CN111030418A - 一种基于电浸润现象的双腔微泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电浸润现象的双腔微泵，包括进液通道、出液通道、第一流道和第二流道；所述第一流道和所述第二流道的一端均与所述进液通道连通，另一端均与所述出液通道连通；所述第一流道与所述第二流道之间设有电浸润动力机构；所述电浸润动力机构包括泵腔、设置在所述泵腔内的电浸润液体、两个电极层以及介电材料疏水层；所述泵腔一端与所述第一流道中部连通，另一端与所述第二流道中部连通；所述泵腔上设有换液结构，所述电浸润液体与泵送液体互不相溶；所述第一流道和第二流道上分别设有单向流阻机构。该微泵在没有机械结构情况下实现泵腔容积的周期性变化，从而实现流体运输的功能，具有结构设计简单，使用寿命长，可靠性强等特点。

Description

一种基于电浸润现象的双腔微泵

技术领域

本发明涉及微泵技术领域，具体涉及一种基于电浸润现象的双腔微泵。

背景技术

随着微流控技术的应用越来越广阔，微泵是微流控系统的“心脏”，是微流体输送的动力源，可以精确控制和驱动为管道内流体的流动和流量。广泛应用在各个领域，是衡量一个国家微流体发展水平的重要标志。目前，现有的微泵基本都是基于压电振子在逆电压效应下变形的压电泵。在交变电流的作用下，由压电材料做成的振子会反复的振动，从而使压电泵的泵腔容积发生周期变化，从而实现流体的运输。但是，由于压电泵还是存在压电振子、悬臂梁等结构，所以压电泵的使用寿命并不高，而且由于压电泵的结构比较复杂，想进一步将压电泵体积缩小在微米尺度甚至微米尺度以下还是很困难。而在类似于MEMS、航天航空、医疗、化学分析、血管机器人和芯片实验室等领域都对压电泵的使用寿命、可靠性以及压电泵的体积都有很高的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种基于电浸润现象的双腔微泵，该微泵在没有机械结构情况下实现泵腔容积的周期性变化，从而实现流体运输的功能，结构设计简单；另外，该微泵还具有使用寿命长，可靠性强等特点。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于电浸润现象的双腔微泵，包括进液通道、出液通道、设置在所述进液通道与所述出液通道之间的第一流道和第二流道；所述第一流道和所述第二流道的一端均与所述进液通道连通，另一端均与所述出液通道连通；其特征在于，

所述第一流道与所述第二流道之间设有将所述进液通道的液体泵送至所述出液通道的电浸润动力机构；其中，所述电浸润动力机构包括泵腔、设置在所述泵腔内的电浸润液体、两个分别设置所述泵腔两端内壁上用于驱动所述电浸润液体在所述泵腔内来回移动的电极层以及设置在所述电极层外表面的介电材料疏水层；所述泵腔一端与所述第一流道中部连通，另一端与所述第二流道中部连通；

所述泵腔上设有用于补充和更换电浸润液体的换液结构，所述电浸润液体与泵送液体互不相溶；

所述第一流道和第二流道上分别设有使液体从所述进液通道向所述出液通道流动的单向流阻机构。

上述基于电浸润现象的双腔微泵的工作原理是：

工作时，首先在外部静水压力的作用下将微泵充满需要泵送的液体，然后将电浸润液体从换液结构向泵腔内注入；当给靠近第一流道的电极层接通外部直流电源正极，靠近第二流道的电极层接通外部直流电源负极时，泵腔内靠近第一流道的一端发生电浸润现象(即通过改变电极层与电浸润液体之间的电势，进而来改变介电材料疏水层与电浸润液体接触面的表面能，最终改变两者之间接触角的现象)；因此，泵腔内的电浸润液体与电极层的接触角变小，使得电浸润液体沿着泵腔轴线方向向第一流道运动，靠近第一流道一端的泵腔容积变小，在电浸润液体的推动下，将所需要泵送的液体从泵腔中向第一流道挤压，在单向流阻机构的作用下，第一流道的液体从宏观上形成向出液通道方向流动；同时，靠近第二流道一端的泵腔随着电浸润液体的移动，泵腔容积变大，将第二流道的泵送的液体将吸入泵腔。

