專(zhuān)利名稱(chēng)：納米磁性液體微致動(dòng)泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及納米磁性液體材料和MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))的交叉技術(shù)領(lǐng)域，尤其 是一種使用納米磁性液體作為致動(dòng)介質(zhì)的微泵。
背景技術(shù)：
納米磁性液體(magnetic fluid)也稱(chēng)磁流體或鐵磁流體，它是通過(guò)表面活性劑將 納米級(jí)磁性顆粒均勻地分散于某種液態(tài)載體之中，所形成的一種穩(wěn)定的“固液”兩相膠體懸 浮液。磁性液體不但保持了載液的流動(dòng)性，而且在外加磁場(chǎng)作用下能迅速地被磁化，當(dāng)外磁 場(chǎng)取消后磁性又能立即消失，表現(xiàn)出優(yōu)良的超順磁性，是一種理想的液體磁性材料。磁性液體最突出的特性是能夠接受外加磁場(chǎng)的作用和控制，并且其許多物理性質(zhì) 隨外磁場(chǎng)的變化而有較大變化，在航天、電子、機(jī)械、能源、化工、儀表、環(huán)保、醫(yī)療等許多領(lǐng) 域都能提供一些新穎的解決方案，甚至在旋轉(zhuǎn)軸密封、減振器阻尼、角度傳感器等方面已有 成熟的產(chǎn)品問(wèn)世。近年來(lái)，以微加工技術(shù)為基礎(chǔ)的MEMS研究進(jìn)展迅速，由此帶動(dòng)了微流體系統(tǒng)的發(fā) 展。在生物醫(yī)學(xué)分析、化學(xué)分析、醫(yī)藥分析等領(lǐng)域，均需要可以向微系統(tǒng)提供微量樣本且可 精確控制流量(PL/min級(jí))的微型泵。作為分析系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，微型泵的應(yīng)用大 大縮短了系統(tǒng)分析的時(shí)間。自從美國(guó)斯坦福大學(xué)的Smits和Wallmark于1980年首次研制 成功一種壓電驅(qū)動(dòng)、蠕動(dòng)式微機(jī)械泵以來(lái)，微型泵一直是MEMS研究的熱點(diǎn)。微型泵主要由泵體、出入口和致動(dòng)器等部分組成，而致動(dòng)方式已成為微型泵能否 實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)。目前，微型泵的致動(dòng)方式主要有靜電力致動(dòng)、壓電效應(yīng)致動(dòng)、熱氣致動(dòng)、 形狀記憶合金致動(dòng)和電磁致動(dòng)等。其中，靜電產(chǎn)生的壓力與電極施加的電壓的平方成正比， 與電極間的距離的平方成反比，工作時(shí)不僅需要較高的電壓，壓力的提高也受到致動(dòng)器的 位移量(行程)的限制。壓電效應(yīng)致動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)電壓較高，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜和龐大，也 不利于降低功耗。熱力致動(dòng)響應(yīng)速度較慢，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)頻率難以提高，因此限制了微型泵的流 量。形狀記憶合金致動(dòng)雖能獲得較高的壓力和較長(zhǎng)的行程，但卻難以精確控制位移量。如 果利用磁性液體能夠被磁場(chǎng)控制，又具有良好流動(dòng)性的特點(diǎn)，以其作為微型泵的致動(dòng)源，有 可能開(kāi)發(fā)出一種性能更好的新型MEMS執(zhí)行器來(lái)。關(guān)于磁性液體致動(dòng)微泵的研究主要有以下一些成果Greivell等設(shè)計(jì)了一種磁性液體移液管，原理是在微管道的周?chē)贾靡惶捉M合電 磁線圈，通過(guò)控制電磁線圈的間隔通斷產(chǎn)生交替磁場(chǎng)，使微管道內(nèi)的磁性液體蠕動(dòng)前行或 后退完成吸液和送液。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是只能輸送磁性液體或者以磁性液體 為載體的介質(zhì)。