一種被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置制造方法
【專利摘要】一種被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，包括上基板、下基板、薄膜層，所述薄膜層設(shè)置于所述上基板、下基板之間，所述上基板、下基板、薄膜層之間密封貼合，所述上基板底部橫向設(shè)置有用于流體流動(dòng)的微通道，并且在所述微通道的兩端分別開設(shè)有供流體流入的進(jìn)口與供流體流出的出口，所述下基板縱向設(shè)置有通孔。本發(fā)明所揭示的被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，可以使得流體的出口流速在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，達(dá)到濾波的目的。
【專利說明】一種被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及流體濾波領(lǐng)域，尤其涉及一種被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，許多非機(jī)械泵被用于微流動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件中，這些非機(jī)械泵利用電流體驅(qū)動(dòng)、電磁致動(dòng)、電滲等原理，向外泵送微量、穩(wěn)定的流體。然而，由于這些非機(jī)械泵有電場(chǎng)、磁場(chǎng)等直接作用在流體之上，只能泵送特定組分的溶液且生物相容性低，不適用于輸出試劑體積的精確控制。
[0003]因而，利用壓電元件(壓電片或壓電疊堆)作為換能器進(jìn)行流體傳輸?shù)膲弘姳茫谄渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、驅(qū)動(dòng)力大、低泄漏、響應(yīng)時(shí)間短、耗能低、無噪聲、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于微流動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件中。通過流量傳感器與壓電泵的配合，建立壓電泵閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電泵輸出試劑體積的精確控制具有重要的意義。
[0004]然而由于壓電泵泵送的流體是脈動(dòng)的，且在每個(gè)工作周期內(nèi)受壓電陶瓷的磁滯、蠕變等影響，泵送的流量并不相等，以及流量傳感器的響應(yīng)頻率低等影響，傳感器難以精確的檢查流量。
[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，2005年卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Bozhi Yang提出了一種用于穩(wěn)定波動(dòng)流動(dòng)的結(jié)構(gòu)，但是難以通過調(diào)節(jié)微通道的尺寸來調(diào)節(jié)濾波器所適應(yīng)的流速范圍。2007年MIT的Walker Inman制作了一種主動(dòng)閥氣動(dòng)泵，并在泵的出口加入了由薄膜以及液阻組成的濾波單元，使氣動(dòng)泵泵出的脈動(dòng)的流量得到濾波，然而這種方法需要使用過濾片來起到微通道的作用，而過濾片不便于集成到微系統(tǒng)中。2012年新加坡國立大學(xué)的Rensheng Deng等人采用儲(chǔ)氣器來緩沖流量的波動(dòng)，然而儲(chǔ)氣器體積大，不適用于微系統(tǒng)。
[0006]因此，需要設(shè)計(jì)一種被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，用于實(shí)現(xiàn)濾波。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明解決的問題是一種被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，用于實(shí)現(xiàn)濾波。
[0008]為解決上述問題，本發(fā)明揭示了一種被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，包括上基板、下基板、薄膜層，所述薄膜層設(shè)置于所述上基板、下基板之間，所述上基板、下基板、薄膜層之間密封貼合，所述上基板底部橫向設(shè)置有用于流體流動(dòng)的微通道，并且在所述微通道的兩端分別開設(shè)有供流體流入的進(jìn)口與供流體流出的出口，所述下基板縱向設(shè)置有通孔。
[0009]優(yōu)選地，所述薄膜層為PDMS薄膜層，所述上基板、下基板為玻璃基板。
[0010]優(yōu)選地，所述PDMS薄膜層的彈性模量為750kPa，泊松比u為0.49。
[0011]優(yōu)選地，所述薄膜層、上基板和下基板之間采用不可逆的密封工藝鍵合密封。
[0012]優(yōu)選地，所述不可逆的密封工藝包括氧等離子體表面處理或紫外光表面照射處理。
[0013]優(yōu)選地，所述微通道為矩形或梯形凹槽。[0014]優(yōu)選地，所述通孔的半徑為2?6mm。
