專利名稱：微型蠕動泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密機械中微型流體泵技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微型蠕動泵結(jié)構(gòu)設(shè)計及制
作方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微型生化檢測、生物芯片、微量給藥等生化分析和醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展， 對于液體微量輸送和流量寬范圍調(diào)節(jié)的要求不斷突出。與此同時，微全分析系統(tǒng)、芯片實驗 室、精細化工、以及微型能源系統(tǒng)等也要求提供能夠精確控制流量和擴大調(diào)節(jié)范圍的供給 系統(tǒng)。目前， 一般的微型蠕動泵結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，制作工藝繁瑣，成本較高，或依賴高電壓及加 熱等驅(qū)動方式，對活性生物液體有較大影響。 微型蠕動泵技術(shù)是微泵領(lǐng)域的一項獨特技術(shù)，最初發(fā)明的環(huán)形蠕動泵 (AnsonHatch，2001)采用磁性液體(以磁性納米顆粒為溶質(zhì)的穩(wěn)定懸浮液)進行驅(qū)動，將管 道設(shè)計成出入口連通的圓環(huán)形狀，然后在管道中注入一段磁流體液柱，工作時，通過磁鐵吸引 磁流體進行轉(zhuǎn)動，從而帶動管道中的流體一起運動，實現(xiàn)流體輸運功能。該方案能實現(xiàn)微量流 體進給的功能，但磁流體與工作液體在同一管道內(nèi)，容易污染工作液體，且無法實現(xiàn)高速大流 量的輸運要求。之后發(fā)明的鋼球蠕動型微泵(Levent Yobas，2008，專利號W0 2008118098A1) 克服了上述許多缺點，其最大流量達到約lmL/min，且完全將輸運液體與驅(qū)動部件隔離，采用 PDMS(聚二甲基硅氧烷)制作環(huán)形溝道，使用大直徑鋼球和大的永磁鐵進行驅(qū)動，可實現(xiàn)流體 的自吸入，但其芯片粘接需依靠柔性粘接層工藝，流量存在較大脈動，且環(huán)形溝道的外形尺寸 不小于6cm，在一定程度上限制了與后續(xù)微系統(tǒng)的集成及整個系統(tǒng)的微型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為滿足驅(qū)動微量流體的需求，提供一種微電機驅(qū)動鋼球蠕動的微
型蠕動泵，具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，能夠控制流體流動，流量穩(wěn)定，流量調(diào)節(jié)范圍大，外形
尺寸較小，無需高壓或加熱等苛刻條件；特別地，在芯片結(jié)構(gòu)方面，出入口分別增設(shè)了過渡
溝道槽結(jié)構(gòu)，使得困擾蠕動泵的脈動缺點得到了很大程度的抑制，減小了流量脈動；整個芯
片的結(jié)構(gòu)尺寸大大減小，便于與后續(xù)微系統(tǒng)的集成；在工藝方面，通過等離子體處理粘接表
面，可簡化芯片粘接工藝。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下 本發(fā)明提供的微型蠕動泵，其由微泵芯片組件和驅(qū)動機構(gòu)組成； 所述微泵芯片組件由流體入口管、流體出口管、底板和通過粘結(jié)層粘貼于所述底
板7上表面的柔性聚合物結(jié)構(gòu)層組成； 所述柔性聚合物結(jié)構(gòu)層下表面設(shè)有環(huán)形溝道槽以及分別與所述環(huán)形溝道槽端部 相連通的入口過渡溝道槽和出口過渡溝道槽；所述入口過渡溝道槽和出口過渡溝道槽的外 端槽端處分別設(shè)有貫穿所述柔性聚合物結(jié)構(gòu)層的垂向通孔；所述流體入口管和所述流體出 口管分別與所述垂向通孔的上端口相連接；
