[发明专利]具有主动控制能力的微流体泵

说明书

技术领域

本发明属于微流体机械技术领域，涉及一种实现具有主动控制能力的微流体泵。

背景技术

随着微机械电子科学的迅猛发展，在化学分析与检测、药物释放、生物工程、集成电路芯片、微型零部件、微型化生产系统(微型工厂)以及芯片实验室(Lab-on-Chip)等领域，急需输送微小流量且精度高的微流体输送装置。在所有的微流体元件及系统中，微型阀及微型泵既是最核心的元件，也是研究得最早的微流体元件。有关微型泵研究的最早的科学论文发表于1978年，经过二十多年的发展，已有部分商业化的产品供应市场。由于微型泵研究工作的多样性，微型泵有多种不同的分类方法。根据工作原理，微型泵可以分为往复泵(Reciprocating micropumps)和连续流体泵(Continuous flow micropumps)，根据驱动特性可以分为薄膜驱动泵(membrane actuated pumps)与场致流体泵(field induced flow pumps)，根据结构特性可以分为机械泵(mechanical)与非机械泵(nonmechanical)。其实往复泵、薄膜驱动泵、机械泵可以等同，连续流体泵、场致流体泵与非机械泵可以等同。

Spenser等人于1978年发表了关于具有主动阀的压电微型泵的研究工作(Spencer W.J.，Corbett W.T.，Dominguez L.R.，and Shafer B.D.，“An electronically controlled piezoelectricinsulin pump and valves”，IEEE Transactions on Sonics Ultrasonics，1978，Vol.SU-25，No.3，pp.153-156)，基本材料为不锈钢薄膜，其最大的缺点是主动控制阀完全浸泡在被输送的流体中，容易造成对人体的威胁和容易导致电路失效。后来，他的合作者对其结构进行了改动(vanLintel H.T.G.，van de Pol F.C.M.，and Bouwstra S.，“A piezoelectric micropump based onmicromachining of silicon，”Sensors and Actuators，1988，15，pp.153-167)，主要是采用了被动工作的冲击阀。Smits提出并研究了基于三片压电振子的微型蠕动泵(Smits J.G.，“Piezoelectricmicropump with three valves working peristaltically，”Sensors and Actuators A，1990，Vol.21-23，pp.203-206)，最先采用了硅作为构成泵的材料，虽然解决了上述问题，但是另外一个问题出现了：微型蠕动泵缺乏反向止流特性，在需要禁止倒流的场合(如药物释放与化学分析等)不适用。尤其是在工作时仍然无法回避流体倒流问题。同时，蠕动泵使被输送流体在泵中经历的路径长，增大了故障概率。

采用悬臂梁结构的被动阀构成的有阀压电泵的性能在很大程度上取决于阀的性能。冲击阀(Check Valves)的单向阀开启和关闭是通过泵腔内压力的交替变化实现的，因此其开启/关闭动作滞后于压电振子的振动。采用被动阀的有阀压电泵的主要缺点：①结构通常较复杂，在加工工艺和集成上存在一定的难度；②利用机械换向阀实现流体单向流动的压电泵，小且易脆的机械阀的磨损和疲劳损坏是难以克服的问题；③由于压电泵的压电振子的振幅很小，一次振动往复的容积变化也很小，所以一次振动往复所产生的泵流量也很小；④容易堵塞；⑤相对于泵流量，冲击阀的渗漏必须小(nl min^-1)；⑥要想提高泵流量，只有采用提高压电振子的振动频率的方法，当使用机械换向阀后，增频后会出现泵流量骤减的现象。

直到目前，如何提高泵的流量控制精度和实现极低的流量控制仍然是普遍关注的问题，其中新颖的微流体泵的结构是解决问题的关键。

发明内容