[发明专利]纳米磁性液体微致动泵

说明书

技术领域

本发明涉及纳米磁性液体材料和MEMS(微机电系统)的交叉技术领域，尤其是一种使用纳米磁性液体作为致动介质的微泵。

背景技术

纳米磁性液体(magnetic fluid)也称磁流体或铁磁流体，它是通过表面活性剂将纳米级磁性颗粒均匀地分散于某种液态载体之中，所形成的一种稳定的“固液”两相胶体悬浮液。磁性液体不但保持了载液的流动性，而且在外加磁场作用下能迅速地被磁化，当外磁场取消后磁性又能立即消失，表现出优良的超顺磁性，是一种理想的液体磁性材料。

磁性液体最突出的特性是能够接受外加磁场的作用和控制，并且其许多物理性质随外磁场的变化而有较大变化，在航天、电子、机械、能源、化工、仪表、环保、医疗等许多领域都能提供一些新颖的解决方案，甚至在旋转轴密封、减振器阻尼、角度传感器等方面已有成熟的产品问世。

近年来，以微加工技术为基础的MEMS研究进展迅速，由此带动了微流体系统的发展。在生物医学分析、化学分析、医药分析等领域，均需要可以向微系统提供微量样本且可精确控制流量(μL/min级)的微型泵。作为分析系统中的一个关键部件，微型泵的应用大大缩短了系统分析的时间。自从美国斯坦福大学的Smits和Wallmark于1980年首次研制成功一种压电驱动、蠕动式微机械泵以来，微型泵一直是MEMS研究的热点。

微型泵主要由泵体、出入口和致动器等部分组成，而致动方式已成为微型泵能否实用化的关键技术。目前，微型泵的致动方式主要有静电力致动、压电效应致动、热气致动、形状记忆合金致动和电磁致动等。其中，静电产生的压力与电极施加的电压的平方成正比，与电极间的距离的平方成反比，工作时不仅需要较高的电压，压力的提高也受到致动器的位移量(行程)的限制。压电效应致动所需的驱动电压较高，导致驱动电路复杂和庞大，也不利于降低功耗。热力致动响应速度较慢，导致驱动频率难以提高，因此限制了微型泵的流量。形状记忆合金致动虽能获得较高的压力和较长的行程，但却难以精确控制位移量。如果利用磁性液体能够被磁场控制，又具有良好流动性的特点，以其作为微型泵的致动源，有可能开发出一种性能更好的新型MEMS执行器来。

关于磁性液体致动微泵的研究主要有以下一些成果：

Greivell等设计了一种磁性液体移液管，原理是在微管道的周围布置一套组合电磁线圈，通过控制电磁线圈的间隔通断产生交替磁场，使微管道内的磁性液体蠕动前行或后退完成吸液和送液。该装置结构简单，易于实现，但是只能输送磁性液体或者以磁性液体为载体的介质。

Park Gwan Soo等对上述磁性液体移液管的结构进行了改进，在增加电磁线圈数量的同时，在微管道的内部同轴安装了一根橡胶薄膜圆管，橡胶管与微管道在端口处密封，两者之间填充磁性液体。同样通过控制微管道外壁周围的电磁线圈的间隔通断产生交替磁场，使薄膜内的磁性液体产生蠕动变形，从而达到连续输送样本液体的目的。该装置尽管解决了所输送液体介质必须导磁的问题，但其外部的电磁线圈组及控制部件仍然限制了其进一步微型化。

Hatch等人则在微管道的上方布置一“十”字形磁铁，使其中的磁性液体在磁场作用下聚集成与磁铁相同的“十”字形叶片。当微型电机带动磁铁旋转时，磁性液体叶片也随之旋转，从而推动被输送液体由入口流向出口。此种设计虽然缩小了装置，但缺点是只能输送与磁性液体不相溶且不会发生化学反应的液体，而当外磁场的旋转速度超过一定值时，磁性液体叶片的旋转可能无法跟上外磁场的旋转速度，会产生旋转相位的落后而导致磁性液体叶片形状变形。

综观上述这些研究成果，研究者们都认识到了磁性液体用于微致动中的可行性，并且从结构上提出了一些新颖的设计方案，尝试使用纳米磁性液体作为致动介质实现了液体微量输送的目的，但在泵的微型化以及如何与MEMS系统集成方面研究尚不深入。

发明的内容

技术问题：本发明的目的是提供一种纳米磁性液体微致动泵，以纳米磁性液体为致动介质，以硅片为基底的微泵，使其在实现液体微量输送的基础上，达到微型化，从而易于和其他MEMS器件集成得到实用的MEMS微流体器件。