CN103816805A - 电渗微泵装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微流控技术，公开了一种电渗微泵装置，包括：集成在微流控芯片上且互不接触的流体微流道和电极微流道，所述流体微流道用于连接所泵送流体的微流道进口或出口，或为泵送流体的微流道的一部分；所述电极微流道对称分布在所述流体微流道的两侧，其内部填充液态金属，形成微电极，所述电极微流道具有液态金属注射入口和液态金属注射出口，所述液态金属注射入口和液态金属注射出口分别连接可控电源模块，以在所述流体微流道的泵区微流道驱动段的两端分别形成高电势和低电势。本发明电极结构简单、加工制作方便、成本低廉、可控性好、稳定性高、易于集成、抗干扰能力强等。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术，特别是涉及一种电渗微泵装置。
背景技术
微泵是微流控系统中实现微流体精确驱动不可或缺的核心元器件，是微量甚至更小体积微流体驱动技术的具体实现形式。微泵在生物化学分析、微流体（缓冲液、药物等）输运、微电子芯片冷却等领域具有广泛的应用，其发展已成为衡量微流控系统发展水平的重要标志。
微泵根据其工作原理可分为机械式微泵和非机械式微泵，两者主要区别在于泵内有无运动部件。机械式微泵在外力作用下几乎可以驱动任何类型微流体，但由于存在运动部件，此类微泵存在使用寿命较短、运行可靠性较差、流动不连续、结构复杂等缺点；机械式微泵常见形式有气动微泵、热气动微泵、电磁驱动微泵、压电驱动微泵、静电驱动微泵、形状记忆合金驱动微泵、电化学驱动微泵、超声波激发微泵等。而非机械式微泵动力实现形式主要借助于所驱动微流体本身的物理、化学性质，往往泵内无运动部件，此类微泵驱动微流体范围有限，但其可实现微流体的连续泵送，可靠性高、可控性好、加工制作较为简单且易于集成；非机械式微泵常见形式有压力梯度微泵（电润湿、Marangoni效应、几何效应等引起的表面张力驱动）、磁场梯度微泵（铁磁流体动力驱动）、浓度梯度微泵（半渗透膜、表面活性剂等引起的渗透扩散驱动）、电位梯度微泵（电渗流、介电电泳、电流体动力等驱动）、物理化学微泵（相变、凝胶、电解反应、光学等驱动）等。
由于具有驱动流体范围广、高压性能好、流动连续无脉动可靠性高、无运动部件使用寿命长、能实现流体流速的精确控制和流向的双向调节等特点，电渗微泵得到了更多关注，是目前应用最为广泛的一种微泵。电渗微泵的动力源是电渗流，当微流体与微流道固体壁面接触时就会在固-液界面形成一层电双层，在沿微流道方向加载平行电场时，微流道壁面电双层内产生电渗驱动力，该驱动力直接作用于微流体，驱动其流动，形成电渗流。
电渗微泵常见形式可归为两类，一类是多孔电介质填充式电渗微泵，一类是开放式微流道电渗微泵。前者主要是向流道内填充大量微小颗粒状介电材料，在外加电压作用下，颗粒表面的微流体在电渗驱动力作用下形成电渗流；此类微泵可实现高输出压力，但其制作工艺复杂，不易集成，流速不均匀，填充颗粒与微流道难以匹配。后者则是直接利用微流道产生电渗流；此类微泵内不存在填充颗粒，流动稳定性、均匀性较好，加工制作简单，易于集成，但其输出压力较低。
由于普通的电渗泵往往电极和溶液直接接触，在电压下易发生水解反应产生气泡，因此电渗微泵中的的微电极材料一般采用金属铂，铂物理化学性质稳定，适于做微电极材料，但铂电极的微加工制作工艺较为复杂、成本较高。铂电极常采用薄膜结构，薄膜通过沉积或溅射等方法集成在微流道底部的基底材料上；此外直接将铂丝插入微流道储液槽也是一种较为简单的铂电极形式。这两种形式的铂电极都是浸没在微流体中，与微流体直接接触的。而且这种驱动电压经过接触式微电极直接加载于此类微流体或电解质溶液的驱动方式容易使微流体产生电流焦耳热，改变微流体的温度环境。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明的目的是提出一种新型电渗微泵装置，以简化电极结构及其微加工制作工艺，实现加工制作简单、流速均匀稳定、可控性好、易于集成、抗干扰能力强。
（二）技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种电渗微泵装置，其包括：集成在微流控芯片上且互不接触的流体微流道和电极微流道，所述流体微流道用于连接所泵送流体的微流道进口或出口，或为泵送流体的微流道的一部分；所述电极微流道对称分布在所述流体微流道的两侧，其内部填充液态金属，形成微电极，所述电极微流道具有液态金属注射入口和液态金属注射出口，所述液态金属注射入口和液态金属注射出口分别连接可控电源模块，以在所述流体微流道的泵区微流道驱动段的两端分别形成高电势和低电势。
