（热能工程专业论文）毛细力梯度表面上蒸发驱动的微流动实验研究.pdf

a b s t r a c t m i c r o p u m pi sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fm i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) a n di tc o u l df i n da p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d so fe n v i r o n m e n tt e s t i n g ，b i o t e c h n o l o g ya n d i n s t r u m e n t a t i o nf o r a n a l y t i c a lc h e m i s t r y i nt h i sp a p e r , w ed e s c r i b et h ed e s i g n ， f a b r i c a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fan o v e lm i e r o p u m pt h a t d e l i v e r sc o n t i n u o u s ，u l t r a l o wf l o wv e l o c i t i e sa t0 - 5 5 1 a l m i n ag r a d i e n tc a p i l l a r ys u r f a c e i s p a t t e r n e ds u c ht h a tt h eg a p sb e t w e e nm i c r o p o s t sr e d u c eg r a d u a l l ya w a yf r o mt h e c e n t e rm i c r o w e l lt os u r f a c ee d g e ，b yw h i c hac a p i l l a r yf o r c eg r a d i e n tf o r m e dt ot r a n s p o r t t h el i q u i d c o n t i n u o u s l yc o m b i n i n gw i t ht h et r a c t i o ne f f e c to fs u r f a c ee v a p o r a t i o n v a r i o u sf a c t o r sa f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep u m pw e r es t u d i e da n dt h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n sa l o n gw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e d l u oj i a ( t h e r m a lp o w e r e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f d ux i a o z e k e y w o r d s ：m e m s ，m i c r o p u m p ，p h a s ec h a n g e ，f l o wr a t e 目录i i 主要符号表i v 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 微型泵的研究进展和应用2 1 3 微型泵目前存在的问题3 1 4 本论文的设计思想和主要研究内容4 第二章微型泵热力学分析6 2 1 微尺度热力学分析考虑因素6 2 2 数学模型分析7 2 3 求解思路l l 2 4 结果分析1 3 2 5 本章小结1 8 第三章微型泵的加工与装配1 9 3 1 微泵本体的制备1 9 3 2p d m s 微通道的制备2 3 3 3 微型泵的装配2 4 3 4 本章小结2 6 第四章微泵的性能测试2 7 4 1 仪器与试剂2 7 4 2 铂电阻阻值的测量2 7 4 3 实验装置2 8 4 4 实验结果及讨论2 9 4 5 本章小结3 3 第五章结论3 5 5 1 主要研究工作3 5 5 2 主要创新点和不足之处3 5 参考文献3 7 致谢4 l i i 华北电力人学硕+ 学位论文 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 2 华北电力人学硕士学位论文 主要符号表 i v m e m s 是微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 的简称，也称为 微机械( m i c r o m a c h i n e ) 或微系统( m i c r o s y s t e m ) ，它是在微电子技术基础上发展 起来的，融合了硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术。