当给靠近第二流道的电极层接通外部直流电源正极，给靠近第一流道的电极层接通外部直流电源负极时，泵腔内靠近第二流道的一端发生电浸润现象；此时，驱动电浸润液体沿着泵腔轴线方向向第二流道运动，靠近第二流道一端的泵腔容积变小，在电浸润液体的推动下，将所需要泵送的液体从泵腔中向第二流道挤压，在单向流阻机构的作用下，第二流道的液体从宏观上形成向出液通道方向流动；同时，靠近第一流道一端的泵腔随着电浸润液体的移动，泵腔容积变大，将第一流道的泵送的液体将吸入泵腔。当周期性的切换泵腔两端的电极层所接通的外部直流电源正负极时，驱动电浸润液体在泵腔内来回往复的运动，微观上实现对第一流道和第二流道上的液体实现周期性的吸水和排水，在单向流阻机构的作用下，在宏观上驱动了泵送的液体从进液通道向出液通道的方向流动，为输送液体提供动力作用。

本发明的一个优选方案，其中，所述单向流阻机构包括四个锥形流道；四个所述锥形流道分两组分别设置在所述第一流道和所述第二流道上，每组锥形流道相对于所述泵腔上下分布，每个所述锥形流道的宽度向所述出液通道的方向逐渐增大。当泵腔内的电浸润液体在泵腔内来回往复的运动，对第一流道和第二流道上的液体实现周期性的吸水和排水的时候，由于锥形流道的宽度向所述出液通道的方向逐渐增大；在锥形流道上，液体从锥形流道宽度小向宽度大的方向流动时，流阻较小；液体从锥形流道宽度大向宽度小的方向流动时，流阻较大；因此，在宏观上驱动了泵送的液体从进液通道向出液通道的方向流动。另外，通过设置锥形流道，使得结构简单，不会产生机械磨损，有利于提高微泵的使用寿命。

本发明的一个优选方案，其中，所述换液结构包括设置在泵腔上的换液孔以及与所述换液孔相互配合的换液盖。采用上述结构，可以通过打开换液盖对泵腔内的电浸润液体进行更换和补充。

进一步地，所述换液盖与换液孔之间设有换液管，所述换液管一端连接在所述换液孔上，另一端与所述换液盖配合连接。这样设置使得更换或者补充电浸润液体更加方便，通过换液管的引导，使得操作更加方便快捷。

进一步地，所述换液结构为两个，对称设置在所述泵腔的上下两端。通过这样设置，一个可以用于加注电浸润液体，另一个可以用于排出电浸润液体，使得更换或者补充电浸润液体更加方便。

本发明的一个优选方案，其中，每个所述电极层都设有导线，所述导线穿过所述泵腔延伸至外部。通过导线可以有利于电极与外部直流电源的接通，为电极层提供电压。

进一步地，所述泵腔上设有电线孔，所述导线穿过所述电线孔与所述电极层连接。

本发明的一个优选方案，其中，两个所述电极层之间设有用于防止两者之间发生导电作用的阻隔垫。通过设置阻隔垫，起到绝缘作用，使得两个电极层不发生导电作用，保证了两个电极层实现周期性的接通正负极电源。

进一步地，所述阻隔垫为疏水材料，其目的在于，起到绝缘作用，同时还有利于电浸润液体在泵腔内运动。

优选地，所述进液通道、所述出液通道、所述第一流道、所述第二流道、所述泵腔以及所述锥形流道的横截面为矩形。

优选地，所述进液通道、所述出液通道、所述第一流道、所述第二流道、所述泵腔以及所述锥形流道的横截面为圆形。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明中通过用电极层驱动电浸润液体在泵腔内来回移动，实现第一流道和第二流道的周期性吸水和排水，从而为输送液体提供动力；该微泵无机械结构，设计简单，工作过程中不会造成各个部件的磨损，有效防止了部件的损坏，从而提高了微泵的使用寿命，可靠性强。

2、在本发明中，由于没有复杂的机械结构，制造过程简单，可以进一步缩小微泵体积，适用范围广，可以应用在一些对微泵体积要求较高的领域，例如MEMS、航天航空、医疗、化学分析、血管机器人和芯片实验室等领域。

附图说明

图1-图2为本发明中一种基于电浸润现象的双腔微泵的第一种具体实施方式的结构示意图；其中，图1为立体图，图2为主视图。

图3为本发明中一种基于电浸润现象的双腔微泵的剖视图。

图4为图3中A处的局部放大图。

图5为本发明中电极层、介电材料疏水层以及阻隔垫的立体结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1