其中，所述液态金属为室温条件下为液态的汞、或金属镓、或镓合金。
其中，室温条件下为液态的镓合金为镓铟合金或镓铟锡合金。
其中，所述流体微流道为直线型，所述电极微流道具有四个，分为两组，两组中的第一组电极微流道对称分布在所述泵区微流道驱动段一端的两侧，第一组电极微流道的液态金属注射入口和液态金属注射出口均与所述可控电源模块的高电势端连接；两组中的第二组电极微流道对称分布在所述泵区微流道驱动段另一端的两侧，第二组电极微流道的液态金属注射入口和液态金属注射出口均与所述可控电源模块的低电势端连接。
其中，所述电极微流道具有两个，对称分布在所述流体微流道的两侧，所述流体微流道为弯折型，包括多段串联连接的泵区微流道驱动段，每段泵区微流道驱动段与所述电极微流道相互垂直，两个电极微流道中的第一电极微流道的液态金属注射入口和液态金属注射出口均与所述可控电源模块的高电势端连接，两个电极微流道中的第二电极微流道的液态金属注射入口和液态金属注射出口均与所述可控电源模块的低电势端连接。
其中，所述流体微流道包括多段与其轴向平行且并联设置的泵区微流道驱动段；所述电极微流道具有四个，分为两组，两组中的第一组电极微流道对称分布在所述流体微流道一端的两侧，且第一组电极微流道位于多段泵区微流道驱动段的一端，第一组电极微流道的液态金属注射入口和液态金属注射出口均与所述可控电源模块的高电势端连接；两组中的第二组电极微流道对称分布在所述流体微流道另一端的两侧，且第二组电极微流道位于多段泵区微流道驱动段的另一端，第二组电极微流道的液态金属注射入口和液态金属注射出口均与所述可控电源模块的低电势端连接。
其中，所述电极微流道具有两个，对称分布在所述流体微流道的两侧，所述流体微流道为弯折型，包括多组串联连接的泵区微流道驱动段，每组泵区微流道驱动段包括多根并联设置的泵区微流道驱动段，每根泵区微流道驱动段与所述电极微流道相互垂直，两个电极微流道中的第一电极微流道的液态金属注射入口和液态金属注射出口均与所述可控电源模块的高电势端连接，两个电极微流道中的第二电极微流道的液态金属注射入口和液态金属注射出口均与所述可控电源模块的低电势端连接。
其中，所述微流控芯片的材料为聚二甲基硅氧烷、或玻璃、或石英。
（三）有益效果
上述技术方案利用具有优异导电性能的室温液态金属作为电渗微泵微电极，流体微流道和电极微流道保持非接触，微泵运行时，微电极与微流体之间无相互影响，可避免微流体在微电极表面的水解反应及电流焦耳热的产生，进而提高微电极抗干扰能力，增强微泵运行的稳定性、可靠性及使用寿命。因而，本发明的电渗微泵具有电极结构简单、加工制作方便、成本低廉、可控性好、稳定性高、易于集成、抗干扰能力强等诸多优点。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的电渗微泵装置的单流道单级驱动形式原理示意图；
图2为本发明实施例2提供的电渗微泵装置的串联驱动形式原理示意图；
图3为本发明实施例3提供的电渗微泵装置的并联驱动形式原理示意图；
图4为本发明实施例4提供的电渗微泵装置的串并联复合驱动形式原理示意图。
其中：1.流体微流道；2.电极微流道；3.可控电源模块；4.液态金属注射入口；5.液态金属注射出口；6.金属导线；7.泵区微流道驱动段。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种电渗微泵装置，其包括：集成在微流控芯片上且互不接触的流体微流道1和电极微流道2，所述流体微流道1用于连接所泵送流体的微流道进口或出口，或为泵送流体的微流道的一部分；所述电极微流道2对称分布在所述流体微流道1的两侧，其内部填充液态金属，形成微电极，所述电极微流道2具有液态金属注射入口4和液态金属注射出口5，所述液态金属注射入口4和液态金属注射出口5分别连接可控电源模块3，以在所述流体微流道1的泵区微流道驱动段7的两端分别形成高电势和低电势。
具体地，所述液态金属为室温条件下为液态的汞、或金属镓、或镓合金，优选采用室温条件下为液态的镓合金为镓铟合金或镓铟锡合金。