m e m s 一词最早出现 在1 9 8 9 年，是通过单片或多片集成技术实现的包括微传感器、微执行器、微结构、 微机械和电路的一种系统【l 训。 m e m s 技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的 元件和系统。对于传统的“机械学”来说，m e m s 技术不仅为之打开了“微尺寸 新领域的大门，也是真正实现机电一体化的开始。因此，m e m s 技术被认为是微电 子技术的又一次革命，对2 l 世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量都会有深 远的影响。具体说来，m e m s 技术具有以下的特点【5 】： ( 1 ) 微型化 m e m s 器件尺寸在毫米到微米范围之内，区别于一般宏，即传统的、大于1 厘 米尺度的“机械 ，但并非进入物理上的微观层次。质量轻、功耗低、惯性小、谐 振频率高、响应时间短。 ( 2 ) 集成化 采用m e m s 工艺，可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或 执行器集成于一体，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成 可制造出高可靠性和高稳定性的微电子机械系统。 ( 3 ) 以硅为主要材料，机械电器性能优良 硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。 ( 4 ) 批量生产 利用硅微加工工艺可以在同一硅片上同时制造出成百上千个微型机电装置或 完整的m e m s ，这大大降低了成本，同时提高了产率，因此有利于实现m e m s 产 品的工业化规模经济。 ( 5 ) 多学科交叉 m e m s 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等 学科，并集约了当今科学发展的许多尖端成果【5 】。 除以上所述，m e m s 在流体学领域也有着巨大的应用前景，随着人们努力实现 完全微型化的流体控制系统，m e m s 在这一领域的应用越来越重要。微流体控制技 华北电力人学硕十学位论文 术是指在特征尺度为微米到纳米量级的结构( 微通道、微腔等) 中对微量流体进行 移动、存储和操作的一项新兴技术，实现如定位，定量注样、泵、阀等功能。微流 体控制系统的应用包括化学分析、生物和化学传感、药物输送、分子识别、核酸的 合成，环境监测等【5 1 。 微流控系统是m e m s 中最具市场潜力的一部分，有着广泛的军民两用前景，因 而受到各国政府、科研单位和企业界的高度重视。作为m e m s 的一个组成部分，微 流控系统同样具有集成化和批量生产的特点，同时由于尺寸小，可以减小流动系统 中的无效体积，降低能耗和试剂用量，而且响应速度快，因此在生物、医疗、军事、 工业控制和环保等领域具有广阔的应用前景【6 _ 8 1 。 1 2 微型泵的研究进展和应用 流体驱动是微流控技术的基础，因此作为流体驱动元件的微流量泵( 简称微泵) 是实现微流体控制系统的前提和基础，微泵的发展水平直接影响到微流控分析系统 的整体性能。除可用于微流体控制系统以外，微泵还可以用于微透析，研究动物生 理活动与其体内物质之间关系；针对目前某些需要长期微量供药的疾病，实施微量 注射既可提高疗效又可减少病人痛苦；微泵还可以作为微型航天器的微型推进器。 除此之外，在微量配给仪器、毛细管电泳仪、芯片冷却等许多方面可以使用微型泵。 目前关于微型泵的研究很多，但只有少数几种实现了商品化并应用到了相关领域， 而且大都局限于国外的少数几家研究机构。国内的研究相对落后，距离实用化还有 很长的路要走岭j 。 微流体驱动和控制的种类和技术有很多，采用的原理和形式也不尽相同。按原 理来分，可分为压力驱动、水电力驱动、电渗驱动、热驱动、离心力驱动、表面张 力驱动等；按有无可动部件，又可分为有阀和无阀控制【9 1 。 微机械泵的研究首先于1 9 8 0 年在斯坦福大学开始，这部分工作后来被s m i t h 报道。第一台基于薄膜的往复运动驱动流体的微机械泵是在1 9 8 8 年由荷兰t w e n t e 大学的v a nl i n t e l 等提出的。该泵由一个压电陶瓷驱动的泵膜以及入口阀和出口阀 组成，这种泵经过改进后被用于太空实验中，为生物反应腔中的细胞提供新鲜介质。 1 9 9 3 年瑞典斯德哥尔摩c h a l m e r s 大学的e s t e m m e 和g s t e m m e 等提出了一种无阀 微机械泵。l9 9 5 年，一种可以向前向后两个方向驱动流体的微机械泵被z e n g e r l e 等 提出。1 9 9 6 年德国的s t e h r 等提出了被称为v a m p ( v a l v ea n dm i c r o p u m p ) 的装置。