專利名稱：微型擴散泵及其制備方法
技術領域：
本發明屬于微流體控制、傳輸、微執行器技術領域，涉及一種無可動閥片式微型擴散泵及其制備方法。
背景技術：
微流控分析芯片系統的主要特征是流體在各種構型的微流道和反應池內流動，通過控制流體的流動，完成芯片系統上的各項功能。微流控芯片系統中操作的核心是微流體的驅動，微流體驅動是微流體技術的基礎。微泵是一個非常重要的微驅動器，是微流體控制系統的核心元件。目前采用微機械加工(MEMS)技術制備的微型泵主要分為機械式流體控制微泵和非機械式流體控制微泵，機械式微泵的進口和出口都需匹配兩個單向微閥來控制流體的定向流動，通過驅動膜片的往復運動引起泵腔體積變化而工作，機械式微泵驅動類型主要包括壓電致動、電磁致動、靜電致動、熱致動、氣動致動等方式。機械微泵由于需匹配兩個單向微閥，由此增加了整個驅動系統結構的復雜性，在機械式微泵的工作過程中，進出口閥極易損壞，因此縮短了微泵的使用壽命及可靠性。
非機械式微泵無可動部件，主要依據系統所用驅動動力的不同進行工作，主要包括電滲流體驅動微泵、電流體驅動微泵、磁流體驅動微泵、毛細管作用微泵等。上述非機械微泵只能承擔流道內簡單的液流輸送任務，液流是非均質移動，同時該類微泵多數要求所驅動液體為介電流體或導電流體，驅動需要高壓，裝置缺乏靈活性，應用局限性較大。
發明內容
本發明克服上述有閥機械式微泵結構復雜、制備工藝難度大以及非機械式微泵應用局限性等缺點，提供了一種無閥微型擴散泵，從而可以提高微泵的可靠性和工作穩定性，并易于與大多數微流體系統集成，適用于各種流體的微量輸運。。
本發明的另一目的在于降低微泵的制備成本，該擴散泵易于加工制備，泵體材料的選擇范圍大。
本發明的另一目的還在于采用抽吸氣體在泵內形成負壓而驅動液體，有效避免在泵內形成死區和氣泡淤積。
本發明的另一目的還在于設計多個擴散泵的串連結構和并聯多個泵腔的結構，通過依次施加脈沖信號，可以有效地提高微型擴散泵的泵液效率。
為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種微型擴散泵，泵體結構主要包括泵腔室、單向閥、泵入口、泵出口及泵腔室內的驅動結構，單向閥分別位于泵腔室與泵入口之間和泵腔室與泵出口之間，單向閥為正反向流量不同的楔形擴散管，泵腔室內流體在一定驅動方式下膨脹和收縮產生壓力差，依據流體在楔形擴散管內的正反流壓力不同的性質，在泵體內產生單向連續輸運流體的作用。
還包括若干個并聯泵腔室，并聯泵腔室通過方向相同的擴散管連接到同一進、出口，在相鄰的泵腔室上施加互補脈沖信號，可減少泵內流體的脈動。
包括若干個串聯泵腔室，串聯泵腔間由楔形擴散管相連，依次在泵腔室上施加脈沖信號，可驅動多個擴散泵依次工作，構成蠕動型擴散泵，驅動待吸流體流動。
所述泵腔室可以是圓柱體、長方體、正方體、棱臺等形狀。
所述楔形擴散管橫截面為半圓形、方形、矩形等形狀，擴散管的長度和擴散截面及泵腔幾何尺寸在微米至毫米之間，擴散角在5-20°之間。
