（微电子学与固体电子学专业论文）电磁驱动柔性振动膜并联微泵的研究.pdf

电磁驱动柔性振动膜并联微泵的研究 摘要 基于m e m s 技术的微泵，它是微流体系统的关键部件，具有体积小、功耗低、适宜批量生 产等优点。微泵作为微流体系统的驱动部件，在生物、化学、医疗、检疫以及国防等方面构建微 分析系统( i _ t t a s ) 有着广泛的用途或潜在的市场需求，并可应用于特殊场合。 目前研究的微泵主要可分为机械式微泵年l _ | 非机械式微泵，其中机械式微泵中的振动膜式微泵 和非机械式微泵中的电渗流微泵的研究比较活跃。现有机械式振动膜徽泵的驱动器多采用压电驱 动方式或静电驱动方式，其振幅小，所需要的驱动电压偏高，驱动频率较高；而采用双金属片和 形状记忆合金驱动的微泵，其频率过低，流量小，时滞较大。鉴于目前微泵的研究现状，为了改 善微泵的性能，本文提出了一种电磁驱动柔性膜无阀并联微泵，采用电磁般向驱动方式、杨氏模 量_ 舟硅橡胶作为振动膜，以及动态被动阀作为泵体，这不仅简化了制作j ：艺，减小加 ：难度 而且偻够更容易的获得较好的驱动性能。 本论文的主要研究内容和结果如下： 讨论了微泵喷嘴的单向流机理，也就是喷嘴的流向依赖特性，从能量转换的角度探讨了喷嘴 的整流能力，并得出，对于张角a = 7 0 。的喷嘴要得到明显的整流效果，要求喷嘴的相对长度f ( 喷 嘴的长度，与喷嘴的喉口边k 瓯之比) 须大于2 。采用板壳振动理论和l b 磁场理论对电磁驱动器 的驱动性能进行分析，得出振动膜磁体需要和驱动线圈保持定的垂直距离，以获得最佳驱动性 能这一距离和线圈的平均边睦有关系。 设计微泵的结构尺寸，并进行分析利优化。采川整体分析法对微泵的驱动性能进行了分析， 井j = 有限元数值分析j l ：县a n s y s 软件对其进行模拟；进一步对微泵驱动器的驱动性能进行分析 和理解，分析结果与前述基本一致。对电磁驱动线圈的驱动性能也进行了数值分析，验证了永磁 体阵列分布能充分发挥振动膜的柔性这一优点。 采用m e m s 一艺制作了所设计的微泵。所涉及的：l 艺主要有溅射、光刻、电镀、永磁体 化o n i m n p ) 电镀、砗的湿法刻蚀、玻璃的湿法刻蚀、聚酰胺_ ：艺、硅橡胶t 艺以及抛磨r 岂等。 本研究主要集中于永磁体的电镀和硅橡胶振动膜的工艺，采用永磁体可以制作般向驱动器，充分 利_ i = | j 空间；利用硅橡胶杨氏模量低的特性得到较大的振幅。采用反应离子刻蚀( r i e ) 处理显影 后的硅片，得到很好的电镀一致性。同时，磁体为阵列分布，有效地减小了镀层与种子层间的内 应力，有利于电镀更高的结构。在电镀线圈时采用聚酰亚胺取代氧化铝作为绝缘层和结构层，制 作一1 2 艺方便，而且内应力小，不至于使基片变形，后续抛磨方便。为了便于微泵泵口进出管道的 联接，设计采用一玻璃基片作为过渡片，在玻璃基片上用h f 溶液刻蚀管道，并用硅橡胶对玻璃 上海交通大学博士学位论文 摘要 片进行密封，经浓硫酸加般氧水处理过的玻璃片与硅橡胶密封效果良好。 构建微泵的试验装置，该装置由低频电源、微泵、塑料软管、储水池和显微镜组成。首先对 电磁驱动器的直流驱动性能进行了试验，试验表明，振动膜的位移量与线圈的驱动电流、振动膜 磁体与线圈平面之间的垂直距离有关。当线圈电流为o 3 5 a ，振动膜与线圈间距为1 0 0 9 m 时振动 膜的位移达到最大，为4 0 2 1 t m 。对微泵的流体驱动性能进行测试，试验表明，在0 3 5 1 a 、频率 为2 4 0 h z 的电流驱动下。微泵的流量达 慑大，为1 5 02 m i n ，背压为1 5 4 , 6 p a 关键词：微机电系统，微分析系统，微泵，电磁驱动，并联，动态被动蒯，永磁体，电镀，微 细加工，硅橡胶，聚酰胺，有限元 i i 上海交通大学博士学位论文 摘要 m i c r o p u m p w i t ht w op a r a l l e lf l e x i b l ed i a p h r a g m s ：d e s i g n ，f a b r i c a t i o na n d c h a r a c t e r i z a t i o n a b s t r a c t m i c r o p u m pf a b r i c a t e dw i t hm 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 ( m e m s ) p r o c e s s ，w h i c hi sak e y c o m p o n e n to fm i c r o f l u i d i cs y s t e m ，h a st h ea d v a n t a g e so fs m a l lv o l u m e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d s u i t a b i l i t yt om a s sp r o d u c t i o n a st h ea c t u a t i n gp a r to fm i c r o f l u i d i cs y s t e m ，m i c r o p u m pc a nb eu s e di n m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m ( 岬、a s ) w h i c hh a sp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nb i