这 种装置既可以当作主动阀使用，也可以当作能够两个方向工作的微泵使用【1 0 】。我国 学者同样对微驱动机理和应用进行了大量前沿性探索，包括清华大学精密仪器系对 基于m e m s 技术的微型薄膜泵的研究j ；浙江大学的谢海波等对微型薄膜驱动泵 收缩扩散口流动特性的仿真【1 2 l ：清华大学李志信研究组对基于合成喷原理的无阀 2 华北电力人学硕+ 学位论文 微型泵研究以及对基于气泡气塞作用的相变型热驱动泵的研究【1 3 。1 4 】；中科院热物理 所的刘登瀛等对激光步进加热的热驱动泵的研究1 5 1 等。 1 3 微型泵目前存在的问题 微型泵应用在微型全分析系统中，除了要具备向系统提供微量样本、以及对流 量精确控制的基本功能外，为了实现微流控芯片功能的高度集成化和特定的分离分 析目的，还应满足以下要求：能够为系统连续、稳定和无脉冲地在较大的量程范围 内输送纳、微升级的流量；没有活动部件、结构简单，易于在硅基芯片上集成，以 及较少控制参数、控制参数和流量间具有良好的线性关系等。尽管研究者对微驱动 机理进行了大量有价值的探索，但针对在微型全分析系统中的应用，目前的微驱动 方式还存在一些不足，包括： ( 1 ) 微机械泵所能提供的流量和压力非常有限，很难用于实际流体的驱动， 而且微机械泵中包含微型可动部件，制作工艺复杂，价格昂贵。 ( 2 ) 一般微泵的性能较差，存在背压低、泄露和死体积等诸多问题。而且微 机械泵的启动注水问题仍然是一大难点。 ( 3 ) 绝大多数有阀泵只能以一定的频率输送脉动流量；一些无阀微型泵因为 采用微喷或合成喷结构，产生的流量同样是脉动值。 ( 4 ) 薄膜微型泵工作的寿命及可靠性与膜片的性能密切相关。由于存在阀门 和膜片等机械可活动部件，运行可靠性会受到影响；另外，由于一些膜片材料的特 殊性，使得一些薄膜微泵的制作工艺与i c 工艺的兼容性比较差，不利于微型泵在 硅基芯片上的集成。 ( 5 ) 电液、磁液和电渗驱动泵尽管具有没有活动部件和流量稳定的优点，但 需要量级在- k v e m 范围的驱动电压，以及对输送的流体具有特殊要求，比如磁流 体等，限制了其应用。 ( 6 ) 相变型微型泵和热驱动泵最大的问题在于难于有效抑制样品温度，容易 造成样品因温度过高而发生变性。 ( 7 ) 由于样品本身热容和热惯性的影响，应用相变驱动或热驱动方式，控制 参数和流量间的线性关系要受到影响，流量对控制参数改变的响应速度比较低，增 加了调控的复杂性。 基于蒸发抽吸作用的相变型微型泵可以较好的满足微流控：签片所要求的流量 连续稳定、结构简单、辅助部件少等条件；同时，对材料没有特殊要求，容易在硅 基芯片上集成；采用毛细作用驱动流体流动，可以将微型泵置于分析系统的后端， 放宽了对样品温度和种类的限制。可见，如果与m e m s 技术相结合，基于毛细蒸发 的微驱动方式在微型全分析系统中具有巨大的应用潜力。但目前的微驱动方式仍然 3 华北 乜力人学硕十学位论文 存在连续工作时问短、影响参数多、控制复杂等问题。另外，相变条件下，壁面上 可能出现的微气泡会对液相的微流动特性产生重要影响【16 1 ，因此，对于相变型微型 泵，在初始状态下促进液体充满流道尤其重要。 1 4 本论文的设计思想和主要研究内容 生物学上，存在很多利用毛细效应产生的压力梯度、在很小的驱动势下对流体 进行连续输送的例子，比如植物叶片对根系水分的蒸腾作用，人体的血液循环系统 等。可以推断，如果利用毛细压力梯度作为流体传输的辅助驱动力，结合气液弯月 面上的蒸发作用，则同样可以利用较小的能量输入实现对流体的连续输送和控制。 为此，我们提出了通过微结构变化产生毛细力梯度的辅助蒸发驱动概念，以解决目 前相变型微型泵连续工作时间短、控制复杂，以及微空间内液体铺展困难等问题。 如图1 1 所示，这种微驱动方式由毛细力梯度微结构表面1 以及隔热槽2 组成，具 有紧凑的模块结构，可以方便的集成在芯片上。被输送的流体通过模块中心的微孔 3 ( 相当于植物叶片的叶柄) 进入微结构表面l 上，利用微加工技术，在表面l 上 造成间距从中心到边缘逐渐加密的微柱体阵列结构，液体在这些微柱阵列间流动 时，由于微柱间隙的变化，气液界面上的毛细压力发生变化，从而在液体内部产生 从中心微孔3 到表面边缘的压力梯度，促使液体充满表面1 的柱列间隙( 类似于叶 片上逐渐变密的叶脉对水分的输送作用，如图1 2 ) 。如果没有外部热源，液体将在 表面l 的边缘位置( 最外层柱列的外侧) 滞止下来，形成平衡状态。如果其中的液 体发生表面蒸发，将破坏平衡状态，则会有液体从储液池4 通过微孔3 补充进来， 形成对储液池内液体的抽吸作用。由于微泵底部的良好绝热效果，几乎所有施加到 微泵上的热量都被用于液体蒸发，这就意味着液体流量与加热功率之间有一个良好 的线性关系，因此，此泵能通过改变其加热量对流量进行精确的控制。 图1 1 微泵t 作原理图 4 论分析结果优化设计微泵并合理设置实验流程。 ( 2 ) 实验部分，采用底部传导加热方式，微泵本体中同时制备加热器及温度 传感器用于提供热量及温度检测；同时在p d m s 材料中制备微通道，并制作刻度标 识，以利于显微镜下观察气泡的运动。