專利名稱：一種基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的無閥微泵及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流體傳輸與控制微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的無閥微泵及其制造方法。
背景技術(shù)：
在過去二十年中，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域高速發(fā)展，出現(xiàn)了大量的成功應(yīng)用。微流體系統(tǒng)作為微機(jī)電系統(tǒng)中的重要分支，近三十年來一直是人們研究的熱門。微流體系統(tǒng)包括微流量傳感器、微泵、微混合器、微閥等器件，依靠它們來完成感應(yīng)、泵送、混合、監(jiān)測、控制流體等工作。作為微流體系統(tǒng)的驅(qū)動源、微流體系統(tǒng)的核心部件，近三十年來，人們對微泵展開了大量的研究，并已在微全分析系統(tǒng)、藥物傳輸、微芯片冷卻、燃料電池等領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。 目前應(yīng)用較多的往復(fù)式微泵的驅(qū)動方式為壓電、電磁、靜電、光熱四種。其中壓電驅(qū)動式微泵驅(qū)動力大、響應(yīng)快、出口壓強高，但其制造工藝復(fù)雜，而且工作時驅(qū)動電壓偏高；電磁驅(qū)動式微泵的泵膜變形量大、頻率調(diào)節(jié)范圍廣、響應(yīng)快，但其能耗高熱損大，而且相對于其它類型微泵而言，電磁驅(qū)動微泵體積大因此不利于微型化；靜電驅(qū)動式微泵的能耗低，響應(yīng)快，但缺陷在于其泵膜變形量小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。相比之下，激光微驅(qū)動式泵具有體積小、輸出功率大、負(fù)載能力強、響應(yīng)速度快，可遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點，因此具備廣泛的應(yīng)用前景。無閥微泵制造方面的研究工作開始于90年代初期。1994年，E. Stemmed等人根據(jù)無閥結(jié)構(gòu)的工作原理制作了第一個硅基無閥微泵，其主要構(gòu)造為在硅片采用各向異性腐蝕法腐蝕形成棱錐形擴(kuò)散口 /噴嘴結(jié)構(gòu)。1997年M. Heshchel等人采用CVD(化學(xué)氣相沉積)、RIE (反應(yīng)離子刻蝕)、激光助腐蝕技術(shù)制得純?nèi)S的微擴(kuò)散口。1998年，瑞典的A. Olsson等人采用熱塑復(fù)制法制作無閥微泵。但是對于目前的這些制造方法及所制得的無閥泵結(jié)構(gòu)而言，仍然存在密封困難、可靠性差、制作困難，不能實現(xiàn)大批量生產(chǎn)等方面的不足。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和技術(shù)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的無閥微泵及其制造方法，其能夠通過對無閥微泵結(jié)構(gòu)上的設(shè)計，有效利用激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)來實現(xiàn)微泵功能，同時具備便于加工制造、成本和功耗低、負(fù)載能力強，以及可遠(yuǎn)程控制等方面的優(yōu)點。按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的無閥微泵，該無閥微泵包括泵體、設(shè)置在泵體上的流體入口和流體出口，以及犧牲層元件，其中所述泵體包括柔性高分子材料制成的泵膜、由泵膜包圍形成的泵腔，以及分別設(shè)置在流體入口、流體出口與泵腔之間并與泵腔相連通的擴(kuò)張管和收縮管，所述擴(kuò)張管呈錐形管結(jié)構(gòu)且其直徑沿著從流體入口到泵腔的方向逐漸增大，所述收縮管同樣呈錐形管結(jié)構(gòu)且其直徑沿著從泵腔到流體出口的方向逐漸增大；所述犧牲層元件設(shè)置在泵腔上部的泵膜處，并由對激光輻射敏感的材料制成，當(dāng)其表面受到激光輻射后，該犧牲層吸收激光能量并發(fā)生氣化膨脹，產(chǎn)生等離子體爆炸氣團(tuán)以對與之相連的泵膜起到?jīng)_擊波的作用，相應(yīng)使得泵腔體積交替改變由此執(zhí)行流體的輸送操作。