磁流體力學(xué)微泵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種尺寸較小、可與便攜式芯片集成的磁流體力學(xué)微泵。該磁流體力學(xué)微泵，包括基底，所述基底的下表面設(shè)置有平面型電磁鐵，所述基底的上表面設(shè)置有基體，所述基體上刻蝕有微通道以及與微通道連通的儲液池，在微通道的兩側(cè)設(shè)置有電極，所述電極濺射在基體的上表面，還包括用于將微通道密封的封裝層，所述封裝層上設(shè)置有注液口和電極接入孔。該磁流體力學(xué)微泵由于采用平面型電磁鐵來產(chǎn)生磁場，代替了現(xiàn)有的三維電磁鐵作為磁場源，從而使得制作的磁流體力學(xué)微泵的尺寸較小，更容易實現(xiàn)微型化，可與便攜式芯片集成，而且，平面型電磁鐵的加工更為簡單，降低了磁流體力學(xué)微泵的加工制作成本。適合在非機械式微泵領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
【專利說明】磁流體力學(xué)微泵
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非機械式微泵領(lǐng)域，具體涉及一種磁流體力學(xué)微泵。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著MEMS技術(shù)的成熟，微型化器件的制作成本逐漸降低，并且能夠在同一芯片上集成多種功能的元器件，從而使得微型化器件越來越受到使用者的歡迎。微流體器件廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、醫(yī)療診斷、藥物緩釋、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等研究領(lǐng)域，具有試劑用量少、污染物排放低、化學(xué)反應(yīng)速度快、精確控制反應(yīng)、便攜性等優(yōu)點。從2005年至2011年，微流體領(lǐng)域的市場值以每年16%的速度增長，截止2011年，整個微流體器件的市場值已經(jīng)達到50億歐元。微泵作為微流體器件的重要組成部分，其作用是實現(xiàn)流體的定量傳輸，從而使得在同一芯片上實現(xiàn)樣品的流動、混合、分離、分析檢測等功能。隨著微流體器件領(lǐng)域的快速發(fā)展，微泵將占據(jù)巨大的市場價值。
[0003]微泵可分為機械類和非機械類兩種。早期的微泵屬于機械類微泵，是對宏觀的機械泵的微型化。有閥機械類微泵存在著由于止回閥進口和出口端兩側(cè)具有高的壓降，而引起閥門的磨損和疲勞問題。磨損和疲勞問題限制了機械類微泵的使用領(lǐng)域和使用壽命。無閥機械式微泵利用可移動的隔膜進行液體的抽吸，如壓電晶體微泵、熱氣動微泵、靜電微泵等。壓電晶體微泵已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如藥物緩釋，定點治療領(lǐng)域。但是壓電晶體要求較高的驅(qū)動電壓。靜電微泵能夠產(chǎn)生較高的流量，但是也需要較高的驅(qū)動電壓。熱氣動微泵需要制作微型的加熱器，并且抽吸效率較低。非機械類微泵不具有可移動部分，通常利用在宏觀條件下忽視的微觀效應(yīng)，如毛細管效應(yīng)、電濕潤效應(yīng)等。由于非機械類微泵的流量范圍較小，通常在P l/min?ml/min范圍，并且不存在微泵的磨損問題,不會對生物樣品產(chǎn)生影響，因此非常適用于微流體系統(tǒng)領(lǐng)域，適用于生化藥品的分析檢測。目前常見的非機械類微泵有電滲微泵、電濕潤微泵、磁流體力學(xué)微泵、氣泡微泵、毛細管微泵等。已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的主要是電滲微泵，但是電滲微泵只能抽吸導(dǎo)電性較低的溶液，并且需要較高的驅(qū)動電壓。電濕潤微泵、氣泡微泵的加工較為復(fù)雜，成本較高。毛細管微泵產(chǎn)生的流量較小，僅適用于極微量的樣品分析。磁流體力學(xué)是研究導(dǎo)電液體與電磁場相互作用的一門學(xué)科。