在热态条件下，通过测量气泡的流速获得加 热功率对微泵流量的影响规律，并与理论分析结果进行比较。 5 华北电力人学硕： ：学位论文 第二章微型泵热力学分析 2 1 微尺度热力学分析考虑因素 微纳米技术的发展很快，器件的构件尺寸进一步减小，以及微纳米激光加工 的特征时间的缩短( 1 0 2 s 1 0 。5 s ) ，都对传统的流体力学和传热学提出了挑战，迫 切要求弄清空间和时间微细尺度条件下流动和传热的特点和规律1 1 7 】。当结构尺度微 细化后，其流动和传热的规律已明显不同于常规尺度条件下的流动和传热现象。也 就是说，当研究对象微细到一定程度以后，物体的特征尺度缩小至与载体粒子等的 平均自由程同一量级时，基于连续介质假设而建立的许多宏观概念和规律就需要重 新考虑。研究发现，流动和传热的实验结果严重地偏离了经典理论的计算值，流体 的流速、过冷度、微槽道的数目和尺寸的改变都会影响微槽道中的传热特性【l 黏”】。 单相微细尺度流动与传热的尺度效应及其物理机制的深入研究发现，尺度微细 化后，流动与传热的尺度效应的物理机制可以分为两大类：一类是连续介质假定仍 然适用，n s 方程仍然成立，但由于尺度的减小导致物体的面积比增大，与表面积 相关的影响因素的作用增强，与体积相关的影响因素的作用减弱，引起影响流动与 传热的各种作用力( 或影响因素) 的相对重要性发生了变化，从而导致新的现象与 规律：另一类是当尺度减4 , n 与粒子的平均自由程相当时，k n 数很大，此时，常规 尺度下采用的连续介质假定、n s 方程等不再适用，需要考虑尺度减小导致k n 增 大的稀薄气体效应。目前，m e m s 所涉及的微尺度传热属于第一类【2 5 。 速度滑移也是微流动中经常需要考虑的问题。“速度滑移 是指流体在固体表 面流动时流体和表面之间在界面处的切向速度差，如图2 1 所示。流体流动和表面 的切向速度相等时即为常规流体力学中常采用的无滑移边界条件。 n o a l i p 茂z h = 2 h 二、u 岱j f x _ - l 一 二l 二i | 二7 s l i p ， 苏3 h 图2 1 速度滑移示意图 6 华北电力人学硕十学位论文 参考1 8 2 3 年n a v i e r 提出了在流体力学中广泛应用的宏观流体流动控制方程， 在边界上流体流动相对固体表面存在很小的速度滑移也是允许的，即n a v i e r 边界条 件【2 8 】： 以- - - - u ，一“。= 丘誓i 。， ( 2 1 ) l 7 z 式中“。滑移速度； 厶滑移长度； 液体流动在固体表面的滑移长度。和液体分子的直径相当。速度滑移引起液体 微米尺度流动摩擦阻力系数相对常规尺度无滑移流动的减小仅为0 1 8 ，而通道尺 度为1 0 n m 时的变化会达到1 4 8 t 2 9 1 。 存在于微通道中的气泡对液体微流动具有显著的影响，在微通道中的气泡或浸 没于液体中或附着在管壁上，其对微流动的影响也是不同的。当气泡浸没于液体中 时，由于表面张力产生的表面压差相互抵消，不产生附加压力而影响液体的流动。 但由于气泡跟随液体一起流动，所以随着压力的变化，气泡的体积将发生变化；当 气泡附着于管壁时，由于表面张力的作用，气泡将保持不动，但会使流道截面积减 小，流动阻力增加，而且附着于管壁的气泡随流动状态的变化，时而沿着管壁移动， 时而破灭，导致流动的不稳定。因此，对于微通道中的液体流动排除气泡的影响非 常重要【6 1 。 本论文研究的对象也需要从流动与传热的尺度效应的物理机制，微流动中是否 出现滑移现象等方面入手，分析相变微型泵的数学模型。同时在实验中还要注意气 泡的影响，控制好参数，避免气泡的产生。 2 2 数学模型分析 蒸发相变型微型泵在相变条件下，毛细蒸发的微驱动方式使得微型泵中流体流 动，实现连续工作。对于本文研究的相变型微型泵，建立数学模型的主要依据是微 尺度条件下的流动和传热。这里所研究的微尺度条件指的是泵体模型的微槽道尺度 与槽道中流体分子、粒子尺度问的相对关系。借此分析微槽道中流体流动的连续性 和n s 方程等的适用情况。 建立微型泵数学模型对应的实体物理模型的微柱体排列方式如图2 2 所示。从 微尺度条件的角度进行分析，微柱体| 日j 距由中心孔向外侧递减。汽液界面的蒸发作 用由于间距变化导致汽液界面上压力变化，产生不平衡因素，从中心孔到表面边缘 形成压力梯度，中心孔毛细压力梯度对液体产生抽吸作用，液体由中心孔向外流动。 选取微元体结构如上图阴影部分面积所示，流体的局部流动示意图如图2 3 ，入口 流速为“和出1 2 1 流速为坼。 7 华北电力人学硕士学位论文 一一一一一一一一一一一一一一一7 i ：口口口口口口口口口口口口 i 口口口口口口口口口口口口口 图2 - 2 微型泵柱体排列示意图 图2 3 流体流动局部示意图 液体流动的影响参数和微槽道中的控制是本节研究的主要内容。本文通过实体 泵流量的测量，分析流量与壁温之间的关系，用于微型泵流体流动参数的控制。这 样需要建立流体流动的质量方程和动量方程，由于在微尺度下，面积体积比的急剧 变化，会导致不同于宏观条件下的超常特性，建立方程前需要进行连续性和速度滑 移的分析。