一种被动式脉动流体滤波装置制造方法
【专利摘要】一种被动式脉动流体滤波装置，包括上基板、下基板、薄膜层，所述薄膜层设置于所述上基板、下基板之间，所述上基板、下基板、薄膜层之间密封贴合，所述上基板底部横向设置有用于流体流动的微通道，并且在所述微通道的两端分别开设有供流体流入的进口与供流体流出的出口，所述下基板纵向设置有通孔。本发明所揭示的被动式脉动流体滤波装置，可以使得流体的出口流速在较小的范围内波动，达到滤波的目的。
【专利说明】一种被动式脉动流体滤波装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及流体滤波领域，尤其涉及一种被动式脉动流体滤波装置。
【背景技术】
[0002]近年来，许多非机械泵被用于微流动系统的驱动部件中，这些非机械泵利用电流体驱动、电磁致动、电渗等原理，向外泵送微量、稳定的流体。然而，由于这些非机械泵有电场、磁场等直接作用在流体之上，只能泵送特定组分的溶液且生物相容性低，不适用于输出试剂体积的精确控制。
[0003]因而，利用压电元件(压电片或压电叠堆)作为换能器进行流体传输的压电泵，同于其具有结构简单、体积小、重量轻、驱动力大、低泄漏、响应时间短、耗能低、无噪声、无电磁干扰等优点，被广泛用于微流动系统的驱动部件中。通过流量传感器与压电泵的配合，建立压电泵闭环控制系统对于实现对压电泵输出试剂体积的精确控制具有重要的意义。
[0004]然而由于压电泵泵送的流体是脉动的，且在每个工作周期内受压电陶瓷的磁滞、蠕变等影响，泵送的流量并不相等，以及流量传感器的响应频率低等影响，传感器难以精确的检查流量。
[0005]针对现有技术中存在的上述问题，2005年卡内基梅隆大学的Bozhi Yang提出了一种用于稳定波动流动的结构，但是难以通过调节微通道的尺寸来调节滤波器所适应的流速范围。2007年MIT的Walker Inman制作了一种主动阀气动泵，并在泵的出口加入了由薄膜以及液阻组成的滤波单元，使气动泵泵出的脉动的流量得到滤波，然而这种方法需要使用过滤片来起到微通道的作用，而过滤片不便于集成到微系统中。2012年新加坡国立大学的Rensheng Deng等人采用储气器来缓冲流量的波动，然而储气器体积大，不适用于微系统。
[0006]因此，需要设计一种被动式脉动流体滤波装置，用于实现滤波。
【发明内容】
[0007]本发明解决的问题是一种被动式脉动流体滤波装置，用于实现滤波。
[0008]为解决上述问题，本发明揭示了一种被动式脉动流体滤波装置，包括上基板、下基板、薄膜层，所述薄膜层设置于所述上基板、下基板之间，所述上基板、下基板、薄膜层之间密封贴合，所述上基板底部横向设置有用于流体流动的微通道，并且在所述微通道的两端分别开设有供流体流入的进口与供流体流出的出口，所述下基板纵向设置有通孔。
[0009]优选地，所述薄膜层为PDMS薄膜层，所述上基板、下基板为玻璃基板。
[0010]优选地，所述PDMS薄膜层的弹性模量为750kPa，泊松比u为0.49。
[0011]优选地，所述薄膜层、上基板和下基板之间采用不可逆的密封工艺键合密封。
[0012]优选地，所述不可逆的密封工艺包括氧等离子体表面处理或紫外光表面照射处理。
[0013]优选地，所述微通道为矩形或梯形凹槽。[0014]优选地，所述通孔的半径为2?6mm。
[0015]优选地,所述通孔的半径为5mm。
[0016]与现有技术相比，本发明具有以下优点:本发明所揭示的被动式脉动流体滤波装置，包括上基板、下基板、薄膜层，所述薄膜层设置于所述上基板、下基板之间，所述上基板、下基板、薄膜层之间密封贴合，所述上基板底部横向设置有用于流体流动的微通道，并且在所述微通道的两端分别开设有供流体流入的进口与供流体流出的出口，所述下基板纵向设置有通孔。本发明所揭示的被动式脉动流体滤波装置，使用时，由压电泵输出的脉动流体从进口流入、从出口流出，当脉动流体的进口流速大于出口流速时，薄膜层在通孔处向下扩张形成容腔，并将流体储存在由薄膜层形成的容腔中，随着流体的储存量越大，容腔内流体压力也随之增大；当脉动流体的进口流速低于出口流速时，薄膜层在通孔处向上收缩，泵出容腔内的流体，容腔内压力减小，从而使得流体的出口流速在较小的范围内波动，达到滤波的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明优选实施例中被动式脉动流体滤波装置的立体分解图；