通過以上構(gòu)思，本發(fā)明所構(gòu)建的微泵結(jié)構(gòu)其流體輸送的原理在于對激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的利用，為了順利實現(xiàn)該效應(yīng)，相應(yīng)設(shè)置了犧牲層元件并對與泵腔相連通的管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計當(dāng)犧牲層元件表面受到激光輻射時，犧牲層會在極短時間內(nèi)吸收激光的的高密度能量并瞬間氣化，迅速膨脹并產(chǎn)生一層等離子體爆炸氣團(tuán)，氣團(tuán)在膨脹的過程中會對與之相連的泵膜產(chǎn)生沖擊波的作用，相應(yīng)使泵腔的體積發(fā)生增大和減小的交替變化當(dāng)泵腔由于泵膜的激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)而體積減少時，由于擴(kuò)張管和收縮管在流體流向上呈錐形管結(jié)構(gòu)并由此決定管內(nèi)流體的流動特征，收縮管所輸出的流量會大于擴(kuò)張管所輸出的流量也即泵腔處于泵出狀態(tài)；而當(dāng)泵膜恢復(fù)時，擴(kuò)張管所輸入的流量會大于收縮管所輸出的流量也即泵腔處于泵入狀態(tài)，由此方便地實現(xiàn)了流體的輸送過程。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述錐形管結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張管和收縮管呈對稱分布，且其錐形角 度為5° 12°。通過將擴(kuò)散管和收縮管各自的錐形角具體限定為以上范圍，較多仿真結(jié)果表明，該范圍內(nèi)的錐形角能夠更好地實現(xiàn)泵出和泵入功能，尤其當(dāng)錐形角為V左右時泵性能達(dá)到峰值。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述犧牲層元件由黑漆材料或硅酸乙酯黑漆材料制成。對于起到關(guān)鍵性作用的犧牲層元件，其材料的具體選擇可遵循以下原則如對激光的吸收性高，易于提高沖擊波峰值壓力；具備較低的熱導(dǎo)率和氣化率，這樣可以增加自身吸熱能力并減小對靶材的熱傳導(dǎo)；能經(jīng)受更高的功率密度和溫度；以及易于涂覆和去除等。按照以上原則，本發(fā)明中采用了其主要成分包括碳的黑漆材料或硅酸乙酯黑漆材料來制備犧牲層元件，相應(yīng)地實現(xiàn)以上的目的和效果。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述柔性高分子材料選自聚乙烯、聚丙烯、聚二甲基硅氧烷中的一種。通過對泵膜材料的具體限定，可以實現(xiàn)彈性模量小，并能與硅、氮化硅、氧化硅、玻璃等多種材料能形成很好的密封。按照本發(fā)明的另一方面，還提供了相應(yīng)的制造方法，該制造方法包括下列步驟(a)制作包含有流體入口、流體出口的第一泵體陽模具，然后在該第一泵體陽模具表面上澆注由PDMS單體與交聯(lián)劑共同構(gòu)成的混合物；(b)制作包含內(nèi)部流體通道和泵腔結(jié)構(gòu)的第二泵體陽模具，將該第二泵體陽模具與第一泵體陽模具對準(zhǔn)并覆蓋于所述混合物上，然后施加壓力以使多余的混合物擠出；(c)將執(zhí)行步驟(b)后的兩個泵體陽模具及其中間的混合物放置在烘箱中執(zhí)行加熱處理，由此固化PDMS單體與交聯(lián)劑共同構(gòu)成的混合物；(d)分別使兩個泵體陽模具與固化后的混合物相分離，由此制得包含內(nèi)部流體通道和泵腔、并具有流體入口和流體出口的泵體；(e)在所制得的泵體上部相應(yīng)于泵腔的位置設(shè)置所述犧牲層元件，相應(yīng)獲得微泵
女口