最初，在等離子物理研究領(lǐng)域，磁流體力學(xué)廣泛應(yīng)用于抽吸和控制金屬液體。磁流體力學(xué)微泵利用洛倫茲力作為抽吸機制。相比于其他的非機械類微泵，磁流體力學(xué)微泵具有驅(qū)動電壓較小、加工過程簡單、實現(xiàn)對液體的雙向驅(qū)動、能夠用于抽吸中等程度的導(dǎo)電液體，能夠產(chǎn)生連續(xù)的流動，可用于抽吸生物樣品，并能夠與其他微流體器件進行集成等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域、生物應(yīng)用領(lǐng)域、微電子冷卻等領(lǐng)域。磁流體力學(xué)微泵可分為直流型與交流型兩種方式，直流型結(jié)構(gòu)存在電解質(zhì)溶液的電解問題和電極的降解問題。由于電解現(xiàn)象的存在，使得通道內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡，從而增加了液體流動阻力。另外，電極的降解使得直流型磁流體力學(xué)微泵的使用壽命降低。目前的改進方法是采用氧化還原型溶液作為電解質(zhì)溶液，從而在電極位置實現(xiàn)可逆的電化學(xué)反應(yīng)。然而這種方法需要高濃度的氧化還原電解質(zhì)溶液，從而對后期樣品的檢測產(chǎn)生較大干擾。采用交流方式的磁流體力學(xué)微泵可以有效解決電解及電極降解的問題。通過同時對電極和電磁鐵施加交流電壓，實現(xiàn)流體的定向流動。
[0004]磁流體力學(xué)微泵一般都是在微通道底部直接安裝制作電磁鐵結(jié)構(gòu)，從而使通道內(nèi)具有較強的磁場強度?，F(xiàn)有的磁流體力學(xué)微泵的電磁鐵結(jié)構(gòu)通常都是采用三維電磁鐵，而三維電磁鐵體積較大，這就使得磁流體力學(xué)微泵尺寸較大，不容易實現(xiàn)微型化，不可以與便攜式芯片集成,而且三維電磁鐵加工復(fù)雜,也使得磁流體力學(xué)微泵的加工制作成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種尺寸較小、可與便攜式芯片集成的磁流體力學(xué)微泵。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:該磁流體力學(xué)微泵，包括基底，所述基底的下表面設(shè)置有平面型電磁鐵，所述基底的上表面設(shè)置有基體，所述基體上刻蝕有微通道以及與微通道連通的儲液池，在微通道的兩側(cè)設(shè)置有電極，所述電極濺射在基體的上表面，還包括用于將微通道密封的封裝層，所述封裝層上設(shè)置有用于將液體注入儲液池的注液口和電極接入孔。
[0007]進一步的是，在基底的下表面設(shè)置平面電磁線圈形成所述的平面型電磁鐵。
[0008]進一步的是，所述基底的下表面沉積有絕緣層，所述絕緣層上開有通孔，所述通孔位于平面電磁線圈的中心，所述絕緣層上表面沉積有磁軛結(jié)構(gòu)，所述磁軛結(jié)構(gòu)在所述通孔處與平面電磁線圈的中心電接觸。
[0009]進一步的是，在絕緣層的上表面沉積鎳層形成所述的磁軛結(jié)構(gòu)。
[0010]進一步的是，所述絕緣層采用二氧化硅制成。
[0011]進一步的是，所述封裝層采用聚二甲基硅氧烷制成。
[0012]進一步的是，所述封裝層的厚度為10?40μπι。
[0013]進一步的是，所述電極與基體的上表面之間沉積有鈦層。
[0014]進一步的是，所述基體采用SU-8光刻膠制成。
[0015]進一步的是，所述電極為金電極。
