感应加热的热气泡驱动隔热型微泵及制备方法

本发明是一种用于微流体输送的热气泡驱动微泵，具体为具有热源隔离功能的热汽泡驱动微泵，利用高频交变电流无线感应加热生成热气泡，实现对微泵的驱动。采用液体将热源和微流道中被泵送的液体隔离开，减少高温对溶液特性的影响。这种隔热型热气泡驱动微泵不但具有普通热气泡微泵结构简单易集成、工作电压低、寿命长等优点，而且还可以降低泵送液体的温度，减小因高温对溶液中部分生物或化学物质的损害，因此热汽泡驱动隔热型微泵具有更好的应用前景。

背景技术：

微泵是微流体输送的动力之源，是微流控系统的重要组成部件，根据驱动方式的不同，可以分为压电驱动微泵、静电驱动微泵、电磁驱动微泵、电渗驱动微泵、电化学驱动微泵和热气泡驱动微泵等。热气泡驱动微泵没有机械移动部件，无磨损和刚性冲击，具有可靠性高、结构简单和易于制作等优点。aoqun等学者研制了一种激光加热的热气泡驱动微泵，采用激光照射微通道内，从而使部分液体汽化产生气泡，利用该热气泡的膨胀直接驱动液体在微通道内流动。孙建闯于设计了一种感应加热的大流量热气泡驱动微泵，能在微泵的腔室中产生几个大体积的热气泡，也是利用热气泡直接驱动液体泵送。热气泡的温度较高，采用热气泡直接驱动液体会导致部分被泵送溶液温度过高，从而损坏溶液的部分生物或化学物质特性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对热气泡驱动微泵中热气泡的高温对泵送液体的影响，提出一种感应加热的热气泡驱动隔热型微泵。该微泵采用液体隔离的方法，将热气泡的热源与被泵送液体进行一定的温度隔离，避免热气泡的高温对溶液中的部分生物或化学物质等产生高温损害。因此，本发明的热气泡温度对被泵送液体影响小，具有热源隔离的优点，同时还具备结构简单易集成、工作电压低、寿命长等优点。

本发明采用如下技术方案：

感应加热的热气泡驱动隔热型微泵包括pdms芯片4、微加热盘6、基底5、微励磁线圈7。其中，pdms芯片4包括进液口1、压缩口10、微泵腔12、扩散口11、出液口2、隔热流道14、气泡室13和气泡室进液口3；微加热盘6附着在基底5上，微加热盘6位于气泡室13的底部中心。微励磁线圈7是一种平面螺旋线圈，微励磁线圈7位于微加热盘正下方。感应加热的热气泡驱动隔热型微泵控制系统包括计算机27、脉冲发生器36、数字电流表30、电容17、可编程控制器26、继电器21和放大器31。其中，脉冲发生器36提供高频信号经过放大器31放大，再给微励磁线圈7提供高频交变电流，高频交变电流再通过继电器21传递给热气泡驱动隔热型微泵，由可编程控制器26控制加热时间t2和间歇时间t1。

所述进液口1贯穿于pdms芯片4，进液口1直径0.5-2.5mm，其与压缩口10相连，压缩口10最窄处宽度50-100μm，角度为10°-15°，长度为1-2mm，深度0.1-0.4mm，压缩口10与微泵腔12相连，微泵腔12与扩散口11相连，微泵腔12为压缩口10和扩散口11之间较为大的区域，扩散口11最窄处宽度50-100μm，角度为10°-15°，长度为1-2mm，深度0.1-0.4mm，扩散口11与出液口2相连，出液口2直径0.5-2.5mm。微泵腔12还与隔热流道14相连，隔热流道14与气泡室13相连，气泡室13的直径为3-6mm，气泡室13与气泡室进液口3相连，气泡室进液口3直径0.5-2.5mm。

所述微加热盘6的直径为3-6mm，厚度为5-50μm。

所述基底5的材料可以为玻璃、陶瓷等，长为2-5mm，宽为2-5mm，厚度为100-600μm，将带有微加热盘6的基底5的上表面和pdms芯片(4)通过键合工艺封装在一起，使微加热盘6位于气泡室13的中央，还可在其表面制备pdms芯片4阳模。