廣叩o作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述第一泵體陽模具通過光刻顯影和反應(yīng)離子刻蝕工藝制成，并經(jīng)硅烷化處理。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述第二泵體陽模具通過光刻顯影和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝制成，并經(jīng)硅烷化處理。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述PDMS單體與交聯(lián)劑之間的重量比為10 :1，并且所述加熱處理過程中烘箱的溫度為70°C 90°C，對應(yīng)的加熱時間為4 1小時?？傮w而言，按照本發(fā)明的無閥微泵及其制造方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點I、通過對泵體結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤其是對擴(kuò)張管和收縮管的設(shè)置，能夠順利地獲得泵內(nèi)部的激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)，相應(yīng)無需閥結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)微泵功能；
2、通過對犧牲層元件及擴(kuò)張管和收縮管錐形角度的進(jìn)一步研究，能夠更高效率地實現(xiàn)泵送過程，并具備功耗小、負(fù)載能力強的特點；3、整體制備工藝簡單、成本低且便于操作，適于大批量制造并能制得密封性好、可靠性高的微泵產(chǎn)品。


圖I是按照本發(fā)明的基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的無閥微泵的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是按照本發(fā)明的無閥微泵的工作原理示意圖；圖3是按照本發(fā)明優(yōu)選實施例的泵膜及其犧牲層元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是按照本發(fā)明的無閥微泵的泵體結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是按照本發(fā)明的用于制備無閥微泵的流程示意圖。在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中I犧牲層元件2泵膜3流體入口 4擴(kuò)張管5玻璃管6泵腔7收縮管8流體出口
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。圖I是按照本發(fā)明的基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的無閥微泵的整體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I中所示，按照本發(fā)明的微泵主要包括泵體和泵體上的流體入口 3和流體出口 8。流體入口 3和流體出口 8可以分別與譬如為玻璃管5的元件相連，由此完成與外界流體的泵入/泵出。泵體主要包括柔性高分子材料制成的泵膜2、由泵膜2包圍形成的泵腔6，以及設(shè)置在泵腔6上部的泵膜處的犧牲層元件I。此外，在其內(nèi)部還具有分別設(shè)置在流體入口、流體出口與泵腔之間并與泵腔6相連通的擴(kuò)張管4和收縮管7，其中擴(kuò)張管4和收縮管7都呈錐形管結(jié)構(gòu)，不同之處在于擴(kuò)張管的直徑沿著從流體入口 3到泵腔6的方向逐漸增大，而收縮管7的直徑沿著從泵腔6到流體出口 8的方向逐漸增大。所述犧牲層元件I設(shè)置在泵腔6上部的泵膜處，并由對激光輻射敏感的材料制成，當(dāng)其表面受到激光輻射后，犧牲層元件I會吸收激光能量并發(fā)生氣化膨脹，產(chǎn)生等離子體爆炸氣團(tuán)以對與之相連的泵膜2起到?jīng)_擊波的作用，相應(yīng)使得泵腔6體積交替改變由此執(zhí)行流體的輸送操作。下面將參照圖2來解釋按照本發(fā)明的無閥微泵的工作原理。