基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统及其驱动方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统及其驱动方法，包括自下而上设置在在固定支架上的线圈组阵列、支撑板、硅橡胶层和疏水性磁弹薄膜；线圈组阵列由若干根柱形线圈构成并以阵列形式竖直设置；支撑板、硅橡胶层和疏水性磁弹薄膜自下而生水平铺设并置于线圈组阵列上方，疏水性磁弹薄膜由内嵌在疏水性磁弹膜中的若干个经过磁化的磁块构成；在每个柱形线圈的正上方设置一个磁块，且在横、纵两方向上每相邻两个柱形线圈连线的中点处设置一个磁块；该系统及其驱动方法采用超疏水性磁弹薄膜和微电磁线圈实现液滴可编程平稳匀速移动，灵活性强，不影响液滴自身理化性质，且对液滴特性耐受性高，驱动方法简单灵活，易操控。易操控。易操控。

Programmable droplet moving system based on hydrophobic magnetoelastic film and its driving method

【技术实现步骤摘要】
基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统及其驱动方法


[0001]本专利技术涉及液滴控制液滴控制
，特别涉及一种基于疏水性磁弹薄膜 的可编程液滴移动系统及其驱动方法。

技术介绍

[0002]在生物、化学、材料等领域的测试实验和科学研究中，需要对各种液滴样本、 试剂进行复杂的操作测试。特别是在具有辐射、毒性的液剂测试中，科研、医疗 工作人员需要佩戴有效防护装置来防止对人体的危害。人工操作测试液滴样本会 耗费大量的实验器材，同时也产生了大量的医疗垃圾，对环境造成了极大的污染。 因此，液滴的自动控制是我们亟待解决的问题。精准液滴控制技术在物理、化学、 生物、医疗等多个领域都有着广泛的应用价值。
[0003]随着对液滴动力学特性理解的逐渐加深，研究人员借助电学、磁学、光学、 机械等方法实现对液滴及其界面行为的精准操控。目前液滴驱动方式有电介质上 的电润湿(EWOD)、表面声波、气动驱动、热毛细效应、光致驱动等。但上述 的方法也存在一定的弊端。已公开专利申请CN201880002445.X公开了一种使用 电润湿技术进行液滴操纵的方法，电润湿技术将被控液滴放置于电场之中，能很 好地实现液滴控制，但此方法可能导致液滴内部成分发生电离等情况，改变其理 化性质影响实验结果。已公开专利申请CN201710111235.1公开了一种有创磁控 驱动液滴移动方案，该方案以微电磁棒和基片为平台，通过微电磁棒实现对含磁 珠液滴的输运、融合、混合等操作，但该方案液滴中参杂磁性材料，可能改变原 有液滴的理化性质干扰实验结果。
[0004]相比之下，采用超疏水性磁弹薄膜和微电磁线圈的液滴可编程移动控制系统 有着更好的灵活性，不影响液滴的基本性质，且有着对液滴特性相对较高的耐受 性，不改变液滴自身的理化性质，其精准操作在化学、生物、医疗等多个领域都 有着广泛的应用价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种可编程操纵实现液滴移动、混合等功能的基于疏水 性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统
[0006]本专利技术的另一目的是提供一种基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴平稳匀速 移动系统的驱动方法。
[0007]为此，本专利技术技术方案如下：
[0008]一种基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，包括自下而上设置在在固 定支架上的线圈组阵列、支撑板、硅橡胶层和疏水性磁弹薄膜；其中，
[0009]线圈组阵列由若干根柱形线圈构成，其以M
×
N的均布排列的阵列形式并采 用竖直设置的方式均布固定在底板上，M和N均为大于1的整数；各柱形线圈 由在相同线圈套采用相同绕线方向环绕相同匝数形成；
[0010]支撑板采用能够使磁场穿透的硬性制成板，其水平设置在线圈组阵列的上 方；硅
