一种无源加热式微型气动泵的制作方法

本发明涉及一种无源加热式微型气动泵，特别是一种基于频率选择的无源加热式微型气动泵。

背景技术：

由于精密度高，易于控制等优点，基于mems工艺的制作的微型泵已被实验验证并广泛投入到了生物医学和微流体控制领域。根据当前的技术，微型泵主要采用压电式，电磁式和热气式的工作原理，其中利用热气驱动的微型泵具有低压供电，控制精准等优势得到了大量的研究和开发。该微型泵利用加热区域的温度差异，通过对气体的加热和冷却来引起驱动薄膜的偏转运动实现操作，止回阀门被用来耦合通道内部的液体流向，往往需要多个驱动器同时安装在一起实现液体的推送过程。这种结构的装配工艺难度大，加工制作成本高；而且由于长期的来回往复运动，弹性薄膜和阀门会受到较大程度的磨损，大大降低了机械设备的稳定性和可靠性，使用寿命也受到了限制。另一方面，使用外接电源或者电池供电的微型泵，使得产品的便利性和适用性受到了严重的限制，从而大大缩小了微型泵的应用范围。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种无源加热式微型气动泵。本发明无需弹性薄膜和阀门控制，大大增加了设备的稳定性和效能以及使用寿命；还采用无线加热模式，通过外部磁场的频率选择控制微型泵的运行，提高了实用性和便利性。

本发明的技术方案：一种无源加热式微型气动泵，包括流动板，流动板顶部设有盖板，流动板底部设有无线加热板；所述流动板上设有出水管，出水管经管道连接有蓄水管，蓄水管经扩张器连接有加热腔；所述盖板上设有出口和入口，出口与出水管连通，入口与蓄水管连通；所述无线加热板上设有位于加热腔下方的lc加热器，lc加热器下方设有发射线圈。

前述的无源加热式微型气动泵中，所述扩张器的开角为10-12°，所述加热腔的深度分别比出水管、管道、蓄水管和扩张器深0.5mm-0.8mm。

前述的无源加热式微型气动泵中，所述加热腔内设有气体，气体为氮气、二氧化碳、氧气或空气。

前述的无源加热式微型气动泵中，所述出口和入口为通孔结构，其直径为1-2mm。

前述的无源加热式微型气动泵中，所述lc加热器为利用光刻工艺制作出一层螺旋图案铜电极；螺旋图案铜电极的宽度为100-200μm，间隙为50-100μm，厚度为15-20μm。

前述的无源加热式微型气动泵中，所述光刻工艺的制备过程如下：

①准备一张聚酰亚胺薄膜并分别用酒精、丙酮和去离子水依次进行清洗；

②利用磁控溅射系统在该聚酰亚胺薄膜表面蒸镀一层铜材料层，利用旋涂技术将光刻胶均匀的覆盖在铜材料层上面，并将制作好的具有螺旋图案的掩膜版放在光刻机内并进行曝光；

③将曝光后的聚酰亚胺薄膜放在对应的光刻胶刻蚀液内后取出，使得光刻胶层形成了相应的螺旋图案；

④对铜材料层进行刻蚀，实现螺旋图案的转移；

⑤将剩余的光刻胶全部去除，最后用去离子水对薄膜进行清洗，得成品。

前述的无源加热式微型气动泵中，所述无线加热板为聚酰亚胺薄膜材料，厚度范围为50-100μm。

前述的无源加热式微型气动泵中，所述管道的最大宽度为0.4-0.5mm。

前述的无源加热式微型气动泵中，所述盖板和流动板由聚二甲基硅氧烷、聚乳酸、聚羟基烷酸酯、淀粉塑料、聚烯烃或聚氯乙烯构成；或由聚甲基丙烯酸甲酯、abs树脂或硅橡胶构成。

前述的无源加热式微型气动泵中，所述无源加热式微型气动泵的喷出方法是：外界的液体由入口进入流动板并存储在蓄水管中，该液体经过推送流经管道到达出水管，并由出口流出并与外界的接收通道相连接，当外界磁场所提供的频率和无线加热板的频率所匹配时，lc加热器开始工作并产生电流，从而向周围散发热量，该热量可以对加热腔内的气体进行连续加热，基于空气加热产生的体积膨胀来推动已经存留在蓄水管里的液体流经管道在出口处喷出。

与现有技术相比，本发明利用射频发生器和放大器产生的信号传输到外部线圈产生磁场，通过控制磁场频率来匹配微型泵的共振频率从而实现无线加热的功能。基于空气加热产生的体积膨胀来推动已经存留在蓄水管里的液体流经管道在开口处喷出，该结构消除了移动式薄膜推送容易产生机械故障的风险，具有较好的稳定性，可靠性，安全性，大大增加了设备使用寿命。本发明采用基于发射线圈的无线加热方式，不需要配备专门的电源连接，实现了移动式工作模式，增加了便捷性。本发明的材料可选用高弹性的或者具有生物兼容性的高分子薄膜，亦可选用透明薄膜，大幅增加了应用范围，例如在柔性电子领域的开发利用，植入式医疗设备的潜在应用，可穿戴设备的集成系统以及安装在工业现场的小型化设备上。本发明实现了微型化，整体尺寸不超过1200mm³(30×10×4mm³)。本发明无需弹性薄膜和阀门控制，大大增加了设备的稳定性和效能以及使用寿命；还采用无线加热模式，通过外部磁场的频率选择控制微型泵的运行，提高了实用性和便利性。

