于具有體積小、操作簡(jiǎn)單、安裝方便、計(jì)算機(jī)接口控 制等優(yōu)越性，非常適合于生命科學(xué)、生物化學(xué)、分析化學(xué)和醫(yī)學(xué)等研究 應(yīng)用領(lǐng)域。利用MEMS工藝技術(shù)制作出功能完備、價(jià)格低廉、攜帶方便 的生物芯片，它往往集樣品處理、檢測(cè)、分析及結(jié)果輸出為一體，成為 一個(gè)微型的片上生物實(shí)驗(yàn)室，可以完成如體液成分分析、DNA成分分析 等諸多功能。
作為微流量系統(tǒng)中流體驅(qū)動(dòng)部分的微泵，由于其能精確驅(qū)動(dòng)和控制 流體，在藥物微量輸送、燃料微量噴射、細(xì)胞分離、集成電子元件冷卻、 基因工程、微量化學(xué)分析以及微小型衛(wèi)星的推進(jìn)等方面有著重要的和廣 泛的應(yīng)用。
目前，已研制出來的微型泵結(jié)構(gòu)、加工工藝形式多樣，驅(qū)動(dòng)方式分 別有靜電驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)、電液驅(qū)動(dòng)、光驅(qū) 動(dòng)、超聲驅(qū)動(dòng)、氣泡驅(qū)動(dòng)以及形狀記憶合金膜驅(qū)動(dòng)等等，但是實(shí)用化的 微泵在國(guó)內(nèi)還沒有，與其它應(yīng)用于微電子機(jī)械系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式相比較，
基于壓電驅(qū)動(dòng)、靜電和電磁驅(qū)動(dòng)方式具有優(yōu)越的力學(xué)特性，能提供足夠 大的驅(qū)動(dòng)力和位移，響應(yīng)速度快，可靠性好。因此得到普遍關(guān)注。
無閥微泵利用流體在微尺寸下的新特性，原理新穎，但是有回流現(xiàn) 象存在，使其使用的范圍變小。被動(dòng)止回閥式的微泵，雖然截流性能提 高了，止回閥的開啟與關(guān)閉主要是利用內(nèi)外壓差，如果壓差太小，開啟 就很困難，同時(shí)閥片容易被堵塞，特別是液體中有微小的微粒，所以維 護(hù)就很困難，使用壽命會(huì)變短。也有熱驅(qū)動(dòng)雙腔微泵的報(bào)道，這種結(jié)構(gòu) 微泵的主要缺點(diǎn)在于1)泵腔死體積過大，不容實(shí)現(xiàn)自吸，工作時(shí)候 需要注樣，這樣就會(huì)浪費(fèi)藥品或試劑。2)熱驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)速度低。3)對(duì)
液體泵速不高，4)不能泵送氣體。由于有上述這些不足之處，這些類
型的微泵商業(yè)化是很困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)加工工藝難、使用壽命短和工作不穩(wěn) 的問題，提供一種主動(dòng)閥與變間隙彈性緩沖機(jī)制相結(jié)合的自吸微型泵。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明自吸微型泵的技術(shù)方案如下包括主要 由泵體下片、泵體上片和驅(qū)動(dòng)器三部分組成，其中在驅(qū)動(dòng)器和泵體下 片之間有泵體上片；在泵體下片本體上有泵腔、閥座、第一錐形擴(kuò)散管、 錐形收縮管、第二錐形擴(kuò)散管；在泵腔上的第一錐形擴(kuò)散管和第二錐形 擴(kuò)散管之間有閥座，在闊座上鑲嵌有錐形收縮管。
微型自吸泵的工作原理為在壓電驅(qū)動(dòng)器上加有方波交流信號(hào)時(shí)， 壓電驅(qū)動(dòng)器會(huì)周期性振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)使泵膜振動(dòng)，錐形收縮管的收縮口 會(huì)周期性地被堵住與打開，錐形擴(kuò)散管的擴(kuò)散口一直處于打開狀態(tài)，由 于泵膜在周期的驅(qū)動(dòng)力下作周期性振動(dòng)，使得泵腔體積作周期性變化， 從而實(shí)現(xiàn)工作物質(zhì)的吸入與排出。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1. 本發(fā)明的泵膜(泵體上片)可以采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)、硅、 玻璃或高分子聚合物材料，泵膜材料選取具有多樣性。
