專利名稱：多級驅(qū)動電滲微泵裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及微流控技術(shù)，特別是涉及一種多級驅(qū)動電滲微泵裝置。
背景技術(shù)：
微泵是微流控系統(tǒng)中實現(xiàn)微流體精確驅(qū)動不可或缺的核心元器件，是微量甚至更小體積微流體驅(qū)動技術(shù)的具體實現(xiàn)形式。微泵在生物化學分析、微流體(緩沖液、藥物等)輸運、微電子芯片冷卻等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，其發(fā)展已成為衡量微流控系統(tǒng)發(fā)展水平的重要標志。微泵根據(jù)其工作原理可分為機械式微泵和非機械式微泵，兩者主要區(qū)別在于泵內(nèi)有無運動部件。機械式微泵在外力作用下幾乎可以驅(qū)動任何類型微流體，但由于存在運動部件，此類微泵存在使用壽命較短、運行可靠性較差、流動不連續(xù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點；機械式微泵常見形式有氣動微泵、熱氣動微泵、電磁驅(qū)動微泵、壓電驅(qū)動微泵、靜電驅(qū)動微泵、形狀記憶合金驅(qū)動微泵、電化學驅(qū)動微泵、超聲波激發(fā)微泵等。而非機械式微泵動力實現(xiàn)形式主要借助于所驅(qū)動微流體本身的物理、化學性質(zhì)，往往泵內(nèi)無運動部件，此類微泵驅(qū)動微流體范圍有限，但其可實現(xiàn)微流體的連續(xù)泵送，可靠性高、可控性好、加工制作較為簡單且易于集成；非機械式微泵常見形式有壓力梯度微泵(電潤濕、Marangoni效應(yīng)、幾何效應(yīng)等引起的表面張力驅(qū)動)、磁場梯度微泵(鐵磁流體動力驅(qū)動)、濃度梯度微泵(半滲透膜、表面活性劑等引起的滲透擴散驅(qū)動)、電位梯度微泵(電滲流、介電電泳、電流體動力等驅(qū)動)、物理化學微泵(相變、凝膠、電解反應(yīng)、光學等驅(qū)動)等。由于具有驅(qū)動流體范圍廣、高壓性能好、流動連續(xù)無脈動可靠性高、無運動部件使用壽命長、能實現(xiàn)流體流速的精確控制和流向的雙向調(diào)節(jié)等特點，電滲微泵得到了更多關(guān)注，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種微泵。電滲微泵的動力源是電滲流，當微流體與微流道固體壁面接觸時就會在固-液界面形 成一層電雙層，在沿微流道方向加載平行電場時，微流道壁面電雙層內(nèi)產(chǎn)生電滲驅(qū)動力，該驅(qū)動力直接作用于微流體，驅(qū)動其流動，形成電滲流。電滲微泵常見形式可歸為兩類，一類是多孔電介質(zhì)填充式電滲微泵，一類是開放式微流道電滲微泵。前者主要是向流道內(nèi)填充大量微小顆粒狀介電材料，在外加電壓作用下，顆粒表面的微流體在電滲驅(qū)動力作用下形成電滲流；此類微泵可實現(xiàn)高輸出壓力，但其制作工藝復(fù)雜，不易集成，流速不均勻，填充顆粒與微流道難以匹配。后者則是直接利用微流道產(chǎn)生電滲流；此類微泵內(nèi)不存在填充顆粒，流動穩(wěn)定性、均勻性較好，加工制作簡單，易于集成，但其輸出壓力較低。由于普通的電滲泵往往電極和溶液直接接觸，在電壓下易發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生氣泡，因此電滲微泵中的的微電極材料一般采用金屬鉬，鉬物理化學性質(zhì)穩(wěn)定，適于做微電極材料，但鉬電極的微加工制作工藝較為復(fù)雜、成本較高。鉬電極常采用薄膜結(jié)構(gòu)，薄膜通過沉積或濺射等方法集成在微流道底部的基底材料上；此外直接將鉬絲插入微流道儲液槽也是一種較為簡單的鉬電極形式。這兩種形式的鉬電極都是浸沒在微流體中，與微流體直接接觸的。而且這種驅(qū)動電壓經(jīng)過接觸式微電極直接加載于此類微流體或電解質(zhì)溶液的驅(qū)動方式容易使微流體產(chǎn)生電流焦耳熱，改變微流體的溫度環(huán)境。