3道槽截面和所述出口過渡溝道槽截面均為從遠離環(huán)形溝道槽的 遠端至近端截面相同的溝道槽；或者 所述入口過渡溝道槽的截面和所述出口過渡溝道槽的截面分別從遠離環(huán)形溝道 槽的遠端向近端逐漸擴大；或者 所述入口過渡溝道槽的截面從里向外逐漸縮??；所述出口過渡溝道槽的截面從里 向外逐漸擴大； 所述驅(qū)動機構(gòu)由 一微電機； 位于所述柔性聚合物結(jié)構(gòu)層上表面的鋼球； 位于所述微泵芯片組件下方的與所述微電機相連，并由微電機驅(qū)動作旋轉(zhuǎn)運動的 軸套；和 固定連接于所述軸套上端面的磁鐵組成；
所述磁鐵與所述鋼球的數(shù)量相同。 所述的柔性聚合物結(jié)構(gòu)層為聚二甲基硅氧烷材質(zhì)的聚合物結(jié)構(gòu)層。
所述底板為無磁材質(zhì)的板材。 所述底板為有機玻璃、玻璃或印刷電路板材質(zhì)的板材。
所述的粘接層為聚二甲基硅氧烷粘接層。 本發(fā)明的工作原理為構(gòu)成微泵薄膜的柔性聚合物結(jié)構(gòu)層與底板通過粘結(jié)層粘接 形成微泵芯片組件，流體自流體入口管流入，經(jīng)過環(huán)形溝道槽，由流體出口管流出；微電機 軸上安裝有軸套，軸套上端表面固定有若干枚磁鐵，在柔性聚合物結(jié)構(gòu)層上表面上設(shè)有同 樣數(shù)量的鋼球；在工作過程中，微電機以一定速度旋轉(zhuǎn)，磁鐵同步旋轉(zhuǎn)，此時微泵芯片組件 上的鋼球受到磁場的吸引跟隨磁鐵旋轉(zhuǎn)，并對微泵芯片組件的環(huán)形溝道槽產(chǎn)生向下壓力， 該壓力使柔性聚合物結(jié)構(gòu)層的上表面產(chǎn)生變形，其內(nèi)的環(huán)形溝道槽被壓扁；隨著鋼球的轉(zhuǎn) 動，該變形不斷沿環(huán)形溝道槽以蠕動方式傳遞，從而擠壓環(huán)形溝道槽中的液體沿鋼球運動 方向流動，液體被從流體入口管吸入，并被推至流體出口管流出。 本發(fā)明的有益效果是整個微泵薄膜溝槽道結(jié)構(gòu)僅由一層柔性聚合物通過一次軟 光刻制成，使得制作工藝大大簡化，成本低廉，且工作可靠；通過在出、入口分別增設(shè)過渡溝 道槽結(jié)構(gòu)，可使困擾蠕動泵的脈動缺點得到很大程度的克服，減小流量脈動；通過微型電機 驅(qū)動，驅(qū)動電壓低，無高熱現(xiàn)象，從而避免因為高驅(qū)動電壓或高溫使得某些生物試劑失活； 該微型蠕動泵的蠕動變形能力大，能實現(xiàn)高背壓和較大的流量調(diào)節(jié)范圍；另外，鋼球擠壓薄 膜可以完全密封溝道，從而實現(xiàn)液體的自吸入，在靜止時還兼具微閥的阻斷液流功能。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9的結(jié)構(gòu)示意圖(反面朝上)； 圖3為出、入口過渡溝道槽采用對稱緩沖區(qū)的柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9的示意圖；
圖4為出、入口過渡溝道槽采用兩個擴張管的柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9的示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及實施例進一步描述本發(fā)明。
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圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9的結(jié)構(gòu)示意圖(反面朝 上)；圖3為出、入口過渡溝道槽采用對稱緩沖區(qū)的柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9的示意圖；圖4為 出、入口過渡溝道槽采用兩個擴張管的柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9的示意圖；有圖可知，本發(fā)明的 本發(fā)明提供的微型蠕動泵，其由微泵芯片組件和驅(qū)動機構(gòu)組成； 所述微泵芯片組件由流體入口管3、流體出口管2、底板7和通過粘結(jié)層8粘貼于 所述底板7上表面的柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9組成； 所述柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9下表面設(shè)有環(huán)形溝道槽91以及分別與所述環(huán)形溝道槽 