磁流体力学微泵的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种尺寸较小、可与便携式芯片集成的磁流体力学微泵。该磁流体力学微泵，包括基底，所述基底的下表面设置有平面型电磁铁，所述基底的上表面设置有基体，所述基体上刻蚀有微通道以及与微通道连通的储液池，在微通道的两侧设置有电极，所述电极溅射在基体的上表面，还包括用于将微通道密封的封装层，所述封装层上设置有注液口和电极接入孔。该磁流体力学微泵由于采用平面型电磁铁来产生磁场，代替了现有的三维电磁铁作为磁场源，从而使得制作的磁流体力学微泵的尺寸较小，更容易实现微型化，可与便携式芯片集成，而且，平面型电磁铁的加工更为简单，降低了磁流体力学微泵的加工制作成本。适合在非机械式微泵领域推广应用。
【专利说明】磁流体力学微泵
【技术领域】
[0001]本发明涉及非机械式微泵领域，具体涉及一种磁流体力学微泵。
【背景技术】
[0002]随着MEMS技术的成熟，微型化器件的制作成本逐渐降低，并且能够在同一芯片上集成多种功能的元器件，从而使得微型化器件越来越受到使用者的欢迎。微流体器件广泛应用于分析化学、医疗诊断、药物缓释、基因组学、蛋白质组学等研究领域，具有试剂用量少、污染物排放低、化学反应速度快、精确控制反应、便携性等优点。从2005年至2011年，微流体领域的市场值以每年16%的速度增长，截止2011年，整个微流体器件的市场值已经达到50亿欧元。微泵作为微流体器件的重要组成部分，其作用是实现流体的定量传输，从而使得在同一芯片上实现样品的流动、混合、分离、分析检测等功能。随着微流体器件领域的快速发展，微泵将占据巨大的市场价值。
[0003]微泵可分为机械类和非机械类两种。早期的微泵属于机械类微泵，是对宏观的机械泵的微型化。有阀机械类微泵存在着由于止回阀进口和出口端两侧具有高的压降，而引起阀门的磨损和疲劳问题。磨损和疲劳问题限制了机械类微泵的使用领域和使用寿命。无阀机械式微泵利用可移动的隔膜进行液体的抽吸，如压电晶体微泵、热气动微泵、静电微泵等。压电晶体微泵已经广泛地应用于生物医学领域，如药物缓释，定点治疗领域。但是压电晶体要求较高的驱动电压。静电微泵能够产生较高的流量，但是也需要较高的驱动电压。热气动微泵需要制作微型的加热器，并且抽吸效率较低。非机械类微泵不具有可移动部分，通常利用在宏观条件下忽视的微观效应，如毛细管效应、电湿润效应等。由于非机械类微泵的流量范围较小，通常在P l/min?ml/min范围，并且不存在微泵的磨损问题,不会对生物样品产生影响，因此非常适用于微流体系统领域，适用于生化药品的分析检测。目前常见的非机械类微泵有电渗微泵、电湿润微泵、磁流体力学微泵、气泡微泵、毛细管微泵等。已经实现商业化的主要是电渗微泵，但是电渗微泵只能抽吸导电性较低的溶液，并且需要较高的驱动电压。电湿润微泵、气泡微泵的加工较为复杂，成本较高。毛细管微泵产生的流量较小，仅适用于极微量的样品分析。磁流体力学是研究导电液体与电磁场相互作用的一门学科。最初，在等离子物理研究领域，磁流体力学广泛应用于抽吸和控制金属液体。磁流体力学微泵利用洛伦兹力作为抽吸机制。相比于其他的非机械类微泵，磁流体力学微泵具有驱动电压较小、加工过程简单、实现对液体的双向驱动、能够用于抽吸中等程度的导电液体，能够产生连续的流动，可用于抽吸生物样品，并能够与其他微流体器件进行集成等优点，可以广泛应用于化学领域、生物应用领域、微电子冷却等领域。磁流体力学微泵可分为直流型与交流型两种方式，直流型结构存在电解质溶液的电解问题和电极的降解问题。由于电解现象的存在，使得通道内产生大量气泡，从而增加了液体流动阻力。另外，电极的降解使得直流型磁流体力学微泵的使用寿命降低。目前的改进方法是采用氧化还原型溶液作为电解质溶液，从而在电极位置实现可逆的电化学反应。然而这种方法需要高浓度的氧化还原电解质溶液，从而对后期样品的检测产生较大干扰。采用交流方式的磁流体力学微泵可以有效解决电解及电极降解的问题。通过同时对电极和电磁铁施加交流电压，实现流体的定向流动。
