感应加热的热气泡驱动隔热型微泵及制备方法技术

感应加热的热气泡驱动隔热型微泵及制备方法用于微流体输送的热气泡驱动，具体为具有热源隔离功能的热汽泡驱动微泵，利用高频交变电流无线感应加热生成热气泡，实现对微泵的驱动。采用液体将热源和微流道中被泵送的液体隔离开，减少高温对溶液特性的影响。这种隔热型热气泡驱动微泵不但具有普通热气泡微泵结构简单易集成、工作电压低、寿命长等优点，而且还可以降低泵送液体的温度，减小因高温对溶液中部分生物或化学物质的损害，因此热汽泡驱动隔热型微泵具有更好的应用前景。

Induction heated hot bubble driven thermal insulation micropump and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
感应加热的热气泡驱动隔热型微泵及制备方法
本专利技术是一种用于微流体输送的热气泡驱动微泵，具体为具有热源隔离功能的热汽泡驱动微泵，利用高频交变电流无线感应加热生成热气泡，实现对微泵的驱动。采用液体将热源和微流道中被泵送的液体隔离开，减少高温对溶液特性的影响。这种隔热型热气泡驱动微泵不但具有普通热气泡微泵结构简单易集成、工作电压低、寿命长等优点，而且还可以降低泵送液体的温度，减小因高温对溶液中部分生物或化学物质的损害，因此热汽泡驱动隔热型微泵具有更好的应用前景。
技术介绍
微泵是微流体输送的动力之源，是微流控系统的重要组成部件，根据驱动方式的不同，可以分为压电驱动微泵、静电驱动微泵、电磁驱动微泵、电渗驱动微泵、电化学驱动微泵和热气泡驱动微泵等。热气泡驱动微泵没有机械移动部件，无磨损和刚性冲击，具有可靠性高、结构简单和易于制作等优点。Aoqun等学者研制了一种激光加热的热气泡驱动微泵，采用激光照射微通道内，从而使部分液体汽化产生气泡，利用该热气泡的膨胀直接驱动液体在微通道内流动。孙建闯于设计了一种感应加热的大流量热气泡驱动微泵，能在微泵的腔室中产生几个大体积的热气泡，也是利用热气泡直接驱动液体泵送。热气泡的温度较高，采用热气泡直接驱动液体会导致部分被泵送溶液温度过高，从而损坏溶液的部分生物或化学物质特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对热气泡驱动微泵中热气泡的高温对泵送液体的影响，提出一种感应加热的热气泡驱动隔热型微泵。该微泵采用液体隔离的方法，将热气泡的热源与被泵送液体进行一定的温度隔离，避免热气泡的高温对溶液中的部分生物或化学物质等产生高温损害。因此，本专利技术的热气泡温度对被泵送液体影响小，具有热源隔离的优点，同时还具备结构简单易集成、工作电压低、寿命长等优点。本专利技术采用如下技术方案：感应加热的热气泡驱动隔热型微泵包括PDMS芯片4、微加热盘6、基底5、微励磁线圈7。其中，PDMS芯片4包括进液口1、压缩口10、微泵腔12、扩散口11、出液口2、隔热流道14、气泡室13和气泡室进液口3；微加热盘6附着在基底5上，微加热盘6位于气泡室13的底部中心。微励磁线圈7是一种平面螺旋线圈，微励磁线圈7位于微加热盘正下方。感应加热的热气泡驱动隔热型微泵控制系统包括计算机27、脉冲发生器36、数字电流表30、电容17、可编程控制器26、继电器21和放大器31。其中，脉冲发生器36提供高频信号经过放大器31放大，再给微励磁线圈7提供高频交变电流，高频交变电流再通过继电器21传递给热气泡驱动隔热型微泵，由可编程控制器26控制加热时间t2和间歇时间t1。所述进液口1贯穿于PDMS芯片4，进液口1直径0.5-2.5mm，其与压缩口10相连，压缩口10最窄处宽度50-100μm，角度为10°-15°，长度为1-2mm，深度0.1-0.4mm，压缩口10与微泵腔12相连，微泵腔12与扩散口11相连，微泵腔12为压缩口10和扩散口11之间较为大的区域，扩散口11最窄处宽度50-100μm，角度为10°-15°，长度为1-2mm，深度0.1-0.4mm，扩散口11与出液口2相连，出液口2直径0.5-2.5mm。