所述微励磁线圈7采用漆包铜线绕制成平面螺旋线圈，线圈匝数为8匝到20匝，在线圈周围设计一层导热硅胶，用于对微励磁线圈7导热，并将微励磁线圈7固定在基底5的下表面，微励磁线圈7和气泡室13中的微加热盘6中心对齐。

所述的脉冲发生器36和放大器31相串联，并给微励磁线圈7提供高频交变电流；

所述的继电器21与微励磁线圈7串联，控制微励磁线圈7的间断时间t1和导通时间t2。通过可编程控制器26控制继电器21，实现对感应加热电路的控制。所述的高频脉冲间断的时间是t1，导通的时间是t2，电流是i1；高频脉冲的频率选为20khz-1mhz，确保热气泡的膨胀和收缩时间，t1为1s-2s,t2为0.2s-2s，电流i1为0.1a-4a。

本发明的热气泡驱动隔热型微泵的工作原理，如附图6，具体如下：

给微励磁线圈7通入高频交变电流，其周围会产生交变磁场；在交变磁场的作用下，微加热盘6内产生电涡流，进而生成焦耳热；该焦耳热通过热传导对微加热盘6表面液体进行加热，当液体达到一定温度后，微加热盘6会生长气泡13，微泵每个工作周期可以分为两个阶段：

(1)给微励磁线圈7通入高频交变电流，在感应加热的作用下微加热盘6生长热气泡，随着热气泡15的增长，气泡室13中的压力升高，在气泡压力的作用下液体流向隔热流道14，并通过隔热流道14流进微泵腔12，流入微泵腔12的液体同时向压缩口10和扩散口11流动，由于两方向阻力不同，从扩散口11流向出液口2液体多于从压缩口10流向进液口1的液体。

(2)微励磁线圈7断电，热气泡15收缩，气泡室13的压力降低，液体从微泵腔12通过隔热流道14向气泡室13流动。同时，进液口1和出液口2分别通过压缩口10和扩散口11向微泵腔12流动，由于两个方向的流动阻力不同，由进液口1通过压缩口10流进微泵腔的液体多于由出液口2通过扩散口11向微泵腔12流的液体。

因此，在一个泵送周期内，从进液口1到出液口2会产生一定的净流量。热气泡周期性的膨胀和收缩便实现了热气泡驱动隔热型微泵的泵送功能，采用隔热流道14的液体将高温的热气泡与被泵送的液体进行隔离，减少热气泡的高温对被泵送液体影响。