2. 本發(fā)明將泵體上片、主動(dòng)閥片和彈性緩沖單元結(jié)合于一體，使 自吸微型泵死體積小。
3. 本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)部分采用的可以是壓電、靜電、電磁等多樣性的 驅(qū)動(dòng)方式。
4. 本發(fā)明所提供的主動(dòng)閥與擴(kuò)散管、收縮管相結(jié)合的微泵，避免 了應(yīng)用被動(dòng)閥片。由于被動(dòng)閥片容易疲勞損壞、反向截流性能不好等缺 點(diǎn)，主動(dòng)閥的應(yīng)用延長(zhǎng)了微型泵的使用壽命，提高了微型泵的可靠性。
5. 本發(fā)明可以采用微細(xì)加工、微機(jī)械技術(shù)相兼容的材料和工藝制
造，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于批量生產(chǎn)、成本低。
6. 體積小、重量輕、功耗低，易集成化等優(yōu)點(diǎn)。
該微泵是一種單主動(dòng)閥、單泵膜、單泵腔結(jié)構(gòu)，能有效地解決周期 性波動(dòng)、流量不穩(wěn)、不能自吸和不能用于氣體工作物質(zhì)等的問題，使輸 出流量穩(wěn)定、連續(xù)可調(diào)、完全自吸不需要注樣。既可以用于液體工作物 質(zhì)，也可以用于氣體工作物質(zhì)，提高微泵的使用壽命和工作穩(wěn)定性。


圖l是本發(fā)明一種新型自吸微型泵主視圖
圖2是本發(fā)明一種新型自吸微型泵結(jié)構(gòu)示意圖
圖3是本發(fā)明一種單進(jìn)樣雙出樣壓電驅(qū)動(dòng)微型泵結(jié)構(gòu)示意圖
圖4是本發(fā)明一種單進(jìn)樣單出樣微型泵結(jié)構(gòu)示意圖
圖5為本發(fā)明實(shí)施例新型自吸微型泵的照片
圖6為本發(fā)明實(shí)施例圖4的流速與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說明，應(yīng)指出的是，所描述的實(shí) 施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
根據(jù)本發(fā)明的圖1和圖2，是一種新型自吸微型泵主視圖，是一種
新型自吸微型泵結(jié)構(gòu)示意圖所示由泵體下片5、泵體上片l和驅(qū)動(dòng)器 4三部分組成，其中在驅(qū)動(dòng)器4和泵體下片5之間有泵體上片1;在
泵體下片5本體上有泵腔2、閥座3、第一錐形擴(kuò)散管6、錐形收縮管7、 第二錐形擴(kuò)散管8;在泵腔2上的第一錐形擴(kuò)散管6和第二錐形擴(kuò)散管 8之間有閥座3，在閥座3上鑲嵌有錐形收縮管7。
實(shí)施例1:
所述第一錐形擴(kuò)散管6、錐形收縮管7和第二錐形擴(kuò)散管8都與泵
腔2連通。所述錐形收縮管7的小口端與泵體上片1接觸，將錐形收縮 管7常閉。所述第一錐形擴(kuò)散管6和第二錐形擴(kuò)散管8的大口端位于泵 腔2內(nèi)，處于常開狀態(tài)。所述閥座3位于泵腔2的中間，泵腔2形狀是 正一方形或圓形。所述錐形收縮管7的小口端位于泵腔2中部突起的閥座 3的中心位置，且錐形收縮管7的小口端尺寸小于闊座3的尺寸。所述 閥座3的上表面高度高于或等高于泵體下片5四周的上表面。泵體下片 5材料可采用硅、聚合物或塑料。所述第一錐形擴(kuò)散管6、第二錐形擴(kuò) 散管8和錐形收縮管7均采用錐形。所述第一錐形擴(kuò)散管6、第二錐形 擴(kuò)散管8的端部為出樣口，錐形收縮管7的端部為進(jìn)樣口。所述泵體上 片1將泵膜、主動(dòng)閥片和彈性緩沖單元三種功能集于一體。
實(shí)施例2:
