Бесклапанный мембранный микрофлюидный насос
VALVELESS DIAPHRAGM MICROFLUIDIC PUMP

Изобретение относится к медицинским насосным устройствам для перекачивания малых количеств жидкости и может быть использовано как портативное нательное устройство для дозированной доставки лекарств или портативной лаборатории-на-чипе.
Известен бесклапанный двухкамерный микрофлюидный насос (МФН) на основе актюатора из ионного полимер-металлического композита (ИПМК-актюатора) в качестве мембраны (CN203272085U, опубл. 06.11.2013), корпус которого состоит из двух деталей с полостями, образующими вместе с ИПМК-актюатором две первичные насосные камеры. Между ИПМК-актюатором и каждой деталью корпуса находится уплотнитель, повторяющий контур стенок деталей корпуса. В каждой детали корпуса имеются два отверстия на противоположных стенках разного диаметра. В отверстие с бóльшим диаметром установлена деталь с гидродиодом бóльшим отверстием во внутрь корпуса, а в отверстие с меньшим диаметром установлена деталь с гидродиодом меньшим отверстием во внутрь корпуса. К противоположным отверстиям деталей с гидродиодами установлены детали с входным и выходным портами. Соединения всех деталей произведены с использованием материала для уплотнения. Внутри каждой первичной насосной камеры отверстия деталей с гидродиодами соединены вторичной насосной камерой из эластичного материала. Обе первичные насосные камеры наполнены жидкостью для пропитки ИПМК-актюатора. Под действием переменного управляющего напряжения ИПМК-актюатор деформируется, создавая повышенное давление в одной первичной насосной камере и пониженное давление в другой первичной насосной камере. Изменение давления в первичных насосных камерах приводит к изменению объема вторичных насосных камер благодаря эластичности насосных камер, что способствует созданию потока рабочей жидкости через вторичные насосные камеры. Выпрямление потока рабочей жидкости осуществляется четырьмя деталями с гидродиодами. Наличие двух вторичных насосных камер, поочередно работающих в насосном режиме и режиме накачки, позволяет удвоить объем перекачиваемой рабочей жидкости.
Недостатками известного бесклапанного двухкамерного МФН на основе ИПМК-актюатора в качестве мембраны являются низкая надежность и сложность сборки, обусловленные большим количеством деталей и соединительных узлов, требующих дополнительной герметизации.
Известен поршневой МФН на основе ИПМК-актюаторов в качестве мембран (CN203272034U, опубл. 06.11.2013), конструкция которого содержит: базовую пластину корпуса с отверстиями, в которые установлены детали с входным и выходным портами, внутри которых установлены пружинные клапаны; основную деталь корпуса, установленную на базовую пластину корпуса с проложенным по контуру внешних стенок основной детали корпуса уплотнителем, в которой имеются полости, образующие с базовой пластиной корпуса первую, вторую и третью насосные камеры, и полости под ИПМК-актюатор (горизонтальные перегородки, разделяющие полость под ИПМК-актюатор и насосную камеру, имеют отверстие, в которое вставляется шток поршня; вертикальные перегородки между первой, второй и третьей насосными камерами имеют отверстия, через которые осуществляется поток жидкости); первый, второй и третий поршни, находящиеся в первой, второй и третьей насосных камерах соответственно; штоки первого, второго и третьего поршней, которые соединены с первым, вторым и третьим ИПМК-актюаторами, жестко закрепленными к основной детали корпуса по контуру вырезов для полостей под ИПМК-актюаторы. При подаче управляющего напряжения на первый, второй и третий ИПМК-актюаторы с заданной задержкой, ИПМК-актюаторы начинают деформироваться и двигать поршни, вслед за движением которых изменяются объем насосных камер и давление в насосных камерах. Поочередное изменение давления в насосных камерах создает поток жидкости из входного порта в выходной порт, а выпрямление потока обеспечивается пружинными клапанами, ход которых определяется направлением конусообразного сечения деталей с входным и выходным портами.
Недостатками известного поршневого МФН на основе ИПМК-актюаторов в качестве мембран являются: пониженная степень деформации ИПМК-актюаторов, обусловленная дополнительной и увеличивающейся со временем эксплуатации силой трения поршней о стенки насосных камер и большой силой тяжести, действующей на поршни; сложность изготовления конструкции и снижение ее надежности, обусловленные наличием множества деталей соединяющих их узлов, а также наличием пружинных клапанов и поршней, которые изнашиваются со временем; быстрое ухудшение рабочих характеристик насоса, обусловленное деградацией ИПМК-актюатора за счет потери со временем пропитывающей его жидкости.