所述驅動方式包括驅動液體和驅動氣體兩種方式，兩種流體均可在膜片驅動模式下工作，即在泵腔上設置有膜片，外加周期性信號使膜片振動，泵腔體積改變使腔內流體膨脹和收縮，在單向擴散管的作用下，達到驅動流體定向流動的目的。所述膜片驅動需在泵腔的膜片上設置致動裝置，驅動膜片振動裝置包括壓電、靜電、電磁、熱氣動、形狀記憶合金等致動器。
對于泵吸氣體工作方式，所述泵進口連接于一微流體芯片，所述泵出口連接于廢液室或廢氣室。對于泵吸液體工作方式，所述泵進口連接于一儲液室，所述泵出口連接于微流體芯片進口。
所述驅動氣體方式還包括氣熱驅動，即在泵腔上設置加熱電阻，周期性信號加熱、冷卻泵腔內氣體，使腔內氣體膨脹和收縮，從而驅動氣體自身的定向運動，在與泵腔入口相連的芯片內形成負壓，從而導入液體。
一種微型擴散泵的制備方法，包括以下步驟(1)在硅片上生長兩層掩膜，掩膜一和掩膜二，該兩層掩膜是腐蝕泵腔及擴散管時的保護層。
(2)用掩膜板1對經步驟(1)的硅片進行第一次光刻，經反應離子刻蝕，刻蝕出微型擴散泵的主體結構，包括泵出口腔，泵入口腔，泵腔室和兩個單向楔形擴散管的掩膜圖形。
(3)用掩膜板2對經步驟(2)的硅片進行第二次光刻，經反應離子刻蝕，在硅片上形成泵腔室，泵出口腔和泵入口腔的掩膜圖形。
(4)采用干法或濕法刻蝕技術刻蝕/腐蝕經步驟(3)的硅片，去除泵腔室，泵出口腔和泵入口腔部位的部分硅，形成三維結構。
(5)采用干法或濕法刻蝕技術刻蝕/腐蝕經步驟(4)的硅片，形成擴散擴散管結構，這時各腔室和擴散管是同時刻蝕的。
(6)對采用氣熱驅動的微泵，在蓋片上濺射、腐蝕形成金屬加熱電阻，該蓋片可以為聚合物、玻璃或硅片。
(7)在蓋片上開進出口，可以采用激光、超聲打孔、腐蝕等方法。
(8)將經步驟(5)的硅片硅片和經步驟(7)蓋片對準鍵合，鍵合方法包括陽極鍵合、聚合物鍵合等技術。
(9)對采用膜片振動方式驅動的擴散泵粘接微致動器。
一種基于聚合物材料的微型擴散泵制備方法，其特征在于它包括以下步驟(1)制備模具；模具制備方法包括采用厚膠光刻技術制備SU-8膠模具，采用LIGA技術制備金屬模具，采用硅微機械加工技術制備硅模具；(2)采用聚合物為泵體結構材料，利用步驟(1)所述模具，采用微模型技術成形三維結構的泵體，該結構包括微型擴散泵的泵入口、泵出口、泵腔室和兩個單向楔形擴散管。微模型技術加工擴散泵方法包括模塑成型法、真空熱壓法及LIGA技術；(3)采用聚合物、玻璃或硅片作為上蓋片，對采用氣熱驅動的微泵在蓋片上濺射、腐蝕金屬加熱電阻；(4)在蓋片或腔體上開進出口，可以采用激光、超聲打孔、腐蝕等方法；(5)將制得的聚合物泵體與蓋片對準鍵合，鍵合方法為聚合物鍵合技術；(6)對采用膜片振動方式驅動的微泵粘接微致動器。
本發明的技術效果本發明提出的微型擴散泵是一無閥片式微型泵，其突出特點是結構簡單、易于加工、可靠性高。微型擴散泵以結構簡單的楔形通道代替以往的單向微閥，起到驅動液體定向流動的作用，即在泵腔室與泵出入口之間設有正反流壓力損失不同的楔型擴散管結構，依據流體在楔型管道內產生正反流壓力不同的流動特性，起到單向輸運流體的作用。與其它微型泵相比具有以下優點沒有可動閥片使得微泵的使用壽命延長；微型擴散泵的工作流體可選擇為氣體，抽吸氣體使芯片內部保持一個負壓的狀態而驅動液體流動，根據流體力學的原理，抽負壓的方法可以更有效避免氣泡的產生，減小固液界面應力和死區；并聯和串聯擴散泵的新穎結構沒有增加泵的加工難度，但卻提高了泵的可靠性和工作效率；除常規膜片振動驅動方式外，本發明提出采用加熱電阻直接促使泵腔內氣體膨脹和收縮來驅動氣體的定向流動，無需額外設計和加工可動泵腔膜片，大大簡化了加工實現的難度和驅動方法。
