激光誘導(dǎo)微泵的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種激光誘導(dǎo)微泵，其包括內(nèi)部設(shè)有泵腔的泵體、設(shè)于所述泵腔前端的出流口、與所述泵腔后端連通的補(bǔ)液腔、插入所述泵腔并延伸至泵腔前端部的光纖單體或光纖束。通過激光誘導(dǎo)空化微泵技術(shù)，利用激光聚焦于微流道內(nèi)液體介質(zhì)產(chǎn)生空化泡，利用空化泡生長和潰滅產(chǎn)生的流體推進(jìn)速度和推進(jìn)力驅(qū)動流體流動，使流體具有動能，克服粘附力和出流口的管道阻力，將泵腔中的流體擠壓從出流口推出。繼而空化泡潰滅空間收縮，在平衡壓力的推動下補(bǔ)液腔為泵腔補(bǔ)充流體，實(shí)現(xiàn)了流體在泵腔中的泵吸過程，進(jìn)一步通過激光多脈沖連續(xù)作用形成類似微泵的效應(yīng)，從而可以使用簡單的激光微泵裝置驅(qū)動流體微量流速可控地連續(xù)輸出。
【專利說明】激光誘導(dǎo)微泵

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種微泵，尤其涉及一種激光誘導(dǎo)微泵。

【背景技術(shù)】
[0002]微流控技術(shù)是指在至少有一維為微米甚至納米尺度的低維通道結(jié)構(gòu)中控制體積為皮升至納升的流體進(jìn)行流動并傳質(zhì)、傳熱的技術(shù)，屬于工程、物理、化學(xué)、生化、納米技術(shù)、生物技術(shù)等眾多學(xué)科交叉的【技術(shù)領(lǐng)域】。微流控芯片作為微流控技術(shù)的載體，通常為在一塊幾平方厘米的芯片上構(gòu)建的化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室。在微流控系統(tǒng)所需的功能單元中，微泵是采用不同的驅(qū)動方式在微通道的特定區(qū)域中形成整體定向流動的器件，因此微泵技術(shù)是驅(qū)動微流道中微流體運(yùn)動的一種關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]在微流控系統(tǒng)中，需要通過泵實(shí)現(xiàn)流體的驅(qū)動，通過閥控制流體，從而完成流控操作，這使得微流體驅(qū)動與控制操作單元極為重要。然而，在微觀系統(tǒng)條件下，表面張力的影響變得十分明顯，從工程意義上講，常規(guī)宏觀的流體體積流動的驅(qū)動方法在微管道中往往效果不好甚至是不可行的。目前用于微流體驅(qū)動的方法主要有兩種:(1)機(jī)械微型泵技術(shù)，是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為被驅(qū)動流體的流動動能。(2)基于電、光、磁等的非機(jī)械微型泵技術(shù)，把其它能量形式(電、光、磁、熱等)轉(zhuǎn)化或施加到被驅(qū)動流體，使之具有運(yùn)動動能。機(jī)械微型泵技術(shù)和基于電、光、磁等的非機(jī)械微泵技術(shù)，在一定程度上和特定應(yīng)用領(lǐng)域中，能夠有效地驅(qū)動微流道中微流體定向流動，從而促進(jìn)了微流控技術(shù)的發(fā)展。
[0004]目前，機(jī)械微型泵一般包含大量復(fù)雜的零部件，這些零部件要求具備高精度，在加工上存在較大的困難，泵的制造成本高；同時(shí)，機(jī)械微型泵零部件的裝配和集成跟傳統(tǒng)的宏觀裝配技術(shù)也存在很大的差異，在微觀尺度下，零部件的重力等體積力的作用越來越弱，而粘附力等表面張力則起著決定性的作用。因此，機(jī)械微型泵零部件加工和集成技術(shù)存在的瓶頸在一定程度上制約了其發(fā)展。而基于電、光、磁等的非機(jī)械微型泵技術(shù)，雖然不存在機(jī)械微型泵零部件的加工和集成問題，但是由于其涉及到電、光、磁、熱等能量轉(zhuǎn)化，只能工作在某系特定應(yīng)用領(lǐng)域，存在很大的局限性，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種可以驅(qū)動流體微量流速可控地連續(xù)輸出的激光誘導(dǎo)微泵。
