微型射流泵及其制备方法

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技术领域\n本发明属于微量流体控制、传输、微执行器技术领域，具体涉及一种采用微电子机械 系统(MEMS)技术设计制作的微型射流泵。\n背景技术\n微结构中的流体输运一直存在由于小尺寸带来的很多问题，例如微流道中液体的流动 存在残余气泡，而且目前MEMS微泵因其结构复杂、加工实现难度较大，造价较高而限制 了其广泛应用。\n微型泵是微流体控制系统的核心元件，采用MEMS技术加工的微型泵主要分为机械流 体控制系统和非机械流体控制系统，机械微型泵主要包括压电微泵、电磁微泵、静电微泵 和气动微泵等，这几种微泵的共同问题是结构复杂，加工实现的难度较大，制作成本相对 较高，驱动需要外加复杂的电设备；非机械微泵主要包括电流体动力泵、磁流体动力泵等， 这几类微泵都是用加电的方式驱动，电驱动的局限性也很明显，不能驱动非带电分子，是 非均质移动，装置缺乏灵活性，进一步发展的潜力较小。且现有的很多微型泵系统的进口 和出口都有可动部件(如微阀结构)，这就增加了微型泵加工的难度，同时在泵的工作过 程中，进出口阀极易损坏，缩短了微泵的使用寿命。一般的生物芯片都是不可重复利用的， 因此以上两种微泵都因其成本较高、实现难度大，而不能在微流体芯片中广泛应用。\n发明内容\n本发明克服上述微型泵结构复杂、制备工艺难度大等缺点，提供了一种微型射流泵， 无需外加复杂的电、磁、热等驱动系统；微型泵内没有移动部件，结构简单，适用于各种 流体的微量输运。\n本发明的另一特点在于：制备工艺容易实现，  泵体材料的可选择范围大，易于和大 多数微流体系统集成。\n本发明的技术方案如下：\n一种微型射流泵，泵体包括驱动结构和抽吸结构，其特征在于：驱动结构是由射流喷 嘴和与之相连的驱动腔组成，抽吸结构包括抽吸入口端、抽吸流道和扩散出口，射流喷嘴 位于扩散出口处，抽吸流道设在射流喷嘴的两侧，在驱动力作用下，驱动腔的射流喷嘴出 口处会产生高速射流，同时在其边界处产生涡旋，涡旋卷吸抽吸流道内的流体进入射流， 两种不同流速的混合流体共同流入扩散出口。\n所述抽吸流道是由多个相互平行的流道组成，每个流道的末端呈射流喷嘴状，流体流 经流道的末端时，会在其产生的射流边界处产生涡旋，涡旋卷吸相邻流道内的流体进入射 流。\n所述抽吸入口端连接一微流体芯片。\n驱动腔上设有驱动流体入口孔，高压驱动气体或液体经过驱动流体入口孔进入驱动 腔，在射流喷嘴出口处产生高速射流。\n所述驱动腔为密封腔体，通过压电、电磁、静电、形状记忆合金、指压等驱动方式产 生射流。\n一种微型射流泵的制备方法，步骤包括：\n(1)硅片上光刻、刻蚀出微型射流泵的驱动结构和抽吸结构，驱动结构包括射流喷 嘴和与之相连的驱动腔，抽吸结构包括抽吸端口、抽吸流道和扩散出口；\n(2)采用塑料、聚合物、玻璃片或硅片作为盖片；\n(3)硅片和盖片对准键合。\n一种微型泵的制备方法，步骤包括：\n(1)制备模具，采用三维成型加工的模塑成型或真空热压法制成塑料或聚合物材料 泵体结构，该结构包括微型射流泵的驱动结构和抽吸结构，驱动结构包括射流喷嘴和与之 相连的驱动腔，抽吸结构包括抽吸端口、抽吸流道和扩散出口；\n(2)采用塑料、聚合物、玻璃片或硅片作为盖片；\n(3)将制得的塑料或聚合物泵体与盖片对准键合。\n在盖片上光刻、刻蚀穿通孔图形，在相应的标记位置处打通孔。\n在硅片上光刻、刻蚀出模具结构，采用三维成型加工的模塑成型或真空热压法制成塑 料或聚合物材料泵体结构。\n本发明的技术效果：本发明根据经典二维紊动射流理论，应用了具有一定压力的气流 可以在微型喷嘴处产生高速射流这一特性，利用MEMS工艺设计了一种微型射流泵。根据 经典流体力学理论，完成了气-气、气-液、液-气、液-液微型射流泵的设计制作和测试。 这种微型射流泵适用于各种流体的微量输运，具有结构简单、泵体材料的可选择范围大、 工艺实现容易、驱动方式简单无需外加复杂的电、磁、热等驱动系统等特点，使其易于和 大多数微流体系统集成，延长了微泵的使用寿命，提高了其工作的稳定性。