АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОНАСОС
ACOUSTIC ELECTRONIC MICRO-PUMP

Изобретение относится к средствам для перекачивания малых количеств жидкости и может быть использовано в приборостроении для перемещения малых объемов жидкости в микроаналитических системах. Известны электрокинетические (электроосмотические) микронасосы (A.Manz, C.S.Effenhauser, N.Burggraf, D.J.Harrison, K.Seiler, K.Fluri, Electroosmotic pumping and electrophoretic separations for miniaturized chemical analysis systems, J.Micromech. Microeng., 1994, v.4, pp.257-265. Chuan-Hua Chen, Juan Santiago, A Planar Electroosmotic Micropump, J.Electromechanical Systems, 2002, v.11. No.6, pp.672-683. Oliver Geschke, Henning Klank, Pieter Telleman, Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, Willey-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, Weinheim, 2004, pp.46-50), основанные на использовании эффекта образования двойного электрического слоя на границе раздела полярная жидкость - твердый диэлектрик. При наложении внешнего электрического поля на высокопористые тела, находящиеся в контакте с полярной жидкостью и обладающие развитой поверхностью такого контакта, имеет место небольшое смещение подвижной (диффузной) части двойного электрического слоя относительно его неподвижной (пристеночной) части, за счет чего происходит принудительное перемещение жидкости в направлении, параллельном внешнему электрическому полю. Такие микронасосы имеют ряд ограничений, главными из которых являются электролиз перекачиваемого раствора, что может привести к изменению его химического состава, а также образование пузырьков газов в непосредственном контакте с пористым телом, что может привести к ухудшению или прекращению перекачивания жидкости.
От указанных недостатков свободен электрокинетический микронасос [М.Moini, Р.Сао, A.J.Bard, Hydroquinone as a Buffer Additive for suppression of bubbles formed by Electrochemical oxidation, Anal. Chemistry, 1999, v.71, pp.1658-1661], при использовании которого в перекачиваемую жидкость вводятся микроколичества буферного вещества (например, гидрохинона), характеризующегося небольшими величинами окислительно-восстановительного потенциала и препятствующего электролитическому разложению воды или других газообразующих компонентов на электродах. Однако недостатком такого устройства является необходимость "загрязнения" перекачиваемой жидкости буферным веществом.
Другим аналогом является микронасос, свободный от указанных недостатков (Y.Takamura, H.Onoda, H.Inokuchi, S.Adachi, A.Oki, Y.Horiikc, Lowvoltage electroosmosis pump for stand-alone microfluidic devices, Electrophoresis, 2003, 24, pp.185-192.). В этом микронасосе в качестве электрода используется электропроводящий полимерный гель в контакте с металлической платиной. Вместо образования газов в результате электролиза в таком устройстве имеет место химическая перегруппировка органических веществ в составе полимерного геля. Однако недостатком такого устройства является то, что плотность электрического тока, которую можно обеспечивать с помощью таких электродов, настолько низкая, что устройство может быть использовано только для целей химического анализа с применением аналитических микрочипов. Однако общим недостатком всех перечисленных конструкций является использование в соединении нескольких разнородных материалов, имеющих разные температурные коэффициенты расширения, что может нарушить их работоспособность в широком диапазоне положительных и отрицательных температур.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является микронасос, состоящий из не менее чем одного акустоэлектронного преобразователя (JP 2006090155 A, 06.04.2006).
Насос состоит из пластины пьезоэлектрика с нанесенной на его поверхности встречно-штыревым преобразователем (ВШП) и профилированной в виде канала крышкой, соединенной с пластиной пьезоэлектрика. Данный микронасос работоспособен в широком диапазоне температур, вплоть до кристаллизации перекачиваемой жидкости. Недостатками этих микронасосов являются относительно большие размеры, обусловленные апертурой ВШП и составляющие единицы миллиметров.
Задачей настоящего изобретения является увеличение температурного диапазона и уменьшение габаритных размеров микронасоса.
Технический результат достигается тем, что в акустоэлектронном микронасосе, состоящем из не менее чем одного акустоэлектронного преобразователя, указанные акустоэлектронные преобразователи установлены на полой трубке, которая является звукопроводом.
Акустоэлектронный преобразователь может быть сформирован на торце трубки. На торце трубки может быть сформирована фаска.
Акустоэлектронный преобразователь может быть сформирован на внешней поверхности трубки и замкнут по направляющей трубки.
Акустоэлектронный преобразователь может быть не замкнут по направляющей трубки.
Трубка может иметь переменную толщину стенки в месте присоединения акустоэлектронного преобразователя.
Трубка может иметь отверстия на боковой поверхности.
Расположение акустоэлектронного преобразователя на полой трубке позволяет сформировать внутри трубки бегущую акустическую волну, которая и осуществляет перенос жидкости по трубке. Акустоэлектронные преобразователи, установленные на звукопровод, работоспособны в широком диапазоне температур, по крайней мере от минус 200 до плюс 200 град. С. При этом габаритные размеры определяются только внешним диаметром трубки и могут составлять доли миллиметра.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 приведены структура акустоэлектронного микронасоса с акустоэлектронным преобразователем на торце трубки.
на фиг.2 приведены структура акустоэлектронного микронасоса с фаской на торце трубки.
на фиг.3 приведены структура акустоэлектронного микронасоса с трубкой, имеющей переменную толщину стенки в месте присоединения акустоэлектронного преобразователя.
Акустоэлектронный микронасос (фиг.1, фиг.2, фиг.3) состоит из полой трубки 1, на которой сформированы не менее одного акустоэлектронного преобразователя 2.
Акустоэлектронный преобразователь может быть сформирован на торце трубки.
На торце трубки может быть сформирована фаска.
Акустоэлектронный преобразователь может быть сформирован на внешней поверхности трубки и замкнут по направляющей трубки.
Акустоэлектронный преобразователь может быть не замкнут по направляющей трубки.
Трубка может иметь переменную толщину стенки в месте присоединения акустоэлектронного преобразователя.
Трубка может иметь отверстия на боковой поверхности.
Трубка 1 может быть выполнена из стекла, пластмассы, а также сформирована методами травления в кристаллическом материале.
Формирование акустоэлектронного преобразователя может быть реализовано по технологии фотолитографии и травления.
Устройство работает следующим образом.
Акустоэлектронный преобразователь 2, сформированный на полой трубке 1, под действием поданного с генератора (на фиг.1, фиг.2, фиг.3 не показан) переменного напряжения совершает колебания с заданной частотой. Данные колебания, распространяясь в материале трубки 1, являются бегущими акустическими волнами. В зависимости от толщины стенки и материала трубки 1 могут быть реализованы различные типы волн: поверхностные волны Релея, волны Лэмба и др. Распространяясь вдоль внутренней поверхности трубки 1, бегущая волна взаимодействует с жидкостью и проталкивает жидкость внутрь трубки в направлении распространения бегущей волны. В случае, если акустоэлектронный преобразователь 2 формирует объемную акустическую волну, то распространяясь вблизи границы раздела сред или по тонкой поверхности (тонкой стенке трубки 1), данный тип волны будет трансформироваться и образует составляющие, взаимодействующие с материалом на внутренней поверхности трубки 1.
Таким образом, описываемый микронасос является устройством для перемещения малых объемов жидкости внутри полой трубки в широком диапазоне температур и имеет малые габариты.