一種被動式脈動流體濾波裝置製造方法
2023-05-20 16:38:16 2
一種被動式脈動流體濾波裝置製造方法
【專利摘要】一種被動式脈動流體濾波裝置，包括上基板、下基板、薄膜層，所述薄膜層設置於所述上基板、下基板之間，所述上基板、下基板、薄膜層之間密封貼合，所述上基板底部橫向設置有用於流體流動的微通道，並且在所述微通道的兩端分別開設有供流體流入的進口與供流體流出的出口，所述下基板縱向設置有通孔。本發明所揭示的被動式脈動流體濾波裝置，可以使得流體的出口流速在較小的範圍內波動，達到濾波的目的。
【專利說明】一種被動式脈動流體濾波裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及流體濾波領域，尤其涉及一種被動式脈動流體濾波裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，許多非機械泵被用於微流動系統的驅動部件中，這些非機械泵利用電流體驅動、電磁致動、電滲等原理，向外泵送微量、穩定的流體。然而，由於這些非機械泵有電場、磁場等直接作用在流體之上，只能泵送特定組分的溶液且生物相容性低，不適用於輸出試劑體積的精確控制。
[0003]因而，利用壓電元件(壓電片或壓電疊堆)作為換能器進行流體傳輸的壓電泵，同於其具有結構簡單、體積小、重量輕、驅動力大、低洩漏、響應時間短、耗能低、無噪聲、無電磁幹擾等優點，被廣泛用於微流動系統的驅動部件中。通過流量傳感器與壓電泵的配合，建立壓電泵閉環控制系統對於實現對壓電泵輸出試劑體積的精確控制具有重要的意義。
[0004]然而由於壓電泵泵送的流體是脈動的，且在每個工作周期內受壓電陶瓷的磁滯、蠕變等影響，泵送的流量並不相等，以及流量傳感器的響應頻率低等影響，傳感器難以精確的檢查流量。
[0005]針對現有技術中存在的上述問題，2005年卡內基梅隆大學的Bozhi Yang提出了一種用於穩定波動流動的結構，但是難以通過調節微通道的尺寸來調節濾波器所適應的流速範圍。2007年MIT的Walker Inman製作了一種主動閥氣動泵，並在泵的出口加入了由薄膜以及液阻組成的濾波單元，使氣動泵泵出的脈動的流量得到濾波，然而這種方法需要使用過濾片來起到微通道的作用，而過濾片不便於集成到微系統中。2012年新加坡國立大學的Rensheng Deng等人採用儲氣器來緩衝流量的波動，然而儲氣器體積大，不適用於微系統。
[0006]因此，需要設計一種被動式脈動流體濾波裝置，用於實現濾波。
【發明內容】
[0007]本發明解決的問題是一種被動式脈動流體濾波裝置，用於實現濾波。
[0008]為解決上述問題，本發明揭示了一種被動式脈動流體濾波裝置，包括上基板、下基板、薄膜層，所述薄膜層設置於所述上基板、下基板之間，所述上基板、下基板、薄膜層之間密封貼合，所述上基板底部橫向設置有用於流體流動的微通道，並且在所述微通道的兩端分別開設有供流體流入的進口與供流體流出的出口，所述下基板縱向設置有通孔。
[0009]優選地，所述薄膜層為PDMS薄膜層，所述上基板、下基板為玻璃基板。
[0010]優選地，所述PDMS薄膜層的彈性模量為750kPa，泊松比u為0.49。
[0011]優選地，所述薄膜層、上基板和下基板之間採用不可逆的密封工藝鍵合密封。
[0012]優選地，所述不可逆的密封工藝包括氧等離子體表面處理或紫外光表面照射處理。
[0013]優選地，所述微通道為矩形或梯形凹槽。[0014]優選地，所述通孔的半徑為2?6mm。
[0015]優選地,所述通孔的半徑為5mm。