Park Gwan Soo等對(duì)上述磁性液體移液管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在增加電磁線圈數(shù) 量的同時(shí)，在微管道的內(nèi)部同軸安裝了 一根橡膠薄膜圓管，橡膠管與微管道在端口處密 封，兩者之間填充磁性液體。同樣通過(guò)控制微管道外壁周?chē)碾姶啪€圈的間隔通斷產(chǎn)生交 替磁場(chǎng)，使薄膜內(nèi)的磁性液體產(chǎn)生蠕動(dòng)變形，從而達(dá)到連續(xù)輸送樣本液體的目的。該裝置盡管解決了所輸送液體介質(zhì)必須導(dǎo)磁的問(wèn)題，但其外部的電磁線圈組及控制部件仍然限制了
其進(jìn)一步微型化。Hatch等人則在微管道的上方布置一 “十”字形磁鐵，使其中的磁性液體在磁場(chǎng)作 用下聚集成與磁鐵相同的“十”字形葉片。當(dāng)微型電機(jī)帶動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁性液體葉片也隨 之旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)被輸送液體由入口流向出口。此種設(shè)計(jì)雖然縮小了裝置，但缺點(diǎn)是只能輸 送與磁性液體不相溶且不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的液體，而當(dāng)外磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度超過(guò)一定值時(shí)， 磁性液體葉片的旋轉(zhuǎn)可能無(wú)法跟上外磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)相位的落后而導(dǎo)致磁性 液體葉片形狀變形。綜觀上述這些研究成果，研究者們都認(rèn)識(shí)到了磁性液體用于微致動(dòng)中的可行性， 并且從結(jié)構(gòu)上提出了一些新穎的設(shè)計(jì)方案，嘗試使用納米磁性液體作為致動(dòng)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了液 體微量輸送的目的，但在泵的微型化以及如何與MEMS系統(tǒng)集成方面研究尚不深入。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型的目的是提供一種納米磁性液體微致動(dòng)泵，以納米磁性液 體為致動(dòng)介質(zhì)，以硅片為基底的微泵，使其在實(shí)現(xiàn)液體微量輸送的基礎(chǔ)上，達(dá)到微型化，從 而易于和其他MEMS器件集成得到實(shí)用的MEMS微流體器件。技術(shù)方案本實(shí)用新型的納米磁性液體微致動(dòng)泵，包括由鍵合層鍵合為一體的上 基片、中基片和下基片，上基片的內(nèi)側(cè)設(shè)有左、中、右三個(gè)凹槽，上基片與中基片之間間隔有 微管道，中基片上設(shè)有與上基片三個(gè)凹槽相對(duì)應(yīng)的左、中、右三個(gè)磁性液體工作腔，中基片 與下基片之間設(shè)有一層可分別穿過(guò)左、中、右三個(gè)磁性液體工作腔進(jìn)入左、中、右三個(gè)凹槽 的彈性薄膜，可分別穿過(guò)左、中、右三個(gè)磁性液體工作腔的彈性薄膜內(nèi)分別設(shè)有出口閥的磁 性液體、微致動(dòng)體的磁性液體和入口閥的磁性液體；對(duì)應(yīng)上基片內(nèi)側(cè)的左凹槽頂部?jī)?nèi)設(shè)有 入口閥微型電磁線圈，對(duì)應(yīng)上基片內(nèi)側(cè)的中凹槽頂部?jī)?nèi)兩側(cè)分別設(shè)有微致動(dòng)體左側(cè)電磁線 圈和微致動(dòng)體右側(cè)電磁線圈，對(duì)應(yīng)上基片內(nèi)側(cè)的右凹槽頂部?jī)?nèi)設(shè)有出口閥微型電磁線圈。