o l o g y , c h e m i s t r y , m e d i c i n e q u a r a n t i n ea n dm i l i t a r ya p p l i c a t i o n s m i c r o p u m pc a nb ec l a s s i f i e di n t ot w ok i n d s ：m e c h a n i c a lm a dn o n m e c h a n i c a lm i c r o p u m p a t p r o s e n t , m a i nr e s e a r c hw o r ki sc o n c e n t r a t e do l lt h er e c i p r o c a t i n gd i a p h r a g ma c t u a t e dm e c h a n i c a l m i c m p u m pa n de l e c t r o - o s m o s i sa c t u a t e dm i c r o p u m p a m o n ga l lt h ek i n d so fs t u d i e dm i c r o p u m p ，t h e a c t u a t o r sa r em o s t l yp i e z o e l e c t r i co re l e c t r o s t a t i c ，w h i c hh a v et h ed i s a d v a n t a g eo fs m a l ld i s p l a c e m e n t ， h i g ha c t u a t i n gv o l t a g ea n dh i g ha c t u a t i n gf r e q u e n c y a tt h es a n l et i m e ，s h a p em e m o r ya l l o y ( s m a ) a c t u a t o rh a st o ol o wf r e q u e n c y , s m a l lf l u xa n dl o n gt i m el a g b a s e do nt h ed e t a i l e de x p l o r a t i o no ft h e c u r r e n ts t u d yo f m i c r o p u m p ，t h i sp a p e rp r o p o s e de l e c t r o m a g n e t i c a l l ya c t u a t e dv a l v e l e s sm i c r o p u m pw i t h t w op a r a l l e lf l e x i b l ed i a p h r a g m s i nt h i sm i c r o p u m pw ea d o p t e de l e c t r o - m a g n e t i cb i - d i r e c t i o n a la c t u a t o r , f l e x i b l ep o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ( p d m s ) d i a p h r a g m ( w i t hv e r ys m a l le l a s t i cm o d u l u s ) a n dv a l v e l e s s m i c r o p u m pl a y o u t , w h i c hn o to n l ys i m p l i f i e st h ef a b r i c a t i o np r o c e s s ，b u ta l s oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h em i c r o p u m p t h em a i nr e s e a r c ha n dr e s u l t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： t h em e c h a n i s mo f d i r e c t i o n d e p e n d e n tf l o wo f t h e7 0 - d e g r e ea p e r t u r en o z z l ei se x p l o r e di nd e t a i l a n df r o mt h ep o i n to f e n e r g y , w ed i s c u s st h er e d i r e c t i n ga b i l i t yo f t h en o z z l e t h er e l a t i v el e n g t ho f t h e n o z z l e ( f ，t h er a t i oo f t h el e n g t ht ot h et h r o a te d g el e n g t ho f an o z z l e ) i sd e s i r a b l et ob eg r e a t e rt h a n2 ，s o a st oa c c u m u l a t ec o n s i d e r a b l er e d i r e c t i n ge f f e