[發明專利]納米磁性液體微致動泵

有效

• 申請號: 201010142361.1
• 申請日: 2010-03-23
• 公開（公告）號: CN101873052A
• 公開（公告）日: 2010-10-27
• 發明（設計）人: 劉同岡;候友夫;劉書進;吳健;夏聰;王松;錢子航;劉桐
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H02K44/02
• 分類號: H02K44/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 唐惠芬

技術領域

本發明涉及納米磁性液體材料和MEMS(微機電系統)的交叉技術領域，尤其是一種使用納米磁性液體作為致動介質的微泵。

背景技術

納米磁性液體(magnetic?fluid)也稱磁流體或鐵磁流體，它是通過表面活性劑將納米級磁性顆粒均勻地分散于某種液態載體之中，所形成的一種穩定的“固液”兩相膠體懸浮液。磁性液體不但保持了載液的流動性，而且在外加磁場作用下能迅速地被磁化，當外磁場取消后磁性又能立即消失，表現出優良的超順磁性，是一種理想的液體磁性材料。

磁性液體最突出的特性是能夠接受外加磁場的作用和控制，并且其許多物理性質隨外磁場的變化而有較大變化，在航天、電子、機械、能源、化工、儀表、環保、醫療等許多領域都能提供一些新穎的解決方案，甚至在旋轉軸密封、減振器阻尼、角度傳感器等方面已有成熟的產品問世。

近年來，以微加工技術為基礎的MEMS研究進展迅速，由此帶動了微流體系統的發展。在生物醫學分析、化學分析、醫藥分析等領域，均需要可以向微系統提供微量樣本且可精確控制流量(μL/min級)的微型泵。作為分析系統中的一個關鍵部件，微型泵的應用大大縮短了系統分析的時間。自從美國斯坦福大學的Smits和Wallmark于1980年首次研制成功一種壓電驅動、蠕動式微機械泵以來，微型泵一直是MEMS研究的熱點。

微型泵主要由泵體、出入口和致動器等部分組成，而致動方式已成為微型泵能否實用化的關鍵技術。目前，微型泵的致動方式主要有靜電力致動、壓電效應致動、熱氣致動、形狀記憶合金致動和電磁致動等。其中，靜電產生的壓力與電極施加的電壓的平方成正比，與電極間的距離的平方成反比，工作時不僅需要較高的電壓，壓力的提高也受到致動器的位移量(行程)的限制。壓電效應致動所需的驅動電壓較高，導致驅動電路復雜和龐大，也不利于降低功耗。熱力致動響應速度較慢，導致驅動頻率難以提高，因此限制了微型泵的流量。形狀記憶合金致動雖能獲得較高的壓力和較長的行程，但卻難以精確控制位移量。如果利用磁性液體能夠被磁場控制，又具有良好流動性的特點，以其作為微型泵的致動源，有可能開發出一種性能更好的新型MEMS執行器來。

關于磁性液體致動微泵的研究主要有以下一些成果：

Greivell等設計了一種磁性液體移液管，原理是在微管道的周圍布置一套組合電磁線圈，通過控制電磁線圈的間隔通斷產生交替磁場，使微管道內的磁性液體蠕動前行或后退完成吸液和送液。該裝置結構簡單，易于實現，但是只能輸送磁性液體或者以磁性液體為載體的介質。

Park?Gwan?Soo等對上述磁性液體移液管的結構進行了改進，在增加電磁線圈數量的同時，在微管道的內部同軸安裝了一根橡膠薄膜圓管，橡膠管與微管道在端口處密封，兩者之間填充磁性液體。同樣通過控制微管道外壁周圍的電磁線圈的間隔通斷產生交替磁場，使薄膜內的磁性液體產生蠕動變形，從而達到連續輸送樣本液體的目的。該裝置盡管解決了所輸送液體介質必須導磁的問題，但其外部的電磁線圈組及控制部件仍然限制了其進一步微型化。

Hatch等人則在微管道的上方布置一“十”字形磁鐵，使其中的磁性液體在磁場作用下聚集成與磁鐵相同的“十”字形葉片。當微型電機帶動磁鐵旋轉時，磁性液體葉片也隨之旋轉，從而推動被輸送液體由入口流向出口。此種設計雖然縮小了裝置，但缺點是只能輸送與磁性液體不相溶且不會發生化學反應的液體，而當外磁場的旋轉速度超過一定值時，磁性液體葉片的旋轉可能無法跟上外磁場的旋轉速度，會產生旋轉相位的落后而導致磁性液體葉片形狀變形。

綜觀上述這些研究成果，研究者們都認識到了磁性液體用于微致動中的可行性，并且從結構上提出了一些新穎的設計方案，嘗試使用納米磁性液體作為致動介質實現了液體微量輸送的目的，但在泵的微型化以及如何與MEMS系統集成方面研究尚不深入。

發明的內容

技術問題：本發明的目的是提供一種納米磁性液體微致動泵，以納米磁性液體為致動介質，以硅片為基底的微泵，使其在實現液體微量輸送的基礎上，達到微型化，從而易于和其他MEMS器件集成得到實用的MEMS微流體器件。