磁驱动微型泵制造技术

用于处理小流体体积的磁驱动微型泵。该微型泵包括第一腔室和第二腔室。柔性隔膜被布置在第一和第二腔室之间。柔性隔膜被磁性耦合至促动器用于移动该隔膜。

【技术实现步骤摘要】
磁驱动微型泵本申请是申请日为2009年9月30日、申请号为200980158664.8(PCT/US2009/059020)、题目为“磁驱动微型泵”的专利技术专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求2009年2月12日提交的美国临时专利申请No.61/152,165的优先权，其通过引用全部合并于此。
技术介绍
本专利技术披露内容涉及一种用于处理小流体体积的磁驱动微型泵。具体地，本披露内容涉及微型泵，其包括磁促动隔膜以传送流体。微流体
一般包括处理在几个纳米等级上的非常小的流体体积。在如生命科学和化学分析的领域，微流体技术具有日益重要的应用。微流体技术设备，也称为微机械系统(MEMS)，包括用于流体控制、流体测量、医学试验、DNA和蛋白质分析、活性药物运送和其他生化应用的设备。微型泵的典型的流体流速的范围是从约0.1微升每分钟至几个(80-180)毫升每分钟。该等级上的流速在，例如用于化学和生物分析的可抛弃微型总分析系统(μTAS)或片上实验室(LOC)、用于医学诊断测试的监护测试点、用于施药(例如胰岛素)的要求精细程度的管理和准确控制的可植入药物输送系统、和用于输血和增压的心脏病学系统，的应用中有用。由于多数MEMS处理技术源自于微电子技术，在1980年代第一个硅微型泵是基于薄隔膜的压电促动，主要用于受控胰岛素输送系统。该工作阐述了硅基微型泵的可行性和在硅微型泵上的创造性的深远的研究。而且，在药学和临床治疗领域，多个商用可植入硅微型泵被报告用于胰岛素输送和治疗剂施药。最近，多种聚合材料和新型微细加工技术，例如软平板印刷、微立体光刻技术、微模制和聚合表面微机械加工，已经被研究和开发用于不断增长的低成本的、集成的和小型化可抛弃μTAS应用。包括塑料和弹性体的许多聚合材料，由于它们优良的机械性能、良好的化学耐受性和低制造成本，已经被越来越多地并入到其它微型设备中作为基底、结构性构件、和功能性构件。在最常用的聚合物中，聚二甲硅氧烷(PDMS)已经被广泛地用在微流体设备中，这是由于优异的生物兼容性、简单的制造工艺(模制和可逆结合)以及光学透明性(便于监视和查询)以及弹性(良好的密封和连接性)。基于硅和基于塑料的无阀微型泵被作为实例使用以与基于聚合物的微型泵比较。基于硅的微型泵的制造工艺包括三个顺序的深活性粒子蚀刻(DRIE)步骤和一个硅-玻璃阳极结合步骤，同时LIGA，微注射，或热压花模制和多个薄板通过粘合剂或螺栓的装配被涉及用于塑料泵。在另一方面，对于基于PDMS的微型泵，仅需要多层软平版印刷工艺和PDMS-PDMS结合技术。从制造成本的观点来看，基于PDMS的微型泵比前两种类型的微型泵低得多。而且，塑料微型泵的主要挑战是由于薄塑料层的表面粗糙度导致的高流体泄露。螺栓装配使得事情更糟，因为应力集中在层之间的界面上的螺栓连接位置。粘接剂结合还倾向于助长微型结构的阻塞。因此，PDMS是用于微型泵的实用材料(短的处理时间和低成本)。
技术实现思路
这里披露的微型泵的操作原理是，振动隔膜导致腔室中的压力变化，其通过被动阀的形式来引导流体管的动态流动。通常被动阀被并入作为以悬臂活板、桥接隔膜、圆形球、活动结构、喷嘴/扩散器或泰斯拉元件形式的往复微型泵的入口和出口中的止回阀。但是，集成喷嘴/扩散器元件的无阀微型泵对于可抛弃μTAS应用具有特别的益处，例如在生物医学和生物化学中，因为悬浮颗粒阻塞、磨损和疲劳的移动机械部件的危险可被降低且实际上被消除。而且，喷嘴/扩散器的平面特征和简单实现导致用于可抛弃应用的微型泵的低成本和小型化。本披露内容的无阀微型泵包括喷嘴和扩散器元件、流体腔室和振动促动隔膜。隔膜被与小块状磁体集成，这具有较大的吸引或排斥磁力和隔膜挠曲的优点。隔膜上的交替的垂直磁力导致较大的体积行程，其对于高流速微型泵是期望的。此外，磁性促动是外部施加的场，在此情况下微型泵受到气隙的控制。因此，用于在微型泵上施加电流或电压的电连接器可被避免，其还提供了在μTAS应用中的小型化的可能性。本披露内容的主题的原理和操作被Zhou等人的文章(FluidDampingEffectsonResonantFrequencyofanElectromagnetically-ActuatedValvelessMicropump，InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology，April24，2009)中完全地解释，其通过引用在此全部并入。本披露内容的一方面包括用于输送流体的微型泵。该微型泵包括泵组件，该泵组件具有第一泵体，该第一泵体限定第一流体流动路径。第一泵体包括第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁；第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通。泵组件还包括第二泵体，该第二泵体限定第二流体流动路径。