c t t h ep l a t et h e o r ya n de l e g l r o - m a g n e t i ct h e o r ya r ea d o p t e d t oa n a l y z et h ea c t u a t i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h ee l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o r a n dt h er e s u l ti st h a tt h e r en e e dt o k e e pac e r t a i nd i s t a n c eb e t w e e nt h em a g n e te m b e d d e di nt h ed i a p h r a g ma n dt h ea c t u a t i n gc o i l i no r d e rt o o p t i m i z et h ea c t u a t i n ga b i l i t y o f c o u r s e ，t h ed i s t a n c ei sc o r r e l a t e dw i t ht h ei n n e re d g el e n g t ho f t h ec o i l t h ed e s i g n ，a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h em i c r o p u m pa r ec a r r i e do u tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e m i c r o p u m pi sa n a l y z e df r o map o i n to fw h o l ev i e w , a n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ( f e a ) a n s y s 。i su s e dt oa n a l y z et h ef e a s i b i l i t yo ft h em i c r o p u m p m o r e o v e r , t h ea c t u a t i n gc a p a b i l i t ya n d p e r f o r m a n c eo ft h em i c r o p u m pa l es t u d i e df u r t h e r ；t h er e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ha f o r e m e n t i o n e do n e s i l i 上海交通大学博士学位论文摘要 n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni se x c e e do nt h ee l e c t r o - m a g n e t i ca c t u a t o r , w h i c ht e s t i f i e st h ea b i l i t yt oc o m p r e s s i n t e r n a ls t r e s s1 ) e 4 9 w e e l lt h ee l e c t r o p l a t e dl a y e ra n dt h es e e dl a y e rw h e nu s i n ga na r r a yl a y o u tf o rt h e m a g n e to f t h ea c t u a t o r t h em i c m p u m pi sf a b r i c a t e d 州t hm 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 ( m e m s ) p r o c e s s t h ei n v o l v e d p r o c e s s e sa r es p u t t e r i n g ，m i c m l i t h o g r a p h y , e l e c t r o p l a t i n g , e l e e t r o p l a t i n go fb a r dm a g n e t i cm a t e r i a l ( c o n i m n p ) ，w e te t c h i n go f s i l i c o n ，w e te t c h i n go f s i l i c o nd i o x i d e ，p o l y i m i d ep r e p a r a t i o n ，p d m sp r o c e s s ， p o l i s h i n ga n dg r i n d i n g t h ee m p h a s i so ft h ef a b r i c a t i o ni sl a i do nt h es u c c e s s f u le l e c t r o p l a f i n go fh a r d m a g n e t i c m a t e r i a la n dt h ep r o c e s so fp d m sm e m b r a n e