本發明提出選用聚合物作為泵體材料的制備方法，聚合物材料的可選擇范圍非常廣泛，且生產成本低、生物兼容性好，從而為其廣泛應用提供保障。基于上述技術優勢，該微型擴散泵可廣泛應用于微流控分析芯片系統上，適于生物醫學領域中微量生物物質的檢測與分析。
圖1微型擴散泵結構示意圖；圖2微型擴散泵工作原理示意圖；圖3擴散管參數設計說明；圖4雙泵腔并聯微型擴散泵結構示意圖；圖5串聯微型擴散泵結構示意圖；圖6基于硅微機械加工工藝制備微型擴散泵工藝流程剖面圖；圖7基于微模型技術制備微型擴散泵工藝流程剖面圖；圖8硅片上加工的單個微型擴散管掃描電子顯微鏡照片。
具體實施例方式本發明提供的微型擴散泵采用楔形擴散管作為其微閥，即采用正反流壓力損失不同的楔形擴散管結構，依據流體在擴散管內的正反流壓力不同的流動性質，起到單向連續輸運流體的作用。圖1為微型擴散泵結構示意圖。它主要包括泵進口1、入口擴散管2、泵腔室3、出口擴散管5、泵出口6、泵腔室內的驅動膜片振動裝置4及電極7，正反向流量不同的擴散管2、5分別設置在泵腔室3與泵入口1和出口6之間，在泵入口1的一側楔形擴散管2的寬口與泵腔室3相連，在泵出口6一側楔形擴散管5的窄口與泵腔室3相連。泵腔室3的形狀可以是圓柱體、長方體、正方體、棱臺等形狀，擴散管2、5的橫截面可以是半圓形、方形、矩形、梯形等形狀。
微型擴散泵的工作原理如圖2所示，無論對驅動氣體還是驅動液體工作的微擴散泵，其工作過程如下周期性脈沖信號加熱氣體或周期性驅動信號驅動泵腔膜片振動，在前半周期內，氣體膨脹或泵腔體積膨脹，由于擴散管正向的流速大于負向的流速，擴散管2流入泵腔3的流體大于擴散管5流入泵腔3的流體，因此泵入口1流入泵腔室3的流量大于泵出口6流入泵腔室3的流量(圖2a)。脈沖信號進入后半周期，泵室內部的壓力增加，微泵處于泵氣模式，擴散管2流出泵腔3的流體小于擴散管5流出泵腔3的流體，因此泵出口6流出泵腔室3的流量大于泵入口1流出泵腔室3的流量(圖2b)。在一個工作周期內正向流量大于負向流量，因此在微型擴散泵內形成了流體的正向流動。
上述擴散泵中擴散管和泵腔室的尺寸依據要求改變擴散管長度L、擴散角2θ、擴散截面W1、W2及泵腔尺寸如圖3中所示，其幾何尺寸在微米至毫米之間，擴散角在5-20°之間。。根據不同流量范圍的要求，可以通過調節驅動信號電壓和頻率等參數，控制流體的膨脹、收縮幅度和頻率，進一步控制微型擴散泵的流量。