微泵腔12还与隔热流道14相连，隔热流道14与气泡室13相连，气泡室13的直径为3-6mm，气泡室13与气泡室进液口3相连，气泡室进液口3直径0.5-2.5mm。所述微加热盘6的直径为3-6mm，厚度为5-50μm。所述基底5的材料可以为玻璃、陶瓷等，长为2-5mm，宽为2-5mm，厚度为100-600μm，将带有微加热盘6的基底5的上表面和PDMS芯片(4)通过键合工艺封装在一起，使微加热盘6位于气泡室13的中央，还可在其表面制备PDMS芯片4阳模。所述微励磁线圈7采用漆包铜线绕制成平面螺旋线圈，线圈匝数为8匝到20匝，在线圈周围设计一层导热硅胶，用于对微励磁线圈7导热，并将微励磁线圈7固定在基底5的下表面，微励磁线圈7和气泡室13中的微加热盘6中心对齐。所述的脉冲发生器36和放大器31相串联，并给微励磁线圈7提供高频交变电流；所述的继电器21与微励磁线圈7串联，控制微励磁线圈7的间断时间t1和导通时间t2。通过可编程控制器26控制继电器21，实现对感应加热电路的控制。所述的高频脉冲间断的时间是t1，导通的时间是t2，电流是I1；高频脉冲的频率选为20kHz-1MHz，确保热气泡的膨胀和收缩时间，t1为1s-2s,t2为0.2s-2s，电流I1为0.1A-4A。本专利技术的热气泡驱动隔热型微泵的工作原理，如附图6，具体如下：给微励磁线圈7通入高频交变电流，其周围会产生交变磁场；在交变磁场的作用下，微加热盘6内产生电涡流，进而生成焦耳热；该焦耳热通过热传导对微加热盘6表面液体进行加热，当液体达到一定温度后，微加热盘6会生长气泡13，微泵每个工作周期可以分为两个阶段：(1)给微励磁线圈7通入高频交变电流，在感应加热的作用下微加热盘6生长热气泡，随着热气泡15的增长，气泡室13中的压力升高，在气泡压力的作用下液体流向隔热流道14，并通过隔热流道14流进微泵腔12，流入微泵腔12的液体同时向压缩口10和扩散口11流动，由于两方向阻力不同，从扩散口11流向出液口2液体多于从压缩口10流向进液口1的液体。(2)微励磁线圈7断电，热气泡15收缩，气泡室13的压力降低，液体从微泵腔12通过隔热流道14向气泡室13流动。同时，进液口1和出液口2分别通过压缩口10和扩散口11向微泵腔12流动，由于两个方向的流动阻力不同，由进液口1通过压缩口10流进微泵腔的液体多于由出液口2通过扩散口11向微泵腔12流的液体。因此，在一个泵送周期内，从进液口1到出液口2会产生一定的净流量。热气泡周期性的膨胀和收缩便实现了热气泡驱动隔热型微泵的泵送功能，采用隔热流道14的液体将高温的热气泡与被泵送的液体进行隔离，减少热气泡的高温对被泵送液体影响。本专利技术可以获得如下有益效果和特点：1)与其它热气泡驱动微泵不同，本专利技术将热源和微流道中的液体利用隔热流道的液体进行隔离，会有效地降低高温的热气泡对被泵送液体的影响，降低被泵送液体的温度。2)本专利技术可应用于微型注射与药物输送系统、细胞捕获系统、电子冷却系统和DNA蛋白质系统等，可以降低温度对生物或化学物质的损害，具有较好的应用前景，。附图说明图1：本专利技术热气泡驱动隔热型微泵分解视图；图2：本专利技术热气泡驱动隔热型微泵整体外观视图；图3：本专利技术PDMS芯片4外观图；图4：本专利技术PDMS芯片4微流道结构俯视图；图5：本专利技术微加热盘6结构俯视图；图6：本专利技术热气泡驱动隔热型微泵工作原理图其中(a)(b)表示不同的阶段；图7：本专利技术微加热盘6工艺制作过程示意图；(a)-(e)表示不同的阶段；图8：本专利技术PDMS芯片4工艺制作过程示意图；(f)-(k)表示不同的阶段；图9：加热盘掩膜板43；图10：PDMS芯片掩膜板44；图11：本专利技术热气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种感应加热的热气泡驱动隔热型微泵，其