t h eh a r dm a g n e t i cm a t e r i a l p e r m i t s b i d i r e c t i o n a la c t u a t i o nw i t h i nl i m i t e ds p a c e ，a n dt h el o we l a s t i cm o d u l u s ( e ) o f p d m sm a k e si tf e a s i b l e t oo b t a i nl a r g e rd e f l e c t i o nw h e ne x e r t e dac e r t a i nf o r c e r e a c t i v ei o ne t c h i n g ( r i e ，n e x t u r a l1 0 0 ) i s a d o p t e dt oe n h a n c et h eu n i f o r m i t yo f t h ec o n d u c t i v i t yo f t h ed e v e l o p e dw a f e r a tt h es a r n et i m e ，t h el o w i n t e r n a ls t r e s sb e t w e e nt h em a g n e ta r r a ya n dt h es e e dl a y e ra l l o w sh i g h e rm a g n e tp o s t i n s t e a do f a i ：0 3 ， u s i n gp o l y i m i d ea st h ed i e l e c t r i cl a y e ra n ds t r u c t u r el a y e rf o rt h ec o p p e rc o i l ，w h i c hs i m p l i f i e st h ep r o c e s s a n dl e a d st ol o w e rs t r e s s at h i np i e c eo f g l a s si su s e da si n t e r e o n n e c t o rb e t w e e nt h em i c r o p u m pa n dt h e t e s tp i p e a n dd i l u t e dh fs o l u t i o ni su s e dt oe t c hf l o wp a s s ，a n dh o l e sa r em i l l e d a tl a s t , a l t e rp r o c e s s e d b ys o l u t i o no f h 2 s 0 4 a n d h 2 0 2 ，t h e i n t e r c o n n e c t i n g g l a s s i s b o n d e d w i t h a t h i n p i e c e o f p d m s at e s ts y s t e mi sc o n s t r u c t e dt oe x p l o r et h ep e r f o r m a n c eo f t h em i c r o p u m p t h es y s t e mi sc o m p o s e d o f l o w f r e q u e n c yp o w e r , m i c r o p u m p ，p l a s t i c p i p e ，g l a s s c o n t a i n e r a n d m i c r o s c o p e a t f i r s t , t h e a c t u a t o r i s t e s t e du n d e rd i r e c tc u r r e n t , w h i c hs h o w st h a tt h ed i s p l a c e m e n to f d i a p h r a g mi sc o r r e l a t i v et ot h ec u r r e n t t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ec o i la n dt h em a g n e t w h e nt h ea c t u a t i n gi s0 3 5 aa n dt h ed i s t a n c ei sa b o u t 10 0 p m ，t h e d i a p h r a g mi sc o n s i d e r a b l yd i s p l a c e d ，a n dt h ed i s p l a c e m e n ti s4 0 2 “m t h e nt h em i c r o p u m pi s t e s t e du n d e ra l t e r n a t i v ec u r r e n t , a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em a x i u mv o l u m ef l o wr a t eo ft h e m i c r o p u m pi sa b o u t1 5 0 2 m i nw h e nt h ea c t u a t i n gf r e q u e n c yi s2 4 0 h za n dt