1.一种气泡定点生长的热气泡驱动微泵,其特征在于:
热气泡驱动微泵包括PDMS芯片(5)、带有凹穴(51)的加热盘(7)、玻璃基底(6)、励磁线圈(8)、制冷装置(4);其中,PDMS芯片(5)包括进液口(3)、出液口(1)、泵腔(13)、扩散口(15)和喷嘴(14);采用MEMS微加工工艺将带有凹穴(51)的加热盘(7)制作在玻璃基底(6)上;微泵控制系统由计算机(30)、脉冲发生器(36)、数字电流表(33)、直流电源(44)、电容(18)、可编程控制器(27)、继电器I(22)、继电器II(39)、制冷装置(4)和微泵(2)组成;
其中,脉冲发生器(36)给励磁线圈(8)提供交变电流,通过可编程控制器(27)和继电器I(22)来控制微泵的加热时间t1和间歇时间t2;直流电源(44)给制冷装备(4)提供直流电,通过可编程控制器(27)和继电器II(39)来控制制冷装备(4)的断电时间t3和制冷时间t4;
所述进液口(1)、出液口(3)贯穿PDMS芯片(5),与扩散口(15)和喷嘴(14)相连接;泵腔(13)直径6-8mm制作在PDMS芯片(5)上,泵腔(13)与扩散口(15)和喷嘴(14)相连通;
所述扩散口(15)和喷嘴(14)的最窄处宽度100-300μm,角度为10°-15°,长度为2.5-
3mm,深度0.1-0.4mm,分别与进液口(3)、出液口(1)和泵腔(13)相互连通;
所述带有凹穴(51)的加热盘(7),加工在玻璃基底(6)的上表面;凹穴(51)的直径为10-
80μm,当加热盘(7)的温度达到热气泡的成核温度时,这些被密封的气体会优先产生热气泡,实现热气泡的定点生长;
所述加热盘(7)上的12个凹穴(51)制作成两排,呈扩散状对称分布在泵送流向中心线两侧,两排夹角为30°-40°;两排凹穴(51)最宽相距3-5mm,两排凹穴(51)最窄处相距500-
800μm;
将带有加热盘(7)的玻璃基底(6)的上表面和PDMS芯片(5)通过键合工艺封装在一起,使加热盘(7)位于泵腔(13)的中央;
所述玻璃基片表面制备PDMS芯片(5)阳模;
所述励磁线圈(8)线圈匝数为7匝到20匝,在线圈周围设计一层导热硅胶,用于对励磁线圈(8)导热,并将励磁线圈(8)固定在玻璃基底(6)的下表面,励磁线圈(8)和泵腔中的加热盘(7)中心对齐;
所述的励磁线圈(8)与脉冲发生器(36)相串联,给励磁线圈(8)通入交流电流;
所述制冷装置(4)采用帕尔贴进行制冷,制冷装置(4)位于励磁线圈(8)的下方,对励磁线圈(8)、玻璃基底(6)和加热盘(7)进行冷却;
所述的制冷装置(4)与直流电源(44)相串联,给制冷装置(4)通入直流电流。
2.根据权利要求1所述的一种气泡定点生长的热气泡驱动微泵,其特征在于:
微泵控制系统通过可编程控制器(27)控制继电器I(22)实现感应加热电路的控制,和通过编程控制器(27)控制继电器II(39)的通断状态实现制冷电路的控制;继电器I(22)与励磁线圈(8)串联,实现控制励磁线圈(8)的导通时间t1和间断时间t2;继电器II(39)与制冷装置(4)串联,实现控制直流电源(44)供给制冷装置(4)的断电时间t3和制冷时间t4;所述的脉冲导通的时间是t1,间断的时间是t2,电流是I1;脉冲的频率选为20kHz-1MHz,t1设为
0.2s-2s,t2设为1s-2s,电流I1设计为0.1A-4A;当励磁线圈(8)导通时,制冷装置(4)不工作,因此,制冷装置(4)断电时间t3与t1同步设为0.2s-2s,制冷时间t4设为1s-2s,电流I2设计为
0.1A~5A。
3.根据权利要求1所述的一种气泡定点生长的热气泡驱动微泵,其特征在于:
给励磁线圈(8)通入交变电流,其周围会产生交变磁场;在交变磁场的作用下,金属加热盘(7)内产生电涡流,进而生成焦耳热;该焦耳热通过热传导对加热盘(7)表面液体进行加热,当液体达到一定温度后,凹穴(51)会生成定点生长气泡(16),微泵每个工作周期分为两个阶段:(1)给励磁线圈(8)通入交变电流,在感应热的作用下热气泡会定点生长在加热盘(7)上按扩散分布的凹穴(51)处;泵腔内的主流道上没有气泡生长,液体从进液口(3)和出液口(1)排出,并且在扩散口(15)处排出的液体要多于从喷嘴(14)处排出的液体;(2)励磁线圈(8)断电,热气泡收缩,液体从进液口(3)和出液口(1)流入泵腔(13),相应的在喷嘴(14)处流入的液体多于在扩散口(15)处流入的液体;因此,在一个泵送周期内,从喷嘴(14)到扩散口(15)会产生一个净流量;热气泡周期性的膨胀和收缩便实现了微泵的泵送功能;
在热气泡冷却收缩阶段,使用制冷装置(4)对金属加热盘(7)和激励线圈(8)产生的热量进行冷却散热,加快热汽泡的冷却收缩速度。
4.制备如权利要求1所述的一种气泡定点生长的热气泡驱动微泵的方法,其特征在于:
第一步,使用去离子水清洗玻璃基片,并在烘胶台上烘干;
第二步,在玻璃基片上旋涂一层SU-8胶48,利用热板进行前烘,然后自然冷却,使SU-8胶固化,将PDMS芯片掩膜板置在固化后的SU-8胶表面上方,进行紫外线曝光,SU-8胶曝光后,在热板上进行后烘热处理,然后自然冷却,经显影、清洗后,玻璃基片上留下凸起的SU-8胶模具;
第三步,在SU-8胶模具的泵腔上方粘结一个圆柱型金属阳模,增加泵腔的深度;金属阳模的直径与泵腔的直径一致;
第四步,所示,将带有SU-8胶模具的玻璃基片放置在与其尺寸相同的矩形槽模具中,浇注PDMS,加热固化;
第五步,将固化后的PDMS从玻璃基片上剥离,得到PDMS芯片,使用打孔器在PDMS芯片上加工出进液口及出液口;
第六步,采用键合方法把制有加热盘的玻璃基底和PDMS芯片键合在一起,同时保证加热盘位于泵腔的中央;然后用导热硅胶把励磁线圈固定在微泵和制冷装置中间。