實用新型內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題本實用新型的目的是提出一種新型電滲微泵裝置，以簡化電極結(jié)構(gòu)及其微加工制作工藝，實現(xiàn)加工制作簡單、流速均勻穩(wěn)定、可控性好、易于集成、抗干擾能力強、低電壓驅(qū)動。(二)技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種多級驅(qū)動電滲微泵裝置，其包括:集成在微流控芯片上且互不接觸的流體微流道和電極微流道，所述流體微流道用于連接所泵送流體的微流道進口或出口，或為泵送流體的微流道的一部分；所述電極微流道對稱分布在所述流體微流道的兩側(cè)，其內(nèi)部填充液態(tài)金屬，形成微電極，所述電極微流道具有液態(tài)金屬注射入口和液態(tài)金屬注射出口，所述液態(tài)金屬注射入口和液態(tài)金屬注射出口分別連接可控電源模塊，以在所述流體微流道的泵區(qū)微流道驅(qū)動段的兩端分別形成高電勢和低電勢；所述流體微流道包括一根或兩根平行設(shè)置的流道，當其包括一根流道時，該流道由多段泵區(qū)微流道驅(qū)動段串聯(lián)組成；當其包括兩根流道時，兩根流道之間連通多段相互平行且并聯(lián)設(shè)置的泵區(qū)微流道驅(qū)動段。其中，所述液態(tài)金屬為室溫條件下為液態(tài)的汞、或金屬鎵、或鎵合金。其中，室溫條件下為液態(tài)的鎵合金為鎵銦合金或鎵銦錫合金。其中，所述一根流道由多段泵區(qū)微流道驅(qū)動段串聯(lián)組成時，電極微流道對稱布置在泵區(qū)微流道驅(qū)動段兩側(cè)。其中，所述電極微流道布置在泵區(qū)微流道驅(qū)動段兩端，泵區(qū)微流道驅(qū)動段串聯(lián)連接處共用一對電極微流道。其中，所述兩根流道中，第一根流道的一端用于連接所泵送流體的微流道進口或出口，另一端連接泵區(qū)微流道驅(qū)動段；第二根流道的一端用于連接所泵送流體的微流道進口或出口，另一端連接泵區(qū)微流道驅(qū)動段。其中，每段泵區(qū)微流道驅(qū)動段的兩端分別延長，延長段靠近所述流體微流道兩側(cè)的電極微流道。其中，所述電極微流道為彎折結(jié)構(gòu)，形成順次相鄰的U形和η形褶皺，所述泵區(qū)微流道驅(qū)動段的延長端分別潛入其端部的U形和η形槽內(nèi)。其中，所述微流控芯片的材料為聚二甲基硅氧烷、或玻璃、或石英。(三)有益效果上述技術(shù)方案利用具有優(yōu)異導電性能的室溫液態(tài)金屬作為電滲微泵微電極，流體微流道和電極微流道保持非接觸，微泵運行時，微電極與微流體之間無相互影響，可避免微流體在微電極表面的水解反應(yīng)及電流焦耳熱的產(chǎn)生，進而提高微電極抗干擾能力，增強微泵運行的穩(wěn)定性、可靠性及使用壽命。因而，本實用新型的電滲微泵具有電極結(jié)構(gòu)簡單、力口工制作方便、成本低廉、可控性好、穩(wěn)定性高、易于集成、抗干擾能力強、低電壓驅(qū)動等諸多優(yōu)點；并且，驅(qū)動段增 加，能夠?qū)崿F(xiàn)高流量微泵。