根据资料分析1 2 9 1 ，液体流动在固体表面的滑移长度和液体分子的直径相 当。例如水分子的直径为0 2 9 n m 。因此，对于液体流动来讲，滑移长度本身为纳米 量级，速度滑移对微米尺度下液体流动的影响仍不大，但是对纳米通道内的液体流 动会有至关重要的影响。这里所建立的微槽道模型尺寸在十几微米到几十微米之 8 华北电力人学硕十学位论文 间，根据研究资料，可以看作是没有滑移的流动模型。而且对于微米量级的微槽道 分析，流体可以看作是连续介质。因此我们可以进行以下假设： ( 1 ) 边界条件中滑移问题不需要考虑； ( 2 ) 液体在这个尺度下是连续的； ( 3 ) 液体为单相层流流动，无内热源； ( 4 ) 粘性耗散热是不需要考虑的； ( 5 ) 流体微流动中没有气泡的影响； ( 6 ) 微泵底部绝缘性能良好，施加在其上的热量全部用于液体蒸发，即加热 量与流量间呈线性关系。 在以上假设的基础上，分析微型泵中的流动问题，选用微元分析的方法，建立 微型泵的数学模型。所选用的微元体如图2 2 阴影部分面积所示，为了方便阅读， 阴影部分局部放大图如图2 4 所示。 r 、 。y i y i l 脊獭獠觞一一l 图2 - 4 微型泵微元体局部放大图 阴影部分面积作为微元控制单元，建立方程。从此单元入口( 角标i ) 到出口( 角 标i + 1 ) 处的动量方程可表示为： 嘲川坼川一嘲 ，坼j = 易4 j 一易川彳m 广弓以 ( 2 2 ) 式中廊，；控制体的入口质量流量。 t h “+ 。控制体的出口质量流量； ”，微元体入口速度； 坼，+ 。微元体出口速度； 瓦平均剪切应力； 根据质量守恒定律，液体的质量流量减少源自液膜的表面蒸发作用： i 砌。氓= r h ，一t h “+ l ( 2 - 3 ) 由于液体流动剑模型边缘时，将进入突增的无限大空间使得流体速度滞止。对 于流体速度和温度的初始条件与边界条件为： 壁温 z ，= c o n d ( 常数) ； 流体初温 刀o = c o n d ： 9 华北电力人学硕十学位论文 微柱最外层流体速度 考i y 矾，z s 。= o ； 微柱最外层流体压力梯度 鲁l ，“舾。= o ； 动量守恒方程和质量守恒方程中，扔、u t 、i h 。、t h i 、弓为未知数，对于公式 ( 2 - 2 ) 中的平均剪切力弓进行分析，由于液体流动而在结构表面上产生的平均剪切 应力弓被定义为如下： 弓= i 1i k 岛矛 ( 2 - 4 ) 0 2 i i 岛町 ( 2 。4 式中七层流流动的摩擦系数； 巧“和u l j + l 之间取平均值； 液膜的弯曲曲率造成了气液相的压力差，可用y o u n g - l a p l a c e 方程表示： p 1 f = p v o k ( 2 5 a ) 考虑到表面张力随温度的变化，即1 7 = o - 0 一厂咒，以及x 和y 方向液膜的曲率足， 有下式： p “：p ，一。一弦_ ) ( 上+ l ) ( 2 5 b ) r l 。ir y i i 其中， 一1 ：2 c o s a ( 2 5 5 c )其中， 一： ( 2 c ) r x j蜮t 1 - ：2 c o s a ( 2 5 d ) 一= 一 t ，- _ nj 0 f l鬈一i 式中y 表面张力的温度系数； 瓦，液膜的气液界面温度； 口固体壁面和液体之间的接触角； 同样，我们也可以确定液体的出e l 压力所川。恒定壁温条件下，五，能由表面蒸 发速率以及液膜的导热量共同决定。 以上是动量守恒方程中所涉及的有关参数的数学描述。质量守恒方程中，磁棚、 廊f f 、历，j + 。为未知数。如图2 - 5 所示，液体的平均流量可以表示为公式( 2 - 6 a ) ： 1 0 华北电力人学硕十学位论文 仅 id ，一1 z p t - 寸 式阡善 l 一刀x 图2 5 微柱间的液膜弯月面示意图 ”瞩吲+ 6 ( 一) - l 掣+ 掣h “o ) ( 2 - 6 a )l岛j岛：i 。 一 一j 鼽 a = c ( 盖) l ，2 ( 铬) 协砧) l2 破瓦lr 瓦瓦 6 = c ( 盖 i ，2 ( 矧r 6 c ) l 2 积瓦l 瓦 式中4 。x 方向上的局部液膜厚度； 巧：_ z 方向上的局部液膜厚度； c 工质的适应系数； 肘分子质量； 杉液体的分子摩尔体积； 控制体的入口质量流量嘲。可以被表示为： 帆，瑚， z “一托一詈) 击扣 协7 a ) 同样，控制体的出口质量流量历，+ 。也可以被表示为： 机川杠每降詈) 击扣 协两) 式中，+ 。从中心微孔处开始第i 排的微柱间隙个数； z 删微柱高度； 合并以上公式有p l 、聊、瓦、， i 。、廊、口和弓7 个未知量，由公式( 2 - 2 ) 一 ( 2 - 7 ) 得7 个控制方程式( 其中公式( 2 - 6 a ) 包括两个方程) ，所以控制方程组完 整并有解。方程求解的结果可以给出微型泵的流体速度分布，温度分布，流量变化， 并讲一j 眵分析钴漏与流量f l j i 的英系 2 3 求解思路 微型泵的整体控制方程组是针对微元体建立的方程组，根据初始条件和边界条 华北电力人学硕十学位论文 件，需要建立计算程序模块，从微柱的最外层到最罩层依次按层求解控制方程式， 细节的求解过程将在本节进行介绍。 ( 1 ) 考虑到液膜的弯月面会由于曲率的突然改变而在微柱最外层的出口处停 住，我们可以假设液体在此处的速度和质量流量为0 ； ( 2 ) 根据给定的壁温，假定微柱最外层出口处固壁与液体之| 日j 的接触角的值， 于是液膜弯月面的结构能被确定下来； ( 3 ) 给出微柱最外层入口处壁面与液体间的接触角，并且假定该接触角在入 口和出口之间是线性变化的。由公式( 2 - 6 a ) 计算相变界面温度分布，并且沿流动 方向对公式( 2 - 6 a ) 进行积分，得到微柱最外层入口处的液体质量流量； ( 4 ) 计算当前接触角下的压降，入口液膜速度可由公式( 2 2 ) 得到，于是通 过公式( 2 - 7 a ) 得到入口质量流量。再通过( 2 - 3 ) 式判断由式( 2 - 6 a ) 和( 2 - 7 a ) 得 到的质量流量是否相等，如果不等，重设微柱最外层入口处壁面与液体间的接触角； ( 5 ) 通过已获得的液体质量流量、相变界面温度和微柱最外层的接触角，对 于图2 4 所示阴影部分控制体，其质量流量和入口处壁面与液体间的接触角能由上 述步骤得到； ( 6 ) 从i = n - l 到i = l 重复步骤( 4 ) ，最后可获得微泵的总质量流量。判断微柱 最罩层入口处的接触角是否小于或等于固壁与液体f r j 的固有接触角。如果不满足， 重设微柱最外层出口处的接触角，并重复以上步骤。 根据方程求解思路，建立程序流程图2 6 。从上面的流程方程可以看到，首先 需要对包括初始壁温、流体温度、微型泵泵体物理结构参数、流体物性参数在内的 一系列已知的初参数进行设定，并合理假定一些重要的初始条件和边界条件。对微 型泵模型进行网格划分后，根据这些条件，通过传热学方程进行计算。计算结果需 分析其合理性，并应用约束条件进行检验。接触角就是约束条件之一，根据资料进 行判断，并且要求范围在1 0 0 5 0 0 之间。同时计算出的质量流量要满足质量守恒方 程( 2 3 ) 的约束条件。当计算结果不满足约束条件时，重新设定计算参数进行运算。 如果计算结果满足约束条件，那么结果具有可用性，可以用于结果分析，从而判定 微型泵的性能，以及各种因素对其运行的影响情况。 1 2 华北电力人学硕十学位论文 2 4 结果分析 图2 6 程序流程图 重 新 设 置 假 定 多 数 从上面的数学模型中我们能看出微泵的运行受以下因素的影响，包括：微柱阵 列的几何尺寸、微柱间横向距离战、柱高z 。一液体流动的总表面积4 ，、液体与 壁面的接触角口等。对于给定尺寸的微泵，唯一能影响它运行的因素就是加热量， 或者可以说是壁温瓦，。加热量会影响气液界面温度分布z 一以及液膜的相变界面结 构。而这些都将直接影响微泵的运行。本节将对以上这些因素进行分析讨论。 假设工作流体为乙醇。图2 7 表示随微柱高度z 。，的变化液体流量的变化。从 图中可以看出，微柱高度越高，液体流量越小。这是因为虽然增加微柱高度可以加 大微柱之间的空间，但是更多的液体会在毛细梯度的作用下被拖拽到微结构表面 上，这样液膜的厚度就会增加，从而增加相变界面和壁面自j 的热阻，蒸发量减少。 泵的性能是受液膜表面蒸发所支配的，因此液体流量随蒸发量减少而减少。 1 3 华北电力人学硕十学位论文 1 8 0 1 6 0 迎 c 1 4 0 o 四 砉1 2 0 l l 1 0 0 8 0 z p o s t x p o s t 图2 - 7 随微柱高度z 胛，的变化液体流量的变化 ( 微泵表面积为l o o m m 2 ，乙醇和壁面的i 古1 有接触角为2 5 。) 如果只改变微泵的表面积，液体流量的变化如图2 8 所示。随着微泵表面积的 增加，液体流量呈抛物线上升。这是因为在相同的壁温和加热条件下，液膜的蒸发 量只与气液界面面积有关。增加微泵的表面积，将有更多的液体从中心微孔被拖拽 到表面上并蒸发到环境中。 望 e o 饵 l 旦 u - m i c r o p u m ps u r f a c ea r e a 。m m 2 图2 - 8 随微泵表面积的变化液体流量的变化 ( z 朋，x 胛，= 1 ，乙醇和壁面的同有接触角为2 5 。) 1 4 0 0 0 0 0 0 0 伦 旧 8 6 4 2 华北电力人学硕十学位论文 c m l 旦 也 1 02 03 04 05 0 i n 廿i n s i cc o n t a c ta n g l ea o ，。 图2 - 9 随壁面与液体间同有接触角的不同液体流量的变化 ( 微泵表面积为1 0 0 m m 2 ，z 删，x 删= 1 ) 图2 - 9 展示了固有接触角和液体流量之间的关系，而这正体现了固壁亲水性对 流量的影响。固有接触角减小，换句话说，即是固壁的亲水性增加，微泵传输液 体的能力随之提高。固壁的亲水性在两个方面影响着液体的流量：一方面，改善固 壁表面亲水性导致气液界面更加明显的弯月面结构产生，这样也能减小液体在壁面 上形成的液膜厚度，因而强化了相变界面上的蒸发；另一方面，由壁面亲水性决定 的弯月面结构与气相和液相之间的毛细压力梯度有关，通过改善壁面亲水性可以增 加毛细压力，促使液体在微泵表面迅速铺展，从而也有利于液膜的蒸发。 