Известен бесклапанный эластичный МФН на основе ИПМК-актюаторов (CN109899272A, опубл. 18.06.2019), конструкция которого содержит: основную деталь корпуса в форме силикагелевой пластины со сквозной полостью, входным и выходным гидродиодами и входным и выходным портами; насосную камеру, образованную полостью основной детали корпуса и эластичными мембранами с обеих сторон, к которым с внешней от насосной камеры стороны присоединены в соответствующем порядке первые электроды в форме кольца, ИПМК-актюаторы в форме диска с отверстием по центру в форме лепестков и вторые электроды в форме кольца; пластины из полидиметилсилоксана, которыми накрывается описанная выше конструкция с обеих сторон. Приложенное переменное напряжение к электродам приводит к деформации ИПМК-актюаторов, которые деформируют эластичные мембраны, изменяя тем самым объем насосной камеры и давление в насосной камере и создавая поток рабочей жидкости через насосную камеру.
Недостатками известного бесклапанного эластичного МФН на основе ИПМК-актюаторов являются: сложность изготовления ИПМК-актюаторов, обусловленная особой формой ИПМК-актюаторов в виде диска с отверстием в форме лепестков; быстрое ухудшение рабочих характеристик насоса, обусловленное износом ИПМК-актюаторов за счет потери со временем пропитывающей их жидкости.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является бесклапанный мембранный МФН на основе ИПМК-актюатора (V.E. Kalyonov, Y.D. Orekhov, A.N. Shahabdin, A.P. Broyko, D.O. Testov. Valveless Microfluidic Pump Based on IPMC Actuator for Drug Delivery // 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 2020, pp. 1531–1534, https://ieeexplore.ieee.org/document/9039419). Корпус МФН состоит из четырех деталей из поликарбоната и полиметилметакрилата. Первая деталь корпуса содержит входной и выходной порты, которые могут быть подключены к внешним резервуарам. Вторая деталь корпуса содержит входной и выходной гидродиоды. Полость, расположенная в третьей детали корпуса, вместе с приклеенной латексной мембраной образует насосную камеру. Полость, расположенная в четвертой детали корпуса, вместе с приклеенной латексной мембраной образует актюаторную камеру. В четвертой детали корпуса имеется канал для заполнения актюаторной камеры водой, в которую погружен ИПМК-актюатор, один конец которого жестко зафиксирован между электродами, соединенными с проводами, что позволяет преодолеть проблему дегидратации ИПМК-актюатора. Кусок двусторонней клейкой ленты помещен под латексную мембрану в центре, где второй конец ИПМК-актюатора соединен с латексной мембраной. Для герметизации проложены резиновые уплотнители по контуру. Таким образом, МФН может работать в непрерывном режиме.
Недостатком известного бесклапанного мембранного МФН на основе ИПМК-актюатора является изменение объема актюаторной камеры и давления в актюаторной камере при деформации латексной мембраны под действием ИПМК-актюатора, что приводит к уменьшению амплитуды отклонения ИПМК-актюатора, тем самым снижая надежность работы и срок службы МФН, а также скорость потока жидкости.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности работы и срока службы бесклапанного мембранного МФН на основе ИПМК-актюатора, а также повышение скорости потока жидкости.
Поставленная техническая задача решается тем, что в бесклапанном мембранном микрофлюидном насосе, содержащем корпус, стенки которого образованы жесткосоединенными между собой деталями, входной и выходной порты, расположенные в первой детали корпуса, входной и выходной гидродиоды, насосную камеру, уплотнители, актюаторную камеру с ИПМК-актюатором внутри, один конец которого соединен с рабочей мембраной, расположенной между насосной и актюаторной камерами, а второй – жестко зафиксирован между электродами, соединенными с проводами, выполненными с возможностью подключения к генератору, входной и выходной гидродиоды расположены в первой детали корпуса, насосная камера образована внутренней полостью первой детали корпуса и рабочей мембраной, а между второй и третьей деталями корпуса размещена компенсирующая мембрана, причем актюаторная камера образована внутренней полостью второй детали корпуса, рабочей и компенсирующей мембранами, а внутренняя полость третьей детали корпуса и компенсирующая мембрана образуют воздушную камеру с отверстиями.
Формирование объема актюаторной камеры между эластичными мембранами (рабочей и компенсирующей) обеспечивает постоянный объем актюаторной камеры и постоянное давление в актюаторной камере за счет того, что при деформации рабочей мембраны под действием ИПМК-актюатора компенсирующая мембрана деформируется аналогично рабочей за счет своей эластичности. Поддержание постоянного объема актюаторной камеры и постоянного давления в актюаторной камере позволяет стабилизировать амплитуду отклонения ИПМК-актюатора, что повышает надежность работы и срок службы МФН, а также скорость потока жидкости.
