基於mems技術的抗磁粒子三維操縱裝置的製作方法
2023-07-27 18:57:26
專利名稱：基於mems技術的抗磁粒子三維操縱裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種生命科學技術領域的專用設備，尤其涉及的是一種基於MEMS 技術的抗磁粒子三維操縱裝置。
背景技術：
在抗磁懸浮領域，對抗磁粒子在非接觸、無損傷條件下實施俘獲、移動是實現抗磁 對象操縱的基礎，而磁源的變化是實現抗磁粒子平移、轉向等操縱的重要保證，其本質是對 空間磁場的形狀和梯度進行調控，當前抗磁懸浮技術應用的一個重要領域為生命科學領 域，因此實現磁源驅動方式的微型化與便攜化，對推廣抗磁懸浮技術在生命科學領域的應 用有著重要的現實意義。現有的抗磁粒子微操縱通過接觸式機械微鉗、非接觸式光鉗等，接觸式操縱易對 粒子造成汙染和對粒子的活性產生影響，磁鉗類操縱需要第三者即磁性微球，對於需要直 接操縱抗磁粒子的場合則不適用，基於磁阿基米德效應的抗磁微操縱可以實現非接觸、無 損傷的抗磁粒子微操縱，該技術中磁源主要由永磁體、通電線圈或二者的組合構成，採用永 磁體產生磁場環境時，磁場不可變，只能採用機械結構驅動永磁體位置移動實現改變磁場 分布，不利於微型化和便攜，而只採用通電線圈方式產生磁場環境時，磁場強度有限，限制 了抗磁技術的應用，怎樣將兩者組合應用而又實現微操縱系統的微型化和便攜化成為人們 研究的熱點。迄今為止，尚無相關的報導。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於MEMS技術的抗磁粒子三 維操縱裝置，將抗磁懸浮技術用於生物微操縱，利用大多數生物粒子自身的抗磁性，藉助磁 阿基米德效應，在普通磁場環境下，便可實現非接觸式生物活性粒子微操縱，且磁源驅動方 式採用電磁調控方式柔性驅動，採用MEMS (Micro electromechanical Systems，微型機電 系統)技術，實現方法簡單、可靠，便於系統的微型化和便攜化。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括順磁性溶液、腔室、永磁體和芯 片，其中腔室內設有順磁性溶液，永磁體粘附於晶片上，腔室放置於永磁體之上。所述的晶片包括基座、負載平臺、線圈陣列和彈簧，其中基座上光刻設有線圈 陣列、負載平臺和彈簧，彈簧的一端固定在基座上，另一端和負載平臺相連，永磁體粘附於 負載平臺之上。所述的順磁性溶液和抗磁粒子兼容，抗磁粒子是順磁性時，順磁性溶液的磁化率 大於抗磁粒子的磁化率。所述的線圈陣列是若干個等距離排布的線圈，負載平臺位於中間線圈的正上方。所述的腔室是PDMSTolydimethylsiloxane，聚二甲基矽氧烷)或玻璃材料，腔室 的內壁覆有牛血清蛋白。所述的線圈陣列上塗覆有PDMS材料。
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本發明是利用抗磁粒子的抗磁性和弱順磁性，將其放入順磁性溶液中，當它們置 於永磁體產生的磁場中時，抗磁粒子在豎直方向會受到重力、浮力和抗磁力，水平方向會受 到抗磁力和溶液對它的阻力，在合適的順磁性溶液中，抗磁粒子在豎直方向和水平方向受 力都會達到平衡，從而實現穩定懸浮，之後不同時刻，給線圈陣列中的線圈通不同的電流 (所通電流需根據線圈尺寸及是否吸引永磁體而定)，會產生不同狀態的磁場，線圈產生的 磁場與永磁體產生的磁場相互作用，吸引或排斥永磁體，進而驅動永磁體向某一位置移動， 永磁體產生的空間磁場位置會發生變化，原本處在永磁體產生的磁場環境下穩定懸浮的抗 磁粒子會隨著磁場的變化而運動，從而實現抗磁粒子的微操縱。本發明相比現有技術具有以下優點本發明利用磁阿基米德效應，在普通磁場環 境下，便可實現非接觸式抗磁粒子微操縱，採用電磁調控方式柔性驅動磁源，實現方法簡 單、可靠，便於系統的微型化和便攜化。