如圖2中所示，當(dāng)激光輻照于犧牲層表面時，犧牲層在極短時間內(nèi)吸收激光的高密度能量，會瞬間氣化并迅速膨脹，產(chǎn)生一層等離子體爆炸氣團(tuán)，并對泵膜施加一個沖擊波的作用使其產(chǎn)生彈性變形，從而使泵腔的體積發(fā)生增大和減小的交替變化。具體而言，現(xiàn)將流體入口 3作進(jìn)水端、流體出口 8作出水端，當(dāng)泵腔6因為泵膜2的激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)而減少A V時,設(shè)擴(kuò)張管4的出流量為Q1、收縮管7輸出流量為Q2,由于擴(kuò)張管、收縮管在流體流向上呈錐形，根據(jù)收縮管、擴(kuò)張管關(guān)內(nèi)流體的流動特性，Q2大于Q1，也即泵腔6處于泵出狀態(tài)；而當(dāng)泵膜恢復(fù)時，從擴(kuò)張管4即進(jìn)水端流入的流量比從收縮管8即出水端流出的多，因而會產(chǎn)生凈的入水量，流體就會進(jìn)入泵腔。在一個優(yōu)選實施例中，可以將收縮管和擴(kuò)張管設(shè)置為呈對稱分布，且其錐形角度為5。 12°，而且從較多的仿真試驗數(shù)據(jù)中可以看出當(dāng)錐形角為7°左右時，泵的性能可以基本達(dá)到峰值。
圖3是按照本發(fā)明優(yōu)選實施例的泵膜及犧牲層元件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是按照本發(fā)明的無閥微泵的泵體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3和圖4中所示，泵膜2可以是譬如為選自聚乙烯、聚丙烯、聚二甲基硅氧烷中的一種的柔性高分子材料，犧牲層元件I譬如為一層流動的普通黑漆或硅酸乙酯黑漆涂層，并且犧牲層元件的面積要小于其所貼合的泵腔上部泵膜的面積,也即為局部復(fù)合。下面將參照圖5來描述按照本發(fā)明的用于制備無閥微泵的流程方法。以聚二甲基娃氧燒(PDMS)為例,該方法包括下列步驟首先，制作包含有流體入口和流體出口的泵體陽模具(第一泵體陽模具)，將聚二甲基硅氧烷也即PDMS的本體與交聯(lián)劑譬如按10:1的重量百分比混合并除盡氣泡，由此獲得粘稠狀的混合物并將其澆注在該第一泵體陽模具的表面上。在一個優(yōu)選實施例中，所述第一泵體陽模具由掩膜板經(jīng)光刻顯影和RIE (反應(yīng)離子刻蝕)工藝形成，并且經(jīng)硅烷化處理。接著，制作包含內(nèi)部流體通道和泵腔結(jié)構(gòu)的泵體陽模具(第二泵體陽模具)，并該模具與第一泵體陽模具無間隔地對準(zhǔn)并蓋在PDMS的混合物上，然后施加適當(dāng)壓力以便讓多余的混合物擠出；在一個優(yōu)選實施例中，所述第二泵體陽模具譬如可以由鉻版玻璃經(jīng)光刻顯影和ICP (感應(yīng)耦合等離子刻蝕)形成，并且經(jīng)硅烷化處理。接著，將其置于烘箱中，并在70°C 90°C左右的環(huán)境烘干處理4 1個小時，使PDMS的混合物固化并完全凝固。接著，分別沿著一塊硅片模具的邊緣，輕輕揭起，使模具跟PDMS分離；然后使PDMS膜跟另一片硅片模具分離，便制備出包含有內(nèi)部流體通道和泵腔、并具有流體入口和流體出口的泵體。然后，在所制得的泵體上部相應(yīng)于泵腔的位置設(shè)置所述犧牲層元件，相應(yīng)獲得微
泵產(chǎn)品。最后，可以將此PDMS泵體與等大的硅片鍵合在一起，然后將兩個譬如為硼硅玻璃管的裝置用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑固定在進(jìn)出口，由此使得該微泵產(chǎn)品能夠直接使用并對外界流體執(zhí)行泵入/泵出功能。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的無閥微泵，該無閥微泵包括泵體、設(shè)置在泵體上的流體入口和流體出口，以及犧牲層元件，其中 所述泵體包括柔性高分子材料制成的泵膜、由泵膜包圍形成的泵腔，以及分別設(shè)置在流體入口、流體出口與泵腔之間并與泵腔相連通的擴(kuò)張管和收縮管，所述擴(kuò)張管呈錐形管結(jié)構(gòu)且其直徑沿著從流體入口到泵腔的方向逐漸增大，所述收縮管同樣呈錐形管結(jié)構(gòu)且其直徑沿著從泵腔到流體出口的方向逐漸增大； 所述犧牲層元件設(shè)置在泵腔上部的泵膜處，并由對激光輻射敏感的材料制成，當(dāng)其表面受到激光輻射后，該犧牲層吸收激光能量并發(fā)生氣化膨脹，產(chǎn)生等離子體爆炸氣團(tuán)以對與之相連的泵膜起到?jīng)_擊波的作用，相應(yīng)使得泵腔體積交替改變由此執(zhí)行流體的輸送操作。