將圖3所示擴散管按照順序分成三個區域1區、2區、3區，其中1區為進口擴散管與泵腔連接區域，2區為泵腔，3區為出口擴散管與泵腔連接區域。依據伯努力方程，流體在擴散管2和收縮管5兩種流動方向下的壓強差ΔPdiff、ΔPnozzle可表示為各區壓強差的和；ΔPdiff＝ΔPd1+ΔPd2+ΔPd3(1)ΔPnozzle＝ΔPn1+ΔPn2+ΔPn3(2)依據理論Δp=K12ρu‾2,]]>其中K為三個區域的壓力損失系數，p為流體密度，u為流體流速，因此公式(1)、(2)中擴散管和收縮管的壓強差可重新表示為ΔPdiff=[Kd1+Kd2+Kd3(A1A3)2]12ρu‾12---(3)]]>ΔPnozzle=[Kn1+(Kn2+Kn3)(A1A3)2]12ρu‾12---(4)]]>由此公式(3)(4)定義擴散管和收縮管的壓力損失系數分別為ξd=Kd1+Kd2+Kd3(A1A3)2---(6)]]>ξn=Kn1+(Kn2+Kn3)(A1A3)2---(7)]]>微擴散泵的流阻系數η定義為收縮管的壓力損失系數與擴散管的壓力損失系數之比ξn/ξd，因此η可以通過公式(8)確定η=ξnξd=Kn1+(Kn2+Kn3)(A1/A3)2Kd1+Kd2+Kd3(A1/A3)2---(8)]]>上面各式中，ΔPdiff和ΔPnozzle分別表示擴散和收縮方向的壓強差，K表示壓力損失系數，u表示擴散(收縮)管內流體的平均流速，A1、A3為擴散管最窄和最寬口的截面積，η為流阻系數。
微擴散泵在一個周期內的流量Q可由公式(9)計算得出，而泵腔內流體的體積變化量ΔVm可由公式(10)表示Q=AT∫0T/2|vd-vn|dt---(9)]]>ΔVm=A2∫0T(vd+vn)dt---(10)]]>公式(9)、(10)中vd、vn分別為擴散、收縮方向截面積最小處流體的速度，T為驅動信號周期，根據上面各式，可得到一個周期內微擴散泵的流量變化Q=2ΔVmTξn/ξd-1ξn/ξd+1---(11)]]>整流系數ε標志著微擴散泵在正向、反向驅動流體的能力，定義為ϵ=Q+-Q-Q++Q----(12)]]>Q+、Q-分別代表流體正向流動和反向流動時微泵的流量變化。由公式(11)、(12)可明顯看出，微擴散泵的工作效率依賴于擴散管的流阻系數η和整流效率，而K、η和ε又取決于擴散管的各項參數及微泵的幾何結構。
為了減少周期性信號驅動所帶來的流動脈動，可采用微型擴散泵并聯的結構，如圖4所示，將兩個或多個擴散管方向相同的泵體并聯到同一進出口，在并聯的每個泵腔室上加上互補的脈沖信號，這樣在一個泵腔收縮時，另一個泵腔膨脹，可使微泵連續工作，這樣可以減少流體的脈動，形成連續的流動。
參考圖5，還設計了串聯結構的擴散泵結構，該結構包括多個泵腔，泵腔間由楔形擴散管相連，中間的楔形擴散管分別作為前一個泵腔的擴散管和后一個泵腔的收縮管，將串聯的每個泵腔室依次加上脈沖信號，每個泵腔依次工作，推動流體前進，形成蠕動型微泵。
上述發明的微型擴散泵可以通過以下制作實施例實現方案一硅微機械加工工藝，加工流程示意圖見圖6(1)如圖6-a所示，硅片8上淀積復合掩膜，9為掩膜一，10為掩膜二，掩膜材料可以為氧化硅、氮化硅或其它材料，如光刻膠、金屬掩膜等。
(2)如圖6-b所示，利用掩膜板1在掩膜一9上光刻，光刻出包括泵入口腔1、泵出口腔6、泵腔室3和兩個單向楔形擴散管2、5結構圖形。
(3)如圖6-c所示，利用掩膜板2在掩膜二10上光刻，光刻出包括泵腔3，泵入口腔1和泵出口腔6結構圖形。
(4)如圖6-d所示，濕法或干法刻蝕硅片，形成泵腔3、泵入口腔1、泵出口腔6結構，具體腐蝕深度根據性能指標確定。