橡胶层水平铺设在支撑板的上表面；
[0011]疏水性磁弹薄膜由内嵌在疏水性磁弹膜中的若干个具有相同尺寸且均经过 磁化的磁块构成；若干个磁块的数量与设置位置与线圈组阵列中柱形线圈的数量 与位置相关：在每个柱形线圈的正上方设置一个正方形磁块，且在横、纵两方向 上每相邻两个柱形线圈连线的中点处设置一个正方形磁块；各磁块预先磁化为： 位于各柱形线圈正上方的磁块采用磁化方向垂直于水平面的方式磁化，且横、纵 方向上位于相邻位置上的两个磁块的磁化方向相反；位于各柱形线圈之间的磁块 采用磁化方向沿水平面方向的方式磁化，且磁化方向为由相邻的沿垂直向下磁化 方向磁化形成的磁块位置沿水平方向指向相邻的沿垂直向上磁化方向磁化形成 的磁块位置。
[0012]进一步地，磁块采用横向截面为正方形的磁块，对应地，柱形线圈的直径与 其正方向截面相适应，优选为，柱形线圈在水平面上的投影为磁块在水平面上投 影的外切圆。
[0013]进一步地，固定支架由自下而上依次设置的底板、下支架和上支架构成；其 中，底板为一块水平设置的板体；下支架由第一矩形框和四根支腿构成，四根支 腿竖直设置并固定在第一矩形框的四个顶角处，且四根支腿上部局部位于第一矩 形框的上方；第一矩形框的尺寸小于底板的尺寸，使下支架刚好支撑在底板的边 沿处，并通过四根支腿使第一矩形框间隔设置在底板的上方；上支架由第二矩形 框和四块限位板构成；第二矩形框与第一矩形框的尺寸相同；四块限位板竖直设 置并固定在第二矩形框的四个顶角处，且四块限位板在水平方向上局部位于第二 矩形框外侧，使上支架刚好支撑在下支架上，并通过四块限位板使第二矩形框间 隔设置在第一矩形框的上方。
[0014]进一步地，支撑板采用PMMA支撑板。
[0015]进一步地，硅橡胶层采用高弹性铂催化硅橡胶制成的硅橡胶板；疏水性磁弹 薄膜采用高弹性铂催化硅橡胶制成的薄膜中内嵌具有规则排列的磁化磁块；磁块 为由高弹性铂催化硅橡胶与钕铁硼磁性粒子混合均匀并固化而成的正方体磁块。
[0016]进一步地，疏水性磁弹薄膜的制备方法包括模具磁块制作、磁块磁化和疏水 性磁弹膜制作；其中，
[0017]磁块制作的制备方法为：将高弹性铂催化硅橡胶的材料A与材料B按体积 为1:1混合均匀，而后将高弹性铂催化硅橡胶与具有高磁能积及高剩磁的钕铁硼 磁性粒子按质量比为1:1混合均匀，得到磁块原料；最后，将磁块原料填入模具 中，待完全固化后得到磁块；
[0018]疏水性磁弹膜的制备方法为：将磁化好的磁块放入模具中，通过填充由高弹 性铂催化硅橡胶原料并固化，制备形成内嵌有磁块的薄膜；而后，采用光束直径 为2μm、功率为4W的激光，对步骤S402得到的磁弹性薄膜以200mm/s的扫描 速度进行表面烧蚀。
[0019]进一步地，该基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统还包括与线圈组阵 列连接的电流控制系统；电流控制系统由上位机和若干个电流信号发生器构成； 若干个电流信号发生器一端分别与上位机连接、另一端分别一一对应地与线圈组 阵列中的各柱形线圈连接。
[0020]一种采用上述基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统实现的液滴在平 面上横向匀速移动或纵向匀速移动驱动方法，具体地，基于液滴从线圈A正上方 横向或纵向匀速移动至相邻侧线圈B正上方的步骤如下：
[0021]1)以相同速率逐渐升高线圈A和线圈B中的通电电流，直至二者在相同时 间段内
达到电流最大值，且线圈A中电流方向使其产生与线圈A正上方磁块的 磁化方向相同的磁场，线圈B的电流方向与线圈A中电流方向相同；此时，线 圈A正上方的疏水性磁弹薄膜在磁场作用发生最大程度凹陷，而线圈B正上方 的疏水性磁弹薄膜在磁场作用下发生最大程度凸起；该状态下，液滴在重力作用 下滑落至线圈A正上方的疏水性磁弹薄膜的凹陷处，液滴的重力势能转化为动 能；
[0022]2)以不同速率逐渐降低线圈A和线圈B中的通电电流，直至二者的电流在 相同时间段内达到电流数值相同且方向相反；此时，疏水性磁弹薄膜的凹陷位置 逐渐向线圈B的方向发生平移，直至线圈A与线圈B之间连线的中心位置处的 疏水性磁弹薄膜发生凹陷；该状态下，液滴在重力作用会随疏水性磁弹薄膜的凹 陷移动而平移至线圈A与线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，其特征在于，包括自下而上设置在在固定支架(1)上的线圈组阵列(5)、支撑板(4)、硅橡胶层(3)和疏水性磁弹薄膜(2)；其中，线圈组阵列(5)由若干根柱形线圈构成，其以M
