一種基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵，包括泵體、將該泵體分成上、下泵體的基片，下泵體上設(shè)有進(jìn)液口、出液口，下泵體內(nèi)設(shè)有閥腔體，上泵體的上表面設(shè)有平面螺旋線圈，該平面螺旋線圈與外部電源電連接；基片和下泵體形成液體腔，該液體腔與進(jìn)液口、閥腔體連通，閥腔體與出液口連通，液體腔與進(jìn)液口的連接處設(shè)有單向進(jìn)液膜，液體腔與閥腔體連接處設(shè)有單向出液膜；基片的上表面設(shè)有正磁致伸縮效應(yīng)薄膜，下表面設(shè)有逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜。本發(fā)明采用超磁致伸縮材料，具有響應(yīng)速度快、頻響高等特點(diǎn)；且由平面線圈提供的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，顯著提高微泵的工作性能，平面螺旋線圈驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了微泵結(jié)構(gòu)，減小了微泵體積。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微型泵，具體涉及一種基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著MEMS技術(shù)的成熟，微型化器件的制作成本逐漸降低，并且能夠在同一芯片上集成多種功能的元器件，從而使得微型化器件越來(lái)越受到使用者的歡迎。微流體器件廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、醫(yī)療診斷、藥物緩釋、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等研究領(lǐng)域，具有試劑用量少、污染物排放低、化學(xué)反應(yīng)速度快、精確控制反應(yīng)、便攜性等優(yōu)點(diǎn)。從2005年至2011年，微流體領(lǐng)域的市場(chǎng)值以每年16 %的速度增長(zhǎng)，截止2011年，整個(gè)微流體器件的市場(chǎng)值已經(jīng)達(dá)到50億歐元。微流體系統(tǒng)是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的一個(gè)分支，它廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)方面和食品飲料的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，如微量配給，微量注射、微全分析系統(tǒng)(MicrioTotalAnalysisSystem, μ -TAS)、芯片實(shí)驗(yàn)室(LabOnaChip)和 PCR 芯片(PolymeraseChainReaction)。微泵、微閥和微流量傳感器是構(gòu)成微流體系統(tǒng)的重要部件，微泵和微閥是關(guān)鍵執(zhí)行部件，微流量傳感器是檢測(cè)器件。微泵作為微流體器件的重要組成部分，其作用是實(shí)現(xiàn)流體的定量傳輸，從而使得在同一芯片上實(shí)現(xiàn)樣品的流動(dòng)、混合、分離、分析檢測(cè)等功能。隨著微流體器件領(lǐng)域的快速發(fā)展，微泵將占據(jù)巨大的市場(chǎng)價(jià)值。
[0003]在微流體系統(tǒng)中，微泵作為執(zhí)行器是最為核心的部分。薄膜型微泵作為微泵分類(lèi)中的一種容積泵，其工作原理是靠膜的彎曲變形帶動(dòng)泵腔體的容積發(fā)生變化，從而引起腔體內(nèi)外壓力的不同，進(jìn)而完成液體的吸排與輸送。由于其流量控制精確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，微泵在基因篩選、藥物分析與輸送、體液檢測(cè)、集成芯片的溫控、氣體分子濃度檢測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出很寬闊的應(yīng)用前景。微泵的研究始于二十世紀(jì)八十年代初Stanford大學(xué)的Wallmark和Smit。隨后，人們圍繞微泵展開(kāi)了大量的研究工作。按照其結(jié)構(gòu)，可將微泵分為機(jī)械式微泵和非機(jī)械式微泵，機(jī)械式微泵靠活動(dòng)部件來(lái)傳輸、控制流體，而非機(jī)械式微泵則是依靠物理化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力源。機(jī)械式微泵中主要研究的是往復(fù)膜片式(振動(dòng)膜式)微泵，它是依靠驅(qū)動(dòng)器使膜片變形，引起泵腔內(nèi)壓力變化，從而將流體定向輸送。按驅(qū)動(dòng)原理，振動(dòng)膜微泵主要有壓電驅(qū)動(dòng)式、靜電驅(qū)動(dòng)式、電磁驅(qū)動(dòng)式、熱驅(qū)動(dòng)式、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)式和薄膜型超磁致伸縮材料驅(qū)動(dòng)式等。