一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵结构和制作方法。这种微泵的结构包括：微泵下基底，微泵上基底，微流管道和微型磁铁阵列。微泵下基底包含了微流管道键合区、样品进口和出口；微泵上基底包含了微型圆孔阵列；微流管道的材料为PDMS；微磁阵列有圆柱型微型磁铁阵列和环形微型磁铁阵列两种磁阵列；将它们组合在一起形成完整的微泵系统；驱动的行波由两组微磁阵列的相互作用力产生。本发明微型磁铁阵列与无阀微泵相结合，有效的在微流管道内合成行波，提高了微泵输出流速和背压，而且具有制作工艺简单、体积小、流量控制方便准确等特点，适合于集成微流体芯片的制造。
【专利说明】-种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵
【技术领域】
[0001] 本发明涉及到一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵，尤其是利用微 型磁铁阵列合理布局从而合成行波的方法。
【背景技术】
[0002] 微流控芯片（Microfluidic Chip)技术是指在微小尺度下精确控制和操控流体的 技术。通常采用微细加工技术在一块几平方厘米的基片上，制备出微通道网络和其他功能 单元，使其成为一个功能性试验平台。可实现的功能包括生物、化学、医学分析过程的样品 制备、反应、分离、检测等。由于微流控芯片具有体积小、消耗样品/试剂量少、检测成本低、 反应速度快、可并行处理等优点，因此在生物医学检测技术尤其是生物芯片【技术领域】中应 用非常广泛。
[0003] 微流泵是微流体芯片流体驱动部分的重要执行部件，微泵在整个系统中主要用来 提供流体驱动力，负责控制泵送样品，控制流量及流速。微泵的分类方式有很多种：根据有 无可动阀片，可分为有阀微泵和无阀微泵；根据驱动方式不同，可分为压电式、静电式、气动 式、热驱动式等。
[0004] 有阀微泵一般是利用腔体容积的周期变化和单向阀门工作的，有阀微泵的原理简 单，制作工艺较为成熟且易于控制，是目前应用的主流。但由于泵体中存在阀片等机械部 件，阀片的疲劳和寿命问题一直是困扰研究者的难题，大大限制了其应用范围；而且这些机 械可动部件的加工工艺和加工准确度限制了有阀微泵的进一步小型化，不适应近年来迅速 发展的微流体芯片的技术需求。相比有阀微泵，无阀微泵由于其原理新颖、结构相对简单、 制造工艺要求不高、适于微型化，因而具有独特的发展优势和广阔的应用前景。
[0005] 运用在无阀微泵中的行波驱动技术，是在弹性微流管道上激发一列行波，驱动液 体定向流动的驱动方式。在这种行波驱动方式下，微流管道中液体质点的运动轨迹近似为 椭圆运动，在一个行波周期后，液体质点与初始位置相比发生微小移动，这种移动最终形成 一定流速的定向液体流动。
[0006] 为了有效合成行波和提高微泵输出流速，本发明提出一种基于旋转微磁阵列协调 驱动的行波式无阀微泵。微磁阵列是微型磁铁的组合，一组圆柱微型磁铁阵列按相同的磁 极方向排成一列嵌在微流管道的上基底中，另一组环形微型磁铁阵列按磁极相差90度并 与圆柱微型磁铁 对齐的固定在微型电机的轴上，当电机启动时，利用微磁阵列的相互 作用力在微流管道中激发多列驻波。进而在管道中合成的行波驱动液体定向流动，这种行 波微泵只能实现单向泵送，但是可以有效提高最大流速和背压。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是：针对现有微泵结构复杂，效率较低的现状，提出了一种基于旋转 微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵，这种微泵的特点是：结构简单，泵液效率高，功耗低， 便于小型化和集成制造。
[0008] 基于旋转微磁阵列行波式无阀微流体驱动和控制技术，是通过控制电路产生的脉 冲宽度调制波（PWM)来控制微型电机转动，利用两组微磁阵列的相互作用在管道上产生四 个振幅、频率、振动方向相同，而具有90度相位差的驻波，由于四列驻波可以在微流管道上 合成行波，使管道内的液体沿行波方向流动，这是一种新型的微流体驱动技术。而液体流速 可以通过控制电机的转速来控制。
[0009] 行波是波的形态随时间的推移在介质中沿一定方向不断向前推进所形成的。处于 波动的各点在其平衡位置处振动，而其振动状态、能量沿波的行进方向传播。驻波和行波之 间有着密切的联系，由两列满足一定条件的驻波可以叠加为一列行波。设有两个振幅都为 e ^的驻波A、B在时间和空间上分别相差90°其方程分别为：
【权利要求】
1. 一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵，采用固定于柔性微流管道的圆 柱微型磁铁阵列和固定于小型电机转轴上的环形微型磁铁阵列作为微泵驱动部件，在电机 转轴旋转过程中，使两组磁铁阵列交替吸引、排斥。通过微型磁铁阵列合理布局，在微流管 道中激发多列驻波，进而在管道中合成行波，驱动液体定向流动。
2. 根据权利要求1所述微泵，其结构包括微泵下基底，微泵上基底，微流管道和微磁阵 列；微泵下基底包含了一个微流管道键合区、一个样品进口和一个样品出口；微泵上基底 刻有一组圆孔阵列；微流管道的中部泵区是横向叠加的多级扩散管结构，与微泵基底键合 在一起，形成完整的泵体；一组圆柱微型磁铁阵嵌在微流管道的上基底中，并与微流管道的 每个单级扩散结构的上方接触；另一组环形微型磁铁阵列固定在微型电机的轴上。
3. 根据权利要求1、2所述微泵，微磁阵列的排列方式为，圆柱微型磁铁阵列按相同的 磁极方向排成一列，环形微型磁铁阵列按磁极相差90度排列，并与圆柱微型磁铁阵列 对齐。
4. 根据权利要求1、2所述微泵，通过调节电机的转速，改变四列驻波的频率，从而改变 微流管道上合成的行波的频率，从而实现对流速的控制。
【文档编号】F04B17/00GK104421125SQ201310378611
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】刘国华, 张维, 叶巍翔, 王程, 李文彬 申请人:南开大学