[發明專利]一種基于激光沖擊波力學效應的無閥微泵及其制造方法

有效

• 申請號: 201210264606.7
• 申請日: 2012-07-27
• 公開（公告）號: CN102852775A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發明（設計）人: 熊良才;夏俊超;段永青;陳鵬;程華旸;吳優;周全生
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: F04B43/06
• 分類號: F04B43/06
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術領域

本發明屬于流體傳輸與控制微機電技術領域，更具體地，涉及一種基于激光沖擊波力學效應的無閥微泵及其制造方法。

背景技術

在過去二十年中，微機電系統（MEMS）領域高速發展，出現了大量的成功應用。微流體系統作為微機電系統中的重要分支，近三十年來一直是人們研究的熱門。微流體系統包括微流量傳感器、微泵、微混合器、微閥等器件，依靠它們來完成感應、泵送、混合、監測、控制流體等工作。作為微流體系統的驅動源、微流體系統的核心部件，近三十年來，人們對微泵展開了大量的研究，并已在微全分析系統、藥物傳輸、微芯片冷卻、燃料電池等領域進行了廣泛的應用。

目前應用較多的往復式微泵的驅動方式為壓電、電磁、靜電、光熱四種。其中壓電驅動式微泵驅動力大、響應快、出口壓強高，但其制造工藝復雜，而且工作時驅動電壓偏高；電磁驅動式微泵的泵膜變形量大、頻率調節范圍廣、響應快，但其能耗高熱損大，而且相對于其它類型微泵而言，電磁驅動微泵體積大因此不利于微型化；靜電驅動式微泵的能耗低，響應快，但缺陷在于其泵膜變形量小，結構復雜。相比之下，激光微驅動式泵具有體積小、輸出功率大、負載能力強、響應速度快，可遠程控制等優點，因此具備廣泛的應用前景。

無閥微泵制造方面的研究工作開始于90年代初期。1994年，E.Stemmed等人根據無閥結構的工作原理制作了第一個硅基無閥微泵，其主要構造為在硅片采用各向異性腐蝕法腐蝕形成棱錐形擴散口/噴嘴結構。1997年M.Heshchel等人采用CVD（化學氣相沉積）、RIE（反應離子刻蝕）、激光助腐蝕技術制得純三維的微擴散口。1998年，瑞典的A.Olsson等人采用熱塑復制法制作無閥微泵。但是對于目前的這些制造方法及所制得的無閥泵結構而言，仍然存在密封困難、可靠性差、制作困難，不能實現大批量生產等方面的不足。

發明內容

針對現有技術的缺陷和技術需求，本發明的目的在于提供一種基于激光沖擊波力學效應的無閥微泵及其制造方法，其能夠通過對無閥微泵結構上的設計，有效利用激光沖擊波力學效應來實現微泵功能，同時具備便于加工制造、成本和功耗低、負載能力強，以及可遠程控制等方面的優點。

按照本發明的一個方面，提供了一種基于激光沖擊波力學效應的無閥微泵，該無閥微泵包括泵體、設置在泵體上的流體入口和流體出口，以及犧牲層元件，其中：

所述泵體包括柔性高分子材料制成的泵膜、由泵膜包圍形成的泵腔，以及分別設置在流體入口、流體出口與泵腔之間并與泵腔相連通的擴張管和收縮管，所述擴張管呈錐形管結構且其直徑沿著從流體入口到泵腔的方向逐漸增大，所述收縮管同樣呈錐形管結構且其直徑沿著從泵腔到流體出口的方向逐漸增大；

所述犧牲層元件設置在泵腔上部的泵膜處，并由對激光輻射敏感的材料制成，當其表面受到激光輻射后，該犧牲層吸收激光能量并發生氣化膨脹，產生等離子體爆炸氣團以對與之相連的泵膜起到沖擊波的作用，相應使得泵腔體積交替改變由此執行流體的輸送操作。

通過以上構思，本發明所構建的微泵結構其流體輸送的原理在于對激光沖擊波力學效應的利用，為了順利實現該效應，相應設置了犧牲層元件并對與泵腔相連通的管路結構進行了設計：當犧牲層元件表面受到激光輻射時，犧牲層會在極短時間內吸收激光的的高密度能量并瞬間氣化，迅速膨脹并產生一層等離子體爆炸氣團，氣團在膨脹的過程中會對與之相連的泵膜產生沖擊波的作用，相應使泵腔的體積發生增大和減小的交替變化：當泵腔由于泵膜的激光沖擊波力學效應而體積減少時，由于擴張管和收縮管在流體流向上呈錐形管結構并由此決定管內流體的流動特征，收縮管所輸出的流量會大于擴張管所輸出的流量也即泵腔處于泵出狀態；而當泵膜恢復時，擴張管所輸入的流量會大于收縮管所輸出的流量也即泵腔處于泵入狀態，由此方便地實現了流體的輸送過程。

作為進一步優選地，所述錐形管結構的擴張管和收縮管呈對稱分布，且其錐形角度為5°～12°。

通過將擴散管和收縮管各自的錐形角具體限定為以上范圍，較多仿真結果表明，該范圍內的錐形角能夠更好地實現泵出和泵入功能，尤其當錐形角為7°左右時泵性能達到峰值。

作為進一步優選地，所述犧牲層元件由黑漆材料或硅酸乙酯黑漆材料制成。