图2 1 0 2 1 3 展示了对于给定尺寸的微泵( 表面积为l o m m x l o m m ，中心微孔 尺寸为l m m x l m m ) ，在其运行过程中一些参数的变化情况。泵送液体的驱动力主要 来自微柱间由于蒸发弯月面结构不同而引起的毛细压力梯度。微柱间距离的变化以 及由于表面蒸发引起的接触角变化都能够影响弯月面的结构。其中，前者在对于液 膜的铺展以及维持弯月面结构上起主导作用。图2 1 0 和2 1 l 中分别展示了不同壁 温下从中心微孔到微泵表面边缘处液体流速和流量的变化。通过提高壁温，液体流 速和流量随之加大，这也说明通过对壁温的控制可以获得更大的毛细压力梯度，以 至于更多的液体能够补充至微结构表面上来。 从图2 1o 和2 1 l 中可以看出，在不同壁温条件下，沿流动方向从中心微孔到 表面边缘的液体流速和流量都足减小的。这是因为表面蒸发使沿流动方向的液体流 量减小，相应的液体流速也会减小。两个相邻微柱阵列问的液体流量差代表了这个 区域的液膜蒸发量，而中心微孔边缘处( 对应图2 1 0 和2 1 l 上距离为0 5 m m 处) 的初始流量代表了微泵的总流量。从图2 1 0 中我们还可以看出，无论何种壁温条件 下，在微泵表面边缘处液体的流速都降为零。相应的，液体流量在这个地方也减小 1 5 5 o 5 o 5 4 4 3 3 2 1 1 1 1 1 华北电力人学硕士学位论文 到零。这就意味着由毛细压力梯度泵送的液体全部都蒸发到外界环境中去了。 0 51 01 52 02 53 03 54 04 55 0 d i s t a n c e ，m m 图2 一1 0 不同壁温下，随离中心微孔的距离不同时液体流速的变化 ( 微泵表面积为1 0 0 m m 2 ，删= l ，乙醇和壁面的同有接触角为2 5 。) 迎 i 仍 l 旦 u - 0 51 01 52 02 53 03 54 04 55 0 d i s t a n c e ，m m 图2 1 l 不同壁温下，随离中心微孔的距离不同时液体流量的变化 ( 微泵表面积为1 0 0 m m 2 ，z 删芦删= 1 ，乙醇和壁面的l 占1 有接触角为2 5 。) 影响微泵运行的另一个重要参数是气液界面温度。图2 1 2 描述了相变界面和壁 面之间的温差分布。可以看到的是，从中心微；l 至u 微泵表面边缘处的温差单调地减 小。在恒壁温条件下，相变界面温度的升高意味着液膜局部蒸发量的减少。和图2 1 l 的结果联系起来，我们能发现，由于越来越少的液体被泵送到微泵表面边缘处，为 了维持一定的蒸发量，相变界面温度会升高。 1 6 4 2 0 8 6 4 2 0 1 1 1 协、ujo i扫i。oia 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 o 0 0 0 0 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 华北电力人学硕+ 学位论文 1 0 0 9 p 0 8 2 0 7 卜_ 0 6 0 5 0 51 01 52 02 53 03 54 04 55 0 d i s t a n c e ，m m 图2 1 2 随离中心微孔的距离不同时相变界面温度的变化 ( 微泵表面积为l o o m m 2 ，z 删x 删= l ，乙醇和壁面的吲有接触角为2 5 。) 前面讲过，对于给定尺寸的微泵，影响其运行的唯一因素是壁面温度。图2 1 3 展示了壁温变化时总液体流量的变化。从图中可以看出，壁温和流量之间呈良好的 线性关系。在一个大气压下，把壁温从8 0 1 2 提升到1 0 0 ( 2 ，面积为1 0 0m m 2 的微泵 能持续抽吸8 l1 0 p l m i n 的液体。 望 芒 - 旦 巴 旦 u - 8 08 59 09 51 0 0 w a l lt e m p e r a t u r e ， 图2 1 3 随壁温变化时总液体流量的变化 ( 微泵表面f 积为l o o m m 2 ，z p o + , x 删，= 1 ，乙醇和擘i n f 的自接触角为2 5 。) 考虑到微柱表面在蒸发过程中可能出现局部干斑【3 ”，并且假设9 0 ( 2 为这个干涸 温度。因此由图2 1 3 得知，在这个温度范围内，此设计微泵最大的抽吸量能达到 5 5 i t l m i n 。 1 7 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 华北电力大学硕十学位论文 2 5 本章小结 针对形貌已知的毛细力梯度微结构表面，在已知壁温的条件下，建立液膜在微 柱阵列间流动蒸发的数学物理模型，正确表达微尺度条件下界面效应对流动和蒸发 的影响；利用理论模型，分析不同的表面形貌下，表面特性对薄液膜流动蒸发的影 响机制；分析微流动特征尺寸连续变化时相变界面上边界条件的特征；进而确定液 膜在毛细力梯度微结构中的分布；确定输入能量和抽吸流量之间的关系。 