专利名称：一体化微流体泵的制作方法一般的生物医学分析包括样品预处理、混合反应和分离检测三个基本步骤，将这三个分析步骤集成在一个微流体分析系统中，以代替传统的实验室工作，这就是实验室芯片(Lab-on-a-chip)或者叫微型全分析系统(Micro Total Analytical System，μTAS)。这种微流体系统由微流体泵、微阀、微控制器、微混合反应器、毛细管电泳等微流体元器件以及连接它们的微流体通道网路组成。生化分析是流体在微系统中连续流动过程中完成的，微流体泵是提供液体连续流动的动力元件。机械式微泵有压电、静电、热驱动、气动、超导和记忆合金等多种形式，其中压电微流体泵应用最广，其压电片在交变电场作用下驱动硅膜周期性振动，进而改变泵腔的体积和压强，在控制阀的引导下，驱动流体产生定向流量。早期的有阀微流体泵制造复杂，寿命短，成本高。无阀微流体泵采用微扩散管代替可关闭的控制阀门，它最大程度地减少可动的机械部件，由于微扩散管两个流动方向的流体能量变化规律和流动阻力不同，扩散方向的流体流量大于收缩方向的流量，一个周期的平均流量不为零，这使得无阀压电微流体泵具有定向导流能力。微泵进出口无需压强差。由于其结构简单、运行可靠、易加工、成本低的优点，无阀压电压电微流体泵在微分析系统中大量使用，见[1]谢海波，陈远玲.微型无阀泵的数值仿真与参数设计，流体机械，2000，30(1)11-14；[2]谢海波，陈远玲.微型无阀泵的流动特征仿真与实验研究，机械工程学报，2002，38(7)54-57；[3]Anders Olsson，G?ran Stemme，Erik Stemme.Numerical and experimental studies of flat-walled diffuser elements forvalve-less micropumps[J].Sensors and Actuators.A，2000，84165-175；[4]Jiang X.N，Zhou Z.Y.Micronozzle/diffuser flow and its applicationin valve-less pumps[J].Sensors and Actuators.A，1998，7081-87；[5]Amos Ullmann，Ilan Fono and Yehuda Taitel.A Piezoelectric Valve-LessPump-Dynamic Model[J].Journal of Fluids Engineering.2001，12392-98；[6]Amos Ullmann and Ilan Fono.The Piezoelectric Valve-LessPump-Improved Dynamic Model[J].Journal of MicroelectromechanicalSystem，2002，11(6)655-664；[7]Amos Ullmann.The piezoelectricvalve-less pump performance enhancement analysis[J].Sensors andActuators.A，1998，6997-100；[8]Anders Olsson，Goran Stemme andErik Stemme.A valve-less planar fluid pump with two pump chambers[J].Sensors and Actuators A，1995，47549-556.934-44。生物溶液和化学试剂的混合反应是生化分析的一个重要步骤。在微流体分析系统中，液体流动速度很低，一般属于低雷诺数层流流动。如果液体混合依靠分子自身扩散来完成，效率很低。实现高效率的液体混合是生化分析的关键。在微系统中，液体混合反应一般在单独的混合反应腔进行的。为了提高液体混合效率，可以利用机械或电磁周期扰动，在混合腔制造“混乱”流动状态提高液体混合的效果，见[9]Johnson T.J.，Ross D，Locascio L.E.，Rapid microfluidic mixing，Anal.Chem.，7445～51，2002，[10]Rife J.C.，Bell M.I.，Kim W.J.，et al.，Miniaturevalveless ultrasonic pump and mixers，Sensors and Actuators，Aphysical，86135～140，2000，[11]Yang Z.，Goto H.，Matsumoto M.，et al.，Activemicromixers for microfluidic systems using lead-zirconate(PZT)-generatedultrasonic vibration，Electrophoresis，21116～119，2000，[12]Liu H.R.