[0016]與現有技術相比，本發明具有以下優點:本發明所揭示的被動式脈動流體濾波裝置，包括上基板、下基板、薄膜層，所述薄膜層設置於所述上基板、下基板之間，所述上基板、下基板、薄膜層之間密封貼合，所述上基板底部橫向設置有用於流體流動的微通道，並且在所述微通道的兩端分別開設有供流體流入的進口與供流體流出的出口，所述下基板縱向設置有通孔。本發明所揭示的被動式脈動流體濾波裝置，使用時，由壓電泵輸出的脈動流體從進口流入、從出口流出，當脈動流體的進口流速大於出口流速時，薄膜層在通孔處向下擴張形成容腔，並將流體儲存在由薄膜層形成的容腔中，隨著流體的儲存量越大，容腔內流體壓力也隨之增大；當脈動流體的進口流速低於出口流速時，薄膜層在通孔處向上收縮，泵出容腔內的流體，容腔內壓力減小，從而使得流體的出口流速在較小的範圍內波動，達到濾波的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明優選實施例中被動式脈動流體濾波裝置的立體分解圖；
[0018]圖2是本發明優選實施例中被動式脈動流體濾波裝置的剖視圖；
[0019]圖3是當脈動流體的進口流速大於出口流速時的結構示意圖；
[0020]圖4是當脈動流體的進口流速低於出口流速時的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]現有的用於流體傳輸的驅動部件中，由於壓電泵泵送的流體是脈動的，且在每個工作周期內受壓電陶瓷的磁滯、蠕變等影響，泵送的流量並不相等，以及流量傳感器的響應頻率低等影響，傳感器難以精確的檢查流量。
[0022]鑑於現有技術中存在的上述問題，本發明揭示了一種被動式脈動流體濾波裝置，包括上基板、下基板、薄膜層，所述薄膜層設置於所述上基板、下基板之間，所述上基板、下基板、薄膜層之間密封貼合，所述上基板底部橫向設置有用於流體流動的微通道，並且在所述微通道的兩端分別開設有供流體流入的進口與供流體流出的出口，所述下基板縱向設置有通孔。
[0023]優選地，所述薄膜層為PDMS薄膜層，所述上基板、下基板為玻璃基板。
[0024]優選地，所述PDMS薄膜層的彈性模量為750kPa，泊松比為0.49。
[0025]優選地，所述薄膜層、上基板和下基板之間採用不可逆的密封工藝鍵合密封。
[0026]優選地，所述不可逆的密封工藝包括氧等離子體表面處理或紫外光表面照射處理。
[0027]優選地，所述微通道為矩形或梯形凹槽。
[0028]優選地，所述通孔的半徑為2?6mm。
[0029]優選地,所述通孔的半徑為5mm。
[0030]本發明所揭示的被動式脈動流體濾波裝置，使用時，由壓電泵輸出的脈動流體從進口流入、從出口流出，當脈動流體的進口流速大於出口流速時，薄膜層在通孔處向下擴張形成容腔，並將流體儲存在由薄膜層形成的容腔中，隨著流體的儲存量越大，容腔內流體壓力也隨之增大；當脈動流體的進口流速低於出口流速時，薄膜層在通孔處向上收縮，泵出容腔內的流體，容腔內壓力減小，從而使得流體的出口流速在較小的範圍內波動，達到濾波的目的。
[0031]下面結合附圖對本發明實施例中的技術方案進行詳細地描述。
[0032]如圖1、圖2所示，本發明揭示了一種被動式脈動流體濾波裝置，包括上基板2、下基板4、薄膜層3，薄膜層3設置於上基板2、下基板4之間，上基板2、下基板4、薄膜層3之間密封貼合，上基板2底部橫向設置有用於流體流動的微通道1，並且在微通道I的兩端分別開設有供流體流入的進口 11與供流體流出的出口 12，下基板4縱向設置有通孔5。
[0033]具體地，薄膜層3為PDMS薄膜層，上基板2、下基板4為玻璃基板。由於玻璃的特殊性質，其它材料與其表面鍵合就能形成封閉的腔體，一般有兩種鍵合密封的方式:可逆密封和不可逆密封。由於固化後的PDMS薄膜表面本身具有一定的黏附力，因此在潔淨的情況下可以不對它的表面作任何處理而直接與玻璃之間實現貼合，兩片基底可以用外力撕開，而且能實現多次密封，清洗過後只要吹乾就又可以使用。這個過程是可逆的，稱為可逆的封裝。但是由於這種密封方式靠的是分子間的相互作用力(即範德華力)，因此密封的強度不高，在微通道I內壓力較大或流體流速高的情況下容易產生液體洩漏。在本發明優選實施例中，採用的是用氧等離子體表面處理或紫外光表面照射處理的方式實現PDMS薄膜層和玻璃之間永久性的密封，稱之為不可逆的密封。在本發明優選實施例中，薄膜層3、上基板