2.如權(quán)利要求I所述的無閥微泵，其特征在于，所述錐形管結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張管和收縮管呈對稱分布，且其錐形角度為5° 12°。
3.如權(quán)利要求I或2所述的無閥微泵，其特征在于，所述犧牲層元件由黑漆材料或硅酸乙酷黑漆材料制成。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項所述的無閥微泵，其特征在于，所述柔性高分子材料選自聚乙烯、聚丙烯、聚二甲基硅氧烷中的一種。
5.一種用于制備如權(quán)利要求1-4任意一項所述的無閥微泵的方法，該方法包括下列步驟 (a)制作包含有流體入口、流體出口的第一泵體陽模具，然后在該第一泵體陽模具表面上澆注由PDMS單體與交聯(lián)劑共同構(gòu)成的混合物； (b)制作包含內(nèi)部流體通道和泵腔結(jié)構(gòu)的第二泵體陽模具，將該第二泵體陽模具與第一泵體陽模具對準(zhǔn)并覆蓋于所述混合物上，然后施加壓力以使多余的混合物擠出； (C)將執(zhí)行步驟(b)后的兩個泵體陽模具及其中間的混合物放置在烘箱中執(zhí)行加熱處理，由此固化PDMS單體與交聯(lián)劑共同構(gòu)成的混合物； Cd)分別使兩個泵體陽模具與固化后的混合物相分離，由此制得包含內(nèi)部流體通道和泵腔、并具有流體入口和流體出口的泵體； (e)在所制得的泵體上部相應(yīng)于泵腔的位置設(shè)置所述犧牲層元件，相應(yīng)獲得微泵產(chǎn)品。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一泵體陽模具通過光刻顯影和反應(yīng)離子刻蝕工藝制成，并經(jīng)硅烷化處理。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述第二泵體陽模具通過光刻顯影和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝制成，并經(jīng)硅烷化處理。
8.如權(quán)利要求5-7任意一項所述的方法，其特征在于，所述PDMS單體與交聯(lián)劑之間的重量比為10 :1，并且所述加熱處理過程中烘箱的溫度為70°C 90°C，對應(yīng)的加熱時間為Γ1小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)的無閥微泵，該微泵包括泵體、流體入口、流體出口和犧牲層元件，其中泵體包括泵膜、泵腔以及擴(kuò)張管和收縮管，所述擴(kuò)張管和收縮管分別呈錐形管結(jié)構(gòu)，所述犧牲層元件設(shè)置在泵腔上部泵膜處并由對激光輻射敏感的材料制成。當(dāng)犧牲層表面受到激光輻射時，其吸收激光能量并瞬間氣化，發(fā)生膨脹并產(chǎn)生等離子體爆炸氣團(tuán)以對泵膜起到?jīng)_擊波的作用，相應(yīng)使得泵腔體積交替改變由此執(zhí)行流體的輸送操作。本發(fā)明還公開了相應(yīng)的制造方法。通過本發(fā)明，能夠通過對微泵結(jié)構(gòu)上的設(shè)計，有效利用激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)來實現(xiàn)泵送功能，同時具備便于加工、成本和功耗低以及可遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點。
文檔編號F04B43/06GK102852775SQ20121026460
公開日2013年1月2日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者熊良才, 夏俊超, 段永青, 陳鵬, 程華旸, 吳優(yōu), 周全生 申請人:華中科技大學(xué)