專利名稱：雙向無(wú)閥微泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種具有雙向泵送特性的無(wú)閥微泵。
背景技術(shù)：
微泵是微流體系統(tǒng)中最重要的流體控制元件之一，是微流體系統(tǒng)發(fā)展水平的標(biāo)志。微流體系統(tǒng)作為微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-electromechanical system MEMS)的一個(gè)重要分支，近年來(lái)取得了很大的進(jìn)展。微流體系統(tǒng)是由微溝道、微泵、微閥、微流量傳感器等微型流體測(cè)量、控制部件組成的小型系統(tǒng)，可進(jìn)行微體壓力、流量和方向的控制，以及成分分析。作為MEMS領(lǐng)域的一個(gè)較大分支，微流體系統(tǒng)同樣具有集成化和大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，同時(shí)由于尺寸微小，可減小流體系統(tǒng)中的無(wú)效體積，降低能耗和試樣用量，而且響應(yīng)快，因此應(yīng)用前景十分廣闊。
現(xiàn)有的無(wú)閥微泵難以實(shí)現(xiàn)流體的正、反向流動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種具有雙向泵送特性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)的雙向無(wú)閥微泵。微泵采用壓電元件的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括泵體和泵蓋，在泵體上開(kāi)有包括泵腔、流體進(jìn)口溝道、流體出口溝道的結(jié)構(gòu)圖形，泵蓋上開(kāi)有進(jìn)口和出口，泵體與泵蓋鍵合在一起，它還包括泵體與泵蓋鍵合后在泵體與泵蓋之間形成的薄壁孔口與厚壁孔口，泵腔外安裝有壓電驅(qū)動(dòng)元件。
本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征1、薄壁孔口、厚壁孔口的壁厚分別為ei、eo，孔口高度為h，孔口寬度為b，它們之間應(yīng)當(dāng)滿足如下關(guān)系孔徑d=2bhb+h;]]>有，ei≤0.5d；eo＝(2-4)d。
2、泵體材料為硅片，或者是PDNMS。
3、泵蓋材料為Pyrex7740玻璃，。
本發(fā)明的無(wú)閥微泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可采用MEMS技術(shù)批量化生產(chǎn)，易于在微流體系統(tǒng)中集成等優(yōu)點(diǎn)；而且由于沒(méi)有可動(dòng)的閥片部分，使無(wú)閥微泵適用于各種液體，及帶有固體微粒的液體等，且減少了阻塞現(xiàn)象的發(fā)生。和有閥微泵相比，該泵更加可靠、耐用；和現(xiàn)有的無(wú)閥微泵相比，可通過(guò)改變電壓波形容易地控制流體的正、反向流動(dòng)。采用壓電驅(qū)動(dòng)，具有驅(qū)動(dòng)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在泵體基片上安裝便利，效率高，反應(yīng)快，易于控制等優(yōu)點(diǎn)。工作電壓為不對(duì)稱三角波，在0-±110V范圍具有較寬的微流量控制能力，正向流量在0-70μm/min之間，反向流量在0-56μm/min之間。
該泵在化學(xué)分析、醫(yī)療器械、粘接劑噴涂，以及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給等方面均有應(yīng)用前景。因其無(wú)閥門(mén)、且具有正、反向泵送特性尤其適用于微溝道及微小零部件的清洗，在微流體系統(tǒng)中具有很大的應(yīng)用潛力。


圖1和圖2是本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電壓示意圖；圖3和圖4是本發(fā)明的工作原理示意圖；圖5是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的泵體的加工工藝流程圖。
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述具體實(shí)施方式
結(jié)合圖5，雙向無(wú)閥微泵的組成包括泵體1和泵蓋2，在泵體上開(kāi)有包括泵腔3、流體進(jìn)口溝道4、流體出口溝道5的結(jié)構(gòu)圖形，泵蓋上開(kāi)有進(jìn)口6和出口7，泵體與泵蓋鍵合在一起，它還包括泵體與泵蓋鍵合后在泵體與泵蓋之間形成的薄壁孔口8與厚壁孔口9，泵腔外安裝有壓電驅(qū)動(dòng)元件--壓電片10。
本發(fā)明的最佳參數(shù)選擇之一是一種Si/Glass結(jié)構(gòu)的壓電式雙向無(wú)閥微泵薄壁孔口、厚壁孔口的壁厚分別為ei＝25、eo＝180μm，孔口高度為h＝25μm，孔口寬度為b＝500μm，孔徑d=2bhb+h=47.8μm;]]>ei≈0.5d；eo＝(2-4)d；泵腔直徑Φ＝8.8mm；壓電片的彈性體直徑Φ＝14mm，壓電陶瓷片直徑Φ＝7mm。
微泵泵體采用雙面拋光3時(shí)(100)晶向n-Si，厚度為400μm。泵蓋片采用Pyrex7740玻璃。壓電片為市售的壓電峰鳴片。