\n众所周知一般意义的生物芯片都是即抛型的，微型射流泵的最大优势在于除了可以采 用MEMS工艺在硅片上加工以外，还包括基于塑料或聚合物材料的三维成型加工方法如模 塑法和热压法，使其易与一些廉价的塑料或聚合物材料芯片集成，这就大大降低了整个芯 片的制作成本。从而为其在生物、医学检测领域的广泛应用打下了坚实的基础，我们可以 将它集成在PCR阵列式芯片或化学分析芯片上顺利实现反应物的进样。\n本发明所述及的微型射流泵驱动压力较低，40kPa的压力即可使其开始工作，一般的 医用注射器就可以驱动其工作。\n附图说明\n下面结合附图，对本项发明做出详细描述。\n图1为本发明微型射流泵平面结构示意图；\n图2微型射流泵测试结构原理示意图；\n图3为驱动压力与射流泵背压关系的拟合曲线；\n图4多级喷嘴并用的微型射流泵平面结构示意图；\n图5微型射流泵工艺制作流程剖面图；\n图6硅片上腐蚀出的泵体结构电镜照片。\n具体实施方式：\n图1为本发明提供的微型射流泵的平面结构示意图。该微型射流泵的主体包括驱动结 构和抽吸结构，驱动结构是由射流喷嘴4和与之相连的驱动腔2组成，其中驱动腔2上设 有驱动流体入口孔1，驱动流体入口孔1位于驱动腔2上部所对应的某一位置，是与外部 管路连接的接口，驱动腔2可以是方形、圆形或椭圆形等。驱动腔2和射流喷嘴4一起构 成了产生射流的驱动结构。本发明也可将驱动腔2密封，通过微加工的方法加工出泵腔膜， 在其上粘压电片，磁片，形状记忆合金膜或在泵腔的上下表面各加一层膜电极，亦可通过 压电，电磁和静电或指压等方式驱动而产生射流，驱动其工作。当射流射入静止的环境中 时，与周围静止流体之间的间断面处产生涡旋，涡旋卷吸周围流体进入射流，随同原来射 出的流体向前连续流动，从而形成负压，可以通过改变射流喷嘴的截面形状和出口处环形 截面的尺寸，控制微型射流泵的工作性能。抽吸结构包括抽吸端口、抽吸流道3和扩散出 口5，抽吸流道3设在射流喷嘴的两侧。本发明微型射流泵的工作过程如下：在驱动流体 入口孔1打入高压气流，经驱动腔2，在射流喷嘴4的出口处产生高速射流，射流流体与 周围静止流体之间存在速度不连续的间断面，间断面一般不可避免受到干扰，失去稳定， 从而在抽吸流道5的出口处产生涡旋，涡旋卷吸两侧抽吸流道3内的气体进入射流，同时 不断移动、变形、分裂产生紊动，其影响逐渐向内外两侧发展形成内外两个自由紊动的混 合层，由于动量的横向传递，卷吸进入的流体取得动量而随同原来射出的流体向前流动进 入扩散出口5，形成不同流道内流体的混合段，在混合层中形成一定的流速梯度，出现剪 切层，原来的流体失去动量而降低速度，扩散出口5的主要作用是将射流喷嘴4出口处的 动能转变为压能，如此连续的工作，以达到抽真空的目的。调节微型射流泵各个结构的尺 寸，可以实现不同流量范围的控制。另外泵加工成形以后，可以通过调节驱动气体的压强 值，继而控制微型射流泵的流量。\n为了便于测量我们在微型射流泵泵体的左侧设计了入口腔6和入口7，如图2所示， 入口7位于入口腔上部的某一位置。在实际应用中，入口腔6可以设计成各种样式的微流 体芯片，微型射流泵的抽吸端口与入口腔6相连，抽吸芯片内的气体或液体，从而在芯片 内部产生负压，牵引液体充满芯片，负压牵引液体流动的方式可以避免在微流体芯片的内 部产生气泡。\n我们分别在驱动管道内(即驱动气体的入口处到射流的出口处)和喷嘴出口处的环形 截面上用伯努利方程：\n$P_{\mathrm{loss}1}+\frac{1}{2}\rho {v_0}^2=P_{\mathrm{pump}}---\left(1\right)$\n$P_s+\frac{1}{2}\rho {v_0}^2+P_{\mathrm{loss}2}=P_0---\left(2\right)$\n这里Ppump是驱动气体的压力，V0是喷嘴出口处气体的速度，Ploss是管道内压力的损 失，P0是气体静压力即大气压，Ps是喷嘴出口处所产生的负压.由此式我们可以求出喷嘴 出口处的流速V0。\n根据二维不可压缩等密度紊动射流理论.