h ec u r r e n ti so 3 5 1 a ， w h i l ei t sb a c kp r e s s u r ei sa b o u t15 46 p at h er e s u l t so b t a i n e db yt h et e s t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h e d e s i g n ，w h i c ht e s t i f i e st h ea n a l y s i sa n dd e s i g no f t h em i c r o p u m p k e yw o r d s ：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 ( m e m s ) ，m i c r o - t o t a la n a l y s i ss y s t e m ( b t a s ) ，m i c r o p u m p ， e l e c t r o - m a g n e t i ca c t u a t i o n ，p a r a l l e l ，v a l v e l e s sm i c r o p u m p ，p e r m a n e n tm a g n e t , e l e c t r o p l a l i n g , m i c r o f a b r i c a t i o n ，p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ( p d m s ) ，p o l y i m i d e ( p 1 ) ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蕴窍砗 日期：护b 年y 月“曰 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：靠啦 日期：棚5 年月f6 日 指导教师签名：旱彭久弛 日期：孙oc ) 年y 月l ( 日 上海交通大学博+ 学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微机电系统概述 微机电系统( m e m s ，m i c r oe l e c t r 0 - m e c h a n i e a ls y s t e m ) ，有人称为微机械、微系统，指微型化 的器件或器件的组合，是利用微加工技术制作微型结构，将电子功能与机械、光学以及其他功能 相结合的集成系统，使之能在极小的空间内达到智能化、集成化。微机电系统是一门多学科交义 的额兴学科，它涉及电子工程、材料工程、机械 ：程、信息工程，物理学、化学、光学以及生物 等多种： 程技术和学科n 可以实现信息获取、信息处理以及执行功能的集成化。其基本特点是 体积小、质量轻、功耗低、成本低、功能强。所采用的微加工工艺是集成电路( i c ) 丁艺的延伸 而又不同于集成电路工艺，其区别在于：由于微机电系统结构件的性能差异大，形状各异，微加 工工艺需要制作的纵向高度远大于普通i c 工艺所能达到的纵向高度。由于微机电系统所采_ i 】的材 料已从硅发展到玻璃、石英还有有机聚合物等，因此微加工工艺可分为硅微加工工艺和非硅微加 工工艺，硅微加工工艺又分为体硅微加工工艺和表面硅微加工工艺，具体包括光刻、蚀刻( 干法 蚀刻和湿法蚀刻) 、掺杂技术、薄膜生成技术( 真空蒸镀、溅射、脉冲激光淀积、化学气相淀积和 电镀) 、牺牲层技术、l i g a 技术、模塑法、热压法、激光烧蚀法和软光刻等”j 。微机电系统可以 应用丁航空航天、生物医学、微流控制、信息科学、微光学技术、微机器人、微探头和显微技术 以及环境监测等方面。已市场化的m e m s 产品有打印机喷嘴、压力传感器、开关、加速度计( 惯 性器件) 、投影仪设备等。美国m e m s 工业联合组织( m i g ) 预计m e m s 市场将从2 0 0 1 年的不 到4 0 亿增加到2 0 0 6 年的9 0 亿美元p l 。可以预见，微机电系统将对人们生活和国民经济带来深远 的影响。 1 2 微机电系统在微流领域的应用 微机电系统可以在生物医学方面得到广泛的虑坩，主要包括生物芯片、腔内压力测蹙、微硝 手术、细胞操作和仿生器件；同时，微机电系统还可以应用于微流鼍系统方面，如微型化学反应 器、微量药剂传送与计量、微型推进系统、喷墨嘴、射流元件以及气体与液体的色谱分析。2 0 世 纪9 0 年代初m a n z 和w i n d m e r p l 提出的微全分析系统( i j ：t a s ) ，以微机电技术为基础，通过生物 化学设备的微型化与集成化，最大限度的把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集 成到一块芯片上，也被称为芯片实验室( l o c ，l a b - o n - a - c h i p ) ，微全分析系统中当前最活跃的领 域的发展前沿是微流控芯片( m i e m f l u i d i ec h i p s ) ，最集中地体现了将分析实验室的功能转移剑芯 片上的思想。cgjs e h a b m u e l l e r m l 报道的微流体控制系统如图l l 所示，采用键合技术将各种流 体功能部件与基扳键合在一起，该系统可以惠用于化学反应、药剂传送和粒子分析方面。