圖1是本發明的結構示意圖；圖2是腔室的局部示意圖；圖3是永磁體的局部示意圖；圖4是晶片的局部示意圖；圖5為單個線圈的示意圖；其中a為三維圖，b為正視圖；圖6是抗磁粒子的受力分析圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施 例。如圖1和圖2所示，本實施例包括抗磁粒子1、順磁性溶液2、腔室3、永磁體4和 晶片5，其中抗磁粒子1設於順磁性溶液2內，腔室3內設有順磁性溶液2，永磁體4粘附 於晶片5上，腔室3放置於永磁體4之上。如圖4所示，晶片5包括基座6、負載平臺7、線圈陣列8和彈簧9，其中基座6 上光刻設有線圈陣列8、負載平臺7和彈簧9，彈簧9的一端固定在基座6上，另一端和負載 平臺7相連，永磁體4粘附於負載平臺7之上。如圖3所示，永磁體4的排列是由4個相同參數的NdFeB永磁體組合，這四個永磁 體的磁化方向沿軸向且相鄰磁極方向相反。本實施例中，線圈陣列8是9個等距離排布的線圈組成，負載平臺7位於中間線圈 的正上方。所述的順磁性溶液2和抗磁粒子1兼容，如要抗磁粒子1是順磁性，順磁性溶液2 的磁化率大於抗磁粒子1的磁化率。本實施例選用GdCl3水溶液或MnCl2水溶液作為順磁性溶液2。所述的彈簧9共有4個，彈簧9的一端和負載平臺7的相連，另一端和晶片5相連。
所述的腔室3是PDMS或玻璃製成，腔室3的內壁覆有牛血清蛋白。
如圖5所示，線圈陣列8中的線圈都為螺旋形式，線圈電極無法從同一平面引出， 所以需採用MEMS多層掩膜技術，將線圈的內電極從線圈的底下一層引出。線圈陣列8上塗 覆設有PDMS材料。如圖6所示，線圈陣列8不通電，負載平臺7位於晶片5中央，抗磁粒子1位於順 磁性溶液2中，在永磁體4產生的恆定磁場環境下，抗磁粒子1在重力、浮力、抗磁力、溶液 對其的阻力等力的合力下，抗磁粒子1受力會達到平衡，從而穩定懸浮，這時滿足方程formula see original document page 5
其中p工、x工分別是抗磁粒子1的密度和磁化率，P 2、x 2分別是順磁性溶液2的 密度和磁化率，g是重力加速度，B是磁感應強度，z是豎直方向的位移，P ^是真空磁導率， 其值為 y 0 = 4 31 X 10_7H/m。此時，給線圈陣列8中的不同線圈，在不同時刻通不同的電流(所通電流需根據線 圈尺寸及是否吸引永磁體4而定)，通電流的線圈產生磁場，這個磁場與永磁體4產生的磁 場會相互作用，吸引或排斥永磁體4，永磁體4的位置發生移動，永磁體4的磁場位置跟隨 移動，抗磁粒子1的受力會發生變化，發生一定的移動，運動到下一個平衡位置處，對線圈 陣列8中的電流給予控制，抗磁粒子1就會運動到指定的位置，實現對抗磁粒子1的三維操 縱。
權利要求
一種基於MEMS技術的抗磁粒子三維操縱裝置，其特徵在於，包括順磁性溶液、腔室、永磁體和晶片，所述的晶片包括基座、負載平臺、線圈陣列和彈簧，其中基座上光刻設有線圈陣列、負載平臺和彈簧，彈簧的一端固定在基座上，另一端和負載平臺相連，永磁體粘附於負載平臺之上，腔室內設有順磁性溶液，腔室放置於永磁體之上。
2.根據權利要求1所述的基於MEMS技術的抗磁粒子三維操縱裝置，其特徵是，所述的 順磁性溶液和抗磁粒子兼容。
3.根據權利要求1或2所述的基於MEMS技術的抗磁粒子三維操縱裝置，其特徵是，所 述的順磁性溶液是用GdCl3水溶液或MnCl2水溶液。
4.根據權利要求1所述的基於MEMS技術的抗磁粒子三維操縱裝置，其特徵是，所述的 線圈陣列是若干個等距離排布的線圈，負載平臺位於中間線圈的正上方。
5.根據權利要求1或4所述的基於MEMS技術的抗磁粒子三維操縱裝置，其特徵是，所 述的線圈陣列上塗覆有PDMS材料。
6.根據權利要求1所述的基於MEMS技術的抗磁粒子三維操縱裝置，其特徵是，所述的 腔室是PDMS或玻璃。
7.根據權利要求1或6所述的基於MEMS技術的抗磁粒子三維操縱裝置，其特徵是，所 述的腔室的內壁覆有牛血清蛋白。
全文摘要
一種生命科學技術領域的基於MEMS技術的抗磁粒子三維操縱裝置，包括順磁性溶液、腔室、永磁體和晶片，所述的晶片包括基座、負載平臺、線圈陣列和彈簧，基座上光刻設有線圈陣列、負載平臺和彈簧，彈簧的一端固定在基座上，另一端和負載平臺相連，永磁體粘附於負載平臺之上，腔室內設有順磁性溶液，腔室放置於永磁體之上。本發明磁源驅動採用柔性電磁驅動方式，結構簡單，採用MEMS工藝，可製成低成本、可攜式的片上系統。
文檔編號B81C1/00GK101830427SQ20101014887
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月17日 優先權日2010年4月17日
發明者劉武, 張衛平, 李世鵬, 胡牧風, 陳文元 申請人:上海交通大學