專利名稱：多級擴散微流管道的行波式無閥壓電微泵的制作方法
技術領域：
本發明涉及到一種多級擴散微流管道的無閥壓電微泵，其驅動方式為行波驅動。
背景技術：
微流體(芯片實驗室)技術是目前迅速發展的高新技術和多學科交叉科技前沿領域之一，是生命科學、化學科學與信息科學信號檢測和處理方法研究的重要技術平臺。它可以使生物醫學領域中的生物樣品和試劑消耗量大大降低，而且分析速度成倍提高，成本成倍下降；在化學領域，它可以在一塊芯片上使用少量樣品和試劑以很短的時間同時完成大量實驗；在分析化學領域，它使大的分析儀器變成平方厘米尺寸規模的分析儀。微流體芯片所涉及到的部件包括與進樣及樣品處理有關的透析、膜、固相萃取、浄化；用于流體控制的微閥(包括主動閥和被動閥)，微泵(包括機械泵和非機械泵)；微混合器，微反應器，當然還有微通道和微檢測器等。 微泵作為微流體芯片流體驅動部分的重要執行部件，是其發展水平的重要標志。微泵在整個系統中主要用來提供流體驅動力，負責控制泵送樣品，控制流量及流速。微泵的分類方式有很多種根據有無可動閥片，可分為有閥微泵和無閥微泵；根據驅動方式不同，可分為壓電式、靜電式、氣動式、熱驅動式等。有閥微泵一般是利用腔體容積的周期變化和單向閥門工作的，有閥微泵的原理簡單，制作エ藝較為成熟且易于控制，是目前應用的主流。但由于泵體中存在閥片等機械部件，閥片的疲勞和壽命問題一直是困擾研究者的難題，大大限制了其應用范圍；而且這些機械可動部件的加工エ藝和加工準確度限制了有閥微泵的進ー步小型化，不適應近年來迅速發展的微流體芯片的技術需求。相比有閥微泵，無閥微泵由于其原理新穎、結構相對簡単、制造エ藝要求不高、適于微型化，因而具有獨特的發展優勢和廣闊的應用前景。運用在無閥微泵中的行波驅動技術，是使用壓電執行器陣列在彈性微流管道上激起一列行波，驅動液體定向流動的泵液方式。這種微泵以加在壓電執行器上的電壓信號來控制液體流動，以改變電壓相位實現液體雙向輸送。在這種行波驅動方式下，微流管道中液體質點的運動軌跡近似為橢圓運動，在一個行波周期后，液體質點與初始位置相比發生微小移動，這種移動最終形成一定流速的定向液體流動。1993年Estemme等人研制了ー種新型收縮/擴張型無閥微泵，是以收縮和擴張的不同形狀微流管道代替可動閥片，利用微流管道結構的不對稱引起的壓カ損失不對稱來實現液體的泵送，但這類泵的反向止流性能較差，液體從收縮和擴張管道同時流入和流出泵腔，導致流量損失較大，效率較低。這種收縮/擴張型的無閥微泵結構簡單，新穎，適于將這種結構的微泵集成到微流控芯片中。為了減小行波微泵的微流管道阻力和提高微泵輸出流速，本發明提出ー種多級擴散微流管道行波式無閥壓電微泵。多級擴散微流管道是將多個擴散管結構橫向疊加，置于行波微泵的泵區部分，并將壓電執行器陣列安裝在多級擴散管結構上表面，直接在微流管道中激起行波。利用多級擴散管結構的不對稱性導致對流體阻力的不同，減小液體在管道中單一方向的阻力，同時，多個擴散管結構的級聯還能有效提高管道的反向止流性能。這種行波微泵只能實現單向泵送，但是可以有效提高最大流速和背壓。
發明內容
本發明的目的是針對現有微泵結構復雜，效率較低的現狀，提出了ー種多級擴散微流管道行波式無閥壓電微泵，這種微泵的特點是結構簡単，泵液效率高，便于小型化和集成制造。行波式無閥壓電微流體驅動和控制技木，是通過驅動控制電路產生多個振幅、頻率、振動方向相同，而具有一定相位差的驅動信號，由壓電執行器的逆壓電效應將電信號轉變為機械振動，在微流管道上激起行波，使管道內的液體沿行波方向流動，這是ー種新型的微流體驅動技木。而液體流速可以通過驅動信號的電壓和頻率來控制。