圖1為本實施例一提供的多級驅(qū)動的電滲微泵裝置原理示意圖；圖2為本實施例二提供的多級驅(qū)動的電滲微泵裝置原理示意圖。其中:1.流體微流道；2.電極微流道；3.可控電源模塊；4.液態(tài)金屬注射入口 ；
5.液態(tài)金屬注射出口 ；6.金屬導線；7.泵區(qū)微流道驅(qū)動段；8.泵區(qū)微流道延長段。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。實施例一如圖1所示，本實施例提供了一種電滲微泵裝置，其包括:集成在微流控芯片上且互不接觸的流體微流道I和電極微流道2，所述流體微流道I用于連接所泵送流體的微流道進口或出口，或為泵送流體的微流道的一部分；所述電極微流道2對稱分布在所述流體微流道I的兩側(cè)，其內(nèi)部填充液態(tài)金屬，形成微電極，所述電極微流道2具有液態(tài)金屬注射入口 4和液態(tài)金屬注射出口 5，所述液態(tài)金屬注射入口 4和液態(tài)金屬注射出口 5分別連接可控電源模塊3，以在所述流體微流道I的泵區(qū)微流道驅(qū)動段7的兩端分別形成高電勢和低電勢；所述流體微流道I包括兩根平行設(shè)置的流道，該兩根流道之間連通多段相互平行且并聯(lián)設(shè)置的泵區(qū)微流道驅(qū)動段7。為了實現(xiàn)高流量微泵，本實施例增加了驅(qū)動段的數(shù)量，首先將所述流體微流道I在水平和垂直方向上均設(shè)置為直線型，即所述流體微流道I所包括的兩根流道中，第一根流道的一端用于連接所泵送流 體的微流道進口或出口，另一端連接泵區(qū)微流道驅(qū)動段7;第二根流道的一端用于連接所泵送流體的微流道進口或出口，另一端連接泵區(qū)微流道驅(qū)動段7，從而通過并聯(lián)設(shè)置的多根微流道驅(qū)動段7實現(xiàn)所述流體微流道I的兩端分別靠近泵區(qū)微流道驅(qū)動段7的高電勢和低電勢一側(cè)，每段泵區(qū)微流道驅(qū)動段7的兩端分別延長，形成泵區(qū)微流道延長段8，泵區(qū)微流道延長段8靠近所述流體微流道I兩側(cè)的電極微流道2，所述電極微流道2為彎折結(jié)構(gòu)，形成順次相鄰的U形和η形褶皺，所述泵區(qū)微流道延長段8分別潛入其端部的U形和η形槽內(nèi)，實現(xiàn)泵區(qū)微流道驅(qū)動段7每端的電極微流道2分布在泵區(qū)微流道延長段8的周圍，以在所述流體微流道I的泵區(qū)微流道延長段8分別形成高電勢和低電勢，即所述流體微流道I的泵區(qū)微流道驅(qū)動段7的兩端分別形成高電勢和低電勢。位于流體微流道I 一側(cè)的第一個電極微流道2的液態(tài)金屬注射入口 4和液態(tài)金屬注射出口 5均與所述可控電源模塊3的高電勢端連接；位于流體微流道I另一側(cè)的第二個電極微流道2的液態(tài)金屬注射入口 4和液態(tài)金屬注射出口 5均與所述可控電源模塊3的低電勢端連接。對于高電勢微電極，其間泵區(qū)微流道延長段8同樣保持相同的高電勢，低電勢亦同。由此泵區(qū)微流道驅(qū)動段7的內(nèi)壁面上就會存在平行于微流道方向的電場，微流道近壁面的微流體的電雙層在電場作用下形成電滲流，驅(qū)動微流體流動。通過改變加載于微電極的電勢大小和方向可實現(xiàn)微泵內(nèi)微流體流速和流向的變化。具體地，所述液態(tài)金屬為室溫條件下為液態(tài)的汞、或金屬鎵、或鎵合金，優(yōu)選采用室溫條件下為液態(tài)的鎵合金為鎵銦合金或鎵銦錫合金。第一個電極微流道2和第二個電極微流道2的液態(tài)金屬注射入口 4和液態(tài)金屬注射出口 5均通過金屬導線6與所述可控電源模塊3的高、低電勢端連接。在該電滲微泵裝置中，流體微流道I和電極微流道2可采用微加工制作工藝同步制成、集成于微流控芯片上。所述的微流控芯片材料可以選擇PDMS (聚二甲基硅氧烷)、玻