本发明的出口和入口的直径采用1-2mm，有利于微管道液体的顺利流入和喷出；同时配合管道的最大宽度为0.4-0.5mm，使得蓄水管内的液体可均匀流入出水管；扩张器的开角为10-12度，可在蓄水管和加热腔之间形成固定的液体阻力，避免液体倒灌至加热腔内；所述加热腔的深度分别比出水管、管道、蓄水管和扩张器深0.5mm-0.8mm，保障加热腔内装有足量的气体，从而加热时气体的膨胀产生的推力满足驱动液体流动的需求。采用螺旋图案铜电极的宽度为100-200μm，使得电极可以承受产生最大加热量时所需要的工作电流，而且螺旋电极仍具有较多的圈数，增加的发热效率。间隙为50-100μm(一般选择为宽度的一半)，厚度为15-20μm，降低制作的难度和时间成本的同时具有较好的导电性能和发热性能。无线加热板应选择可耐高温的聚酰亚胺(kapton)薄膜材料，厚度范围为50-100μm，易于进行表面加工，且保证具有较好的柔性，坚韧性和化学稳定性。若需求透明的应用场景时亦可以选用同样厚度的聚四氟乙烯(ptfe)薄膜。

附图说明

图1是本发明的剖开结构示意图；

图2是本发明的封装结构示意图；

图3是本发明的流动板的正面示意图；

图4是本发明的侧视图；

图5是本发明的应用范例和测试平台；

图6是本发明的无线加热板的光刻工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种无源加热式微型气动泵，构成如图1、2和3所示，包括流动板11，流动板11顶部设有盖板12，流动板11底部设有无线加热板10；所述流动板11上设有出水管3，出水管3经管道4连接有蓄水管5，蓄水管5经扩张器6连接有加热腔7；所述盖板12上设有出口1和入口2，出口1与出水管3连通，入口2与蓄水管5连通；所述无线加热板10上设有位于加热腔7下方的lc加热器8，lc加热器8下方设有发射线圈9。发射线圈9可处于悬浮不连接状态，所述的发射线圈9的两个输出端设置为正负极与射频信号发生器和放大器依次连接。

所述扩张器6的开角为10-12°，所述加热腔7的深度分别比出水管3、管道4、蓄水管5和扩张器6深0.5mm-0.8mm。

所述加热腔7内设有气体，气体为氮气、二氧化碳、氧气或空气；其内部压强应大于环境或室内大气压。

所述出口1和入口2为通孔结构，其直径为1-2mm。

所述lc加热器8为利用光刻工艺制作出一层螺旋图案铜电极；螺旋图案铜电极的宽度为100-200μm，间隙为50-100μm，厚度为15-20μm。

如图6所示，所述光刻工艺的制备过程如下：

①准备一张聚酰亚胺薄膜并分别用酒精、丙酮和去离子水依次进行清洗；

②利用磁控溅射系统在该聚酰亚胺薄膜表面蒸镀一层铜材料层，利用旋涂技术将光刻胶均匀的覆盖在铜材料层上面，并将制作好的具有螺旋图案的掩膜版放在光刻机内并进行曝光；

③将曝光后的聚酰亚胺薄膜放在对应的光刻胶刻蚀液内后取出，使得光刻胶层形成了相应的螺旋图案；

④对铜材料层进行刻蚀，实现螺旋图案的转移；

⑤将剩余的光刻胶全部去除，最后用去离子水对薄膜进行清洗，得成品。

所述无线加热板10为聚酰亚胺薄膜材料，厚度范围为50-100μm。

所述管道4的最大宽度为0.4-0.5mm。

所述的发射线圈9的整体直径应大于加热腔7的宽度，线圈匝数可任意调整，线圈由铜制裸导线构成。

所述盖板12和流动板11由聚二甲基硅氧烷、聚乳酸、聚羟基烷酸酯、淀粉塑料、聚烯烃或聚氯乙烯构成；或由聚甲基丙烯酸甲酯、abs树脂或硅橡胶构成。

如图3和4所示，所述无源加热式微型气动泵的喷出方法是：外界的液体由入口进入流动板并存储在蓄水管中，该液体经过推送流经管道到达出水管，并由出口流出并与外界的接收通道相连接，当外界磁场所提供的频率和无线加热板的频率所匹配时，lc加热器开始工作并产生电流，从而向周围散发热量，该热量可以对加热腔内的气体进行连续加热，基于空气加热产生的体积膨胀来推动已经存留在蓄水管里的液体流经管道在出口处喷出。

如图5所示，本发明利用射频发生器和放大器产生的信号传输到外部线圈产生磁场，通过控制磁场频率来匹配微型气动泵的共振频率从而实现无线加热的功能。可利用微型计算机来控制显微照相机对微型气动泵内通道的流体流速和流动状况进行监测和拍照记录。利用压力传感器与出口连接从而测量和计算出流出的液体的压强和体积。