所述的彈性薄膜由硅橡膠或聚甲基丙烯酸甲酯制成；所述的上基片、中基片和下 基片由單晶硅、玻璃、有機(jī)玻璃、聚合物或非導(dǎo)磁金屬材料制成；所述的微型電磁線圈由石 英基片及電鍍?cè)谑⒒系蔫F鎳合金磁芯和圍繞在磁心周?chē)你~質(zhì)繞組構(gòu)成；所述的上 基片、中基片和下基片水平或豎直反向布置。有益效果(1)該微泵的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，其流量調(diào)節(jié)既可以通過(guò)改變微管道及磁性液體 工作腔的尺寸參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)改變電磁線圈的工作頻率即微致動(dòng)體的動(dòng)作頻率來(lái) 實(shí)現(xiàn)。(2)由于在磁性液體和被輸送液體間隔有一層彈性薄膜，所以該微泵不再局限于 輸送與磁性液體不相溶且不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的液體，而且避免了磁性液體對(duì)被輸送液體的 污染。(3)由于該微泵的上中下三片基片都是在標(biāo)準(zhǔn)的硅基片上采用微加工方法制得 的，為后續(xù)與其他MEMS器件的集成與應(yīng)用提供了兼容的接口。
圖1是本實(shí)用新型的磁性液體微致動(dòng)泵結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的A-A結(jié)構(gòu)示意圖；[0022]圖3(3、13、(3、(1、6、0是本實(shí)用新型不同狀態(tài)下的工作原理示意圖；圖4是本實(shí)用新型的平面微型電磁線圈的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-入口閥微型電磁線圈，2-微致動(dòng)體左側(cè)微型電磁線圈，3-微致動(dòng)體右側(cè) 微型電磁線圈，4-出口閥微型電磁線圈，5-上硅基片，6-中硅基片，7-下硅基片，8-鍵合層， 9-出口閥的磁性液體，10-出口閥的磁性液體工作腔，11-微致動(dòng)體的磁性液體，12-微致 動(dòng)體的磁性液體工作腔，13-入口閥的磁性液體，14-入口閥的磁性液體工作腔，15-彈性薄 膜，16-微管道，17-石英基片，18-鐵鎳合金磁芯，19-銅質(zhì)繞組。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的描述圖1圖2所示，納米磁性液體微致動(dòng)泵主要由上基片5、中基片6和下基 片7組成，通過(guò)鍵合層8將上基片5、中基片6和下基片7鍵合而成，基片的尺寸為 15mmX15mmX500iim。上基片5、中基片6和下基片7由單晶硅、玻璃、有機(jī)玻璃、聚合物或 非導(dǎo)磁金屬材料制成；上基片5、中基片6和下基片7水平或豎直反向布置。上基片5的內(nèi) 側(cè)設(shè)有左、中、右三個(gè)凹槽，制造時(shí)利用電化學(xué)刻蝕或深層反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)等微加工 技術(shù)在中基片上6刻蝕出一條15mmX2mmX250 u m的微管道16，即上基片5與中基片6之 間間隔的微管道16 ；上基片5用同樣方法加工出用來(lái)容放微電磁線圈的四個(gè)微腔。中基片 6上設(shè)有與上基片5三個(gè)凹槽相對(duì)應(yīng)的左、中、右三個(gè)磁性液體工作腔10、12、14，微管道16 貫穿左、中、右三個(gè)磁性液體工作腔10、12、14，其中充有納米磁性液體。下基片7為平面底 座，中基片6與下基片7之間涂覆一層50 y m厚的具有良好彈性的彈性薄膜15，以防止磁性 液體對(duì)被輸送液體的污染，彈性薄膜15由硅橡膠或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成。彈性 薄膜15可分別穿過(guò)左、中、右三個(gè)磁性液體工作腔10、12、14進(jìn)入左、中、右的三個(gè)凹槽，彈 性薄膜15內(nèi)分別設(shè)有出口閥的磁性液體9、微致動(dòng)體的磁性液體11和入口閥的磁性液體 13 ；對(duì)應(yīng)上基片5內(nèi)側(cè)的左凹槽頂部?jī)?nèi)設(shè)有入口閥微型電磁線圈1，對(duì)應(yīng)上基片5內(nèi)側(cè)的中 凹槽頂部?jī)?nèi)兩側(cè)分別設(shè)有微致動(dòng)體左側(cè)微型電磁線圈2和微致動(dòng)體右側(cè)微型電磁線圈3， 對(duì)應(yīng)上基片5內(nèi)側(cè)的右凹槽頂部?jī)?nèi)設(shè)有出口閥微型電磁線圈4。