[发明专利]一种基于激光冲击波力学效应的无阀微泵及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于流体传输与控制微机电技术领域，更具体地，涉及一种基于激光冲击波力学效应的无阀微泵及其制造方法。

背景技术

在过去二十年中，微机电系统（MEMS）领域高速发展，出现了大量的成功应用。微流体系统作为微机电系统中的重要分支，近三十年来一直是人们研究的热门。微流体系统包括微流量传感器、微泵、微混合器、微阀等器件，依靠它们来完成感应、泵送、混合、监测、控制流体等工作。作为微流体系统的驱动源、微流体系统的核心部件，近三十年来，人们对微泵展开了大量的研究，并已在微全分析系统、药物传输、微芯片冷却、燃料电池等领域进行了广泛的应用。

目前应用较多的往复式微泵的驱动方式为压电、电磁、静电、光热四种。其中压电驱动式微泵驱动力大、响应快、出口压强高，但其制造工艺复杂，而且工作时驱动电压偏高；电磁驱动式微泵的泵膜变形量大、频率调节范围广、响应快，但其能耗高热损大，而且相对于其它类型微泵而言，电磁驱动微泵体积大因此不利于微型化；静电驱动式微泵的能耗低，响应快，但缺陷在于其泵膜变形量小，结构复杂。相比之下，激光微驱动式泵具有体积小、输出功率大、负载能力强、响应速度快，可远程控制等优点，因此具备广泛的应用前景。

无阀微泵制造方面的研究工作开始于90年代初期。1994年，E.Stemmed等人根据无阀结构的工作原理制作了第一个硅基无阀微泵，其主要构造为在硅片采用各向异性腐蚀法腐蚀形成棱锥形扩散口/喷嘴结构。1997年M.Heshchel等人采用CVD（化学气相沉积）、RIE（反应离子刻蚀）、激光助腐蚀技术制得纯三维的微扩散口。1998年，瑞典的A.Olsson等人采用热塑复制法制作无阀微泵。但是对于目前的这些制造方法及所制得的无阀泵结构而言，仍然存在密封困难、可靠性差、制作困难，不能实现大批量生产等方面的不足。

发明内容

针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种基于激光冲击波力学效应的无阀微泵及其制造方法，其能够通过对无阀微泵结构上的设计，有效利用激光冲击波力学效应来实现微泵功能，同时具备便于加工制造、成本和功耗低、负载能力强，以及可远程控制等方面的优点。

按照本发明的一个方面，提供了一种基于激光冲击波力学效应的无阀微泵，该无阀微泵包括泵体、设置在泵体上的流体入口和流体出口，以及牺牲层元件，其中：

所述泵体包括柔性高分子材料制成的泵膜、由泵膜包围形成的泵腔，以及分别设置在流体入口、流体出口与泵腔之间并与泵腔相连通的扩张管和收缩管，所述扩张管呈锥形管结构且其直径沿着从流体入口到泵腔的方向逐渐增大，所述收缩管同样呈锥形管结构且其直径沿着从泵腔到流体出口的方向逐渐增大；

所述牺牲层元件设置在泵腔上部的泵膜处，并由对激光辐射敏感的材料制成，当其表面受到激光辐射后，该牺牲层吸收激光能量并发生气化膨胀，产生等离子体爆炸气团以对与之相连的泵膜起到冲击波的作用，相应使得泵腔体积交替改变由此执行流体的输送操作。

通过以上构思，本发明所构建的微泵结构其流体输送的原理在于对激光冲击波力学效应的利用，为了顺利实现该效应，相应设置了牺牲层元件并对与泵腔相连通的管路结构进行了设计：当牺牲层元件表面受到激光辐射时，牺牲层会在极短时间内吸收激光的的高密度能量并瞬间气化，迅速膨胀并产生一层等离子体爆炸气团，气团在膨胀的过程中会对与之相连的泵膜产生冲击波的作用，相应使泵腔的体积发生增大和减小的交替变化：当泵腔由于泵膜的激光冲击波力学效应而体积减少时，由于扩张管和收缩管在流体流向上呈锥形管结构并由此决定管内流体的流动特征，收缩管所输出的流量会大于扩张管所输出的流量也即泵腔处于泵出状态；而当泵膜恢复时，扩张管所输入的流量会大于收缩管所输出的流量也即泵腔处于泵入状态，由此方便地实现了流体的输送过程。

作为进一步优选地，所述锥形管结构的扩张管和收缩管呈对称分布，且其锥形角度为5°～12°。

通过将扩散管和收缩管各自的锥形角具体限定为以上范围，较多仿真结果表明，该范围内的锥形角能够更好地实现泵出和泵入功能，尤其当锥形角为7°左右时泵性能达到峰值。

作为进一步优选地，所述牺牲层元件由黑漆材料或硅酸乙酯黑漆材料制成。