一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵制造技术

本发明专利技术提出了一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵结构和制作方法。这种微泵的结构包括：微泵下基底，微泵上基底，微流管道和微型磁铁阵列。微泵下基底包含了微流管道键合区、样品进口和出口；微泵上基底包含了微型圆孔阵列；微流管道的材料为PDMS；微磁阵列有圆柱型微型磁铁阵列和环形微型磁铁阵列两种磁阵列；将它们组合在一起形成完整的微泵系统；驱动的行波由两组微磁阵列的相互作用力产生。本发明专利技术微型磁铁阵列与无阀微泵相结合，有效的在微流管道内合成行波，提高了微泵输出流速和背压，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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵
本专利技术涉及到一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵，尤其是利用微型磁铁阵列合理布局从而合成行波的方法。
技术介绍
微流控芯片(MicrofluidicChip)技术是指在微小尺度下精确控制和操控流体的技术。通常采用微细加工技术在一块几平方厘米的基片上，制备出微通道网络和其他功能单元，使其成为一个功能性试验平台。可实现的功能包括生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等。由于微流控芯片具有体积小、消耗样品/试剂量少、检测成本低、反应速度快、可并行处理等优点，因此在生物医学检测技术尤其是生物芯片
中应用非常广泛。微流泵是微流体芯片流体驱动部分的重要执行部件，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，制作工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工艺和加工准确度限制了有阀微泵的进一步小型化，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、结构相对简单、制造工艺要求不高、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，是在弹性微流管道上激发一列行波，驱动液体定向流动的驱动方式。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。为了有效合成行波和提高微泵输出流速，本专利技术提出一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵。微磁阵列是微型磁铁的组合，一组圆柱微型磁铁阵列按相同的磁极方向排成一列嵌在微流管道的上基底中，另一组环形微型磁铁阵列按磁极相差90度并与圆柱微型磁铁一一对齐的固定在微型电机的轴上，当电机启动时，利用微磁阵列的相互作用力在微流管道中激发多列驻波。进而在管道中合成的行波驱动液体定向流动，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。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对现有微泵结构复杂，效率较低的现状，提出了一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵，这种微泵的特点是：结构简单，泵液效率高，功耗低，便于小型化和集成制造。基于旋转微磁阵列行波式无阀微流体驱动和控制技术，是通过控制电路产生的脉冲宽度调制波(PWM)来控制微型电机转动，利用两组微磁阵列的相互作用在管道上产生四个振幅、频率、振动方向相同，而具有90度相位差的驻波，由于四列驻波可以在微流管道上合成行波，使管道内的液体沿行波方向流动，这是一种新型的微流体驱动技术。而液体流速可以通过控制电机的转速来控制。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，由两列满足一定条件的驻波可以叠加为一列行波。设有两个振幅都为ε0的驻波A、B在时间和空间上分别相差90°其方程分别为：在弹性体中，两列驻波合成为一列行波：我们对四列振动幅度相同，频率相同，振动方向相同，相位相差90°正弦驻波进行分析：四列驻波合成一列行波：两组微型磁铁阵列，分别由四个环形磁铁和圆柱型磁铁组成，环形磁铁的尺寸为2mm高，直径为1mm，外直径为2.3mm，圆柱型磁铁的尺寸为2mm高，直径为1mm。电机的尺寸为直径6mm，长度为14mm.附图说明附图中，1-微泵下基底；2-微流管道；3-圆柱型微型磁铁阵列；4-微泵上基底；5-环形微型磁铁阵列；6-微型直流电机；7-样品入口；8-样品出口；9-磁铁N极；10-磁铁S极；图1是微泵整体组成部分示意图。图2是微泵截面图。图3是微流管道示意图。图4是微流泵实物图。图5是微流泵整体实物图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术技术方案，下面结合附图和实施方式对本专利技术进一步的详细说明。微泵上下基底和微流管道模具材料可采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)微机械加工方法制作。本机械加工采用的是德国生产的刻板机LPKFProtoMatH100进行加工，通过Protel绘制的图案，可以在PMMA上刻制不同的图形来生产微泵的上下基底和微流管道的模具。微流管道的材料则选用PDMS(聚二甲基硅氧烷)，它是微流体
中微流管道的主要制作材料。目前微流体芯片的PDMS微流管道，主要采用注入法来加工完成，这种方法具有准确性高，可重复使用，制作简单，工艺周期短，对加工环境没有特殊要求等突出优点，它可以精确复制微米级别的微结构，与传统微加工工艺相比，具有极大的优势。PDMS微流管道是将PDMS预聚体和固化剂按一定比例充分混合，真空脱气后注入到模具里，在恒温烘箱中恒温固化一定时间制得的。这里的PDMS微流管道的预聚体和固化剂的比例是10：1；充分搅拌混合后放入真空干燥器脱气30min，真空度为10-1kg／cm2，之后分注入到微流管道模具中。再将注有PDMS的微流管道模具放入65℃的恒温烘箱里，恒温固化30min。此时PDMS尚未完全固化，将PDMS微流管道脱模，并放置在PMMA微泵基底的微流管道键合区(键合区事先涂覆一层100μm的PDMS薄膜，预聚体和固化剂的比例为5：1，并在恒温烘箱中固化10min)，利用范德华力，使管道和下基底粘合在一起。此时PDMS微流管道和基底薄膜均未完全固化，再在65℃下恒温固化60min，使其完全固化，之后放在干燥皿中待用。将圆柱型微型磁铁嵌在上基底的间隔1mm圆孔阵列中，并使其磁极方向一致，将环形微型磁铁固定在微型电机的轴上，使其磁极方向依次相差90度，最后将其固定在上基底上，使环形微型磁铁一一对齐，微型电机由基于MSP430微处理的控制电路产生的脉冲宽度调制波(PWM)来控制。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵，采用固定于柔性微流管道的圆柱微型磁铁阵列和固定于小型电机转轴上的环形微型磁铁阵列作为微泵驱动部件，在电机转轴旋转过程中，使两组磁铁阵列交替吸引、排斥。通过微型磁铁阵列合理布局，在微流管道中激发多列驻波，进而在管道中合成行波，驱动液体定向流动。

【技术特征摘要】
1.一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵，采用固定于柔性微流管道的圆柱微型磁铁阵列和固定于小型电机转轴上的环形微型磁铁阵列作为微泵驱动部件，在电机转轴旋转过程中，使两组磁铁阵列交替吸引、排斥，通过排列微型磁铁阵列的磁极方向，在微流管道中激发多列驻波，进而在管道中合成行波，驱动液体定向流动。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国华，张维，叶巍翔，王程，李文彬，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12