第二泵体包括第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁；第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通。泵组件还包括布置在第一腔室和第二腔室之间的柔性隔膜。微型泵还包括促动器组件，该促动器组件被构造为与泵组件协作。促动器组件包括磁性耦合至隔膜的驱动器，和构造为检测隔膜的位置的传感器，其中驱动器施加磁力至隔膜，导致隔膜挠曲，且其中隔膜的该挠曲导致第一腔室和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体流动。本披露内容的另一方面包括用于从流体储存器输送流体的微型泵组件，该微型泵组件包括泵筒。泵筒包括第一泵体，该泵体限定第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁；第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通。泵体还包括第二泵壳，该第二泵壳限定第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁；第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，以及布置在该第一腔室和第二腔室之间的柔性隔膜，其中泵筒被构造为允许从流体储存器至第一腔室和第二腔室中的至少一个的流体连通。微型泵组件还包括壳体，该壳体包封促动器组件，该促动器组件被构造为与微型泵筒协作。促动器组件包括磁性耦合至隔膜的驱动器，和构造为检测隔膜的位置的第一传感器，其中驱动器施加磁力至隔膜，导致隔膜挠曲，且其中隔膜的该挠曲导致第一腔室和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体流动。微型泵组件还包括控制器，该控制器联接至驱动器且被构造为通过接收来自第一传感器的信号和调节由驱动器施加的磁力来控制隔膜位置。微型泵组件还包括电源，该电源被构造为给驱动器和控制器通电，其中壳体被构造为使得微型泵筒可被插入且保持在促动器组件中。本披露内容的另一方面包括制造微型泵的方法。该方法包括步骤：由聚合物材料制造柔性隔膜，包括步骤：在硅晶片上旋涂第一聚合物层和允许第一聚合物层固化，将磁性材料布置在第一聚合物层上，在磁性材料周围施加第二聚合物层和允许第二聚合物层固化，和施加第三聚合物层和允许第三聚合物层固化；通过将液体聚合物材料浇入模具来制造刚性泵体，该模具被构造为形成流体腔室、入口通道和出口通道，以及允许液体聚合物固化；将柔性隔膜与刚性泵体对齐；和将柔性聚合物隔膜结合至刚性泵体。本披露内容的另一方面是用于输送流体的微型泵。该微型泵包括泵组件，该泵组件具有第一泵体，该第一泵体限定第一腔室。第一腔室包括第一腔室壁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于输送流体的微型泵，该微型泵包括:泵组件，该泵组件包括：第一泵体，该第一泵体限定第一流体流动路径，该第一泵体包括：第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁，第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通，第二泵体，该第二泵体限定第二流体流动路径，第二泵体包括：第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁，第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，柔性隔膜，布置在第一腔室和第二腔室之间；以及促动器组件，该促动器组件被构造为与泵组件协作，该促动器组件包括：磁性耦合至隔膜的驱动器，和构造为检测隔膜的位置的传感器，其中驱动器施加磁力至隔膜，导致隔膜挠曲，且其中隔膜的该挠曲导致第一腔室和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体流动；且其中该泵组件被构造为在没有阀的情况下沿预定方向引导流体流动。

【技术特征摘要】
2009.02.12 US 61/152,1651.一种用于输送流体的微型泵，该微型泵包括:泵组件，该泵组件包括：第一泵体，该第一泵体限定第一流体流动路径，该第一泵体包括：第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁，第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通，第二泵体，该第二泵体限定第二流体流动路径，第二泵体包括：第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁，第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，柔性隔膜，布置在第一腔室和第二腔室之间；以及促动器组件，该促动器组件被构造为与泵组件协作，该促动器组件包括：磁性耦合至隔膜的驱动器，和构造为检测隔膜的位置的传感器，其中所述柔性隔膜由与磁性材料混合的软聚合物材料构造，和具有同质的且各向同性的材料性质；其中驱动器施加磁力至隔膜，导致隔膜挠曲，且其中隔膜的该挠曲导致第一腔室和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体流动；且其中该泵组件被构造为在没有阀的情况下沿预定方向引导流体流动。