(5)如圖6-e所示，將硅片上剩余的掩膜二10除去，濕法或干法刻蝕硅片，刻蝕出擴散管2、5結構，具體的刻蝕深度根據性能指標確定。
(6)如圖6-f所示，將硅片上剩余的掩膜腐蝕掉。
(7)如圖6-g所示在蓋片11上濺射加熱金屬電阻7，并開進出液口孔1、2，蓋片可以為聚合物、玻璃或硅片，可以采用激光打孔、超聲打孔及腐蝕的方法。
(8)如圖6-h所示將刻蝕完的硅片與蓋片對準鍵合，鍵合方法包括陽極鍵合和聚合物鍵合等。
(9)如果采用膜片振動方式驅動，可在振動膜片上粘貼壓電薄膜等致動器，通過施加脈沖信號，驅動擴散泵工作。
圖8給出在硅片上加工出的單個擴散管結構掃描電子顯微鏡照片。
方案二微模型技術加工微擴散泵，加工流程見圖7，具體步驟是(1)如圖7-a所示，首先是制作負模具13，其工藝過程為在硅片上光刻并腐蝕出微型擴散泵泵體的互補結構，具體步驟與方案一中加工硅基微型擴散泵的過程相同。模具13也可以采用其它材料(如SU-8、金屬等)利用厚膠光刻、LIGA技術制得。
(2)如圖7-b所示，以聚合物材料(如PDMS、PF、PE、PMMA等)為泵體材料14，采用聚合物材料的三維成型方法，如模塑法、熱壓法、LIGA技術等加工方法在模具上制得聚合物材料的泵體14。
(3)模塑法制備微擴散泵方法包括首先在模具13長生長和涂覆一層脫模劑，以便于聚合物泵體易于從模具上剝離；將聚合物及其固化劑充分混合14，并在一定真空條件下脫氣，去掉混合物內的空氣；模具放置于淺盤中，盤的厚度與所需泵體厚度一致；混合的聚合物澆注在模具上，并作進一步脫氣；在一定溫度和時間條件下固化聚合物，固化溫度和時間依據材料性質決定(如圖7-b)；從模具上剝離聚合物，得到與負模具圖案互補的泵體結構14(如圖7-c所示)；(4)熱壓法制備微擴散泵需要配備熱壓裝置，其關鍵的制備方法是制備一個模具13(金屬、硅等材料)(圖7-a)；在熱壓裝置中將聚合物基片加熱到軟化溫度；通過在模具上施加一定壓力，并保持一定時間，即可在聚合物基片上壓制出與模具凹凸互補的泵體結構(圖7-b)；在加壓的條件下，將模具與基片一起冷卻后脫模，得到所需微結構14(圖7-c)；(5)采用聚合物或玻璃作為微泵封蓋12，在蓋片上濺射加熱金屬電阻7，并開進出液口孔1、2，可以采用激光打孔、超聲打孔及腐蝕的方法(圖7-d)。
(6)泵體與封蓋對準鍵合(圖7-e)，鍵合方式可采用聚合物鍵合技術，可借助反應離子刻蝕系統活化聚合物及玻璃表面，實現微泵的密封封裝。
(7)如果采用膜片振動方式驅動，可在振動膜片上粘貼壓電薄膜等致動器，通過施加脈沖信號，驅動擴散泵工作。
基于硅微機械加工技術和微模型技術制備微擴散泵的方法技術成熟，可靠性高，加工制備方法簡單，制備成本非常低，易于與其它芯片系統集成。微擴散泵廣泛應用于微流控分析芯片系統內的流體控制，該發明在生物醫學、環境監控、食品質量檢測、突發應急事件的研究領域具有廣泛的應用前景。
權利要求
1.一種微型擴散泵，泵體結構主要包括泵腔室、單向閥、泵入口、泵出口及泵腔室內的驅動結構，單向閥分別位于泵腔室與泵入口之間和泵腔室與泵出口之間，其特征在于單向閥為正反向流量不同的楔形擴散管，泵腔室內流體在一定驅動方式下膨脹和收縮產生壓力差，依據流體在楔形擴散管內的正反流壓力不同的性質，在泵體內產生單向連續輸運流體的作用。
