专利名称：多级扩散微流管道的行波式无阀压电微泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种多级扩散微流管道的无阀压电微泵，其驱动方式为行波驱动。
背景技术：
微流体(芯片实验室)技术是目前迅速发展的高新技术和多学科交叉科技前沿领域之一，是生命科学、化学科学与信息科学信号检测和处理方法研究的重要技术平台。它可以使生物医学领域中的生物样品和试剂消耗量大大降低，而且分析速度成倍提高，成本成倍下降；在化学领域，它可以在一块芯片上使用少量样品和试剂以很短的时间同时完成大量实验；在分析化学领域，它使大的分析仪器变成平方厘米尺寸规模的分析仪。微流体芯片所涉及到的部件包括与进样及样品处理有关的透析、膜、固相萃取、浄化；用于流体控制的微阀(包括主动阀和被动阀)，微泵(包括机械泵和非机械泵)；微混合器，微反应器，当然还有微通道和微检测器等。 微泵作为微流体芯片流体驱动部分的重要执行部件，是其发展水平的重要标志。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。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，制作エ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エ艺和加工准确度限制了有阀微泵的进ー步小型化，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、结构相对简単、制造エ艺要求不高、适于微型化，因而具有独特的发展优势和广阔的应用前景。运用在无阀微泵中的行波驱动技术，是使用压电执行器阵列在弹性微流管道上激起一列行波，驱动液体定向流动的泵液方式。这种微泵以加在压电执行器上的电压信号来控制液体流动，以改变电压相位实现液体双向输送。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。1993年Estemme等人研制了ー种新型收缩/扩张型无阀微泵，是以收缩和扩张的不同形状微流管道代替可动阀片，利用微流管道结构的不对称引起的压カ损失不对称来实现液体的泵送，但这类泵的反向止流性能较差，液体从收缩和扩张管道同时流入和流出泵腔，导致流量损失较大，效率较低。这种收缩/扩张型的无阀微泵结构简单，新颖，适于将这种结构的微泵集成到微流控芯片中。为了减小行波微泵的微流管道阻力和提高微泵输出流速，本发明提出ー种多级扩散微流管道行波式无阀压电微泵。多级扩散微流管道是将多个扩散管结构横向叠加，置于行波微泵的泵区部分，并将压电执行器阵列安装在多级扩散管结构上表面，直接在微流管道中激起行波。利用多级扩散管结构的不对称性导致对流体阻力的不同，减小液体在管道中单一方向的阻力，同时，多个扩散管结构的级联还能有效提高管道的反向止流性能。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
本发明的目的是针对现有微泵结构复杂，效率较低的现状，提出了ー种多级扩散微流管道行波式无阀压电微泵，这种微泵的特点是结构简単，泵液效率高，便于小型化和集成制造。行波式无阀压电微流体驱动和控制技木，是通过驱动控制电路产生多个振幅、频率、振动方向相同，而具有一定相位差的驱动信号，由压电执行器的逆压电效应将电信号转变为机械振动，在微流管道上激起行波，使管道内的液体沿行波方向流动，这是ー种新型的微流体驱动技木。而液体流速可以通过驱动信号的电压和频率来控制。
压电执行器为压电双晶片，采用PZTS (锆钛酸铅)的压电陶瓷材料，具有高耦合系数和高压电应变常数，机电參数具有优异的时间和温度稳定性。压电双晶片是ー种利用压电陶瓷横向逆压电效应制作的换能器，采用双层叠片结构，外加电场方向与振动方向相互 垂直。其位移可表示为
SdnUs 2U= H
4 か(1)其中，d31为压电陶瓷材料的横向压电常数;Us为外加电压；H和D分别为压电双晶片中单片压电陶瓷的长度和厚度。利用压电双晶片阵列在微流管道上激发ー组振幅、频率相同的驻波，合成的行波使管道中的液体沿一定方向连续流动。为了降低液体在管道内的回流现象，用多个扩散管横向叠加的方式取代泵区原有的直管道，这种结构起到了单向阀的作用，抑制了液体在管道中的反向流动。将多级扩散微流管道与行波驱动压电结构结合，可以实现液体的单向流动，且流速和背压大大提高。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，两列满足一定条件的驻波就可以叠加成为一列行波。假设两列驻波的函数为
权利要求
1.一种多级扩散微流管道的行波式无阀压电微泵，采用行波驱动阵列作为微泵驱动部件，驱动阵列下方泵区的微流管道为多级扩散管结构，使每个压电执行器位于对应扩散管的正上方，并与微流管道顶部的突起紧密接触。
2.根据权利要求I所述微泵，其结构包括微泵基底，微流管道和行波驱动阵列；微泵基底上制作有一个微流管道键合区、ー个样品进ロ、一个样品出口和ー个驱动阵列卡槽；微流管道的中部泵区是横向叠加的多级扩散管结构，管道底面的沟槽并未封闭，与微泵基底键合在一起之后，形成完整的泵体；在管道上表面制作有梯形突起，每个梯形突起对应放置于单级扩散结构的上方，外形尺寸与扩散管内径相吻合；行波驱动阵列采用压电双晶片平行分布，每片压电双晶片的一端置于多级扩散管相应的梯形突起上，另一端固定在微泵基底上。
3.根据权利要求1、2所述微泵，微流管道的材料为PDMS，与微泵基底的键合方法采用氧等离子体键合、紫外键合或热键合方法；在热键合方法中，需要在微泵基底的键合区涂覆ー薄层PDMS，制作微流管道的PDMS采用10 I的预聚体与固化剂配比，微泵基底上覆盖的PDMS采用5 I的配比。
4.根据权利要求1、2所述微泵，微泵基底和微流管道模具的材料为PMMA或硅，加工方法采用等离子刻蚀或微机械加工エ艺。
5.根据权利要求1、2所述微泵，驱动阵列是由多片压电双晶片平行排列组成，驱动信号为具有一定相位差的正弦波、方波或三角波电压信号，通过调节压电双晶片间距，驱动信号频率、相位来控制微流管道上行波的合成。
全文摘要
本发明提出了一种多级扩散微流管道行波式无阀压电微泵的结构和形成方法。这种微泵的结构包括微泵基底，微流管道和行波驱动阵列。微泵基底主要由驱动阵列卡槽、微流管道键合区、样品进口和出口组成；多级扩散微流管道的材料为PDMS，对应于每一级扩散结构，在管道上表面制作有相应的梯形突起，外形尺寸与扩散管内径相吻合，微流管道与微泵基底键合在一起形成完整的泵体；行波驱动阵列采用压电双晶片平行分布，每片压电双晶片的一端置于微流管道表面相应的梯形突起上并紧密接触，另一端固定在微泵基底上。本发明将多级扩散微流管道与行波式无阀压电微泵相结合，减小微泵管道的反向回流，提高了微泵输出流速，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。
文档编号F04B43/04GK102678526SQ20111005944
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月14日 优先权日2011年3月14日
发明者刘国华, 张维, 战传娜, 曹宁, 李亭, 杨锶毅, 杨长锐, 牛文成, 王有里, 韩志龙 申请人:南开大学