射流轴线上的速度Vm和卷吸速度Vc可以表 示为：\n$\frac{v_m}{v_0}={\left(\sqrt{\frac{2}{\pi }}\frac{1}{ϵ}\right)}^{I2}{\left(\frac{2b_0}{x}\right)}^{I2}---\left(3\right)$\n$v_c=\frac{\sqrt{\pi }ϵ}{2}{v}_m---\left(4\right)$\n这里b0是喷嘴的宽度，x为射流面和出射原点距离，ε的值是根据实验得出的经验值 0.154。\n射流泵驱动的任何流体的平均流速 可以通过下式估算而得\n$v=\frac{d^2\mathrm{\Delta P}}{32\mathrm{\mu l}}---\left(5\right)$\n这里d是管道的水利直径，ΔP是产生的压差，μ是液体的粘度系数，l是管长。\n微型射流泵的背压测量：在器件的驱动进气口1处打入高压驱动气体，入口7处连一 毛细玻璃管，将玻璃毛细管的末端垂直置入水中，在不同的气体驱动压力下，上升液面的 稳定高度不同，因此我们可以得出不同驱动压力与背压的关系曲线。参考图3，可以看出： 结果基本与理论符合成线性关系，而且微型射流泵的工作压力较低。\n为了提高射流泵的效率，可以采用多级喷嘴结构并用的泵体形式。参见图4，抽吸流 道为若干个流道，每个流道相互平行，流道的末端形成喷嘴；流体流经流道的末端时，会 在出口处产生高速射流，同时在其边界处产生涡旋，涡旋卷吸相邻流道内的流体进入射流。\n除了气-气微型射流泵，我们也可以依据同样的原理得到气-液，液-液和液-气射流泵， 但是由于微小尺度下液体的表面张力作用显著，阻力增加，相应的驱动压力也会增加。\n微型射流泵使用形式还可以为：两侧进气产生射流抽吸中间管道内的流体，即将驱动 结构和抽吸结构功能互换，具体为进气口7注入高压驱动气体，在两侧的抽吸流道3的出 口产生射流，射流边界产生涡旋，卷吸射流喷嘴4和驱动腔内的气体。\n参考图5，微型射流泵可以通过以下工艺方案实现：\n方案一、MEMS加工工艺\n1、硅片加工工艺，具体的工艺流程如下：\n1)如图5-a所示硅片9上光刻显影露出要刻蚀的部分(即微型扩散泵的泵体结构)；\n2)如图5-b所示，硅片9上腐蚀出泵体结构，具体的腐蚀深度根据性能指标确定(干 法刻蚀和湿法刻蚀均可)。\n2、盖片的加工工艺，具体的工艺流程如下：\n如图5-c所示，在玻璃或塑料、聚合物、硅片等材料的盖片11上光刻刻蚀出打孔标 记12；如图5-d所示，盖片11上打通孔13(与外部管路的连接口)；\n3、硅片和盖片对准键合。\n如图5-e所示，刻蚀完的硅片10与打好孔的盖片14对准键合(包括阳极键合和聚合 物键合等方法)。\n本项专利所设计的微射流泵通过两张光刻版就可以实现微泵结构，一张版是为硅上刻 蚀泵体结构所设计的，另外一张是专为玻璃打孔设计的，在某些情况下玻璃打孔的光刻版 可以不做，这又进一步降低了制作的成本。\n图6为刻蚀完毕的硅片上的泵体结构的电镜照片，主要结构包括：驱动腔2、抽吸流 道3、射流喷嘴4、扩散出口5。\n方案二、三维模塑成型加工方法\n1、首先是要制作负模具，其工艺过程为在硅片表面光刻与腐蚀出微型扩散泵泵体的 互补结构，具体步骤与方案一硅片的刻蚀步骤相同。模具也可以采用其它材料制得，如SU8 等。\n2、采用基于一些塑料和聚合物材料的三维成型方法如模塑法或热压法等加工方法， 利用负模具制得一些塑料或聚合物材料(如PDMS、PFPE和PMMA等)的泵体，微模塑法具 体如下：首先要在作为负模具的硅片上长一层聚合物便于拖模，继而将流态的聚合物涂在 硅模具上、抽真空、聚合物高温固化、脱模得到与负模具图案互补的泵体结构。最后与打 孔的盖片(包括塑料、聚合物和硅片等材料)对准键合，实现微泵的结构。\n3、采用塑料、聚合物、玻璃片或硅片作为盖片，如盖片上有入口孔，在盖片上光刻、 刻蚀穿通孔图形，在相应的标记位置处打通孔。\n4、将以负模具制得的塑料或聚合物泵体与盖片对准键合。\n这种基于塑料和聚合物材料的三维成型加工方法使得此种微型射流泵易与一些廉价 材料芯片集成，这就大大降低了整个芯片的制作成本，从而为其在生物、医学检测领域的 广泛应用打下了坚实的基础。