1 8 华北电力人学硕十学位论文 3 1 微泵本体的制备 第三章微型泵的加工与装配 微泵本体的制备包括微泵正面微柱的制备、微泵背面电极的制备和泵腔的制 备。在制作中我们采用了圆形泵腔，因为圆形泵腔不存在流动死角，便于清洗而且 不易发生气泡的积聚【5 1 。使用 晶向，厚度为4 0 0 p m 的双抛n 型硅片，这是由 于硅具有良好的热特性，导热率高，热容量小，能够集成检测器件和电路，容易实 现电阻加热器和温度测量传感器等功能，并且制造方式多样【38 1 。泵体背面所制备的 温度传感器和加热器是由铂电阻构成的。薄膜铂电阻同时作为加热电阻和温度传感 器将大幅度简化工艺，只需一次性在泵体背面溅射0 2 9 m 厚度的铂金属。而且薄膜 铂电阻的温敏线性范围较大，相对来说阻值稳定，其阻值随温度升高作近似线性的 变化，因而可以直接有效地对器件的温度进行控制【3 9 1 。薄膜铂电阻呈蛇形状均匀布 置在泵体背面，如图3 1 所示，这样可以对壁面进行均匀加热，以便于测量底部加 热情况下对应不同加热量的平均加热壁温。 图3 1 薄膜铺电阻排列方式 制作微泵本体的具体步骤如图3 2 所示，具体的工艺流程如下： ( 1 ) 准备双抛p ( 1 0 0 ) f l 勺4 0 0 “m 厚度的硅片2 片； ( 2 ) 煮沸的h 2 s 0 4 + h 2 0 2 清洗硅片； ( 3 ) 在硅片表面热氧化形成l g m 的s i 0 2 层； ( 4 ) 进行j 下面光刻，以光刻胶作为掩膜，通过r i e 刻蚀s i 0 2 ，定义最终微柱掩膜； 1 9 华北电力大学硕十学位论文 进行第二次光刻，光刻胶厚度 1 0 1 t m ，作为通孔刻蚀掩膜； a s e 刻蚀硅1 0 0 “m ； l p c v d 沉积1 8 0 0 h 低应力的s i 3 n 4 作为后续k o h 腐蚀掩膜： 背面进行光刻，溅射t i p t a u ，厚度分别为1 5 0 a 2 0 0 0 h 1 0 0 0 h ，剥离实现金 属电极，用于后续实验中的加热器和温度传感器； 背面p e c v d 沉积s i c ，厚度为1 m ，用于后续k o h 腐蚀掩膜； 第四次光刻，以光刻胶作为掩膜，通过r i e 刻蚀s i c s i 3 n 4 s i 0 2 ，去胶后， 采用k o h 湿法刻蚀s i ，形成2 5 0 i t m 深的泵腔结构； 采用h 3 p 0 4 腐蚀s i 3 n 4 ，再通过a s e 刻蚀背面s i c 层直至露出金属； a s e 刻蚀s il o o p m ，直至基片穿通； 通过划片和裂片得到最终的泵体单元。 2 0 ) ) ) ) ) ) o 1 2 3 5 6 7 8 9 1 l r l ( ( ( ( ( ( 华北电力人学硕十学位论文 ( h ) 口口 ( i ) 口口 ( j ) 图3 - 2 微泵本体加工工艺流程图 ( a ) 热氧化得到l p m 的s i 0 2( b ) 光刻，r i e 刻蚀s i 0 2 ( c ) 光刻 ( d ) a s e 刻蚀s i ，1 0 0 p m( e ) l p c v d ，s i 3 n 4 ，1 8 0 0 a ( f ) 光刎，剥离，制备加热 器温度传感器( 背面) ( g ) p e c v d l l u ns i c ( 背面)( h ) k o h 腐蚀2 5 0 i n n ( 背面) ( i ) h 3 a 0 4 腐蚀s i 3 n 4 ，a s e 刻蚀s i c ( 背面)( j ) a s e 刻蚀s i ，直至穿通 最终制成的泵体参数为：总尺寸1 0 m m x l o m m ，中心微孔尺寸l m m x l m m ，微 柱尺寸10 0 1 a m x l0 0 p m x l0 0 1 a m ，靠近中心微孑l 处的柱列横向i 日j 隙8 3 p m ，纵向间隙 1o o p m ，泵体边缘处的柱列横向问隙l3 p m ，纵向问隙2 5 9 m 。采用b x l2 v 电子显 微镜拍摄到的泵体局部放大图和微泵实物图分别如图3 3 和3 4 所示。 2 l 华北电力人学硕士学位论文 ( b ) ( c ) 华北电力人学硕+ 学位论文 图3 3 泵体局部放大图 ( a ) 通孔附近的微柱结构 ( b ) 边缘附近的微柱结构( c ) 微柱高度( 注：4 5 。照片， 实际高度为测量值1 4 1 4 )( d ) 背面，下为通孔，可以看到微柱阵列，右上角为加热 器( 宽) 和温度传感器( 窄) 3 2p d m s 微通道的制备 图3 4 微泵实物图 p d m s 属于硅橡胶类分子聚合物，不但生物相容性好，表面改性容易，抗化学 腐蚀，而且制造简单，成本低廉，具有透光性38 1 。p d m s 主要采用浇铸法加工微通 道【4 0 1 ，这样可以精确复制小到亚微米的微结构【4 。 制作p d m s 微通道的具体步骤如图3 5 所示，具体的工艺流程如下： 华北电力人学硕士学位论文 ( 1 ) 采用干膜光刻的方法，在载玻片上制备出p d m s ( 聚二甲基硅氧烷) 微流体 通道的模具； ( 2 ) 将p d m s