参见图1-图4，一种基于电浸润现象的双腔微泵，包括进液通道1、出液通道2、设置在所述进液通道1与所述出液通道2之间的第一流道3和第二流道4；所述第一流道3和所述第二流道4的一端均与所述进液通道1连通，另一端均与所述出液通道2连通；其中，所述第一流道3与所述第二流道4之间设有将所述进液通道1的液体泵送至所述出液通道2的电浸润动力机构5；其中，所述电浸润动力机构5包括泵腔5-1、设置在所述泵腔5-1内的电浸润液体、两个分别设置所述泵腔5-1两端内壁上用于驱动所述电浸润液体在所述泵腔5-1内来回移动的电极层5-2以及设置在所述电极层5-2外表面的介电材料疏水层5-3；所述泵腔5-1一端与所述第一流道3中部连通，另一端与所述第二流道4中部连通；所述泵腔5-1上设有用于补充和更换电浸润液体的换液结构6，所述电浸润液体与泵送液体互不相容；所述第一流道3和第二流道4上分别设有使液体从所述进液通道1向所述出液通道2流动的单向流阻机构7。

参见图1-图4，所述单向流阻机构7包括四个锥形流道7-1；四个所述锥形流道7-1分两组分别设置在所述第一流道3和所述第二流道4上，每组锥形流道7-1相对于所述泵腔5-1上下分布，每个所述锥形流道7-1的宽度向所述出液通道2的方向逐渐增大。当泵腔5-1内的电浸润液体在泵腔5-1内来回往复的运动，对第一流道3和第二流道4上的液体实现周期性的吸水和排水的时候，由于锥形流道7-1的宽度向所述出液通道2的方向逐渐增大；在锥形流道7-1上，液体从锥形流道7-1宽度小向宽度大的方向流动时，流阻较小；液体从锥形流道7-1宽度大向宽度小的方向流动时，流阻较大；因此，在宏观上驱动了泵送的液体从进液通道1向出液通道2的方向流动。另外，通过设置锥形流道7-1，使得结构简单，不会产生机械磨损，有利于提高微泵的使用寿命。

参见图1-图4，所述换液结构6包括设置在泵腔5-1上的换液孔6-1以及与所述换液孔6-1相互配合的换液盖6-2。采用上述结构，可以通过打开换液盖6-2对泵腔5-1内的电浸润液体进行更换和补充。

参见图1-图4，所述换液盖6-2与换液孔6-1之间设有换液管8，所述换液管8一端连接在所述换液孔6-1上，另一端与所述换液盖6-2配合连接。这样设置使得更换或者补充电浸润液体更加方便，通过换液管8的引导，使得操作更加方便快捷。

参见图1-图4，所述换液结构6为两个，对称设置在所述泵腔5-1的上下两端。通过这样设置，一个可以用于加注电浸润液体，另一个可以用于排出电浸润液体，使得更换或者补充电浸润液体更加方便。

参见图1-图5，每个所述电极层5-2都设有导线9，所述导线9穿过所述泵腔5-1延伸至外部。通过导线9可以有利于电极与外部直流电源的接通，为电极层5-2提供电压。

参见图3-图4，所述泵腔5-1上设有电线孔10，所述导线9穿过所述电线孔10与所述电极层5-2连接。

参见图4-图5，两个所述电极层5-2之间设有用于防止两者之间发生导电作用的阻隔垫11。通过设置阻隔垫11，起到绝缘作用，使得两个电极层5-2不发生导电作用，保证了两个电极层5-2实现周期性的接通正负极电源。

参见图4-图5，所述阻隔垫11为疏水材料，其目的在于，起到绝缘作用，同时还有利于电浸润液体在泵腔5-1内运动。

参见图1-图3，所述进液通道1、所述出液通道2、所述第一流道3、所述第二流道4、所述泵腔5-1以及所述锥形流道7-1的横截面为矩形。

参见图1-图4，上述基于电浸润现象的双腔微泵的工作原理是：

工作时，首先在外部静水压力的作用下将微泵充满需要泵送的液体，然后将电浸润液体从换液结构6向泵腔5-1内注入；当给靠近第一流道3的电极层5-2接通外部直流电源正极，靠近第二流道4的电极层5-2接通外部直流电源负极时，泵腔5-1内靠近第一流道3的一端发生电浸润现象(即通过改变电极层5-2与电浸润液体之间的电势，进而来改变介电材料疏水层5-3与电浸润液体接触面的表面能，最终改变两者之间接触角的现象)；因此，泵腔5-1内的电浸润液体与电极层5-2的接触角变小，使得电浸润液体沿着泵腔5-1轴线方向向第一流道3运动，靠近第一流道3一端的泵腔5-1容积变小，在电浸润液体的推动下，将所需要泵送的液体从泵腔5-1中向第一流道3挤压，在单向流阻机构7的作用下，第一流道3的液体从宏观上形成向出液通道2方向流动；同时，靠近第二流道4一端的泵腔5-1随着电浸润液体的移动，泵腔5-1容积变大，将第二流道4的泵送的液体将吸入泵腔5-1。