[0016]本發(fā)明的有益效果:該磁流體力學(xué)微泵由于采用平面型電磁鐵來產(chǎn)生磁場，代替了現(xiàn)有的三維電磁鐵作為磁場源，從而使得制作的磁流體力學(xué)微泵的尺寸較小，更容易實現(xiàn)微型化，可與便攜式芯片集成，而且，平面型電磁鐵的加工更為簡單，降低了磁流體力學(xué)微泵的加工制作成本，另外，本發(fā)明的電極設(shè)置在微通道的兩側(cè)，并且垂直于通道底部，使得兩電極間形成均勻的電場，從而電場與磁場相互作用產(chǎn)生的洛倫茲力指向微通道的長度方向，極大限度地降低了由于洛倫茲力方向的分散導(dǎo)致的流體擾動，從而具備良好的抽吸效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明磁流體力學(xué)微泵的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明磁流體力學(xué)微泵的電極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明磁流體力學(xué)微泵的基體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明磁流體力學(xué)微泵的封裝層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖5為本發(fā)明磁流體力學(xué)微泵的平面電磁線圈結(jié)構(gòu)示意圖；[0022]圖6為本發(fā)明磁流體力學(xué)微泵的磁軛結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖中標記說明:基底1、基體2、微通道3、儲液池4、電極5、封裝層6、注液口 7、電極接入孔8、平面電磁線圈9、通孔10、磁軛結(jié)構(gòu)11。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的說明。
[0025]如圖1至6所示，該磁流體力學(xué)微泵，包括基底1，所述基底I的下表面設(shè)置有平面型電磁鐵，所述基底I的上表面設(shè)置有基體2，所述基體2上刻蝕有微通道3以及與微通道3連通的儲液池4，在微通道3的兩側(cè)設(shè)置有電極5，所述電極5濺射在基體2的上表面，還包括用于將微通道3密封的封裝層6，所述封裝層6上設(shè)置有用于將液體注入儲液池4的注液口 7和電極接入孔8。該磁流體力學(xué)微泵由于采用平面型電磁鐵來產(chǎn)生磁場，代替了現(xiàn)有的三維電磁鐵作為磁場源，從而使得制作的磁流體力學(xué)微泵的尺寸較小，更容易實現(xiàn)微型化，可與便攜式芯片集成，而且，平面型電磁鐵的加工更為簡單，降低了磁流體力學(xué)微泵的加工制作成本，另外，本發(fā)明的電極5設(shè)置在微通道3的兩側(cè)，并且垂直于通道底部，使得兩電極5間形成均勻的電場，從而電場與磁場相互作用產(chǎn)生的洛倫茲力指向微通道3的長度方向，極大限度地降低了由于洛倫茲力方向的分散導(dǎo)致的流體擾動，從而具備良好的抽吸效率。
[0026]為了便于加工制作平面型電磁鐵，作為優(yōu)選的方式是在基底I的下表面設(shè)置平面電磁線圈9形成所述的平面型電磁鐵，所述平面電磁線圈9的排列呈矩陣排列，并且平面電磁線圈9的尺寸恒定，所述平面電磁線圈9可以采用鐵磁性材料制作，也可以由銅線圈或銀線圈構(gòu)成。
[0027]進一步的是，所述基底I的下表面沉積有絕緣層，所述絕緣層上開有通孔10，所述通孔10位于平面電磁線圈9的中心，所述絕緣層上表面沉積有磁軛結(jié)構(gòu)11,所述磁軛結(jié)構(gòu)11在所述通孔10處與平面電磁線圈9的中心電接觸。通過設(shè)置磁軛結(jié)構(gòu)11可以增強平面電磁線圈9的磁場強度，進一步增大了電場與磁場相互作用產(chǎn)生的洛倫茲力，從而增大磁流體力學(xué)微泵的抽吸能力。
[0028]為了使磁軛結(jié)構(gòu)11能夠最大限度的增強平面電磁線圈9的磁場強度，在絕緣層的上表面沉積鎳層形成所述的磁軛結(jié)構(gòu)11，鎳為順磁性材料，其相對磁導(dǎo)率為600，能夠最大限度增強平面電磁線圈9產(chǎn)生的磁場強度，鎳層通過磁控濺射的方法沉積在絕緣層的上表面。
[0029]所述絕緣層可以采用現(xiàn)有的各種絕緣材料制成，為了保證較好的絕緣效果，所述絕緣層采用二氧化硅或光刻膠制成。