[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)不足，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:一種激光誘導(dǎo)微泵，其包括內(nèi)部設(shè)有泵腔的泵體、設(shè)于所述泵腔前端的出流口、與所述泵腔后端連通的補(bǔ)液腔、插入所述泵腔并延伸至泵腔前端部的光纖單體或光纖束，所述光纖單體或光纖束的后端連接有激光器。
[0007]作為本實(shí)用新型激光誘導(dǎo)微泵的技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述泵體設(shè)有與出流口相對的端塞，所述端塞塞于所述泵體后端所開設(shè)的通孔，所述端塞具有供光纖單體或光纖束穿過并形成液封的穿孔。
[0008]作為本實(shí)用新型激光誘導(dǎo)微泵的技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述光纖單體或光纖束的前端朝向所述出流口。
[0009]作為本實(shí)用新型激光誘導(dǎo)微泵的技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述補(bǔ)液腔與所述泵腔相互垂直或連接形成銳角。
[0010]本實(shí)用新型的有益效果是:通過激光誘導(dǎo)空化微泵技術(shù)，利用激光聚焦于微流道內(nèi)液體介質(zhì)產(chǎn)生空化泡，利用空化泡生長和潰滅過程中產(chǎn)生的流體推進(jìn)速度和推進(jìn)力驅(qū)動流體流動，空化泡膨脹擠壓流體，使內(nèi)部壓力平衡的流體具有動能，克服粘附力和出流口的管道阻力，將泵腔中的流體擠壓從出流口推出。繼而空化泡潰滅空間收縮，在平衡壓力的推動下補(bǔ)液腔為泵腔補(bǔ)充流體，實(shí)現(xiàn)了流體在泵腔中的泵吸過程。進(jìn)一步通過激光多脈沖連續(xù)作用形成類似微泵的效應(yīng)，從而可以使用簡單的激光微泵裝置驅(qū)動流體微量流速可控地連續(xù)輸出，該微泵具有毫秒級反應(yīng)時(shí)間而且沒有復(fù)雜的活動零部件，可以廣泛應(yīng)用于微生物醫(yī)學(xué)、1218、微流道，甚至噴墨打印機(jī)等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本實(shí)用新型激光誘導(dǎo)微泵的實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012]下面對本實(shí)用新型的實(shí)施方式進(jìn)行具體描述。
[0013]如圖1所示，本實(shí)用新型一種激光誘導(dǎo)微泵，其包括內(nèi)部設(shè)有泵腔12的泵體10、設(shè)于所述泵腔12前端的出流口 11、與所述泵腔12后端連通的補(bǔ)液腔13、插入所述泵腔12并延伸至泵腔12前端部的光纖單體16或光纖束，所述光纖單體或光纖束的后端連接有激光器15。通過激光誘導(dǎo)空化微泵技術(shù)，使用激光器15發(fā)射激光束17并通過光纖導(dǎo)入激光束17至泵腔12的前端部，利用激光聚焦于微流道內(nèi)液體介質(zhì)產(chǎn)生空化泡18，利用空化泡18生長和潰滅過程中產(chǎn)生的流體推進(jìn)速度和推進(jìn)力驅(qū)動流體流動。空化泡18膨脹擠壓流體，使內(nèi)部壓力平衡的流體具有動能，克服粘附力和出流口的管道阻力，將泵腔12中的流體擠壓從出流口 11推出。繼而空化泡18潰滅空間收縮，在平衡壓力的推動下補(bǔ)液腔13為泵腔12補(bǔ)充流體，實(shí)現(xiàn)了流體在泵腔12中的泵吸過程。進(jìn)一步通過激光多脈沖連續(xù)作用形成類似微泵的效應(yīng)，從而可以使用較為簡單的激光微泵裝置驅(qū)動流體微量流速可控地連續(xù)輸出，該微泵具有毫秒級反應(yīng)時(shí)間而且沒有復(fù)雜的活動零部件，為解決微流體的驅(qū)動問題提供了一種全新思路。同時(shí)，由于該微泵不存在特殊領(lǐng)域應(yīng)用的局限性，可以廣泛應(yīng)用于微生物醫(yī)學(xué)、1218、微流道，甚至噴墨打印機(jī)等領(lǐng)域。
[0014]本實(shí)用新型的激光誘導(dǎo)空化微泵技術(shù)是利用激光聚焦于微流道內(nèi)液體介質(zhì)產(chǎn)生空化泡，在內(nèi)外壓差的作用下，空化泡會逐漸生長，生長到一定程度時(shí)，將發(fā)生潰滅現(xiàn)象，利用空化泡生長和潰滅過程中產(chǎn)生的流體推進(jìn)速度和推進(jìn)力驅(qū)動流體流動，進(jìn)一步可以通過激光多脈沖連續(xù)作用，連續(xù)不斷地推動微流道中流體流動，形成類似微泵的效應(yīng)。