当给靠近第二流道4的电极层5-2接通外部直流电源正极，给靠近第一流道3的电极层5-2接通外部直流电源负极时，泵腔5-1内靠近第二流道4的一端发生电浸润现象；此时，驱动电浸润液体沿着泵腔5-1轴线方向向第二流道4运动，靠近第二流道4一端的泵腔5-1容积变小，在电浸润液体的推动下，将所需要泵送的液体从泵腔5-1中向第二流道4挤压，在单向流阻机构7的作用下，第二流道4的液体从宏观上形成向出液通道2方向流动；同时，靠近第一流道3一端的泵腔5-1随着电浸润液体的移动，泵腔5-1容积变大，将第一流道3的泵送的液体将吸入泵腔5-1。当周期性的切换泵腔5-1两端的电极层5-2所接通的外部直流电源正负极时，驱动电浸润液体在泵腔5-1内来回往复的运动，微观上实现对第一流道3和第二流道4上的液体实现周期性的吸水和排水，在单向流阻机构7的作用下，在宏观上驱动了泵送的液体从进液通道1向出液通道2的方向流动，为输送液体提供动力作用。

实施例2

本实施例的其它结构与实施例1相同，不同之处在于：所述进液通道1、所述出液通道2、所述第一流道3、所述第二流道4、所述泵腔5-1以及所述锥形流道7-1的横截面为圆形。

实施例3

本实施例的其它结构与实施例1相同，不同之处在于：所述单向流阻机构7包括四个单向阀；四个所述单向阀分两组分别设置在所述第一流道3和所述第二流道4上，每组单向阀相对于所述泵腔5-1上下分布。通过设置单向阀，实现泵送液体的单向流动。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电浸润现象的双腔微泵，包括进液通道、出液通道、设置在所述进液通道与所述出液通道之间的第一流道和第二流道；所述第一流道和所述第二流道的一端均与所述进液通道连通，另一端均与所述出液通道连通；其特征在于，

所述第一流道与所述第二流道之间设有将所述进液通道的液体泵送至所述出液通道的电浸润动力机构；其中，所述电浸润动力机构包括泵腔、设置在所述泵腔内的电浸润液体、两个分别设置所述泵腔两端内壁上用于驱动所述电浸润液体在所述泵腔内来回移动的电极层以及设置在所述电极层外表面的介电材料疏水层；所述泵腔一端与所述第一流道中部连通，另一端与所述第二流道中部连通；

所述泵腔上设有用于补充和更换电浸润液体的换液结构，所述电浸润液体与泵送液体互不相溶；

所述第一流道和第二流道上分别设有使液体从所述进液通道向所述出液通道流动的单向流阻机构。

2.根据权利要求1所述的基于电浸润现象的双腔微泵，其特征在于，所述单向流阻机构包括四个锥形流道；四个所述锥形流道分两组分别设置在所述第一流道和所述第二流道上，每组锥形流道相对于所述泵腔上下分布，每个所述锥形流道的宽度向所述出液通道的方向逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的基于电浸润现象的双腔微泵，其特征在于，所述换液结构包括设置在泵腔上的换液孔以及与所述换液孔相互配合的换液盖。

4.根据权利要求3所述的基于电浸润现象的双腔微泵，其特征在于，所述换液盖与换液孔之间设有换液管，所述换液管一端连接在所述换液孔上，另一端与所述换液盖配合连接。

5.根据权利要求4所述的基于电浸润现象的双腔微泵，其特征在于，所述换液结构为两个，对称设置在所述泵腔的上下两端。

6.根据权利要求5所述的基于电浸润现象的双腔微泵，其特征在于，每个所述电极层都设有导线，所述导线穿过所述泵腔延伸至外部。

7.根据权利要求6所述的基于电浸润现象的双腔微泵，其特征在于，所述泵腔上设有电线孔，所述导线穿过所述电线孔与所述电极层连接。

8.根据权利要求7所述的基于电浸润现象的双腔微泵，其特征在于，两个所述电极层之间设有用于防止两者之间发生导电作用的阻隔垫。

9.根据权利要求8所述的基于电浸润现象的双腔微泵，其特征在于，所述阻隔垫为疏水材料。

10.根据权利要求9所述的基于电浸润现象的双腔微泵，其特征在于，所述进液通道、所述出液通道、所述第一流道、所述第二流道、所述泵腔以及所述锥形流道的横截面为矩形。

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