璃、石英等。優(yōu)先地，所述的微加工制作工藝選擇常規(guī)的軟刻蝕技術(shù)，通過同一掩膜同時刻蝕制作出的流體微流道I和電極微流道2等高、共面且非接觸。所述的流體微流道I和電極微流道2微加工制作工藝操作簡單、成本低廉。所述軟刻蝕技術(shù)制作出的微流控芯片優(yōu)先選擇玻璃基PDMS芯片。在同一平面上，流體微流道I和電極微流道2之間存在的薄層使兩者保持非接觸，薄層在芯片微加工過程中采用同種材料同步成型，無需額外加工方法和過程。薄層厚度相同且應(yīng)足夠小，遠小于電極之間泵區(qū)微流道驅(qū)動段7的長度，從而不影響或?qū)Ρ脙?nèi)微流道驅(qū)動段上沿流動方向上的電勢分布影響較小。泵區(qū)微流道延長段8的長度應(yīng)大于其末端處水平方向電極的長度，從而在泵區(qū)微流道驅(qū)動段7獲得更均勻且更高電勢梯度的電勢場。液態(tài)金屬形成的電極在水平和垂直方向采用直線型電極，在加載電壓時，平行電極之間會產(chǎn)生單向平行的電勢場，電勢場的電勢梯度方向應(yīng)與泵內(nèi)驅(qū)動流道部分平行以達到最佳的電滲驅(qū)動效果。本實施例利用液態(tài)金屬的流動性，采用注射方法將液態(tài)金屬從液態(tài)金屬注射入口4注入電極微流道2，注射過程中多余液態(tài)金屬從液態(tài)金屬注射出口 5溢出。液態(tài)金屬注射入口 4和液態(tài)金屬注射入口 5引出金屬導線6后，液態(tài)金屬電極與金屬導線6的連接處用膠水封裝。優(yōu)先地，膠水采用PDMS硅油或透明電絕緣硅膠。所述注射液態(tài)金屬方法操作簡單，重復(fù)性好，一次成型，形成的微電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。優(yōu)先地，液態(tài)金屬注射裝置采用普通的微量注射器。本實施例所提供的電滲微泵裝置，除改變驅(qū)動電壓外，通過增加泵區(qū)微流道驅(qū)動段7和泵區(qū)微流道延長段8的·級數(shù)，也可實現(xiàn)高流量微泵。實施例二如圖2所示，本實施例提供了一種電滲微泵裝置，其包括:集成在微流控芯片上且互不接觸的流體微流道I和電極微流道2，所述流體微流道I用于連接所泵送流體的微流道進口或出口，或為泵送流體的微流道的一部分；所述電極微流道2對稱分布在所述流體微流道I的兩側(cè)，其內(nèi)部填充液態(tài)金屬，形成微電極，所述電極微流道2具有液態(tài)金屬注射入口 4和液態(tài)金屬注射出口 5，所述液態(tài)金屬注射入口 4和液態(tài)金屬注射出口 5分別連接可控電源模塊3，以在所述流體微流道I的泵區(qū)微流道驅(qū)動段7的兩端分別形成高電勢和低電勢；所述流體微流道I為一根流道，包括多段串聯(lián)設(shè)置的泵區(qū)微流道驅(qū)動段7。為了實現(xiàn)高流量微泵，本實施例增加了驅(qū)動段的數(shù)量，所述流體微流道I在水平方向上設(shè)置為直線型。每對電極微流道2對稱布置在泵區(qū)微流道驅(qū)動段7兩側(cè)，若干對電極微流道2沿著流體微流道I依次分布在泵區(qū)微流道驅(qū)動段7兩側(cè)，泵區(qū)微流道驅(qū)動段7串聯(lián)連接處共用一對電極微流道2，以在所述流體微流道I的每段泵區(qū)微流道驅(qū)動段7兩端分別形成高電勢和低電勢。