本发明可以获得如下有益效果和特点：

1)与其它热气泡驱动微泵不同，本发明将热源和微流道中的液体利用隔热流道的液体进行隔离，会有效地降低高温的热气泡对被泵送液体的影响，降低被泵送液体的温度。

2)本发明可应用于微型注射与药物输送系统、细胞捕获系统、电子冷却系统和dna蛋白质系统等，可以降低温度对生物或化学物质的损害，具有较好的应用前景，。

附图说明

图1：本发明热气泡驱动隔热型微泵分解视图；

图2：本发明热气泡驱动隔热型微泵整体外观视图；

图3：本发明pdms芯片4外观图；

图4：本发明pdms芯片4微流道结构俯视图；

图5：本发明微加热盘6结构俯视图；

图6：本发明热气泡驱动隔热型微泵工作原理图其中(a)(b)表示不同的阶段；

图7：本发明微加热盘6工艺制作过程示意图；(a)-(e)表示不同的阶段；

图8：本发明pdms芯片4工艺制作过程示意图；(f)-(k)表示不同的阶段；

图9：加热盘掩膜板43；

图10：pdms芯片掩膜板44；

图11：本发明热气泡驱动隔热型微泵控制系统组成框图；

图中：1.进液口，2.出液口，3.气泡室进液口，4.pdms芯片，5.基底，6.微加热盘，7.微励磁线圈，8.微励磁线圈接线柱一，9.微励磁线圈接线柱二，10.压缩口，11.扩散口，12.微泵腔，13.气泡室，14.隔热流道，15.气泡，16.电容接线柱一，17.电容，18.电容接线柱二，19.继电器接线柱一，20.继电器接线柱二，21.继电器，22.继电器接线柱三，23.继电器接线柱四，24.可编程控制器接线柱一，25.可编程控制器接线柱二，26.可编程控制器，27.计算机，28.数字电流表接线柱一，29.数字电流表接线柱二，30.数字电流表，31.放大器，32.放大器接线柱一，33.放大器接线柱2，34.脉冲发生器接线柱一，35.脉冲发生器接线柱二，36.脉冲发生器，37.铬，38.铜39.正性光刻胶，40.负性光刻胶，41.金属阳模，42.模具，43.加热盘掩膜板，44.pdms芯片掩膜板，

具体实施方式

热气泡驱动微泵的制作由两部分组成：一、微加热盘6的制作，二、pdms芯片4的制作。

本发明中微加热盘6采用电镀工艺加工制作，具体工艺流程如下所示：

第一步，图7(a)所示，使用去离子水清洗基底5，并在温度为120℃的烘胶台上烘干；

第二步，图7(b)所示，先在基底6上溅射铬37和铜38，然后再旋涂正性光刻胶39；

第三步，图7(c)所示，采用微加热盘掩膜板43进行曝光，之后显影、坚膜；

第四步，图7(d)所示，采用电镀工艺，电镀出金属加热盘6；

第五步，图7(e)所示，用丙酮溶液去除正性光刻胶39，湿法刻蚀法去除铜38和铬37；

本发明中的pdms芯片4，采用su-8型负性光刻胶制作阳模，聚二甲基硅氧烷(pdms)注塑工艺加工制作，具体工艺流程如下所示：

第一步，图8(f)所示，使用去离子水清洗基底5，并在温度为120℃的烘胶台上烘干；

第二步，图8(g)所示，在基底5上旋涂一层su-8胶32，胶层厚度为50μm-250μm，利用热板进行前烘，先在温度65℃下烘干时间15-25min，再在温度95℃下烘干时间30-90min，然后自然冷却，使su-8胶固化，所述的su-8胶为负性光刻胶40，将pdms芯片掩膜板44置在固化后的su-8胶40表面上方，进行紫外线曝光，曝光时间40s-150s，su-8胶曝光后，在热板上进行后烘热处理，先在温度65℃下烘干时间20-30min，再在温度95℃下烘干时间10-30min，然后自然冷却，经显影、清洗后，基底5上留下凸起的su-8胶模具；

第三步，图8(h)所示，在su-8胶模具的气泡室13上方粘结一个圆柱型金属阳模41，增加微泵腔的深度。金属阳模的直径与气泡室13的直径一致，厚度为0.5-1mm；

第四步，图8(i)所示，将带有su-8胶模具的基底5放置在与其尺寸相同的模具42中，浇注pdms，在温度130℃下加热固化；

第五步，图8(j)所示，将固化后的pdms从基底5上剥离，得到pdms芯片4；

第六步，图8(k)所示，使用打孔器在pdms芯片4上加工出进液口1、出液口2、气泡室进液口3。

本发明热气泡驱动隔热型微泵的pdms芯片4和加热盘6制作完成后，采用键合方法把制有微加热盘6的基底5和pdms芯片4键合在一起，同时保证微加热盘6位于气泡室13的底部中心。然后用导热硅胶把微励磁线圈7固定在基底5的下表面，并与微加热盘6和气泡室13的中心对齐。通过气泡室进液口3给气泡室13通入液体，给气泡室13通满液体后，液体通过隔热流道14流进微泵腔12，然后，用pdms将气泡室进液口3堵上。

微泵控制系统的设计，图11所示，脉冲发生器36输出端接线柱一34与放大器的接线柱二33连接，放大器的接线柱一34与数字电流表的接线柱二29连接，数字电流表的接线柱一28与微励磁线圈的接线柱一8连接，微励磁线圈的接线柱二9与电容接线柱一16连接，电容接线柱一18与继电器接线柱一19连接，继电器接线柱二20与脉冲发生器接线柱二35连接。可编程控制器的接线柱一24与继电器接线柱四23连接，可编程控制器的接线柱二25与继电器接线柱三22连接。