[0030]所述封裝層6采用聚二甲基硅氧烷制成，采用聚二甲基硅氧烷PDMS對微通道3進行密封，相比于玻璃，聚二甲基硅氧烷PDMS的硬度更低，有較好的機械柔韌性，當聚二甲基硅氧烷PDMS受到壓力的作用時，由于其良好的柔韌性，能夠?qū)ξ⑼ǖ?進行完整的密封，不存在死隙，從而保證良好的密封效果，另外，聚二甲基硅氧烷PDMS對光具有很好的透射性，因此方便通道內(nèi)顆粒的檢測,液體流動狀況的監(jiān)測。PDMS預(yù)聚物和固化劑以10:1的比例混合，對PDMS混合物進行前期處理，需充分去除混合溶劑中的氣體，以旋涂的方式在玻璃晶片表面制作PDMS薄層，經(jīng)固化后，通過在薄層上打孔，制作出注液口 7和電極接入孔8，并將PDMS進行氧等離子體處理70W, 75mtorr, 10s,使得表面為親水性。[0031]在保證良好的密封效果的前提下，最大限度的降低成本，所述封裝層6的厚度優(yōu)選為10?40 μ m。
[0032]為了增強電極與基體2之間的粘附性，所述電極與基體2的上表面之間沉積有鈦層，所述鈦層的厚度約為IOnm即可。
[0033]為了便于加工微通道3，簡化微加工流程，所述基體2采用SU-8光刻膠制成，由于SU-8光刻膠具有良好的機械性能及化學(xué)穩(wěn)定性能，可以直接作為結(jié)構(gòu)材料，從而簡化微加工流程，在制作時只需在基底I上旋涂粘附劑，再旋涂SU-8光刻膠，進行特定圖案的曝光顯影過程，獲得微通道3結(jié)構(gòu)即可完成微通道3的加工制作，所述微通道3具有平滑的環(huán)形結(jié)構(gòu)，減少了外部壓力差的存在而造成的流速測量的干擾。
[0034]另外，所述電極5可以采用鉬電極、鋁電極等，作為優(yōu)選的是:所述電極5為金電極。所述金電極采用如下方式制作而成，先以磁控濺射的方法濺射沉積一層約200nm厚的金層，然后通過對準、光刻的方法對金層進行圖形制作，包括電極結(jié)構(gòu)和引線結(jié)構(gòu)，從而獲得電學(xué)性能、均勻性良好的側(cè)壁電極。
【權(quán)利要求】
1.磁流體力學(xué)微泵，其特征在于:包括基底(1)，所述基底(I)的下表面設(shè)置有平面型電磁鐵，所述基底(I)的上表面設(shè)置有基體(2 )，所述基體(2 )上刻蝕有微通道(3 )以及與微通道(3 )連通的儲液池(4 )，在微通道(3 )的兩側(cè)設(shè)置有電極(5 )，所述電極(5 )濺射在基體(2 )的上表面，還包括用于將微通道(3 )密封的封裝層(6 )，所述封裝層(6 )上設(shè)置有用于將液體注入儲液池(4)的注液口(7)和電極接入孔(8)。
2.如權(quán)利要求1所述的磁流體力學(xué)微泵，其特征在于:在基底(I)的下表面設(shè)置平面電磁線圈(9 )形成所述的平面型電磁鐵。
3.如權(quán)利要求2所述的磁流體力學(xué)微泵，其特征在于:所述基底(I)的下表面沉積有絕緣層，所述絕緣層上開有通孔(10)，所述通孔(10)位于平面電磁線圈(9)的中心，所述絕緣層上表面沉積有磁軛結(jié)構(gòu)(11),所述磁軛結(jié)構(gòu)(11)在所述通孔(10 )處與平面電磁線圈(9 )的中心電接觸。
4.如權(quán)利要求3所述的磁流體力學(xué)微泵，其特征在于:在絕緣層的上表面沉積鎳層形成所述的磁軛結(jié)構(gòu)(11)。
5.如權(quán)利要求4所述的磁流體力學(xué)微泵，其特征在于:所述絕緣層采用二氧化硅制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項權(quán)利要求所述的磁流體力學(xué)微泵，其特征在于:所述封裝層(6)采用聚二甲基硅氧烷制成。
7.如權(quán)利要求6所述的磁流體力學(xué)微泵，其特征在于:所述封裝層(6)的厚度為10?40 μ m0
8.如權(quán)利要求7所述的磁流體力學(xué)微泵，其特征在于:所述電極(5)與基體(2)的上表面之間沉積有鈦層。
9.如權(quán)利要求8所述的磁流體力學(xué)微泵，其特征在于:所述基體(2)采用SU-8光刻膠制成。
10.如權(quán)利要求9所述的磁流體力學(xué)微泵，其特征在于:所述電極(5)為金電極。
【文檔編號】F04B19/00GK103573576SQ201310597265
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】永遠, 李強 申請人:西南交通大學(xué)