[0004]磁流体力学微泵一般都是在微通道底部直接安装制作电磁铁结构，从而使通道内具有较强的磁场强度。现有的磁流体力学微泵的电磁铁结构通常都是采用三维电磁铁，而三维电磁铁体积较大，这就使得磁流体力学微泵尺寸较大，不容易实现微型化，不可以与便携式芯片集成,而且三维电磁铁加工复杂,也使得磁流体力学微泵的加工制作成本较高。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种尺寸较小、可与便携式芯片集成的磁流体力学微泵。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:该磁流体力学微泵，包括基底，所述基底的下表面设置有平面型电磁铁，所述基底的上表面设置有基体，所述基体上刻蚀有微通道以及与微通道连通的储液池，在微通道的两侧设置有电极，所述电极溅射在基体的上表面，还包括用于将微通道密封的封装层，所述封装层上设置有用于将液体注入储液池的注液口和电极接入孔。
[0007]进一步的是，在基底的下表面设置平面电磁线圈形成所述的平面型电磁铁。
[0008]进一步的是，所述基底的下表面沉积有绝缘层，所述绝缘层上开有通孔，所述通孔位于平面电磁线圈的中心，所述绝缘层上表面沉积有磁轭结构，所述磁轭结构在所述通孔处与平面电磁线圈的中心电接触。
[0009]进一步的是，在绝缘层的上表面沉积镍层形成所述的磁轭结构。
[0010]进一步的是，所述绝缘层采用二氧化硅制成。
[0011]进一步的是，所述封装层采用聚二甲基硅氧烷制成。
[0012]进一步的是，所述封装层的厚度为10?40μπι。
[0013]进一步的是，所述电极与基体的上表面之间沉积有钛层。
[0014]进一步的是，所述基体采用SU-8光刻胶制成。
[0015]进一步的是，所述电极为金电极。
[0016]本发明的有益效果:该磁流体力学微泵由于采用平面型电磁铁来产生磁场，代替了现有的三维电磁铁作为磁场源，从而使得制作的磁流体力学微泵的尺寸较小，更容易实现微型化，可与便携式芯片集成，而且，平面型电磁铁的加工更为简单，降低了磁流体力学微泵的加工制作成本，另外，本发明的电极设置在微通道的两侧，并且垂直于通道底部，使得两电极间形成均匀的电场，从而电场与磁场相互作用产生的洛伦兹力指向微通道的长度方向，极大限度地降低了由于洛伦兹力方向的分散导致的流体扰动，从而具备良好的抽吸效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明磁流体力学微泵的三维结构示意图；
[0018]图2为本发明磁流体力学微泵的电极结构示意图；
[0019]图3为本发明磁流体力学微泵的基体结构示意图；
[0020]图4为本发明磁流体力学微泵的封装层结构示意图；
[0021]图5为本发明磁流体力学微泵的平面电磁线圈结构示意图；[0022]图6为本发明磁流体力学微泵的磁轭结构示意图；
[0023]图中标记说明:基底1、基体2、微通道3、储液池4、电极5、封装层6、注液口 7、电极接入孔8、平面电磁线圈9、通孔10、磁轭结构11。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明。
[0025]如图1至6所示，该磁流体力学微泵，包括基底1，所述基底I的下表面设置有平面型电磁铁，所述基底I的上表面设置有基体2，所述基体2上刻蚀有微通道3以及与微通道3连通的储液池4，在微通道3的两侧设置有电极5，所述电极5溅射在基体2的上表面，还包括用于将微通道3密封的封装层6，所述封装层6上设置有用于将液体注入储液池4的注液口 7和电极接入孔8。该磁流体力学微泵由于采用平面型电磁铁来产生磁场，代替了现有的三维电磁铁作为磁场源，从而使得制作的磁流体力学微泵的尺寸较小，更容易实现微型化，可与便携式芯片集成，而且，平面型电磁铁的加工更为简单，降低了磁流体力学微泵的加工制作成本，另外，本发明的电极5设置在微通道3的两侧，并且垂直于通道底部，使得两电极5间形成均勻的电场，从而电场与磁场相互作用产生的洛伦兹力指向微通道3的长度方向，极大限度地降低了由于洛伦兹力方向的分散导致的流体扰动，从而具备良好的抽吸效率。
[0026]为了便于加工制作平面型电磁铁，作为优选的方式是在基底I的下表面设置平面电磁线圈9形成所述的平面型电磁铁，所述平面电磁线圈9的排列呈矩阵排列，并且平面电磁线圈9的尺寸恒定，所述平面电磁线圈9可以采用铁磁性材料制作，也可以由铜线圈或银线圈构成。
[0027]进一步的是，所述基底I的下表面沉积有绝缘层，所述绝缘层上开有通孔10，所述通孔10位于平面电磁线圈9的中心，所述绝缘层上表面沉积有磁轭结构11,所述磁轭结构11在所述通孔10处与平面电磁线圈9的中心电接触。通过设置磁轭结构11可以增强平面电磁线圈9的磁场强度，进一步增大了电场与磁场相互作用产生的洛伦兹力，从而增大磁流体力学微泵的抽吸能力。