2.如权利要求1所述的微型泵，其中第一入口还包括第一入口通道，该第一入口通道包括：具有第一入口喉部宽度的第一入口喉部，和具有第一入口端部宽度的第一入口端部，其中该第一入口通道被构造为使得流体沿从第一入口喉部至第一入口端部的方向流动，且其中第一入口端部被布置在第一侧壁中，且其中第一入口喉部宽度小于第一入口端部宽度。3.如权利要求2所述的微型泵，其中第一出口还包括第一出口通道，该第一出口通道包括：具有第一出口喉部宽度的第一出口喉部，和具有第一出口端部宽度的第一出口端部，其中该第一出口通道被构造为使得流体沿从该第一出口喉部至该第一出口端部的方向流动，且其中该第一出口喉部被布置在第一侧壁中，且其中该第一出口喉部宽度小于该第一出口端部宽度。4.如权利要求3所述的微型泵，其中第一入口通道和第一出口通道被构造为允许流体大致沿从第一入口至第一出口的方向流过第一腔室。5.如权利要求1所述的微型泵，还包括：第一入口通道，该第一入口通道包括：具有第一入口喉部宽度的第一入口喉部，和具有第一入口端部宽度的第一入口端部，其中该第一入口通道被构造为使得流体沿从第一入口喉部至第一入口端部的方向流动，且其中第一入口端部被布置在第一侧壁中，且其中第一入口喉部宽度小于第一入口端部宽度；第一出口通道，该第一出口通道包括：具有第一出口喉部宽度的第一出口喉部，和具有第一出口端部宽度的第一出口端部，其中该第一出口通道被构造为使得流体沿从第一出口喉部至第一出口端部的方向流动，且其中该第一出口喉部被布置在第一侧壁中，且其中该第一出口喉部宽度小于该第一出口端部宽度；第二入口通道，该第二入口通道包括：具有第二入口喉部宽度的第二入口喉部，和具有第二入口端部宽度的第二入口端部，其中该第二入口通道被构造为使得流体沿从第二入口喉部至第二入口端部的方向流动，且其中第二入口端部被布置在第二侧壁中，且其中第二入口喉部宽度小于第二入口端部宽度；第二出口通道，该第二出口通道包括：具有第二出口喉部宽度的第二出口喉部，和具有第二出口端部宽度的第二出口端部，其中该第二出口通道被构造为使得流体沿从第二出口喉部至第二出口端部的方向流动，且其中该第二出口喉部被布置在第二侧壁中，且其中该第二出口喉部宽度小于该第二出口端部宽度。6.如权利要求1所述的微型泵，还包括布置在所述隔膜上的第一磁体。7.如权利要求6所述的微型泵，还包括布置在所述隔膜上的第二磁体，其中第一磁体定位为与第一腔室相邻且第二磁体定位为与第二腔室相邻。8.如权利要求6所述的微型泵，包括多个磁体，该多个磁体被布置在隔膜上并与第一腔室和第二腔室中的任一个相邻。9.如权利要求6所述的微型泵，其中第一磁体是钕-铁-硼稀土磁体。10.如权利要求7所述的微型泵，其中第二磁体是钕-铁-硼稀土磁体。11.如权利要求1所述的微型泵，其中软聚合物材料是聚二甲硅氧烷。12.如权利要求1所述的微型泵，其中柔性隔膜被构造用于能调节张紧，允许隔膜的柔性关于由驱动器施加至该隔膜的磁力而被改变。13.如权利要求6所述的微型泵，其中驱动器还包括位于泵体附近的第一磁性线圈，该第一磁性线圈包括电线绕组且限定外周边。14.如权利要求13所述的微型泵，其中驱动器还包括构造为检测第一磁体的位置的传感器，该传感器定位为与第一线圈的外周边相邻的一位置处，在该位置中第一线圈的磁通密度与第一磁体的磁通密度相比可被忽略。15.如权利要求14所述的微型泵，其中传感器是霍尔效应传感器。16.如权利要求1所述的微型泵，其中驱动器还包括反馈控制系统，该反馈控制系统被构造为通过感应附连至隔膜的磁体的位置、将该位置与预定的设定点比较、并调节施加至隔膜的磁力来控制隔膜的位移。17.一种用于从流体储存器输送流体的微型泵组件，该微型泵组件包括：泵筒，该泵筒包括:第一泵体，该第一泵体限定：第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁，第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通，第二泵壳，该第二泵壳限定：第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁，第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，和柔性隔膜，布置在第一腔室和第二腔室之间；其中所述柔性隔膜由与磁性材料混合的软聚合物材料构造，和具有同质的且各向同性的材料性质；其中泵筒被构造为允许流体储存器流体连通至第一腔室和第二腔室中的至少一个；和壳体，该壳体包封：促动器组件，该促动器组件被构造为与微型泵筒协作，该促动器组件包括：磁性耦合至隔膜的驱动器，和构造为检测隔膜的位置的第一传感器，其中驱动器...

【专利技术属性】
技术研发人员：F阿米罗切，Y周，ML坎特韦尔，J西特林，
申请(专利权)人：伊利诺伊大学受托管理委员会，
类型：发明
国别省市：美国;US