壓電驅(qū)動(dòng)式微泵的的驅(qū)動(dòng)電壓偏高，難與IC電路兼容且壓電泵的噪音比較大。靜電驅(qū)動(dòng)式微泵的體積沖程比較小，且驅(qū)動(dòng)電壓較高，不利于應(yīng)用。而熱驅(qū)動(dòng)式微泵因?yàn)闊崂鋮s慢，驅(qū)動(dòng)頻率低導(dǎo)致其輸出流量和壓力比較小，同時(shí)耗能也比較大。形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)頻率過(guò)低，同時(shí)輸出的流量也比較小。而且以上的各種驅(qū)動(dòng)式微泵的體積相對(duì)來(lái)說(shuō)都是比較大，不宜與集成化。 [0004]在中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?201210536492，
【公開(kāi)日】2013.4.3中公開(kāi)了一種基于合成射流的壓電微泵，包括泵進(jìn)口、泵出口、上泵體、上腔體、噴口、下泵體、下腔體、振動(dòng)膜片和壓電致動(dòng)器，泵進(jìn)口和泵出口位于泵的最上端，上泵體下部是上腔體，泵進(jìn)口和泵出口通過(guò)上腔體與噴口相連通，下泵體位于上腔體的下方，噴口將上、下腔體連通，振動(dòng)膜片粘結(jié)于下泵體下表面，壓電致動(dòng)器通過(guò)粘結(jié)劑(導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂)粘結(jié)在振動(dòng)膜片下表面中央。該技術(shù)方案驅(qū)動(dòng)電壓偏高，難與IC電路兼容且壓電泵的噪音比較大、且體積較大。
[0005]在中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?201310597265，
【公開(kāi)日】2014.2.12中公開(kāi)了一種尺寸較小、可與便攜式芯片集成的磁流體力學(xué)微泵。該磁流體力學(xué)微泵，包括基底，所述基底的下表面設(shè)置有平面型電磁鐵，所述基底的上表面設(shè)置有基體，所述基體上刻蝕有微通道以及與微通道連通的儲(chǔ)液池，在微通道的兩側(cè)設(shè)置有電極，所述電極濺射在基體的上表面，還包括用于將微通道密封的封裝層，所述封裝層上設(shè)置有注液口和電極接入孔。該技術(shù)方案電磁鐵與基底直接接觸，工作時(shí)有沖擊，產(chǎn)生噪音、且體積較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種提高微泵的工作特性、簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)的基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵。
[0007]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0008]一種基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵，包括泵體、將該泵體分成上、下泵體的基片，所述下泵體上設(shè)有進(jìn)液口、出液口，所述下泵體內(nèi)設(shè)有閥腔體，所述上泵體的上表面設(shè)有平面螺旋線圈，該平面螺旋線圈與外部電源電連接；所述基片和所述下泵體形成液體腔，該液體腔與所述進(jìn)液口、閥腔體連通，所述閥腔體與所述出液口連通，所述液體腔與所述進(jìn)液口的連接處設(shè)有單向進(jìn)液膜，所述液體腔與所述閥腔體連接處設(shè)有單向出液膜；所述基片的上表面設(shè)有正磁致伸縮效應(yīng)薄膜，下表面設(shè)有逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜。在平面螺旋線圈通入一定頻率的交流電，平面螺旋線圈在電流的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁場(chǎng)。正、逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜在外加磁場(chǎng)的作用下發(fā)生變形，當(dāng)電流增大時(shí)，磁場(chǎng)隨著電流增大而增大，具有逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜在外加磁場(chǎng)作用下縮短，具有正磁致伸縮效應(yīng)薄膜在外加磁場(chǎng)作用下伸長(zhǎng)，從而帶動(dòng)基片向下彎曲，壓縮液體腔，使液體腔的壓力增大，推動(dòng)單向出液膜一端打開(kāi)，產(chǎn)生一定的間隙，液體流入閥腔體，再經(jīng)過(guò)出液口對(duì)系統(tǒng)提供微量流體。單向進(jìn)液膜在自身材料的彈性作用力和液體壓力作用下緊貼進(jìn)液管道，阻止液體從進(jìn)流管道流出，實(shí)現(xiàn)微泵的排液過(guò)程。當(dāng)通入平面螺旋線圈的電流從峰值減小到零時(shí)，磁場(chǎng)隨著電流的減小而減小，逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜和正磁致伸縮效應(yīng)薄膜逐漸恢復(fù)原長(zhǎng)，從而帶動(dòng)基片恢復(fù)到原來(lái)位置，液體腔的體積增大，壓力減小，液體在大氣壓的作用下推開(kāi)單向進(jìn)液膜的一端進(jìn)入液體腔，單向出液膜在自身材料彈性的作用力下緊貼出液管道阻止液體流出，從而實(shí)現(xiàn)微泵的吸油過(guò)程。