91端部相連通的入口過渡溝道槽93和出口過渡溝道槽92 ;所述入口過渡溝道槽93和出口 過渡溝道槽92的外端槽端處分別設(shè)有貫穿所述柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9的垂向通孔；所述流體 入口管3和所述流體出口管2分別與所述垂向通孔的上端口相連接； 所述入口過渡溝道槽93截面和所述出口過渡溝道槽92截面均為從遠離環(huán)形溝道 槽91的遠端至近端截面相同的溝道槽；或者 所述入口過渡溝道槽93的截面和所述出口過渡溝道槽92的截面分別從遠離環(huán)形 溝道槽91的遠端向近端逐漸擴大；或者 所述入口過渡溝道槽93的截面從里向外逐漸縮小；所述出口過渡溝道槽92的截
面從里向外逐漸擴大； 所述驅(qū)動機構(gòu)由 一微電機4 ; 位于所述柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9上表面的鋼球1 ; 位于所述微泵芯片組件下方的與所述微電機4相連，并由微電機4驅(qū)動作旋轉(zhuǎn)運 動的軸套5 ;禾口 固定連接于所述軸套5上端面的磁鐵6組成；
所述磁鐵6與所述鋼球1的數(shù)量相同。 所述的柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9為聚二甲基硅氧烷材質(zhì)的聚合物結(jié)構(gòu)層。
所述底板為無磁材質(zhì)的板材。 所述底板為有機玻璃、玻璃或印刷電路板材質(zhì)的板材。
所述的粘接層為聚二甲基硅氧烷粘接層。
實施例1 本實施例的微型蠕動泵，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，主要由微泵芯片組件和驅(qū)動機 構(gòu)兩部分組成；構(gòu)成微泵薄膜溝道的柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9由P匿S(聚二甲基硅氧烷)軟光 刻工藝制作，并與預(yù)先甩涂PDMS粘接層8的有機玻璃底板7粘接，形成微泵芯片組件；在微 泵芯片組件的外圍布置有驅(qū)動機構(gòu)，在環(huán)形溝道槽91上方布置有鋼球l，微泵芯片組件下 方固定有電機4，磁鐵6通過軸套5固定于電機上； 在微泵芯片組上，流體自流體入口管3流入，經(jīng)過環(huán)形溝道槽91，由流體出口管2 流出；微電機4的軸上安裝有軸套5，軸套5上固定有若干枚磁鐵6，在微泵柔性聚合物結(jié)構(gòu) 層9上設(shè)有與磁鐵有同樣數(shù)量的鋼球l，鋼球1受到磁鐵6的吸引而保持在柔性聚合物結(jié)構(gòu) 層9上；在工作過程中，微電機4以一定速度旋轉(zhuǎn)，磁鐵6同步旋轉(zhuǎn)，此時鋼球1受到磁場的 吸引跟隨磁鐵旋轉(zhuǎn)，并對微泵芯片組件的環(huán)形溝道槽91施加向下壓力，該壓力使環(huán)形溝道 槽91上方的PDMS薄膜(柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9上表面)產(chǎn)生變形；隨著鋼球的轉(zhuǎn)動該變形 不斷沿環(huán)形溝道槽91以蠕動方式傳遞，從而擠壓環(huán)形溝道槽91中的液體沿鋼球運動方向流動，液體被從流體入口管3吸入，并被推至流體出口管2流出。 入口過渡溝道槽93截面和出口過渡溝道槽92截面均為從遠離環(huán)形溝道槽91的 遠端至近端截面相同的溝道槽。 構(gòu)成微泵薄膜溝道的PDMS結(jié)構(gòu)層9采用軟光刻工藝制作，其中環(huán)形溝道槽91的 環(huán)形外徑為10-30mm，環(huán)形溝道槽91寬度為0. 05mm-10mm，環(huán)形溝道槽91深度為0. 1-1000 微米，柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9厚度為1-500微米。 鋼球1直徑為lmm-8mm，鋼球個數(shù)為1-10個，磁鐵6為銣鐵硼柱形永磁鐵，直徑為 4mm-15mm，高度為2mm-6mm。