2、下基板4之間採用不可逆的密封，其優點在於封裝強度比較大，而且能顯著改善PDMS薄膜表面的親水性能。
[0034] 申請人:通過公式推導分析發現，通孔5的半徑、薄膜層3的彈性模量以及泊松比三個參數、微通道I通道流阻、進口 11的不同頻率對濾波裝置的濾波性能存在影響。在分析出影響控制精度的因素基礎上， 申請人:設計出由PDMS薄膜以及微通道構成的流體濾波裝置，並對濾波裝置的薄膜層3、微通道I進行理論分析，建立數學模型，並推導出薄膜層3變形的解析解。利用Comsol軟體建立濾波裝置的有限元模型，分別對薄膜層3變形以及微通道I流阻進行數值計算，並分析了微通道I流阻、泵驅動頻率以及通孔5半徑對濾波效果的影響。
[0035]通過大量的分析計算，在本發明優選實施例中，PDMS薄膜層3的彈性模量為750kPa，泊松比為0.49。並且，通過建模分析發現增大通孔5的半徑可以顯著的提高濾波效果，因此，在本發明優選實施例中，通孔5的半徑為2?6mm。最優選地，通孔5的半徑為5mm,當通孔5的半徑達到5mm時，出口 12的波動幅值僅為進口波動幅值的1% (此時已經能夠滿足消除脈動的需要)。當然，在不考慮成本的前提下，通孔5的半徑尺寸可以在下基板4允許的情況下，進一步選取數值較大的半徑。
[0036]在本發明優選實施例中，微通道I為矩形或梯形凹槽。具體地，微通道I是通過雷射加工刻蝕在上基板2底部形成的矩形或梯形凹槽，後經過與下基板4、薄膜層3鍵合形成封閉的矩形或梯形。矩形或梯形凹槽加工方便，可根據實際應用場合進行調整。微通道I的尺寸選擇與進口 11處的流量頻率、流體類型等參數有關，可以根據實際情況進行調整，使濾波效果達到最優。
[0037]本發明所揭示的被動式脈動流體濾波裝置，使用時，如圖3、圖4所示，由壓電泵輸出的脈動流體從進口 11流入、從出口 12流出，當脈動流體的進口流速大於出口流速時，薄膜層3在通孔5處向下擴張形成容腔，並將流體儲存在由薄膜層形成的容腔中，隨著流體的儲存量越大，容腔內流體壓力也隨之增大；當脈動流體的進口流速低於出口流速時，薄膜層3在通孔5處向上收縮，泵出容腔內的流體，容腔內壓力減小，從而使得流體的出口流速在較小的範圍內波動，達到精確控制流體體積的輸出的目的。
[0038]本發明所揭示的被動式脈動流體濾波裝置，結構簡單，製造簡便。
[0039]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。
【權利要求】
1.一種被動式脈動流體濾波裝置，其特徵在於:包括上基板、下基板、薄膜層，所述薄膜層設置於所述上基板、下基板之間，所述上基板、下基板、薄膜層之間密封貼合，所述上基板底部橫向設置有用於流體流動的微通道，並且在所述微通道的兩端分別開設有供流體流入的進口與供流體流出的出口，所述下基板縱向設置有通孔。
2.根據權利要求1所述的被動式脈動流體濾波裝置，其特徵在於:所述薄膜層為PDMS薄膜層，所述上基板、下基板為玻璃基板。
3.根據權利要求2所述的被動式脈動流體濾波裝置，其特徵在於:所述PDMS薄膜層的彈性模量為750kPa，泊松比為0.49。
4.根據權利要求2所述的被動式脈動流體濾波裝置，其特徵在於:所述薄膜層、上基板和下基板之間採用不可逆的密封工藝鍵合密封。
5.根據權利要求4所述的被動式脈動流體濾波裝置，其特徵在於:所述不可逆的密封工藝包括氧等離子體表面處理或紫外光表面照射處理。
6.根據權利要求1所述的被動式脈動流體濾波裝置，其特徵在於:所述微通道為矩形或梯形凹槽。
7.根據權利要求1所述的被動式脈動流體濾波裝置，其特徵在於:所述通孔的半徑為2 ?6mm ο
8.根據權利要求7所述的被動式脈動流體濾波裝置，其特徵在於:所述通孔的半徑為5mm ο
【文檔編號】F04B43/04GK103953530SQ201410213804
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月20日 優先權日:2014年5月20日
【發明者】陳立國, 賀文元, 吳宣, 潘明強 申請人:蘇州大學