[0015]更佳地，所述泵體設(shè)有與出流口相對的端塞，所述端塞塞于所述泵體后端所開設(shè)的通孔，所述端塞具有供光纖單體或光纖束穿過并形成液封的穿孔。圖中所示的激光由激光器發(fā)射，要求激光能量、脈沖頻率、激光光斑大小可調(diào)，實(shí)現(xiàn)空化泡18的大小和形成位置，空化過程中流體推進(jìn)速度和推進(jìn)力可控，以便通過優(yōu)化工藝有效控制激光誘導(dǎo)空化微泵驅(qū)動微流道中微流體流動的效果。
[0016]圖中所示的微泵體的泵腔12中盛放有工作液，激光由光纖引導(dǎo)聚焦到微泵體內(nèi)部的工作液中，誘導(dǎo)發(fā)生空化現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^改變工作液的類型(如水、甘油、水和甘油混合液等)來改變其性質(zhì)(如粘性、表面張力),進(jìn)一步研宄空化泡的動力學(xué)特性對微泵驅(qū)動微流體流動效果的影響，以便進(jìn)一步提高流體推進(jìn)速度和推進(jìn)力，從而優(yōu)化微泵的反應(yīng)時(shí)間和驅(qū)動效率。
[0017]圖中所示的微泵體，可以通過改變微泵體的形狀(如圓形、方形、三角形等)來改變其對空化泡的約束狀態(tài)，進(jìn)一步研宄空化泡在不同形狀微流道內(nèi)部的動力學(xué)特性，以便進(jìn)一步探索不同微流道形狀對流體推進(jìn)速度和推進(jìn)力的影響，找到最合適的微泵體形狀，使微泵獲得最優(yōu)的反應(yīng)時(shí)間和驅(qū)動效率。
[0018]圖中所示出流口 11，可以通過改變出流口的大小和形狀(如圓形、方形、三角形等)來改變其對空泡潰滅微射流的約束狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)出流口射流的流量、流速可調(diào)，甚至可做到單液滴出流的效果，實(shí)現(xiàn)各種不同工藝要求。
[0019]圖中所示光纖引導(dǎo)激光進(jìn)入微泵體內(nèi)部合適位置，減少了能量的損失，提高了能量的利用率。通過單路光纖引導(dǎo)激光進(jìn)入微泵體內(nèi)，聚焦誘導(dǎo)空化泡驅(qū)動工作液，使微泵體中產(chǎn)生單氣泡，從而精確控制流體流動，實(shí)現(xiàn)出流口 11工作液單液滴出流。激光也可以通過多路光纖在微泵體的泵腔12中形成空泡群來驅(qū)動流體運(yùn)動，加強(qiáng)微泵驅(qū)動微流體流動的效果，實(shí)現(xiàn)出流口 11工作液連續(xù)出流。
[0020]上述整個(gè)過程闡述了激光器發(fā)射激光，通過單路或多路光纖聚焦到微泵體內(nèi)工作液中產(chǎn)生單個(gè)空化泡或空化泡群，通過空化泡或空化泡群生長和潰滅過程中產(chǎn)生的推進(jìn)速度和推進(jìn)力驅(qū)動流體流動，提出了一種新型的微泵原理。激光誘導(dǎo)空化驅(qū)動流體流動包括兩種情況:第一種情況，當(dāng)激光脈沖的發(fā)射周期小于空泡的脈動周期時(shí)，在第一個(gè)空化泡處于振蕩階段時(shí)，激光器已經(jīng)發(fā)出第二個(gè)空化泡，第二個(gè)空化泡與第一個(gè)空化泡公共作用，繼續(xù)推動流體作用，形成連續(xù)的微泵效應(yīng)，同時(shí)，可以通過多路光纖形成空化氣泡群，從而加強(qiáng)連續(xù)推動效果；第二種情況，當(dāng)激光脈沖的發(fā)射周期大于空泡的脈動周期時(shí)，在激光器發(fā)出第二個(gè)空泡時(shí)，第一個(gè)空泡脈動可能已經(jīng)結(jié)束，流體處于穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)第二次空化過程產(chǎn)生的流體推進(jìn)速度和推進(jìn)力繼續(xù)驅(qū)動流體流動，形成脈動的微泵效應(yīng)，其脈動時(shí)間可以通過激光、液體和微流道等參數(shù)進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)和控制，同時(shí)，通過對出流口 11的有效控制，還可以實(shí)現(xiàn)流體單液滴出流。