[0015]優(yōu)選地,所述通孔的半徑為5mm。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明所揭示的被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，包括上基板、下基板、薄膜層，所述薄膜層設(shè)置于所述上基板、下基板之間，所述上基板、下基板、薄膜層之間密封貼合，所述上基板底部橫向設(shè)置有用于流體流動(dòng)的微通道，并且在所述微通道的兩端分別開設(shè)有供流體流入的進(jìn)口與供流體流出的出口，所述下基板縱向設(shè)置有通孔。本發(fā)明所揭示的被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，使用時(shí)，由壓電泵輸出的脈動(dòng)流體從進(jìn)口流入、從出口流出，當(dāng)脈動(dòng)流體的進(jìn)口流速大于出口流速時(shí)，薄膜層在通孔處向下擴(kuò)張形成容腔，并將流體儲(chǔ)存在由薄膜層形成的容腔中，隨著流體的儲(chǔ)存量越大，容腔內(nèi)流體壓力也隨之增大；當(dāng)脈動(dòng)流體的進(jìn)口流速低于出口流速時(shí)，薄膜層在通孔處向上收縮，泵出容腔內(nèi)的流體，容腔內(nèi)壓力減小，從而使得流體的出口流速在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，達(dá)到濾波的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置的立體分解圖；
[0018]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置的剖視圖；
[0019]圖3是當(dāng)脈動(dòng)流體的進(jìn)口流速大于出口流速時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4是當(dāng)脈動(dòng)流體的進(jìn)口流速低于出口流速時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]現(xiàn)有的用于流體傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)部件中，由于壓電泵泵送的流體是脈動(dòng)的，且在每個(gè)工作周期內(nèi)受壓電陶瓷的磁滯、蠕變等影響，泵送的流量并不相等，以及流量傳感器的響應(yīng)頻率低等影響，傳感器難以精確的檢查流量。
[0022]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明揭示了一種被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，包括上基板、下基板、薄膜層，所述薄膜層設(shè)置于所述上基板、下基板之間，所述上基板、下基板、薄膜層之間密封貼合，所述上基板底部橫向設(shè)置有用于流體流動(dòng)的微通道，并且在所述微通道的兩端分別開設(shè)有供流體流入的進(jìn)口與供流體流出的出口，所述下基板縱向設(shè)置有通孔。
[0023]優(yōu)選地，所述薄膜層為PDMS薄膜層，所述上基板、下基板為玻璃基板。
[0024]優(yōu)選地，所述PDMS薄膜層的彈性模量為750kPa，泊松比為0.49。
[0025]優(yōu)選地，所述薄膜層、上基板和下基板之間采用不可逆的密封工藝鍵合密封。
[0026]優(yōu)選地，所述不可逆的密封工藝包括氧等離子體表面處理或紫外光表面照射處理。
[0027]優(yōu)選地，所述微通道為矩形或梯形凹槽。
[0028]優(yōu)選地，所述通孔的半徑為2?6mm。
[0029]優(yōu)選地,所述通孔的半徑為5mm。
[0030]本發(fā)明所揭示的被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，使用時(shí)，由壓電泵輸出的脈動(dòng)流體從進(jìn)口流入、從出口流出，當(dāng)脈動(dòng)流體的進(jìn)口流速大于出口流速時(shí)，薄膜層在通孔處向下擴(kuò)張形成容腔，并將流體儲(chǔ)存在由薄膜層形成的容腔中，隨著流體的儲(chǔ)存量越大，容腔內(nèi)流體壓力也隨之增大；當(dāng)脈動(dòng)流體的進(jìn)口流速低于出口流速時(shí)，薄膜層在通孔處向上收縮，泵出容腔內(nèi)的流體，容腔內(nèi)壓力減小，從而使得流體的出口流速在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，達(dá)到濾波的目的。
[0031]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)地描述。
[0032]如圖1、圖2所示，本發(fā)明揭示了一種被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，包括上基板2、下基板4、薄膜層3，薄膜層3設(shè)置于上基板2、下基板4之間，上基板2、下基板4、薄膜層3之間密封貼合，上基板2底部橫向設(shè)置有用于流體流動(dòng)的微通道1，并且在微通道I的兩端分別開設(shè)有供流體流入的進(jìn)口 11與供流體流出的出口 12，下基板4縱向設(shè)置有通孔5。
[0033]具體地，薄膜層3為PDMS薄膜層，上基板2、下基板4為玻璃基板。由于玻璃的特殊性質(zhì)，其它材料與其表面鍵合就能形成封閉的腔體，一般有兩種鍵合密封的方式:可逆密封和不可逆密封。由于固化后的PDMS薄膜表面本身具有一定的黏附力，因此在潔凈的情況下可以不對(duì)它的表面作任何處理而直接與玻璃之間實(shí)現(xiàn)貼合，兩片基底可以用外力撕開，而且能實(shí)現(xiàn)多次密封，清洗過后只要吹干就又可以使用。這個(gè)過程是可逆的，稱為可逆的封裝。但是由于這種密封方式靠的是分子間的相互作用力(即范德華力)，因此密封的強(qiáng)度不高，在微通道I內(nèi)壓力較大或流體流速高的情況下容易產(chǎn)生液體泄漏。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，采用的是用氧等離子體表面處理或紫外光表面照射處理的方式實(shí)現(xiàn)PDMS薄膜層和玻璃之間永久性的密封，稱之為不可逆的密封。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，薄膜層3、上基板
2、下基板4之間采用不可逆的密封，其優(yōu)點(diǎn)在于封裝強(qiáng)度比較大，而且能顯著改善PDMS薄膜表面的親水性能。