如圖3是一種壓電驅(qū)動(dòng)的單進(jìn)樣雙出樣微型泵，其結(jié)構(gòu)包括泵體上 片l、泵腔2、閥座3、壓電懸臂梁驅(qū)動(dòng)器4、泵體下片5、第一錐形收 縮管6、錐形擴(kuò)散管7、第二錐形收縮管8、驅(qū)動(dòng)器固定件9;泵腔2采 用圓形或方形單腔，由錐形收縮管7組成單進(jìn)樣口；由第一錐形擴(kuò)散管 6、第二錐形擴(kuò)散管8組成雙出樣口。泵體下片5采用硅片；泵體上片l 為PDMS (聚二甲基硅氧烷)泵膜。其中泵體下片5上有泵腔2、閥座3、 第一錐形擴(kuò)散管6和第二錐形擴(kuò)散管8。
當(dāng)對(duì)該設(shè)備加載交流電壓時(shí)，本實(shí)施例可以當(dāng)微型泵使用，可以自 吸；當(dāng)對(duì)該設(shè)備加載直流電壓時(shí)可以當(dāng)微型閥使用。用MEMS技術(shù)加工 出泵體上片l、泵腔2、閥座3、第一錐形擴(kuò)散管6、第二錐形擴(kuò)散管8 和錐形收縮管7，且第—-錐形擴(kuò)散管6、第二錐形擴(kuò)散管8對(duì)稱于錐形 收縮管7分布。用密封膠將泵體上片1和泵體下片5粘合成一體，再將 壓電懸臂梁驅(qū)動(dòng)器4用固定件固定在泵體上片邊緣上，并引出兩個(gè)電極 lO和ll。驅(qū)動(dòng)器4是壓電雙晶片，將兩個(gè)壓電片并聯(lián)使用，分別施加 相反的電場(chǎng)，使其中一片伸長(zhǎng)而另一片縮短，這樣在一端固定的情況下 壓電雙晶片發(fā)生彎曲從而其末端可以產(chǎn)顯著的縱向位移。根據(jù)模擬和計(jì)
算，當(dāng)外加電壓為V時(shí)，壓電雙晶片的末端的縱向位移AS可通過
計(jì)算，其中/為雙晶壓電片的長(zhǎng)度，A為單側(cè)壓電陶瓷
的厚度。
在本實(shí)施例的工藝中，泵體上片1是用PDMS(聚二甲基硅氧烷)加工 而成的，將PDMS旋涂在長(zhǎng)有氮化硅的硅片上，其厚度在0.2咖左右， 并一定的溫度下固化，然后剝離。泵腔2、第一擴(kuò)散口 6、收縮口 7、第 二擴(kuò)散口 8以及閥座3是在硅片上用三次光刻和濕法腐蝕而成。最后將 泵體上片1、泵體下片5和驅(qū)動(dòng)器4按圖2方式進(jìn)行封裝如圖3的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的主要技術(shù)參數(shù)外形尺寸為9mmX9iranX1. 5mm(長(zhǎng)X寬X高)， 泵腔2尺寸為6mmX6mmX0. 03mm(長(zhǎng)X寬X高)，第一錐形擴(kuò)散管6和第二 錐形擴(kuò)散管8的大口端的尺寸為0. 8mmX0. 8mm ，小口端尺寸為 0. 3mmX0. 3mm。以去離子水為工作物質(zhì)，最大流速達(dá)到5ml/min,最大背 壓達(dá)到15KPa。以空氣為工作物質(zhì)時(shí)最大泵速達(dá)到30ml/min。
實(shí)施例3:
如圖4也是一種單進(jìn)樣單出樣微型泵，包括泵體上片1、泵腔2、 閥座3、驅(qū)動(dòng)器4、泵體下片5、第一錐形擴(kuò)散管6、錐形收縮管7。所 述在泵體下片5上有一個(gè)錐形擴(kuò)散管6和一個(gè)錐形收縮管7，泵腔2采 用單腔結(jié)構(gòu)。其工作原理、幾何尺寸與圖3所示的實(shí)例情況相同，只是 少一擴(kuò)散管。
圖5為實(shí)施例微型泵的照片。
圖6為實(shí)施例圖4的流速與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系曲線，從圖中可以看 出在零背壓的條件下，驅(qū)動(dòng)電壓在100 V時(shí)，最大流速達(dá)到5000 u L/min，流速隨電壓幾乎是線性增加。
上面的描述是用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明及其實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該 理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的任何修改或局部替換，均屬于本發(fā)明權(quán) 利要求來限定的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種新型自吸微型泵，其特征在于由泵體下片(5)、泵體上 片(1)和驅(qū)動(dòng)器(4)三部分組成，其中在驅(qū)動(dòng)器(4)和泵體下片(5)之間有泵體上片(1);在泵體下片(5)本體上有泵腔(2)、閥座(3)、第一錐形擴(kuò)散管(6)、錐形收縮管(7)、第二錐形擴(kuò)散管(8); 在泵體下片(5)上的第一錐形擴(kuò)散管(6)和第二錐形擴(kuò)散管(8)之 間有閥座(3)，在閥座(3)上鑲嵌有錐形收縮管(7)。