本实施例中，所述流体微流道1为直线型，所述电极微流道2具有四个，分为两组，两组中的第一组电极微流道2对称分布在所述泵区微流道驱动段7一端的两侧，第一组电极微流道2的液态金属注射入口4和液态金属注射出口5均与所述可控电源模块3的高电势端连接；两组中的第二组电极微流道2对称分布在所述泵区微流道驱动段7另一端的两侧，第二组电极微流道2的液态金属注射入口4和液态金属注射出口5均与所述可控电源模块3的低电势端连接。对于高电势微电极，其间流体微流道区域同样保持相同的高电势，低电势亦同。由此流体微流道1壁面上就会存在平行于微流道方向的电场，微流道近壁面的微流体的电双层在电场作用下形成电渗流，驱动微流体流动。通过改变加载于微电极的电势大小和方向可实现微泵内微流体流速和流向的变化。
第一组电极微流道2和第二组电极微流道2的液态金属注射入口4和液态金属注射出口5均通过金属导线6与所述可控电源模块3的高、低电势端连接。
在该电渗微泵装置中，流体微流道1和电极微流道2可采用微加工制作工艺同步制成、集成于微流控芯片上。所述的微流控芯片材料可以选择PDMS（聚二甲基硅氧烷）、玻璃、石英等。
优先地，所述的微加工制作工艺选择常规的软刻蚀技术，通过同一掩膜同时刻蚀制作出的流体微流道1和电极微流道2等高、共面且非接触。所述的流体微流道1和电极微流道2微加工制作工艺操作简单、成本低廉。所述软刻蚀技术制作出的微流控芯片优先选择玻璃基PDMS芯片。
在同一平面上，流体微流道1和电极微流道2之间存在的薄层使两者保持非接触，薄层在芯片微加工过程中采用同种材料同步成型，无需额外加工方法和过程。薄层厚度应足够小，远小于电极之间微流道驱动段的长度，从而不影响或对泵内微流道驱动段上沿流动方向上的电势分布影响较小。液态金属形成的电极一般采用平行电极，在加载电压时，平行电极之间会产生单向平行的电势场，电势场的电势梯度方向应与泵内驱动流道部分平行以达到最佳的电渗驱动效果。
本实施例所提供的电渗微泵装置，通过灵活布置流体微流道1和电极微流道2，可实现单流道单级微泵。本实施例利用液态金属的流动性，采用注射方法将液态金属从液态金属注射入口4注入电极微流道2，注射过程中多余液态金属从液态金属注射出口5溢出。所述注射液态金属方法操作简单，重复性好，一次成型，形成的微电极结构稳定。优先地，液态金属注射装置采用普通的微量注射器。
实施例2
参照图2所示，本实施例的电渗微泵装置与实施例1的结构相类似，其主要区别之处在于两者的流体微流道1和电极微流道2之间的布置方式不同，具体地，本实施例中，所述电极微流道2具有两个，对称分布在所述流体微流道1的两侧，所述流体微流道1为弯折型，包括多段串联连接的泵区微流道驱动段7，每段泵区微流道驱动段7与所述电极微流道2相互垂直，两个电极微流道2中的第一电极微流道2的液态金属注射入口4和液态金属注射出口5均与所述可控电源模块3的高电势端连接，两个电极微流道2中的第二电极微流道2的液态金属注射入口4和液态金属注射出口5均与所述可控电源模块3的低电势端连接。
本实施例在实施例1电渗微泵装置基础上，通过改变微流道的结构，调整微流道的布置及微电极接线方式，可实现串联形式的多级驱动的电渗微泵。在相同流体微流道宽度及电场条件下，相比实施例1，本实施例电渗微泵驱动能力大大提高。
实施例3
参照图2所示，本实施例的电渗微泵装置与实施例1的结构相类似，其主要区别之处在于两者的流体微流道1和电极微流道2之间的布置方式不同，具体地，本实施例中，所述流体微流道1包括多段与其轴向平行且并联设置的泵区微流道驱动段7；所述电极微流道2具有四个，分为两组，两组中的第一组电极微流道2对称分布在所述流体微流道1一端的两侧，且第一组电极微流道2位于多段泵区微流道驱动段7的一端，第一组电极微流道2的液态金属注射入口4和液态金属注射出口5均与所述可控电源模块3的高电势端连接；两组中的第二组电极微流道2对称分布在所述流体微流道1另一端的两侧，且第二组电极微流道2位于多段泵区微流道驱动段7的另一端，第二组电极微流道2的液态金属注射入口4和液态金属注射出口5均与所述可控电源模块3的低电势端连接。
在实施例1电渗微泵装置基础上，通过改变微流道的结构，调整微流道的布置及微电极接线方式，可实现并联形式的电渗微泵。在相同流体微流道宽度及电场条件下，相比实施例1，本实施例电渗微泵驱动能力大大提高。
实施例4