[0018]图2是本发明优选实施例中被动式脉动流体滤波装置的剖视图；
[0019]图3是当脉动流体的进口流速大于出口流速时的结构示意图；
[0020]图4是当脉动流体的进口流速低于出口流速时的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]现有的用于流体传输的驱动部件中，由于压电泵泵送的流体是脉动的，且在每个工作周期内受压电陶瓷的磁滞、蠕变等影响，泵送的流量并不相等，以及流量传感器的响应频率低等影响，传感器难以精确的检查流量。
[0022]鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明揭示了一种被动式脉动流体滤波装置，包括上基板、下基板、薄膜层，所述薄膜层设置于所述上基板、下基板之间，所述上基板、下基板、薄膜层之间密封贴合，所述上基板底部横向设置有用于流体流动的微通道，并且在所述微通道的两端分别开设有供流体流入的进口与供流体流出的出口，所述下基板纵向设置有通孔。
[0023]优选地，所述薄膜层为PDMS薄膜层，所述上基板、下基板为玻璃基板。
[0024]优选地，所述PDMS薄膜层的弹性模量为750kPa，泊松比为0.49。
[0025]优选地，所述薄膜层、上基板和下基板之间采用不可逆的密封工艺键合密封。
[0026]优选地，所述不可逆的密封工艺包括氧等离子体表面处理或紫外光表面照射处理。
[0027]优选地，所述微通道为矩形或梯形凹槽。
[0028]优选地，所述通孔的半径为2?6mm。
[0029]优选地,所述通孔的半径为5mm。
[0030]本发明所揭示的被动式脉动流体滤波装置，使用时，由压电泵输出的脉动流体从进口流入、从出口流出，当脉动流体的进口流速大于出口流速时，薄膜层在通孔处向下扩张形成容腔，并将流体储存在由薄膜层形成的容腔中，随着流体的储存量越大，容腔内流体压力也随之增大；当脉动流体的进口流速低于出口流速时，薄膜层在通孔处向上收缩，泵出容腔内的流体，容腔内压力减小，从而使得流体的出口流速在较小的范围内波动，达到滤波的目的。
[0031]下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述。
[0032]如图1、图2所示，本发明揭示了一种被动式脉动流体滤波装置，包括上基板2、下基板4、薄膜层3，薄膜层3设置于上基板2、下基板4之间，上基板2、下基板4、薄膜层3之间密封贴合，上基板2底部横向设置有用于流体流动的微通道1，并且在微通道I的两端分别开设有供流体流入的进口 11与供流体流出的出口 12，下基板4纵向设置有通孔5。
[0033]具体地，薄膜层3为PDMS薄膜层，上基板2、下基板4为玻璃基板。由于玻璃的特殊性质，其它材料与其表面键合就能形成封闭的腔体，一般有两种键合密封的方式:可逆密封和不可逆密封。由于固化后的PDMS薄膜表面本身具有一定的黏附力，因此在洁净的情况下可以不对它的表面作任何处理而直接与玻璃之间实现贴合，两片基底可以用外力撕开，而且能实现多次密封，清洗过后只要吹干就又可以使用。这个过程是可逆的，称为可逆的封装。但是由于这种密封方式靠的是分子间的相互作用力(即范德华力)，因此密封的强度不高，在微通道I内压力较大或流体流速高的情况下容易产生液体泄漏。在本发明优选实施例中，采用的是用氧等离子体表面处理或紫外光表面照射处理的方式实现PDMS薄膜层和玻璃之间永久性的密封，称之为不可逆的密封。在本发明优选实施例中，薄膜层3、上基板