[0034] 申請(qǐng)人:通過公式推導(dǎo)分析發(fā)現(xiàn)，通孔5的半徑、薄膜層3的彈性模量以及泊松比三個(gè)參數(shù)、微通道I通道流阻、進(jìn)口 11的不同頻率對(duì)濾波裝置的濾波性能存在影響。在分析出影響控制精度的因素基礎(chǔ)上， 申請(qǐng)人:設(shè)計(jì)出由PDMS薄膜以及微通道構(gòu)成的流體濾波裝置，并對(duì)濾波裝置的薄膜層3、微通道I進(jìn)行理論分析，建立數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出薄膜層3變形的解析解。利用Comsol軟件建立濾波裝置的有限元模型，分別對(duì)薄膜層3變形以及微通道I流阻進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并分析了微通道I流阻、泵驅(qū)動(dòng)頻率以及通孔5半徑對(duì)濾波效果的影響。
[0035]通過大量的分析計(jì)算，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，PDMS薄膜層3的彈性模量為750kPa，泊松比為0.49。并且，通過建模分析發(fā)現(xiàn)增大通孔5的半徑可以顯著的提高濾波效果，因此，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，通孔5的半徑為2?6mm。最優(yōu)選地，通孔5的半徑為5mm,當(dāng)通孔5的半徑達(dá)到5mm時(shí)，出口 12的波動(dòng)幅值僅為進(jìn)口波動(dòng)幅值的1% (此時(shí)已經(jīng)能夠滿足消除脈動(dòng)的需要)。當(dāng)然，在不考慮成本的前提下，通孔5的半徑尺寸可以在下基板4允許的情況下，進(jìn)一步選取數(shù)值較大的半徑。
[0036]在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，微通道I為矩形或梯形凹槽。具體地，微通道I是通過激光加工刻蝕在上基板2底部形成的矩形或梯形凹槽，后經(jīng)過與下基板4、薄膜層3鍵合形成封閉的矩形或梯形。矩形或梯形凹槽加工方便，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行調(diào)整。微通道I的尺寸選擇與進(jìn)口 11處的流量頻率、流體類型等參數(shù)有關(guān)，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，使濾波效果達(dá)到最優(yōu)。
[0037]本發(fā)明所揭示的被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，使用時(shí)，如圖3、圖4所示，由壓電泵輸出的脈動(dòng)流體從進(jìn)口 11流入、從出口 12流出，當(dāng)脈動(dòng)流體的進(jìn)口流速大于出口流速時(shí)，薄膜層3在通孔5處向下擴(kuò)張形成容腔，并將流體儲(chǔ)存在由薄膜層形成的容腔中，隨著流體的儲(chǔ)存量越大，容腔內(nèi)流體壓力也隨之增大；當(dāng)脈動(dòng)流體的進(jìn)口流速低于出口流速時(shí)，薄膜層3在通孔5處向上收縮，泵出容腔內(nèi)的流體，容腔內(nèi)壓力減小，從而使得流體的出口流速在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，達(dá)到精確控制流體體積的輸出的目的。
[0038]本發(fā)明所揭示的被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造簡(jiǎn)便。
[0039]對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，其特征在于:包括上基板、下基板、薄膜層，所述薄膜層設(shè)置于所述上基板、下基板之間，所述上基板、下基板、薄膜層之間密封貼合，所述上基板底部橫向設(shè)置有用于流體流動(dòng)的微通道，并且在所述微通道的兩端分別開設(shè)有供流體流入的進(jìn)口與供流體流出的出口，所述下基板縱向設(shè)置有通孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，其特征在于:所述薄膜層為PDMS薄膜層，所述上基板、下基板為玻璃基板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，其特征在于:所述PDMS薄膜層的彈性模量為750kPa，泊松比為0.49。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，其特征在于:所述薄膜層、上基板和下基板之間采用不可逆的密封工藝鍵合密封。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，其特征在于:所述不可逆的密封工藝包括氧等離子體表面處理或紫外光表面照射處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，其特征在于:所述微通道為矩形或梯形凹槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，其特征在于:所述通孔的半徑為2 ?6mm ο
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的被動(dòng)式脈動(dòng)流體濾波裝置，其特征在于:所述通孔的半徑為5mm ο
【文檔編號(hào)】F04B43/04GK103953530SQ201410213804
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】陳立國, 賀文元, 吳宣, 潘明強(qiáng) 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)