Совокупность признаков по п. 2, характеризующая бесклапанный мембранный микрофлюидный насос, в котором все детали корпуса выполнены методом 3D-печати фотополимерной смолой, обеспечивает уменьшение габаритных размеров насоса, так как такой способ изготовления позволяет изготовлять детали и структуры на них малых размеров.
Сущность изобретения поясняется фигурами, где
на фиг. 1 изображена конструкция МФН;
на фиг. 2 изображен чертеж МФН в поперечном разрезе;
на фиг. 3 изображен чертеж МФН в продольном разрезе;
на фиг. 4 приведена расчетная геометрия входного и выходного гидродиодов;
на фиг. 5 показаны зависимости скорости потока воды от частоты синусоидального управляющего напряжения;
на фиг. 6 показана зависимость скорости потока воды от амплитуды синусоидального управляющего напряжения при частоте 0,4 Гц;
на фиг. 7 показана зависимость обратного давления при перекачивании воды от амплитуды синусоидального управляющего напряжения при частоте 0,4 Гц.
Бесклапанный мембранный МФН (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) содержит: первую деталь 1 корпуса, внутренняя полость которой вместе с рабочей мембраной 2 образует насосную камеру 3; входной и выходной гидродиоды 4 и 5, входной и выходной порты 6 и 7; вторую деталь 8 корпуса, внутренняя полость которой вместе с рабочей 2 и компенсирующей 9 мембранами образует актюаторную камеру 10, внутри которой расположен ИПМК-актюатор 11, представляющий собой консольный элемент, один конец которого соединен с рабочей мембраной 2 с помощью петли 12, а второй – жестко зафиксирован между электродами 13 и 14, соединенными с проводами 15; третью деталь 16 корпуса, внутренняя полость которой вместе с компенсирующей мембраной 9 образует воздушную камеру 17 с отверстиями 18; уплотнители 19 и 20.
ИПМК-актюатор 11 представляет собой трехслойную структуру, состоящую из пористой полимерной ионообменной мембраны и нанесенных на ее поверхность металлических электродов.
Для изготовления деталей корпуса 1, 8 и 16 предпочтительно применение аддитивных технологий с использованием фотополимерной смолы в качестве материала для 3D-печати.
Оптимальным решением для работы МФН является использование рабочей и компенсирующей мембран 2 и 9 без натяжения. Материалом для рабочей и компенсирующей мембран 2 и 9 служит эластичный материал, например латексная резина.
Соединение ИПМК-актюатора 11 с рабочей мембраной 2 может быть обеспечено приклеиванием к рабочей мембране 2 пластиковой петли 12, в которую вставлен ИПМК-актюатор 11.
Актюаторная камера 10 заполнена водой на этапе сборки насоса.
В качестве материала уплотнителей 19 и 20 может использоваться упругий эластичный материал, например, резина на основе изопренового каучука.
Электроды 13 и 14 имеют поперечный изгиб с сечением в форме полукольца, в который вставлена жила провода 15. Данная конструкция позволяет сделать электроды 13 и 14 подвижными, чтобы упростить установку ИПМК-актюатора 11 между ними. Также каждый электрод 13 и 14 имеет площадь, занимающую примерно треть площади электродов ИПМК-актюатора 11. Это способствует лучшему распределению электрического потенциала по электродам ИПМК-актюатора 11 и, как следствие, увеличению амплитуды отклонения ИПМК-актюатора 11.
Воздушная камера 17, образованная внутренней полостью третьей детали 16 корпуса и компенсирующей мембраной 9, позволяет компенсирующей мембране 9 свободно прогибаться в направлении вниз вдоль оси 21, а отверстия 18 обеспечивают постоянство давления, равного давлению во внешней среде, в воздушной камере 17.
Устройство работает следующим образом.
Электроды 13 и 14 выполнены с возможностью подсоединения проводами 15 к генератору синусоидального напряжения 22, от которого подается синусоидальное управляющее напряжение. Зафиксированный между электродами 13 и 14 ИПМК-актюатор 11 под действием синусоидального управляющего напряжения изгибается таким образом, что соединенная с рабочей мембраной 2 подвижная часть ИПМК-актюатора 11 двигается периодически вдоль оси 21 в направлении вниз и вверх в соответствии с частотой синусоидального управляющего напряжения. Вслед за подвижной частью ИПМК-актюатора 11 деформируется соединенная с ним рабочая мембрана 2, что приводит к периодическому изменению давления в насосной камере 3. Изменение давления в насосной камере 3 создает поток жидкости через входной порт 6, насосную камеру 3 и выходной порт 7. Выпрямление потока жидкости осуществляется входным и выходным гидродиодами 4 и 5.