×
N的均布排列的阵列形式并采用竖直设置的方式均布固定在底板上，M和N均为大于1的整数；各柱形线圈由在相同线圈套采用相同绕线方向环绕相同匝数形成；支撑板(4)采用能够使磁场穿透的硬性制成板，其水平设置在线圈组阵列(5)的上方；硅橡胶层(3)水平铺设在支撑板(4)的上表面；疏水性磁弹薄膜(2)由内嵌在疏水性磁弹膜中的若干个具有相同尺寸且均经过磁化的磁块构成；若干个磁块的数量与设置位置与线圈组阵列(5)中柱形线圈的数量与位置相关：在每个柱形线圈的正上方设置一个磁块，且在横、纵两方向上每相邻两个柱形线圈连线的中点处设置一个磁块；各磁块预先磁化为：位于各柱形线圈正上方的磁块采用磁化方向垂直于水平面的方式磁化，且横、纵方向上位于相邻位置上的两个磁块的磁化方向相反；位于各柱形线圈之间的磁块采用磁化方向沿水平面方向的方式磁化，且磁化方向为由相邻的沿垂直向下磁化方向磁化形成的磁块位置沿水平方向指向相邻的沿垂直向上磁化方向磁化形成的磁块位置。2.根据权利要求1所述的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，其特征在于，固定支架(1)由自下而上依次设置的底板、下支架和上支架构成；其中，底板为一块水平设置的板体；下支架由第一矩形框和四根支腿构成，四根支腿竖直设置并固定在第一矩形框的四个顶角处，且四根支腿上部局部位于第一矩形框的上方；第一矩形框的尺寸小于底板的尺寸，使下支架刚好支撑在底板的边沿处，并通过四根支腿使第一矩形框间隔设置在底板的上方；上支架由第二矩形框和四块限位板构成；第二矩形框与第一矩形框的尺寸相同；四块限位板竖直设置并固定在第二矩形框的四个顶角处，且四块限位板在水平方向上局部位于第二矩形框外侧，使上支架刚好支撑在下支架上，并通过四块限位板使第二矩形框间隔设置在第一矩形框的上方。3.根据权利要求1所述的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，其特征在于，支撑板(4)采用PMMA支撑板。4.根据权利要求1所述的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，其特征在于，硅橡胶层(3)采用高弹性铂催化硅橡胶制成的硅橡胶板；疏水性磁弹薄膜(2)采用高弹性铂催化硅橡胶制成的薄膜中内嵌具有规则排列的磁化磁块；磁块为由高弹性铂催化硅橡胶与钕铁硼磁性粒子混合均匀并固化而成的正方体磁块。5.根据权利要求1所述的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，其特征在于，疏水性磁弹薄膜(2)的制备方法包括模具磁块制作、磁块磁化和疏水性磁弹膜制作；其中，磁块制作的制备方法为：将高弹性铂催化硅橡胶的材料A与材料B按体积为1:1混合均匀，而后将高弹性铂催化硅橡胶与具有高磁能积及高剩磁的钕铁硼磁性粒子按质量比为1:1混合均匀，得到磁块原料；最后，将磁块原料填入模具中，待完全固化后得到磁块；疏水性磁弹膜的制备方法为：将磁化好的磁块放入模具中，通过填充由高弹性铂催化硅橡胶原料并固化，制备形成内嵌有磁块的薄膜；而后，采用光束直径为2μm、功率为4W的激光，对步骤S402得到的磁弹性薄膜以200mm/s的扫描速度进行表面烧蚀。
6.根据权利要求1所述的基于疏水性磁弹薄膜的可编程液滴移动系统，其特征在于，还包括与线圈组阵列(5)连接的电流控制系统；电流控制系统由上位机和若干个电流信号发生器构成；若干个电流信号发生器一端分别与上位机连接、另一端分别一一对应地与线圈组阵列(5)中的各柱形线圈连接。7.一种采用如权利要求1所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：向红标，王禹喆，张现苗，李梦伟，杨玉维，王收军，黄显，霍文星，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：