微流控 卜海交通大学博卜学位论文 第一章绪论 芯片在分析仪器微融化、集成化和便携化方面的巨大潜力为其在生物医学、高通量药物合成筛 图1 1 键合在一块板子上的微流体控制系统 f 嘻l - lm i c r o f l u i d i c c o n 血o l l i n gs y s t e m i m 昭锄e d o n a c h i p 选、农作物的优选优育、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物战剂的侦检和天体生物学 研究等众多领域的应朋提供了，“阔的前景。 微流控芯片是通过微加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗 口和连接器等功能元器件像集成电路一样，将它们集成在芯片材料( 基片) 上的微全分析系统， 可以完成多种分析功能，如采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等。微流体驱动技术是微流 体控制的前提和基础，微泵是微流控系统中的驱动部件。 1 3 微泵的分类及工作原理 最初报道的微泵可以追溯到1 9 7 8 年州，从那以后越来越多的文献报道了微泵的研究进展。至 今，出现了许多的微泵概念，从机械式微泵到非机械式微泵，从蠕动式微泵剑多种类型的膜片式 微泵。采i j i 不同的依据，微泵可以有不同的分类方式。依据有无活动部件可将微泵分为机械式微 泵和1 # 机械式微泵：依据微泵中流体控制部件的组成不同，可分为有阀微泵和无阀微泵；依据各 种驱动方式义有许多的种类。 1 3 1 非机械式微泵 非机械微泵，依据驱动原理的不同可以分为电动力驱动( e l e c t m k i n e t i c ) 、电液力驱动 ( e l e c t r o d y n a m k ，e h d ) 、超声波驱动( f l e x u m lp l a n a r w a v e ，f p w ) 、表面张力驱动、磁液力驱 动和气泡驱动等方式。下面简要对各种非机械微泵的j ：作原理进行介绍。 电动力驱动分为电渗和电泳，电渗用于传送液体样品，而电泳用于样品的分离。电动力驱动 利删电解质溶液在外加电场作用下的电渗现象来驱动液体，主要用于电解质溶液的驱动，由r 表 面电荷和分子扩散作用，电解质溶液与管道壁处形成双电层”】f 8 1 1 9 l 【”i ( e l e c t d cd o u b l el a y e r ) ，双电 层由紧密层和扩散层组成紧密层靠近管壁，只有l 吧个离子厚，电渗流和电泳产生的原理如图 1 _ 2 l l ”。当沿着管道施加电场时，电场力使扩散层和紧密层相对移动，扩散层通过液体粘性力使液 体一起移动，这形成了电渗流。在双电层内流体速度由式( 1 - 1 ) 表示， 2 卜海交通大学博十学位论文 第一章绪论 e l e c t r o p h o r e s m e l e c t r o p h o r e s i s o f0m i c r o - s p h e r e 图l - 2 电渗和电泳原理示意图 f i g 1 - 2t h em e c h a n i s mo f e l e c t r o = o s m o s i sa n de l e e t r o p h o r e s i s 圪= 一占f e ， ( 1 - 1 ) 式中，e 和p 分别是被驱动液体的介电常数和粘度，e 为所施加的电场，为电动电势( z e t a p o t e n t l y ) , 是管道表面状况的函数，因此电渗驱动速度可通过对表面层的液体进行控制。不同 样品粒子具有不同的电荷质量比，因此不同粒子受到体力( 与电荷成上e 比) 和粘性力( 与粒子的 尺寸和形状有关) 的作用不同，这就使不同粒子的电泳速度不同，借此可以将不同的粒子分离。 在电场e 作用下，液体带电粒子在电场驱动下的运动速度如式( i - 2 ) ， 吃= q e 6 ，r , u ， ( i - 2 ) 式中q 为粒子的电量，f 为粒的半径。 p d u r r a ! ”l 对十字形和y 形微管道中的电渗流进行了研究，并得出液体流速与外加电场早线 性关系。z e n g 研究的屯渗驱动微泵如图1 - 3 1 ”i 所示。dsr e i c h m u l h ”1 在电解质中加入一定浓度 极 图1 - 3 电渗驱动微泵 f i g 1 - 3 t h e m i e r o p u m p w o r k i n g i n t h e p r i n c i p l e o f e l e c l r o - o s m o s i s 3 卜海交通大学博 。学位论文第一市绪论 的两性离子，可以将电渗的效率提高2 5 3 3 倍。c l l e l l d 6 l 采用微加工方法在玻璃上制作了电渗流微泵， 泵腔尺寸为1 0 0 0 1 a m x 3 8 p , n x 0 9 1 m a ，在l k v 电压驱动下泵的流量为1 5 i l l m i n ，能得到的背压为 3 3 4 k p a 。陈令新u ”将电渗微泵用于液相色谱的分析。电渗对流体的驱动是一种比较成熟的方法， 在微流体系统中，尤其是在生物芯片和电泳芯片中得到了广泛的应用，是目前应用最成功的一种 微流体驱动控制方法。电渗驱动的优点有，系统结构简单，不需要活动的机械部件；电渗流的流 速轮廓是一个平面，而不像压差g l 起的流动有径向流速梯度，流体在管道中匀速流动；电渗驱动 力同时作用于管道内的所有液体，因此可以在管道中实现无阀的液流切换；可以产生般的微泵 都不能达到的高压，p h p a u l t l s l 等人报道的电渗流微泵的背压可以达到5 7 m p a 电渗驱动适合在 管径特别细的管道中应用。 