沿流體微流道I方向布置的每對電極微流道2的液態(tài)金屬注射入口 4和液態(tài)金屬注射出口 5均與所述可控電源模塊3連接，以使沿流體微流道I方向布置的每對電極獲得梯度增加或降低的電勢。由此泵區(qū)微流道驅(qū)動段7的內(nèi)壁面上就會存在平行于微流道方向的電場，微流道近壁面的微流體的電雙層在電場作用下形成電滲流，驅(qū)動微流體流動。通過改變加載于微電極的電勢大小和方向可實現(xiàn)微泵內(nèi)微流體流速和流向的變化。具體地，所述液態(tài)金屬為室溫條件下為液態(tài)的汞、或金屬鎵、或鎵合金，優(yōu)選采用室溫條件下為液態(tài)的鎵合金為鎵銦合金或鎵銦錫合金。電極微流道2的液態(tài)金屬注射入口 4和液態(tài)金屬注射出口 5均通過金屬導線6與所述可控電源模塊3連接。在該電滲微泵裝置中，流體微流道I和電極微流道2可采用微加工制作工藝同步制成、集成于微流控芯片上。所述的微流控芯片材料可以選擇PDMS (聚二甲基硅氧烷)、玻
璃、石英等。優(yōu)先地，所述的微加工制作工藝選擇常規(guī)的軟刻蝕技術(shù)，通過同一掩膜同時刻蝕制作出的流體微流道I和電極微流道2等高、共面且非接觸。所述的流體微流道I和電極微流道2微加工制作工藝操作簡單、成本低廉。所述軟刻蝕技術(shù)制作出的微流控芯片優(yōu)先選擇玻璃基PDMS芯片。在同一平面上，流體微流道I和電極微流道2之間存在的薄層使兩者保持非接觸，薄層在芯片微加工過程中采用同種材料同步成型，無需額外加工方法和過程。薄層厚度相同且應(yīng)足夠小，遠小于電極長度，從而不影響或?qū)Ρ脙?nèi)微流道驅(qū)動段上沿流動方向上的電勢分布影響較小。液態(tài)金 屬形成的電極在水平和垂直方向采用直線型電極，在加載電壓時，平行電極之間會產(chǎn)生單向平行的電勢場，電勢場的電勢梯度方向應(yīng)與泵內(nèi)驅(qū)動流道部分平行以達到最佳的電滲驅(qū)動效果。本實施例利用液態(tài)金屬的流動性，采用注射方法將液態(tài)金屬從液態(tài)金屬注射入口4注入電極微流道2，注射過程中多余液態(tài)金屬從液態(tài)金屬注射出口 5溢出。液態(tài)金屬注射入口 4和液態(tài)金屬注射入口 5引出金屬導線6后，液態(tài)金屬電極與金屬導線6的連接處用膠水封裝。優(yōu)先地，膠水采用PDMS硅油或透明電絕緣硅膠。所述注射液態(tài)金屬方法操作簡單，重復(fù)性好，一次成型，形成的微電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。優(yōu)先地，液態(tài)金屬注射裝置采用普通的微量注射器。本實施例所提供的電滲微泵裝置，除改變驅(qū)動電壓外，通過增加泵區(qū)微流道驅(qū)動段7的級數(shù)，也可實現(xiàn)高流量微泵。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種多級驅(qū)動電滲微泵裝置，其特征在于，包括:集成在微流控芯片上且互不接觸的流體微流道(I)和電極微流道(2 )，所述流體微流道(I)用于連接所泵送流體的微流道進口或出口，或為泵送流體的微流道的一部分；所述電極微流道(2)對稱分布在所述流體微流道(I)的兩側(cè)，其內(nèi)部填充液態(tài)金屬，形成微電極，所述電極微流道(2 )具有液態(tài)金屬注射入口(4)和液態(tài)金屬注射出口(5)，所述液態(tài)金屬注射入口(4)和液態(tài)金屬注射出口(5)分別連接可控電源模塊(3)，以在所述流體微流道(I)的泵區(qū)微流道驅(qū)動段(7)的兩端分別形成高電勢和低電勢；所述流體微流道(I)包括一根或兩根平行設(shè)置的流道，當其包括一根流道時，該流道由多段泵區(qū)微流道驅(qū)動段(7)串聯(lián)組成；當其包括兩根流道時，兩根流道之間連通多段相互平行且并聯(lián)設(shè)置的泵區(qū)微流道驅(qū)動段(7)。