圖4所示，微型電磁線圈由石英基片17及電鍍?cè)谄渖系蔫F鎳合金磁芯18和圍繞 在磁心周?chē)你~質(zhì)繞組19構(gòu)成，其平面微型結(jié)構(gòu)以縮小微型泵的厚度尺寸，采用的石英基 片17尺寸為2讓X 2讓X 250 iim，采用刻蝕技術(shù)在其上加工出一 500 ii mX 500 ii mX 250 ii m 的矩形中心凹槽和其周?chē)鷮挾葹? ym的多圈矩形溝槽，然后向矩形中心凹槽里電鍍鐵鎳 合金制成磁芯18，在周?chē)匦螠喜劾镫婂冦~制成銅質(zhì)繞組19。圖3所示，當(dāng)上基片5內(nèi)的入口閥微型電磁線圈1和出口閥微型電磁線圈4通電 后，產(chǎn)生的磁場(chǎng)將設(shè)在彈性薄膜15內(nèi)的入口閥磁性液體13和出口閥的磁性液體9向上吸 引，彈性薄膜15穿過(guò)中基片6進(jìn)入上基片5的左右凹槽內(nèi)，入口閥和出口閥關(guān)閉將微管道 16封閉，圖3(d、e、f)所示；當(dāng)閥體上的微型電磁線圈斷電后，產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)消失，彈性薄膜 15的彈性力將磁性液體壓回中基片6的工作腔14、10內(nèi)，圖3(a、b、c)所示，此時(shí)入口閥和 出口閥關(guān)閉，微管道16重新被打開(kāi)。當(dāng)上基片5內(nèi)的微致動(dòng)體左側(cè)電磁線圈2通電后，磁 性液體微致動(dòng)體向左動(dòng)作，圖3(b)所示；當(dāng)上基片5內(nèi)的微致動(dòng)體右側(cè)電磁線圈3通電后， 磁性液體微致動(dòng)體向右動(dòng)作，圖3(c)所示；當(dāng)微致動(dòng)體左側(cè)電磁線圈2和微致動(dòng)體右側(cè)電 磁線圈3同時(shí)斷電，磁性液體被彈性薄膜15壓回工作腔12內(nèi)，磁性液體微致動(dòng)體處于復(fù)原狀態(tài)，圖3(e)所示。磁性液體微致動(dòng)泵工作過(guò)程①起始狀態(tài)為微管道16的入口閥及出口閥均開(kāi)啟，磁性液體微致動(dòng)體也處于初 始狀態(tài)，如圖3(a)。②保持入口閥及出口閥開(kāi)啟，微致動(dòng)體左側(cè)微型電磁線圈2通電使磁性液體微致 動(dòng)體向左準(zhǔn)備吸入被輸送液體，如圖3(b)；③入口閥及出口閥仍然保持開(kāi)啟，微致動(dòng)體右側(cè)微型電磁線圈3通電同時(shí)微致 動(dòng)體右側(cè)微型電磁線圈2斷電使磁性液體微致動(dòng)體向右?guī)?dòng)被輸送液體向右流動(dòng)，如圖 3(c)；④磁性液體微致動(dòng)體保持向右狀態(tài)，入口閥微型電磁線圈1和出口閥微型電磁線 圈4通電使入口閥及出口閥關(guān)閉，如圖3(d)；⑤保持入口閥及出口閥關(guān)閉，微致動(dòng)體右側(cè)微型電磁線圈3斷電使磁性液體微致 動(dòng)體復(fù)原，如圖3(e)；⑥入口閥及出口閥仍然保持關(guān)閉，微致動(dòng)體右側(cè)微型電磁線圈3通電使磁性液體 微致動(dòng)體向左，準(zhǔn)備再次吸入被輸送液體，同時(shí)避免了被輸送液體的回流，如圖3(f)；⑦然后入口閥微型電磁線圈1和出口閥微型電磁線圈4斷電使入口閥及出口閥開(kāi) 啟，重新回到圖3(b)狀態(tài)完成一個(gè)工作循環(huán)。對(duì)于本實(shí)施例的磁性液體微致動(dòng)泵，其每個(gè)工作循環(huán)所輸送的液體量可以通過(guò)以 下公式估算F = -^-Z = -x0.25x2x4 = 1.0uL
2 2其中A是微管道的橫截面積(250 umX2mm)，L是磁性液體致動(dòng)體腔的長(zhǎng)度(4mm)。如果控制電磁線圈的變化頻率即微泵的工作頻率為60Hz，則該實(shí)施例的流量為Q = V K = 1. 0X60 = 60u L/min