特征在于，包括PDMS芯片(4)、微加热盘(6)、基底(5)、微励磁线圈(7)；其中，PDMS芯片(4)包括进液口(1)、压缩口(10)、微泵腔(12)、扩散口(11)、出液口(2)、隔热流道(14)、气泡室(13)和气泡室进液口(3)；微加热盘(6)附着在基底(5)上，微加热盘(6)位于气泡室(13)的底部中心；微励磁线圈(7)是一种平面螺旋线圈，微励磁线圈(7)位于微加热盘正下方；感应加热的热气泡驱动隔热型微泵控制系统包括计算机(27)、脉冲发生器(36)、数字电流表(30)、电容(17)、可编程控制器(26)、继电器(21)和放大器(31)；/n其中，脉冲发生器(36)提供高频信号经过放大器(31)放大，再给微励磁线圈(7)提供高频交变电流，高频交变电流再通过继电器(21)传递给热气泡驱动隔热型微泵，由可编程控制器(26)控制加热时间t

【技术特征摘要】
1.一种感应加热的热气泡驱动隔热型微泵，其特征在于，包括PDMS芯片(4)、微加热盘(6)、基底(5)、微励磁线圈(7)；其中，PDMS芯片(4)包括进液口(1)、压缩口(10)、微泵腔(12)、扩散口(11)、出液口(2)、隔热流道(14)、气泡室(13)和气泡室进液口(3)；微加热盘(6)附着在基底(5)上，微加热盘(6)位于气泡室(13)的底部中心；微励磁线圈(7)是一种平面螺旋线圈，微励磁线圈(7)位于微加热盘正下方；感应加热的热气泡驱动隔热型微泵控制系统包括计算机(27)、脉冲发生器(36)、数字电流表(30)、电容(17)、可编程控制器(26)、继电器(21)和放大器(31)；
其中，脉冲发生器(36)提供高频信号经过放大器(31)放大，再给微励磁线圈(7)提供高频交变电流，高频交变电流再通过继电器(21)传递给热气泡驱动隔热型微泵，由可编程控制器(26)控制加热时间t2和间歇时间t1；
所述进液口1贯穿于PDMS芯片(4)，进液口1直径0.5-2.5mm，其与压缩口(10)相连，压缩口(10)最窄处宽度50-100μm，角度为10°-15°，长度为1-2mm，深度0.1-0.4mm，压缩口(10)与微泵腔(12)相连，微泵腔(12)与扩散口(11)相连，微泵腔(12)为压缩口(10)和扩散口(11)之间较为大的区域，扩散口(11)最窄处宽度50-100μm，角度为10°-15°，长度为1-2mm，深度0.1-0.4mm，扩散口(11)与出液口(2)相连，出液口(2)直径0.5-2.5mm；微泵腔(12)还与隔热流道(14)相连，隔热流道(14)与气泡室(13)相连，气泡室(13)的直径为3-6mm，气泡室(13)与气泡室进液口(3)相连，气泡室进液口(3)直径0.5-2.5mm；
所述微加热盘(6)的直径为3-6mm，厚度为5-50μm；
所述基底(5)长为2-5mm，宽为2-5mm，厚度为100-600μm，将带有微加热盘(6)的基底(5)的上表面和PDMS芯片(4)通过键合工艺封装在一起，使微加热盘(6)位于气泡室(13)的中央，还在其表面制备PDMS芯片(4)阳模；
所述微励磁线圈(7)采用漆包铜线绕制成平面螺旋线圈，线圈匝数为8匝到20匝，在线圈周围设计一层导热硅胶，用于对微励磁线圈(7)导热，并将微励磁线圈(7)固定在基底(5)的下表面，微励磁线圈(7)和气泡室(13)中的微加热盘(6)中心对齐；
所述的脉冲发生器(36)和放大器(31)相串联，并给微励磁线圈(7)提供高频交变电流；高频脉冲的频率选为20kHz-1MHz。


2.根据权利要求1所述的一种感应加热的热气泡驱动隔热型微泵，其特征在于：
所述的继电器(21)与微励磁线圈(7)串联，控制微励磁线圈(7)的间...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘本东，马晨旭，张乃龙，杨佳慧，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11