壓電執行器為壓電雙晶片，采用PZTS (鋯鈦酸鉛)的壓電陶瓷材料，具有高耦合系數和高壓電應變常數，機電參數具有優異的時間和溫度穩定性。壓電雙晶片是ー種利用壓電陶瓷橫向逆壓電效應制作的換能器，采用雙層疊片結構，外加電場方向與振動方向相互 垂直。其位移可表示為
SdnUs 2U= H
4 か(1)其中，d31為壓電陶瓷材料的橫向壓電常數;Us為外加電壓；H和D分別為壓電雙晶片中單片壓電陶瓷的長度和厚度。利用壓電雙晶片陣列在微流管道上激發ー組振幅、頻率相同的駐波，合成的行波使管道中的液體沿一定方向連續流動。為了降低液體在管道內的回流現象，用多個擴散管橫向疊加的方式取代泵區原有的直管道，這種結構起到了單向閥的作用，抑制了液體在管道中的反向流動。將多級擴散微流管道與行波驅動壓電結構結合，可以實現液體的單向流動，且流速和背壓大大提高。行波是波的形態隨時間的推移在介質中沿一定方向不斷向前推進所形成的。處于波動的各點在其平衡位置處振動，而其振動狀態、能量沿波的行進方向傳播。駐波和行波之間有著密切的聯系，兩列滿足一定條件的駐波就可以疊加成為一列行波。假設兩列駐波的函數為
權利要求
1.一種多級擴散微流管道的行波式無閥壓電微泵，采用行波驅動陣列作為微泵驅動部件，驅動陣列下方泵區的微流管道為多級擴散管結構，使每個壓電執行器位于對應擴散管的正上方，并與微流管道頂部的突起緊密接觸。
2.根據權利要求I所述微泵，其結構包括微泵基底，微流管道和行波驅動陣列；微泵基底上制作有一個微流管道鍵合區、ー個樣品進ロ、一個樣品出口和ー個驅動陣列卡槽；微流管道的中部泵區是橫向疊加的多級擴散管結構，管道底面的溝槽并未封閉，與微泵基底鍵合在一起之后，形成完整的泵體；在管道上表面制作有梯形突起，每個梯形突起對應放置于單級擴散結構的上方，外形尺寸與擴散管內徑相吻合；行波驅動陣列采用壓電雙晶片平行分布，每片壓電雙晶片的一端置于多級擴散管相應的梯形突起上，另一端固定在微泵基底上。
3.根據權利要求1、2所述微泵，微流管道的材料為PDMS，與微泵基底的鍵合方法采用氧等離子體鍵合、紫外鍵合或熱鍵合方法；在熱鍵合方法中，需要在微泵基底的鍵合區涂覆ー薄層PDMS，制作微流管道的PDMS采用10 I的預聚體與固化劑配比，微泵基底上覆蓋的PDMS采用5 I的配比。
4.根據權利要求1、2所述微泵，微泵基底和微流管道模具的材料為PMMA或硅，加工方法采用等離子刻蝕或微機械加工エ藝。
5.根據權利要求1、2所述微泵，驅動陣列是由多片壓電雙晶片平行排列組成，驅動信號為具有一定相位差的正弦波、方波或三角波電壓信號，通過調節壓電雙晶片間距，驅動信號頻率、相位來控制微流管道上行波的合成。
全文摘要
本發明提出了一種多級擴散微流管道行波式無閥壓電微泵的結構和形成方法。這種微泵的結構包括微泵基底，微流管道和行波驅動陣列。微泵基底主要由驅動陣列卡槽、微流管道鍵合區、樣品進口和出口組成；多級擴散微流管道的材料為PDMS，對應于每一級擴散結構，在管道上表面制作有相應的梯形突起，外形尺寸與擴散管內徑相吻合，微流管道與微泵基底鍵合在一起形成完整的泵體；行波驅動陣列采用壓電雙晶片平行分布，每片壓電雙晶片的一端置于微流管道表面相應的梯形突起上并緊密接觸，另一端固定在微泵基底上。本發明將多級擴散微流管道與行波式無閥壓電微泵相結合，減小微泵管道的反向回流，提高了微泵輸出流速，而且具有制作工藝簡單、體積小、流量控制方便準確等特點，適合于集成微流體芯片的制造。
文檔編號F04B43/04GK102678526SQ20111005944
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月14日 優先權日2011年3月14日
發明者劉國華, 張維, 戰傳娜, 曹寧, 李亭, 楊鍶毅, 楊長銳, 牛文成, 王有里, 韓志龍 申請人:南開大學