[0028]为了使磁轭结构11能够最大限度的增强平面电磁线圈9的磁场强度，在绝缘层的上表面沉积镍层形成所述的磁轭结构11，镍为顺磁性材料，其相对磁导率为600，能够最大限度增强平面电磁线圈9产生的磁场强度，镍层通过磁控溅射的方法沉积在绝缘层的上表面。
[0029]所述绝缘层可以采用现有的各种绝缘材料制成，为了保证较好的绝缘效果，所述绝缘层采用二氧化硅或光刻胶制成。
[0030]所述封装层6采用聚二甲基硅氧烷制成，采用聚二甲基硅氧烷PDMS对微通道3进行密封，相比于玻璃，聚二甲基硅氧烷PDMS的硬度更低，有较好的机械柔韧性，当聚二甲基硅氧烷PDMS受到压力的作用时，由于其良好的柔韧性，能够对微通道3进行完整的密封，不存在死隙，从而保证良好的密封效果，另外，聚二甲基硅氧烷PDMS对光具有很好的透射性，因此方便通道内颗粒的检测,液体流动状况的监测。PDMS预聚物和固化剂以10:1的比例混合，对PDMS混合物进行前期处理，需充分去除混合溶剂中的气体，以旋涂的方式在玻璃晶片表面制作PDMS薄层，经固化后，通过在薄层上打孔，制作出注液口 7和电极接入孔8，并将PDMS进行氧等离子体处理70W, 75mtorr, 10s,使得表面为亲水性。[0031]在保证良好的密封效果的前提下，最大限度的降低成本，所述封装层6的厚度优选为10?40 μ m。
[0032]为了增强电极与基体2之间的粘附性，所述电极与基体2的上表面之间沉积有钛层，所述钛层的厚度约为IOnm即可。
[0033]为了便于加工微通道3，简化微加工流程，所述基体2采用SU-8光刻胶制成，由于SU-8光刻胶具有良好的机械性能及化学稳定性能，可以直接作为结构材料，从而简化微加工流程，在制作时只需在基底I上旋涂粘附剂，再旋涂SU-8光刻胶，进行特定图案的曝光显影过程，获得微通道3结构即可完成微通道3的加工制作，所述微通道3具有平滑的环形结构，减少了外部压力差的存在而造成的流速测量的干扰。
[0034]另外，所述电极5可以采用钼电极、铝电极等，作为优选的是:所述电极5为金电极。所述金电极采用如下方式制作而成，先以磁控溅射的方法溅射沉积一层约200nm厚的金层，然后通过对准、光刻的方法对金层进行图形制作，包括电极结构和引线结构，从而获得电学性能、均匀性良好的侧壁电极。
【权利要求】
1.磁流体力学微泵，其特征在于:包括基底(1)，所述基底(I)的下表面设置有平面型电磁铁，所述基底(I)的上表面设置有基体(2 )，所述基体(2 )上刻蚀有微通道(3 )以及与微通道(3 )连通的储液池(4 )，在微通道(3 )的两侧设置有电极(5 )，所述电极(5 )溅射在基体(2 )的上表面，还包括用于将微通道(3 )密封的封装层(6 )，所述封装层(6 )上设置有用于将液体注入储液池(4)的注液口(7)和电极接入孔(8)。
2.如权利要求1所述的磁流体力学微泵，其特征在于:在基底(I)的下表面设置平面电磁线圈(9 )形成所述的平面型电磁铁。
3.如权利要求2所述的磁流体力学微泵，其特征在于:所述基底(I)的下表面沉积有绝缘层，所述绝缘层上开有通孔(10)，所述通孔(10)位于平面电磁线圈(9)的中心，所述绝缘层上表面沉积有磁轭结构(11),所述磁轭结构(11)在所述通孔(10 )处与平面电磁线圈(9 )的中心电接触。
4.如权利要求3所述的磁流体力学微泵，其特征在于:在绝缘层的上表面沉积镍层形成所述的磁轭结构(11)。
5.如权利要求4所述的磁流体力学微泵，其特征在于:所述绝缘层采用二氧化硅制成。
6.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的磁流体力学微泵，其特征在于:所述封装层(6)采用聚二甲基硅氧烷制成。
7.如权利要求6所述的磁流体力学微泵，其特征在于:所述封装层(6)的厚度为10?40 μ m0
8.如权利要求7所述的磁流体力学微泵，其特征在于:所述电极(5)与基体(2)的上表面之间沉积有钛层。
9.如权利要求8所述的磁流体力学微泵，其特征在于:所述基体(2)采用SU-8光刻胶制成。
10.如权利要求9所述的磁流体力学微泵，其特征在于:所述电极(5)为金电极。
【文档编号】F04B19/00GK103573576SQ201310597265
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2013年11月21日
【发明者】永远, 李强 申请人:西南交通大学