實施例2 本實施例的微型蠕動泵，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖3所示。 本實施例與實施例1的區(qū)別在于入口過渡溝道槽93和出口過渡溝道槽92與實 施例1不同本實施例的入口過渡溝道槽93的截面和出口過渡溝道槽92的截面均從遠離 環(huán)形溝道槽91的遠端向近端逐漸擴大；入口過渡溝道槽93的截面和出口過渡溝道槽92為 兩個對稱的大型緩沖區(qū)域，這樣可以避免鋼球經(jīng)過過渡區(qū)時的跳動使微泵產(chǎn)生較大的流量 脈動。 底板7采用玻璃，玻璃底板7表面和微泵薄膜溝道PDMS結(jié)構(gòu)層9的粘接面經(jīng)過等 離子體處理后進行粘接，玻璃底板7上無需預(yù)先甩涂PDMS粘接層。
實施例3 本實施例的微型蠕動泵，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖4所示； 本實施例與實施例1的區(qū)別在于入口過渡溝道槽93和出口過渡溝道槽92與實 施例1不同入口過渡溝道槽93的截面從里向外逐漸縮??；而出口過渡溝道槽92的截面從 里向外逐漸擴大； 為兩個擴張管結(jié)構(gòu)，擴張方向與流體流動方向保持一致，這樣可以大大減小瞬時 產(chǎn)生的反向流體對微泵輸出流速的影響，避免流量的瞬時大脈動。 制作微泵芯片的底板7采用印刷電路PCB板，并預(yù)先甩涂一層PDMS粘接層8后， 與柔性聚合物結(jié)構(gòu)層9進行粘接。
權(quán)利要求
一種微型蠕動泵，其由微泵芯片組件和驅(qū)動機構(gòu)組成；所述微泵芯片組件由流體入口管、流體出口管、底板和通過粘結(jié)層粘貼于所述底板上表面的柔性聚合物結(jié)構(gòu)層組成；所述柔性聚合物結(jié)構(gòu)層下表面設(shè)有環(huán)形溝道槽以及分別與所述環(huán)形溝道槽端部相連通的入口過渡溝道槽和出口過渡溝道槽；所述入口過渡溝道槽和出口過渡溝道槽的外端槽端處分別設(shè)有貫穿所述柔性聚合物結(jié)構(gòu)層的垂向通孔；所述流體入口管和所述流體出口管分別與所述垂向通孔的上端口相連接；所述入口過渡溝道槽截面和所述出口過渡溝道槽截面均為從遠離環(huán)形溝道槽的遠端至近端截面相同的溝道槽；或者所述入口過渡溝道槽的截面和所述出口過渡溝道槽的截面均從遠離環(huán)形溝道槽的遠端向近端逐漸擴大；或者所述入口過渡溝道槽的截面從里向外逐漸縮??；所述出口過渡溝道槽的截面從里向外逐漸擴大；所述驅(qū)動機構(gòu)由一微電機；位于所述柔性聚合物結(jié)構(gòu)層上表面的鋼球；位于所述微泵芯片組件下方的與所述微電機相連，并由微電機驅(qū)動作旋轉(zhuǎn)運動的軸套5；和固定連接于所述軸套上端面的磁鐵組成；所述磁鐵與所述鋼球的數(shù)量相同。
2. 按權(quán)利要求1所述的微型蠕動泵，其特征在于，所述的柔性聚合物結(jié)構(gòu)層為聚二甲 基硅氧烷材質(zhì)的聚合物結(jié)構(gòu)層。
3. 按權(quán)利要求1所述的微型蠕動泵，其特征在于，所述底板為無磁材質(zhì)的板材。
4. 按權(quán)利要求3所述的微型蠕動泵，其特征在于，所述底板為有機玻璃、玻璃或印刷電 路板材質(zhì)的板材。
5. 按權(quán)利要求1所述的微型蠕動泵，其特征在于，所述的粘接層為聚二甲基硅氧烷粘 接層。
全文摘要
本發(fā)明屬于精密機械中微型流體泵技術(shù)領(lǐng)域，涉及微型蠕動泵，主要由微泵芯片和驅(qū)動機構(gòu)兩部分組成。其中微泵芯片由微泵薄膜溝道結(jié)構(gòu)層和底板組成，微泵薄膜溝道包括依次連通的進液口、入口過渡溝道槽、環(huán)形溝道、出口過渡溝道槽、出液口。驅(qū)動機構(gòu)包括位于薄膜上方的鋼球，吸引鋼球的磁鐵，帶動磁鐵轉(zhuǎn)動的微電機以及聯(lián)接電機和磁鐵的軸套。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，能夠控制流體流動，流量穩(wěn)定，流量調(diào)節(jié)范圍大，外形尺寸較小，無需高壓或加熱等苛刻條件等特點。
文檔編號B81B3/00GK101749219SQ20081023918
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月11日
發(fā)明者伍康, 葉雄英, 周兆英, 杜敏 申請人:清華大學(xué)