2、下基板4之间采用不可逆的密封，其优点在于封装强度比较大，而且能显著改善PDMS薄膜表面的亲水性能。
[0034] 申请人:通过公式推导分析发现，通孔5的半径、薄膜层3的弹性模量以及泊松比三个参数、微通道I通道流阻、进口 11的不同频率对滤波装置的滤波性能存在影响。在分析出影响控制精度的因素基础上， 申请人:设计出由PDMS薄膜以及微通道构成的流体滤波装置，并对滤波装置的薄膜层3、微通道I进行理论分析，建立数学模型，并推导出薄膜层3变形的解析解。利用Comsol软件建立滤波装置的有限元模型，分别对薄膜层3变形以及微通道I流阻进行数值计算，并分析了微通道I流阻、泵驱动频率以及通孔5半径对滤波效果的影响。
[0035]通过大量的分析计算，在本发明优选实施例中，PDMS薄膜层3的弹性模量为750kPa，泊松比为0.49。并且，通过建模分析发现增大通孔5的半径可以显著的提高滤波效果，因此，在本发明优选实施例中，通孔5的半径为2?6mm。最优选地，通孔5的半径为5mm,当通孔5的半径达到5mm时，出口 12的波动幅值仅为进口波动幅值的1% (此时已经能够满足消除脉动的需要)。当然，在不考虑成本的前提下，通孔5的半径尺寸可以在下基板4允许的情况下，进一步选取数值较大的半径。
[0036]在本发明优选实施例中，微通道I为矩形或梯形凹槽。具体地，微通道I是通过激光加工刻蚀在上基板2底部形成的矩形或梯形凹槽，后经过与下基板4、薄膜层3键合形成封闭的矩形或梯形。矩形或梯形凹槽加工方便，可根据实际应用场合进行调整。微通道I的尺寸选择与进口 11处的流量频率、流体类型等参数有关，可以根据实际情况进行调整，使滤波效果达到最优。
[0037]本发明所揭示的被动式脉动流体滤波装置，使用时，如图3、图4所示，由压电泵输出的脉动流体从进口 11流入、从出口 12流出，当脉动流体的进口流速大于出口流速时，薄膜层3在通孔5处向下扩张形成容腔，并将流体储存在由薄膜层形成的容腔中，随着流体的储存量越大，容腔内流体压力也随之增大；当脉动流体的进口流速低于出口流速时，薄膜层3在通孔5处向上收缩，泵出容腔内的流体，容腔内压力减小，从而使得流体的出口流速在较小的范围内波动，达到精确控制流体体积的输出的目的。
[0038]本发明所揭示的被动式脉动流体滤波装置，结构简单，制造简便。
[0039]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种被动式脉动流体滤波装置，其特征在于:包括上基板、下基板、薄膜层，所述薄膜层设置于所述上基板、下基板之间，所述上基板、下基板、薄膜层之间密封贴合，所述上基板底部横向设置有用于流体流动的微通道，并且在所述微通道的两端分别开设有供流体流入的进口与供流体流出的出口，所述下基板纵向设置有通孔。
2.根据权利要求1所述的被动式脉动流体滤波装置，其特征在于:所述薄膜层为PDMS薄膜层，所述上基板、下基板为玻璃基板。
3.根据权利要求2所述的被动式脉动流体滤波装置，其特征在于:所述PDMS薄膜层的弹性模量为750kPa，泊松比为0.49。
4.根据权利要求2所述的被动式脉动流体滤波装置，其特征在于:所述薄膜层、上基板和下基板之间采用不可逆的密封工艺键合密封。
5.根据权利要求4所述的被动式脉动流体滤波装置，其特征在于:所述不可逆的密封工艺包括氧等离子体表面处理或紫外光表面照射处理。
6.根据权利要求1所述的被动式脉动流体滤波装置，其特征在于:所述微通道为矩形或梯形凹槽。
7.根据权利要求1所述的被动式脉动流体滤波装置，其特征在于:所述通孔的半径为2 ?6mm ο
8.根据权利要求7所述的被动式脉动流体滤波装置，其特征在于:所述通孔的半径为5mm ο
【文档编号】F04B43/04GK103953530SQ201410213804
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】陈立国, 贺文元, 吴宣, 潘明强 申请人:苏州大学