2. 如權(quán)利要求1所述的自吸微型泵，其特征在于所述第一錐形 擴(kuò)散管(6)、錐形收縮管(7)和第二錐形擴(kuò)散管(8)都與泵腔(2) 連通；第一錐形擴(kuò)散管(6)、第二錐形擴(kuò)散管(8)的端部為出樣口， 錐形收縮管(7)的端部為進(jìn)樣口。
3. 如權(quán)利要求1所述的自吸微型泵，其特征在于所述錐形收縮 管(7)的小口端與泵體上片(1)接觸，將錐形收縮管(7)常閉。
4. 如權(quán)利要求1所述的自吸微型泵，其特征在于所述第一錐形 擴(kuò)散管(6)和第二錐形擴(kuò)散管(8)的大口端位于泵腔(2)內(nèi)，處于 常開狀態(tài)。
5. 如權(quán)利要求l所述的自吸微型泵，其特征在于所述閥座(3) 位于泵腔(2)的中間，泵腔2形狀是正方形或圓形。
6. 如權(quán)利要求1所述的自吸微型泵，其特征在于所述錐形收縮 管(7)的小口端位于泵腔(2)中部突起的閥座(3)的中心位置，且 錐形收縮管(7)的小口端尺寸小于閥座(3)的尺寸。
7. 如權(quán)利要求1所述的自吸微型泵，其特征在于所述在泵體下 片(5)上采用一個(gè)錐形擴(kuò)散管和一個(gè)錐形收縮管；或采用一個(gè)錐形擴(kuò) 散管和兩個(gè)錐形收縮管，且兩個(gè)錐形收縮管對(duì)稱于錐形擴(kuò)散管分布。
8. 如權(quán)利要求l所述的自吸微型泵，其特征在于所述閥座(3) 的上表面高度高于或等高于泵體下片(5)四周的上表面。
9. 如權(quán)利要求1、 8所述的自吸微型泵，其特征在于泵體下片(5) 材料采用硅、聚合物或塑料。
10.如權(quán)利要求l所述的自吸微型泵，其特征在于所述泵體上片 (1)，是將泵體上片(1)、主動(dòng)閥片和彈性緩沖單元結(jié)合于一體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可以自吸的新型微型泵，有效地解決周期性波動(dòng)、流量不穩(wěn)、不能自吸、以及不能用于氣體工作物質(zhì)等問題，使輸出流量穩(wěn)定、連續(xù)可調(diào)、完全自吸，而不需要注樣，既可以用于液體工作物質(zhì)，也可以用于氣體工作物質(zhì)，擴(kuò)大了微泵的使用范圍，提高微泵的使用壽命和工作穩(wěn)定性。新型微型泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，包括泵體下片、泵體上片、驅(qū)動(dòng)器、泵腔、閥座、第一錐形擴(kuò)散管、錐形收縮管、第二錐形擴(kuò)散管；具有響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)頻率寬、可控性強(qiáng)、功耗低、壽命長(zhǎng)、體積小、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)；此外，本發(fā)明可采用微細(xì)加工和微機(jī)械技術(shù)相兼容的材料和工藝制造，容易和其它微檢測(cè)和微控制元件集成等，適合大批量生產(chǎn)，有很廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)F04B43/02GK101122286SQ20061011120
公開日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2006年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月11日
發(fā)明者崔大付, 王海寧, 耿照新 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所