結(jié)合圖6，微泵采用集成電路平面工藝和微機(jī)械加工技術(shù)制作。制作硅泵體的工藝流程按圖6的順序進(jìn)行。采用電化學(xué)打孔儀(中國(guó)專利號(hào)03132459.2)，在玻璃片上用電化學(xué)腐蝕方法打出進(jìn)、出口。以Si/Glass陽(yáng)極鍵合方法進(jìn)行泵體和泵蓋的鍵合封裝。最后，在泵腔下方粘接壓電片，并在進(jìn)、出口上粘接塑料導(dǎo)水管。粘接用膠均為K-508膠。
下面結(jié)合圖1-圖4描述本發(fā)明的工作原理當(dāng)施加如圖1)中所示的正向三角波形時(shí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)完整周期后，微泵便會(huì)產(chǎn)生正向流動(dòng)的效果；當(dāng)施加如圖2中所示的反向三角波形時(shí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)完整的周期后，微泵便會(huì)產(chǎn)生反向流動(dòng)的效果。
加載正向工作電壓波形時(shí)，電壓先是快速增加，微泵處于泵出模式，見(jiàn)圖3所示。腔體體積快速減小。此時(shí)，薄、厚壁孔口內(nèi)流體速度很快，處于紊流狀態(tài)，當(dāng)流體從孔口出流時(shí)，因其具有尖銳邊緣，流線不能突然折轉(zhuǎn)，只能以圓滑曲線方式逐漸彎曲流出，在流股距孔口邊緣約d/2處形成一個(gè)最小截面，圖中C-C位置。而厚壁孔口的C-C位置在孔壁內(nèi)，此處產(chǎn)生負(fù)壓，對(duì)流體有抽吸作用，促使出流流量增大。也可以從流量系數(shù)上來(lái)分析薄壁孔口的流量系數(shù)為0.62；厚壁孔口的流量系數(shù)為0.82，出流流量與流量系數(shù)成正比。因此，薄壁孔口泵出的流體少于厚壁孔口泵出的流體。
當(dāng)電壓緩慢下降時(shí)，微泵處于吸入模式，見(jiàn)圖4所示。腔體體積緩慢增大，此時(shí)，薄、厚壁孔口內(nèi)流體速度較慢，處于層流狀態(tài)，流體是沿著孔壁被吸入泵腔，而層流阻力包括沿程阻力和局部阻力。首先分析沿程阻力，厚壁孔口流程大于薄壁孔口流程(此處的流程就是孔口壁厚)，因此，厚壁孔口沿程阻力大于薄壁孔口沿程阻力；再來(lái)分析局部阻力，由于薄、厚壁孔口的形狀相同，局部阻力也就相同?？傊黧w通過(guò)孔口時(shí)薄壁孔口的阻力小于厚壁孔口。因此，薄壁孔口吸入的流體多于厚壁孔口的流體。
綜上所述，微泵正向工作一個(gè)周期，流體自進(jìn)口溝道流入泵腔，從出口溝道流出，實(shí)現(xiàn)了正向泵送。可按同理分析微泵的反向工作情況。
權(quán)利要求
1.一種雙向無(wú)閥微泵，它包括泵體和泵蓋，在泵體上開(kāi)有包括泵腔、流體進(jìn)口溝道、流體出口溝道的結(jié)構(gòu)圖形，泵蓋上開(kāi)有進(jìn)口和出口，泵體與泵蓋鍵合在一起，其特征是它還包括泵體與泵蓋鍵合后在泵體與泵蓋之間形成的薄壁孔口與厚壁孔口，泵腔外安裝有壓電驅(qū)動(dòng)元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向無(wú)閥微泵，其特征是薄壁孔口、厚壁孔口的壁厚分別為ei、eo，孔口高度為h，孔口寬度為b，它們之間應(yīng)當(dāng)滿足如下關(guān)系孔徑d=2bhb+h;]]>有，ei≤0.5d；eo＝(2-4)d。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙向無(wú)閥微泵，其特征是泵體材料為硅片或?yàn)榫鄱谆柩跬?PDMS)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙向無(wú)閥微泵，其特征是泵蓋材料為Pyrex7740玻璃或?yàn)镻DMS。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種雙向無(wú)閥微泵。它包括泵體和泵蓋，在泵體上開(kāi)有泵腔、流體進(jìn)、出口溝道等結(jié)構(gòu)圖形，泵蓋上開(kāi)有進(jìn)口和出口，泵體與泵蓋鍵合在一起，鍵合后在泵體與泵蓋之間形成薄壁孔口與厚壁孔口，泵腔外安裝壓電驅(qū)動(dòng)元件。本發(fā)明產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)在于微泵體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、易于操作、適合批量化生產(chǎn)，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的正、反向泵送。該泵在化學(xué)分析、醫(yī)療器械、粘接劑噴涂，以及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給等方面均有應(yīng)用前景。因其無(wú)閥門(mén)、且具有正、反向泵送特性尤其適用于微溝道及微小零部件的清洗，在微流體系統(tǒng)中具有很大的應(yīng)用潛力。
文檔編號(hào)F04B43/04GK1908432SQ20061001038
公開(kāi)日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月8日
發(fā)明者劉曉為, 王蔚, 田麗, 王喜蓮 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)