[0009]優(yōu)選的，所述正、逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜均有2片，分布于所述基片兩端。
[0010]優(yōu)選的，所述單向進(jìn)液膜的一端粘接在所述液體腔內(nèi)壁上形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，所述單向出液膜一端粘接在所述閥腔體內(nèi)壁上形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。
[0011]優(yōu)選的，所述平面螺旋線圈上覆蓋有絕緣保護(hù)層；對(duì)平面螺旋線圈進(jìn)行保護(hù)。
[0012]優(yōu)選的，所述平面螺旋線圈采用光刻或腐蝕工藝制作。
[0013]優(yōu)選的，所述正磁致伸縮效應(yīng)薄膜的材料為T(mén)bDyFe合金，所述逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜的材料為SmFe合金。
[0014]優(yōu)選的，所述基片由硅薄片制成；硅薄片有較大的張力。
[0015]優(yōu)選的，所述單向進(jìn)、出液膜由橡膠、塑膠或硅薄膜制成；具有足夠彈性、韌性、耐腐蝕。[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:
[0017]1、本發(fā)明采用超磁致伸縮材料，具有響應(yīng)速度快、頻響高等特點(diǎn)；且由平面線圈提供的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此可以顯著提高微泵的工作性能。
[0018]2、本發(fā)明采用平面螺旋線圈驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了微泵的結(jié)構(gòu)，減小了微泵的體積，便于實(shí)現(xiàn)與微流體芯片系統(tǒng)集成。
[0019]3、本發(fā)明為磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)為非接觸式，無(wú)沖擊，噪音低。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明微泵非驅(qū)動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明微泵立體結(jié)構(gòu)分解示意圖。
[0022]圖中:1、進(jìn)液橡皮管，2、進(jìn)液口，3、單向進(jìn)液膜，4、基片，5、上泵體，6、絕緣保護(hù)層，
7、平面螺旋線圈，8、逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜，9、正磁致伸縮效應(yīng)薄膜，10、液體腔，11、單向出液膜，12、閥腔體，13、出液口，14、出液橡皮管，15、下泵體，16線圈電極對(duì)引線，17、空氣腔。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明:
[0024]結(jié)合圖1、圖2，一種基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵，包括泵體、將該泵體分成上、下泵體的基片4，下泵體15上設(shè)有進(jìn)液口 2、出液口 13，下泵體15內(nèi)設(shè)有閥腔體12，上泵體5的上表面設(shè)有平面螺旋線圈7，基片4的上表面設(shè)有正磁致伸縮效應(yīng)薄膜9，下表面設(shè)有逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜8，正、逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜均有2片，分布于基片4兩端；進(jìn)液口2上設(shè)有進(jìn)液橡皮管1，出液口 13上設(shè)有出液橡皮管14。
[0025]基片4和下泵體15形成液體腔10，基片4與下泵體15、液體腔10構(gòu)成封閉空間，在基片4的張力作用下與流道口形成啟閉，基片4與上泵體5形成空氣腔17 ;液體腔10與進(jìn)液口 2、閥腔體12連通，閥腔體12與出液口 13連通，液體腔10與進(jìn)液口 2的連接處設(shè)有單向進(jìn)液膜3，液體腔10與閥腔體12連接處設(shè)有單向出液膜11 ;單向進(jìn)液膜3的一端粘接在液體腔10內(nèi)壁上形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，單向出液膜11通過(guò)一端粘接在閥腔體12內(nèi)壁上形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。
[0026]平面螺旋線圈7上覆蓋有絕緣保護(hù)層6，對(duì)平面螺旋線圈7進(jìn)行保護(hù)；并露出線圈電極對(duì)16與外部電源電連接。
[0027]平面螺旋線圈7采用光刻或腐蝕工藝制作。