参照图2所示，本实施例的电渗微泵装置与实施例1的结构相类似，其主要区别之处在于两者的流体微流道1和电极微流道2之间的布置方式不同，具体地，本实施例中，所述电极微流道2具有两个，对称分布在所述流体微流道1的两侧，所述流体微流道1为弯折型，包括多组串联连接的泵区微流道驱动段7，每组泵区微流道驱动段7包括多根并联设置的泵区微流道驱动段7，每根泵区微流道驱动段7与所述电极微流道2相互垂直，两个电极微流道2中的第一电极微流道2的液态金属注射入口4和液态金属注射出口5均与所述可控电源模块3的高电势端连接，两个电极微流道2中的第二电极微流道2的液态金属注射入口4和液态金属注射出口5均与所述可控电源模块3的低电势端连接。
在实施例2和实施例3电渗微泵基础上，通过改变微流道的结构，调整微流道的布置及微电极接线方式，可实现串、并联复合形式的电渗微泵，该形式微泵泵送微流体能力大大增强。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种电渗微泵装置，其特征在于，包括：集成在微流控芯片上且互不接触的流体微流道（1）和电极微流道（2），所述流体微流道（1）用于连接所泵送流体的微流道进口或出口，或为泵送流体的微流道的一部分；所述电极微流道（2）对称分布在所述流体微流道（1）的两侧，其内部填充液态金属，形成微电极，所述电极微流道（2）具有液态金属注射入口（4）和液态金属注射出口（5），所述液态金属注射入口（4）和液态金属注射出口（5）分别连接可控电源模块（3），以在所述流体微流道（1）的泵区微流道驱动段（7）的两端分别形成高电势和低电势。
2.如权利要求1所述的电渗微泵装置，其特征在于，所述液态金属为室温条件下为液态的汞、或金属镓、或镓合金。
3.如权利要求2所述的电渗微泵装置，其特征在于，室温条件下为液态的镓合金为镓铟合金或镓铟锡合金。
4.如权利要求1所述的电渗微泵装置，其特征在于，所述流体微流道（1）为直线型，所述电极微流道（2）具有四个，分为两组，两组中的第一组电极微流道（2）对称分布在所述泵区微流道驱动段（7）一端的两侧，第一组电极微流道（2）的液态金属注射入口（4）和液态金属注射出口（5）均与所述可控电源模块（3）的高电势端连接；两组中的第二组电极微流道（2）对称分布在所述泵区微流道驱动段（7）另一端的两侧，第二组电极微流道（2）的液态金属注射入口（4）和液态金属注射出口（5）均与所述可控电源模块（3）的低电势端连接。
5.如权利要求1所述的电渗微泵装置，其特征在于，所述电极微流道（2）具有两个，对称分布在所述流体微流道（1）的两侧，所述流体微流道（1）为弯折型，包括多段串联连接的泵区微流道驱动段（7），每段泵区微流道驱动段（7）与所述电极微流道（2）相互垂直，两个电极微流道（2）中的第一电极微流道（2）的液态金属注射入口（4）和液态金属注射出口（5）均与所述可控电源模块（3）的高电势端连接，两个电极微流道（2）中的第二电极微流道（2）的液态金属注射入口（4）和液态金属注射出口（5）均与所述可控电源模块（3）的低电势端连接。
6.如权利要求1所述的电渗微泵装置，其特征在于，所述流体微流道（1）包括多段与其轴向平行且并联设置的泵区微流道驱动段（7）；所述电极微流道（2）具有四个，分为两组，两组中的第一组电极微流道（2）对称分布在所述流体微流道（1）一端的两侧，且第一组电极微流道（2）位于多段泵区微流道驱动段（7）的一端，第一组电极微流道（2）的液态金属注射入口（4）和液态金属注射出口（5）均与所述可控电源模块（3）的高电势端连接；两组中的第二组电极微流道（2）对称分布在所述流体微流道（1）另一端的两侧，且第二组电极微流道（2）位于多段泵区微流道驱动段（7）的另一端，第二组电极微流道（2）的液态金属注射入口（4）和液态金属注射出口（5）均与所述可控电源模块（3）的低电势端连接。
7.如权利要求1所述的电渗微泵装置，其特征在于，所述电极微流道（2）具有两个，对称分布在所述流体微流道（1）的两侧，所述流体微流道（1）为弯折型，包括多组串联连接的泵区微流道驱动段（7），每组泵区微流道驱动段（7）包括多根并联设置的泵区微流道驱动段（7），每根泵区微流道驱动段（7）与所述电极微流道（2）相互垂直，两个电极微流道（2）中的第一电极微流道（2）的液态金属注射入口（4）和液态金属注射出口（5）均与所述可控电源模块（3）的高电势端连接，两个电极微流道（2）中的第二电极微流道（2）的液态金属注射入口（4）和液态金属注射出口（5）均与所述可控电源模块（3）的低电势端连接。
8.如权利要求1所述的电渗微泵装置，其特征在于，所述微流控芯片的材料为聚二甲基硅氧烷、或玻璃、或石英。
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