2.如權(quán)利要求1所述的多級驅(qū)動電滲微泵裝置，其特征在于，所述液態(tài)金屬為室溫條件下為液態(tài)的汞、或金屬鎵、或鎵合金。
3.如權(quán)利要求2所述的多級驅(qū)動電滲微泵裝置，其特征在于，室溫條件下為液態(tài)的鎵合金為鎵銦合金或鎵銦錫合金。
4.如權(quán)利要求1所述的多級驅(qū)動電滲微泵裝置，其特征在于，所述一根流道由多段泵區(qū)微流道驅(qū)動段(7 )串聯(lián)組成時，電極微流道(2 )對稱布置在泵區(qū)微流道驅(qū)動段(7 )兩側(cè)。
5.如權(quán)利要求4所述的多級驅(qū)動電滲微泵裝置，其特征在于，所述電極微流道(2)布置在泵區(qū)微流道驅(qū)動段(7)兩端，泵區(qū)微流道驅(qū)動段(7)串聯(lián)連接處共用一對電極微流道(2)。
6.如權(quán)利要求1所述的多級驅(qū)動電滲微泵裝置，其特征在于，所述兩根流道中，第一根流道的一端用于連接所泵送流體的微流道進口或出口，另一端連接泵區(qū)微流道驅(qū)動段(7)；第二根流道的一端用于連接所泵送流體的微流道進口或出口，另一端連接泵區(qū)微流道驅(qū)動段⑴。
7.如權(quán)利要求1所述 的多級驅(qū)動電滲微泵裝置，其特征在于，每段泵區(qū)微流道驅(qū)動段(7 )的兩端分別延長，延長段靠近所述流體微流道(I)兩側(cè)的電極微流道(2 )。
8.如權(quán)利要求7所述的多級驅(qū)動電滲微泵裝置，其特征在于，所述電極微流道(2)為彎折結(jié)構(gòu)，形成順次相鄰的U形和η形褶皺，所述泵區(qū)微流道驅(qū)動段(7)的延長端分別潛入其端部的U形和η形槽內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1所述的多級驅(qū)動電滲微泵裝置，其特征在于，所述微流控芯片的材料為聚二甲基硅氧烷、或玻璃、或石英。
專利摘要本實用新型公開了一種多級驅(qū)動電滲微泵裝置，包括集成在微流控芯片上的流體微流道和電極微流道，流體微流道連接所泵送流體的微流道進口或出口，或為微流道的一部分；電極微流道對稱分布在流體微流道的兩側(cè)，其內(nèi)部填充液態(tài)金屬，形成微電極，電極微流道具有液態(tài)金屬注射入口和出口，入口和出口分別連接可控電源模塊，以在流體微流道的泵區(qū)微流道驅(qū)動段的兩端分別形成高電勢和低電勢；流體微流道包括一根或兩根平行設(shè)置的流道，一根流道由多段泵區(qū)微流道驅(qū)動段串聯(lián)組成，兩根流道之間連通多段相互平行且并聯(lián)設(shè)置的泵區(qū)微流道驅(qū)動段。本裝置電極結(jié)構(gòu)簡單、可控性好、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強、低電壓驅(qū)動；并且，驅(qū)動段增加，能夠?qū)崿F(xiàn)高流量微泵。
文檔編號B01L3/00GK203090949SQ20132008606
公開日2013年7月31日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者桂林 申請人:中國科學院理化技術(shù)研究所