[0028]正磁致伸縮效應(yīng)薄膜9的材料為T(mén)bDyFe合金，逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜8的材料為SmFe合金。
[0029]基片4由硅薄片制成；硅薄片有較大的張力。
[0030]單向進(jìn)、出液膜由橡膠、塑膠或硅薄膜制成；具有足夠彈性、韌性、耐腐蝕。
[0031]在平面螺旋線圈7通入一定頻率的交流電，平面螺旋線圈7在電流的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁場(chǎng)。正、逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜在外加磁場(chǎng)的作用下發(fā)生變形，當(dāng)電流增大時(shí)，磁場(chǎng)隨著電流增大而增大，逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜8在外加磁場(chǎng)作用下縮短,正磁致伸縮效應(yīng)薄膜9在外加磁場(chǎng)作用下伸長(zhǎng)，從而帶動(dòng)基片4向下彎曲，壓縮液體腔10，使液體腔10的壓力增大，推動(dòng)單向出液膜11 一端打開(kāi)，產(chǎn)生一定的間隙，液體流入閥腔體12，再經(jīng)過(guò)出液口 13對(duì)系統(tǒng)提供微量流體。單向進(jìn)液膜3在自身材料的彈性作用力和液體壓力作用下緊貼進(jìn)液管道，阻止液體從進(jìn)流管道流出，實(shí)現(xiàn)微泵的排液過(guò)程。當(dāng)通入平面螺旋線圈7的電流從峰值減小到零時(shí)，磁場(chǎng)隨著電流的減小而減小，逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜8和正磁致伸縮效應(yīng)薄膜9逐漸恢復(fù)原長(zhǎng)，從而帶動(dòng)基片4恢復(fù)到原來(lái)位置，液體腔10的體積增大，壓力減小，液體在大氣壓的作用下推開(kāi)單向進(jìn)液膜3的一端進(jìn)入液體腔19，單向出液膜11在自身材料彈性的作用力下緊貼出液管道阻止液體流出，從而實(shí)現(xiàn)微泵的吸油過(guò)程。微泵流量的大小還可由通入平面螺旋線圈7電流的大小和頻率控制，基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的平面線圈驅(qū)動(dòng)式微泵適用于低壓、高頻驅(qū)動(dòng)的弱磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。
[0032]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵，其特征在于:包括泵體、將該泵體分成上、下泵體的基片，所述下泵體上設(shè)有進(jìn)液口、出液口，所述下泵體內(nèi)設(shè)有閥腔體，所述上泵體的上表面設(shè)有平面螺旋線圈，該平面螺旋線圈與外部電源電連接；所述基片和所述下泵體形成液體腔，該液體腔與所述進(jìn)液口、閥腔體連通，所述閥腔體與所述出液口連通，所述液體腔與所述進(jìn)液口的連接處設(shè)有單向進(jìn)液膜，所述液體腔與所述閥腔體連接處設(shè)有單向出液膜；所述基片的上表面設(shè)有正磁致伸縮效應(yīng)薄膜，下表面設(shè)有逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵，其特征在于:所述正、逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜均有2片，分布于所述基片兩端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵，其特征在于:所述單向進(jìn)液膜的一端粘接在所述液體腔內(nèi)壁上形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，所述單向出液膜的一端粘接在所述閥腔體內(nèi)壁上形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵，其特征在于:所述平面螺旋線圈上覆蓋有絕緣保護(hù)層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵，其特征在于:所述平面螺旋線圈采用光刻或腐蝕工藝制作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵，其特征在于:所述正磁致伸縮效應(yīng)薄膜的材料為T(mén)bDyFe合金，所述逆磁致伸縮效應(yīng)薄膜的材料為SmFe合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵，其特征在于:所述基片由硅薄片制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器的微泵，其特征在于:所述單向進(jìn)、出液膜由橡膠、塑膠或硅薄膜制成。
【文檔編號(hào)】F04B43/04GK103939317SQ201410129813
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】王傳禮, 寇旗旗, 鄧海順, 黃坤, 張輝 申請(qǐng)人:安徽理工大學(xué)