權(quán)利要求一種納米磁性液體微致動(dòng)泵，其特征在于它包括由鍵合層(8)鍵合為一體的上基片(5)、中基片(6)和下基片(7)，上基片(5)的內(nèi)側(cè)設(shè)有左、中、右三個(gè)凹槽，上基片(5)與中基片(6)之間間隔有微管道(16)，中基片(6)上設(shè)有與上基片(5)三個(gè)凹槽相對(duì)應(yīng)的左、中、右三個(gè)磁性液體工作腔(10、12、14)，中基片(6)與下基片(7)之間設(shè)有一層可分別穿過(guò)左、中、右三個(gè)磁性液體工作腔(10、12、14)進(jìn)入左、中、右三個(gè)凹槽的彈性薄膜(15)，可分別穿過(guò)左、中、右三個(gè)磁性液體工作腔(10、12、14)的彈性薄膜(15)內(nèi)分別設(shè)有出口閥的磁性液體(9)、微致動(dòng)體的磁性液體(11)和入口閥的磁性液體(13)；對(duì)應(yīng)上基片(5)內(nèi)側(cè)的左凹槽頂部?jī)?nèi)設(shè)有入口閥微型電磁線圈(1)，對(duì)應(yīng)上基片(5)內(nèi)側(cè)的中凹槽頂部?jī)?nèi)兩側(cè)分別設(shè)有微致動(dòng)體左側(cè)電磁線圈(2)和微致動(dòng)體右側(cè)電磁線圈(3)，對(duì)應(yīng)上基片(5)內(nèi)側(cè)的右凹槽頂部?jī)?nèi)設(shè)有出口閥微型電磁線圈(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米磁性液體微致動(dòng)泵，其特征在于所述的彈性薄膜(15) 由硅橡膠或聚甲基丙烯酸甲酯制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米磁性液體微致動(dòng)泵，其特征在于所述的上基片(5)、中 基片(6)和下基片(7)由單晶硅、玻璃、有機(jī)玻璃、聚合物或非導(dǎo)磁金屬材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述納米磁性液體微致動(dòng)泵，其特征在于所述的微型電磁線圈由 石英基片(17)及電鍍?cè)谄渖系蔫F鎳合金磁芯(18)和圍繞在磁心周?chē)你~質(zhì)繞組(19)構(gòu) 成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米磁性液體微致動(dòng)泵，其特征在于所述的上基片(5)、中 基片(6)和下基片(7)水平或豎直反向布置。
專(zhuān)利摘要一種納米磁性液體微致動(dòng)泵，包括由鍵合層鍵合的上基片、中基片和下基片，上基片的內(nèi)側(cè)設(shè)有三個(gè)凹槽，上基片與中基片之間間隔有微管道，中基片上設(shè)有與上基片三個(gè)凹槽相對(duì)應(yīng)的三個(gè)磁性液體工作腔，中基片與下基片之間設(shè)有彈性薄膜，彈性薄膜內(nèi)分別設(shè)有出口閥的磁性液體、微致動(dòng)體的磁性液體和入口閥的磁性液體；對(duì)應(yīng)上基片內(nèi)側(cè)的左凹槽頂部?jī)?nèi)設(shè)有入口閥微型電磁線圈，對(duì)應(yīng)上基片內(nèi)側(cè)的中凹槽頂部?jī)?nèi)兩側(cè)分別設(shè)有微致動(dòng)體左側(cè)電磁線圈和微致動(dòng)體右側(cè)電磁線圈，對(duì)應(yīng)上基片內(nèi)側(cè)的右凹槽頂部?jī)?nèi)設(shè)有出口閥微型電磁線圈。通過(guò)控制微型電磁線圈交替通電與斷電，使入口閥和出口閥開(kāi)啟或關(guān)閉以及使磁性液體微致動(dòng)體向左、向右或復(fù)原，實(shí)現(xiàn)對(duì)微管道內(nèi)液體的輸送。
文檔編號(hào)H02K44/02GK201717771SQ201020155309
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者候友夫, 劉書(shū)進(jìn), 劉同岡, 劉桐, 吳健, 夏聰, 王松, 錢(qián)子航 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)