2.如權利要求1所述的微型擴散泵，其特征在于包括若干個并聯泵腔室，并聯泵腔室通過方向相同的擴散管連接到同一進、出口，在相鄰的泵腔室上施加互補脈沖信號，可減少泵內流體的脈動。
3.如權利要求1所述的微型擴散泵，其特征在于包括若干個串聯泵腔室，串聯泵腔間由楔形擴散管相連，依次在泵腔室上施加脈沖信號，可驅動多個擴散泵依次工作，構成蠕動型擴散泵，驅動待吸流體流動。
4.如權利要求1、2或3所述的微型擴散泵，其特征在于在泵腔室的外表面淀積金屬加熱電阻，通過加熱該電阻加熱、冷卻泵腔氣體來控制流體的膨脹與收縮。
5.如權利要求1、2或3所述的微型擴散泵，其特征在于在泵腔室上增設薄振動膜片，采用壓電、電磁等致動器驅動泵腔膜片振動來改變泵腔室內體積，達到控制流體膨脹與收縮的目的。
6.如權利要求1所述微型擴散泵，其特征在于所述楔形擴散管橫截面為半圓形、方形、矩形等形狀，擴散管的長度和擴散截面及泵腔幾何尺寸在微米至毫米之間，擴散角在5°-20°之間。
7.如權利要求1所述微型擴散泵，其特征在于所述泵腔室為圓柱體、長方體、正方體或棱臺形狀。
8.一種微型擴散泵的制備方法，步驟包括(1)在硅片上進行光刻和刻蝕，刻蝕出微型擴散泵的主體結構，包括泵出口腔，泵入口腔，泵腔室和兩個單向擴散閥；(2)在硅片或蓋片上的淀積加熱電阻，所述蓋片可以為聚合物、玻璃或硅片；(3)采用激光、超聲打孔技術或腐蝕技術在蓋片或硅片上形成微泵進出口；(4)硅片和蓋片對準鍵合，鍵合方式包括陽極鍵合和聚合物鍵合；(5)在振動膜片上粘貼壓電薄膜等致動器。
9.一種微型擴散泵的制備方法，步驟包括(1)制備模具；采用厚膠光刻、LIGA、硅微機械加工技術，以SU-8光刻膠、金屬、硅為材料制備三維無閥微型擴散泵模具結構；(2)采用聚合物(PDMS，PE、PMMA等)為泵體材料；(3)采用模塑、熱壓等技術制備聚合物材料的泵體結構；(4)在泵體或蓋片上開進出口，所述蓋片可以為聚合物、玻璃；(5)在泵體或蓋片上光刻濺射加熱金屬電阻；(6)將聚合物泵體與蓋片對準鍵合，鍵合方式可采用聚合物鍵合技術；(7)在所述振動膜片上粘貼壓電薄膜等致動器。
全文摘要
本發明提供了一種微型擴散泵及其制備方法，微型擴散泵主要包括泵腔室、單向閥、泵入口、泵出口及泵腔室內的驅動結構，單向閥分別位于泵腔室與泵入口之間和泵腔室與泵出口之間，單向閥為正反向流量不同的楔形擴散管，泵腔室內流體在一定驅動方式下膨脹和收縮產生壓力差，依據流體在楔形擴散管內的正反流壓力不同的性質，在泵體內產生單向連續輸運流體的作用。本發明提供的微型擴散泵可采用抽吸氣體而驅動液體和直接驅動液體兩種工作方式。微型擴散泵的制備基于硅微機械加工技術及微模型技術，制備工藝簡單、加工成本低、可靠性好、易于與大多數微流體系統集成，在微流控分析芯片領域具有廣泛的應用前景。
文檔編號F04F9/00GK1844681SQ20051001153
公開日2006年10月11日 申請日期2005年4月7日 優先權日2005年4月7日
發明者于曉梅, 李修函, 張大成, 張海濤, 李婷, 王陽元 申請人:北京大學