[0021]將激光聚焦于微流道內(nèi)液體介質(zhì)產(chǎn)生空化泡，利用空化泡生長和潰滅過程中產(chǎn)生的流體推進(jìn)速度和推進(jìn)力驅(qū)動流體流動，由于空化泡的整個(gè)脈動周期相當(dāng)短，可以達(dá)到毫秒級甚至微秒級，相對其它類型的微型泵而言，其擁有毫米級反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，是其它類型微泵所無法比擬。該微泵不存在復(fù)雜的零部件和活動部件，并且擁有毫米級甚至微秒級的反應(yīng)時(shí)間，能夠級大地豐富和完善微流體非機(jī)械驅(qū)動技術(shù)體系，推動微流控芯片向更寬應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。
[0022]該方法空化泡由光學(xué)擊穿產(chǎn)生，通過控制光纖的位置，能夠精確控制激光聚焦到微流道內(nèi)部合適的位置產(chǎn)生空化泡。另外，通過調(diào)整激光束的能量和脈沖頻率，可以對空化泡的大小、能量密度以及空化產(chǎn)生的溫度、壓強(qiáng)、沖擊波強(qiáng)度和流體推進(jìn)速度、推進(jìn)力等因素進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)芯片中微尺度流體運(yùn)動的精確控制。與其他驅(qū)動控制技術(shù)不同的是，激光束可以容易的聚焦到幾個(gè)微米量級，適合50微米以下微流道中微流體的操控，使其在微納尺度流體輸送方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，這是其他非機(jī)械驅(qū)動技術(shù)如電驅(qū)動難以實(shí)現(xiàn)的。因此，其不存在應(yīng)用領(lǐng)域局限性的問題，能夠廣泛應(yīng)用于于微生物醫(yī)學(xué)、1213、微流道，甚至噴墨打印機(jī)等領(lǐng)域。
[0023]更佳地，所述光纖單體16或光纖束的前端朝向所述出流口 11，從而使得空化泡朝著出流口 11生長，產(chǎn)生的氣泡具有更多的朝向出流口 11的推動力，更易于將液體從出流口11推出。
[0024]更佳地，所述補(bǔ)液腔13與所述泵腔12相互垂直或連接形成銳角，更易于量連通的補(bǔ)液腔13與泵腔12維持內(nèi)部壓力平衡，在微振動驅(qū)動液體從出流口 11流出的同時(shí)，對補(bǔ)液腔13產(chǎn)生更少的壓力影響，氣泡產(chǎn)生的振動波未傳到補(bǔ)液腔就已經(jīng)被流體吸收消散，從而可以持續(xù)穩(wěn)定地補(bǔ)充流體。
[0025]以上所揭露的僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本實(shí)用新型之權(quán)利范圍，因此依本實(shí)用新型申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本實(shí)用新型所涵蓋的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種激光誘導(dǎo)微泵，其特征在于：包括內(nèi)部設(shè)有泵腔的泵體、設(shè)于所述泵腔前端的出流口、與所述泵腔后端連通的補(bǔ)液腔、插入所述泵腔并延伸至泵腔前端部的光纖單體或光纖束，所述光纖單體或光纖束的后端連接有激光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光誘導(dǎo)微泵，其特征在于：所述泵體設(shè)有與出流口相對的端塞，所述端塞塞于所述泵體后端所開設(shè)的通孔，所述端塞具有供光纖單體或光纖束穿過并形成液封的穿孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光誘導(dǎo)微泵，其特征在于：所述光纖單體或光纖束的前端朝向所述出流口。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光誘導(dǎo)微泵，其特征在于：所述補(bǔ)液腔與所述泵腔相互垂直或連接形成銳角。
【文檔編號】F04B19/00GK204253302SQ201420727337
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】郭鐘寧, 黃詩彬, 印四華, 羅紅平, 黃志剛, 江樹鎮(zhèn), 陳鐵牛, 楊洋, 唐勇軍 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)