，Stremler M.A.，Sharp K.V.，Olsen M.G，Santiago J.G，Atrian R.Aref J.，H.，Beebe D.J.，Passive mixing in a three-dimensional serpentinemicrochannel，J.MEMS，9190～197，2000；[13]Bertsch A.，Heimgartner S.，Conssean P.，Renand P.，Static micromixers based on larger-scale industrialmixer geometry，Lab.On a Chip，156～60，2000；[14]Gobby D.，AngeliP.，Gavriilidis A.，Mixing characteristics of T-type microfluidic mixers，J.Micromechanics，Microengineering，11126～132，2001。其缺点是必须提供附加机电扰动装置，增加微分析系统结构复杂性和生产成本。目前微分析系统中的微泵大多只具有流体驱动单一功能，如专利申请号02153470一种具有新型高频阀的压电泵，专利申请号02117352高频阀压电泵及其泵腔设计方法，专利申请号02275088多腔压电薄膜驱动泵，专利申请号02132855多腔压电薄膜驱动泵，专利申请号200410043699无阀微泵及其封装方法，专利申请号03264486带无移动部件的单向阀的微泵，专利申请号03137756带无移动部件的单向阀的微泵，专利申请号03116069带悬挂T字型阀膜微阀的单片型单向液体微泵，专利申请号02150822双片型单向液体微泵及其制造方法，均是单一的流体驱动功能微泵，不涉及液体混合、化学反应多功能问题。
本实用新型提出一种一体化微流体泵，集流体驱动、混合，化学反应多功能为一体，让生物溶液和化学试剂溶液在流经微泵泵腔的同时，完成混合和化学反应，即一泵多用，从而省去单独的混合反应腔结构，以使得微分析系统结构大为简化，降低成本。本实用新型的一体化微流体泵，包括硅基片和与其键合的封底玻璃片，其特征在于所述硅基片上采用光刻方法制备泵腔及与其连通的两个进口扩散管通道、一个出口扩散管通道；硅基片的表面开有液体进水孔和液体出水孔，分别与两个进口扩散管通道及出口扩散管通道的末端连通；硅基片表面正对泵腔位置粘贴有压电片；封底玻璃片泵腔位置粘贴有电加热金属片。所述的多功能一体化微流体泵，其进一步特征在于所述两个进口扩散管通道相对于出口扩散管通道的方向均匀分布；两个进口扩散管通道的矩形截面从泵腔到进口端面逐渐收缩；所述出口扩散管通道的矩形截面从泵腔到出口端面逐渐扩大。
本实用新型让生物溶液和化学试剂溶液在流动经过微泵泵腔的同时，完成混合和化学反应，即一泵多用。从而省去单独的混合反应腔结构，这使得微分析系统结构大为简化，降低成本。采用本实用新型，微分析系统的成本可望降低20％～30％，并具有更好的工作可靠性。
采用计算流体动力学CFD软件FLUENT对本实用新型进行数值模拟，结果显示泵腔内部流动状态非常混乱，表明这种微流体泵同时具备非常有效的液体驱动和混合功能。


图1为本实用新型的正面剖视图；图2为本实用新型的俯视图。

如图1和图2所示采用光刻，蚀刻方法在硅基片11上制备泵腔8、第一进口扩散管通道1、第二进口扩散管通道2和出口扩散管通道3；在硅基片的进出口处钻液体进水孔4，液体出水孔5；使用环氧树脂将压电片6粘贴在硅膜7上；用环氧树脂将电加热金属片9粘贴在封底玻璃片10上；最后硅基片11-封底玻璃片10键合；封底玻璃片10采用医用玻璃Pyrex。
工作原理微流体泵液体进水孔4和上游的生物溶液，化学试剂溶液储存腔连接，圆形压电片6上下表面连接交变电源，在交变电场作用下激发圆形硅膜7上下周期性振动，使泵腔8的体积和压强周期性变化，驱动液体交替排出和吸入，同时使液体在泵腔内上下翻滚，自然形成非常“混乱”的流动状态，这有利于液体充分混合。由于进口扩散管通道1、2的吸入流量大于排出流量，出口扩散管通道3的排出流量大于吸入流量，这使得微泵具有定向导流能力。同时生物溶液和化学试剂溶液分别通过进口扩散管通道1、2进入泵腔8，在“混乱”的流动状态下实现充分混合和进行化学反应。电加热金属片9连接电源加热，化学反应要求的温度由电加热金属片9控制。最后混合反应生成物溶液由出口扩散管通道3排出，液体出水孔5下游连接分离检测部件(如毛细管电泳分离通道)。微泵流量大小由外加电场的电压和频率来控制。化学反应速度由流量大小和电加热金属片温度控制。