Увеличение напряжения между электродами 13 и 14 так, что изменяемый потенциал электрода 13 оказывается отрицательным относительно постоянного потенциала электрода 14, приводит к тому, что ИПМК-актюатор 11 изгибается и его подвижная часть, соединенная с рабочей мембраной 2, движется вниз вдоль оси 21. Изгиб рабочей мембраны 2 вниз вдоль оси 21 приводит к увеличению объема насосной камеры 3, что способствует уменьшению давления в насосной камере 3 и накачке жидкости в насосную камеру 3, что соответствует режиму питания насоса. Через входной гидродиод 4 в насосную камеру 3 входит больший объем жидкости, чем через выходной гидродиод 5.
Увеличение напряжения между электродами 13 и 14 так, что изменяемый потенциал электрода 13 оказывается положительным относительно постоянного потенциала электрода 14, приводит к тому, что ИПМК-актюатор 11 и его подвижная часть, соединенная с рабочей мембраной 2, движется вверх вдоль оси 21. Изгиб рабочей мембраны 2 вверх вдоль оси 21 приводит к уменьшению объема насосной камеры 3, что способствует увеличению давления в насосной камере 3 и вытеснению жидкости из насосной камеры 3, что соответствует режиму накачки насоса. Через входной гидродиод 4 из насосной камеры 3 выходит меньший объем жидкости, чем через выходной гидродиод 5.
Изгиб рабочей мембраны 2 приводит к изгибу компенсирующей мембраны 9, что позволяет сохранять объем актюаторной камеры 10 и увеличивает амплитуду отклонения ИПМК-актюатора 11.
Изменение производительности насоса осуществляется двумя способами: уменьшением или увеличением частоты синусоидального управляющего напряжения в диапазоне 0…2 Гц; уменьшением или увеличением амплитуды синусоидального управляющего напряжения в диапазоне 0…10 В.
Пример реализации устройства.
В качестве ИПМК-актюатора 11 использована структура размерами 8 × 3 × 0,3 мм, состоящая из мембраны МФ-4СК и платиновых электродов, нанесенных на поверхность мембраны химическим восстановлением из раствора соли платины.
Детали 1, 8 и 16 корпуса выполнены методом 3D-печати фотополимерной смолой.
Использованы рабочая и компенсирующая мембраны 2 и 9 без натяжения, выполненные из латексной резины.
Использованы уплотнители 19 и 20, выполненные из резины на основе изопренового каучука толщиной 0,8 мм.
Габаритные размеры предлагаемого бесклапанного мембранного МФН составляют 19 × 20 × 8 мм.
r
R
L
r
R
L
Входной и выходной гидродиоды 4 и 5 имеют следующие геометрические характеристики (фиг. 4):  = 0,15 мм, α = 9,46°,  = 0,35 мм,  = 1,2 мм, где  – радиус малого сечения, α – угол раскрытия,  – радиус большого сечения,  – продольная длина.
Исследования скорости потока воды и обратного давления проводились при подаче синусоидального управляющего напряжения в диапазоне частот 0,1…1,6 Гц и в диапазоне амплитуд 1…10 В.
Из фиг. 5 видно, что максимальные скорости потока воды достигаются на частоте 0,4 Гц при обеих амплитудах синусоидального управляющего напряжения (5 В – кривая 23, 8 В – кривая 24). Также видно, что при увеличении амплитуды синусоидального управляющего напряжения скорость потока нелинейно увеличивается при работе на тех же частотах. При дальнейшем увеличении частоты скорость потока уменьшается, и, чем выше амплитуда синусоидального управляющего напряжения, тем быстрее уменьшается скорость потока.
Из фиг. 6 видно, что скорость потока воды увеличивается с ростом амплитуды синусоидального управляющего напряжения, что обусловлено тем, что при большем приложенном напряжении ИПМК-актюатор 11 изгибается сильнее и вытесняет больший объем воды из насосной камеры 3.
Из фиг. 7 видно, что обратное давление при перекачивании воды увеличивается с ростом амплитуды синусоидального управляющего напряжения, что обусловлено тем, что при большем приложенном напряжении ИПМК-актюатор 11 давит на рабочую мембрану 2 с большей силой.
В результате проведенных исследований было обнаружено, что максимальная скорость потока воды, которую развивает предлагаемый МФН, составляет 7,18 мкл/с при амплитуде синусоидального управляющего напряжения 10 В и частоте 0,4 Гц, в то время как прототип характеризуется максимальной скоростью 5,33 мкл/с. Максимальное обратное давление, создаваемое предлагаемым МФН при перекачивании воды, составляет 531 Па.