但是，电渗驱动也有其弱点：电渗驱动依靠液同界面的双电层进行驱动，双电层易受多种因 素的影响，如管壁材料、液体的物理化学性能，同时电渗流对管道表面性质变化比较敏感，系统 在长时间工作中的稳定性会受到影响；产生电渗流需要高压驱动，使得泵的功耗较大，所占的空 间也大，不利于系统的微型化；电渗流在管道中要连续流动，管道中不能有太多的气泡，气泡极 大的弱亿了电渗流的驱动作用。 电液力驱动的基本原理是，在液体一固体或液体液体界面处产生诱导电荷，通过外加l 乜场 和液体中感应电荷的相互作用( 库仑力) 来控制液体，电液力驱动原理在宏观器件中被广泛应用 于绝缘流体的驱动。b a r t “首先研制了电液力驱动感应泵，给电极阵列施加正弦电压行波进行驱 动，所用电压为2 0 0 v ，频率为i h z 。r i c h e r t 2 0 1 口”对电液力驱动也进行了研究，如幽l - 4 所示， 键合引线 、 z 2 l l v 础嗪 图1 - 4电液力驱动微泵 f i g 1 - 4e l e e w o - h y d r o d y n a m i cm i e r o p u m p 所制作的微泵有两个相对的硅栅，硅栅之间的距离为3 5 0 1 m a ，在硅栅之间施加直流屯压可以在垂 直硅栅方向输送液体。其起动电压为4 0 v ，当电压为7 0 0 v 时，流量达到最大，为1 4 m l m i n ，能 达到的最人背压为2 5 k p a 。减小硅栅间距可以降低驱动电压。a h n 。研究了平面式电液力驱动微 泵，其结构原理如图1 - 5 所示。当对图中所示电极施加直流电压时，在止屯极附近产生止离子， 由于电场力的作用。正离子向附近的负电极运动，通过液体摩擦，正离子的动量转移为液体的动 4 卜海交通大学博十学位论文 第一章绪论 侧猢 氟向_ _ 匿, 瑾。o t 蜀巨- 曩日匪l 翌o t - 王丑瞳皇_ 童* 麴a 国_ o 正离子 +-+-+-+-+-+ 流寓 图1 - 5 平面式电液力驱动微泵 f i g 1 - 5 a p l a n a r e l e c u m h y d r o d y n a m i cm i c r o p u m p 量，液体也从正电极向负电极方向运动。用电镀法将金镀在玻璃上成为电极，电极对之间的距离 为2 0 0 i m a ，每个电极对的两个电极之间的距离为1 0 0 j m ，电极厚度为3 岬，宽为1 0 0 i _ u n 。采用平 面结构，容易制造。实验测得，当驱动电压为6 0 v 时，流量为1 0 肛y m i n ；当驱动电压为1 0 0 v 时 泵流龟为2 0 t d m i n 。f u l l 一2 3 l 对电液力驱动微泵进行改进，使其可以运动电导率为1 0 - 4 1 0 1 s c m 的液体。d a r a b i l 2 4 1 嘲将电液力驱动微泵用于电子器件的冷却，如图1 - 6 所示，( a ) 为微泵的侧视幽， 隔” l翼同 d 蔼| 3 志巨 i n 融k 一? 喾 | 一 彳一 、 曲 图1 - 6 可用于芯片冷却的电液力驱动微泵 ( a ) 侧视图 剖视图( c ) 俯视图 f i g 1 - 6 t h e e l e c t r o - h y d r o - d y n a m i c m i c r o p u m p w i t h p o t e n d a la p p l i c a t i o ni n t h e c o o l i n g o f c h i p s ( a ) s i d ev i e w ( b ) s e c t i o n a lv i e w ( c ) b i r dv i e w ( c ) 为俯视图， 为剖视图，图中，d l 为2 0 p m ，d 2 为6 0 1 t m ，d 3 为1 0 0 i _ u n 。此结构是在先前结构 的基础上改进的方案，将原来的平行电极改为发散状，可以延缓电极失效时间；同时，将储液池 与微泵之间的管路直径缩小至5 0 p m 。这个经过改进的微泵可以在不同的方位进行工作。实验测 得，当过热1 9 c 时，该微泵的冷却率为3 5 w c m 2 。 5 l 。海交通大学博l 学位论文 第一章绪论 这种驱动方式不需要活动的机械部件，因此能够制造简单、可靠性高的微泵。由于单极性空 间电荷只能存在于绝缘液体中。电液力驱动方式只能用于绝缘液体或者电导率极低( 一般为1 0 一 “1 0 - g s e m ) 的液体，如乙醇、丙酮，而不能用于导电液体，这一点刚好与电渗驱动相反，这 般大地限制了其在微泵领域的应用。 超声波驱动是利用流体可以沿着声波传播的方向流动，且速度与声波幅度的平方成正比这一 现象来进行流体驱动控制的。其优点是，工作电压低不需要止网阀，而且对所操纵的流体种类 没限制。m o r o n e y 。“等人首先将超声波驱动方式应用于微流体的输送，他们发现，在薄膜中传播 的超卢波可以移动液体和固体小颗粒。用压电材料z n o 产生超声波，当施加7 1 v ，3 5 m h z 的射 频电压时，液体运动速度为1 3 0 t n n s 。j c r i f e t z q 采用p m m a 作为腔体制作了一个小型超声波驱 动泵。n g u y e n l 2 s l 啪进一步研究了超声波驱动微泵构成的微流体分析系统，驱动器所采用的结构 如图1 7 ，氧化锌和氮化硅绝缘膜的厚度为1 3 1 u n ，驱动频率为3 s m l t z 。l u g i n b u h 采用溶 图l - 7 超声波驱动微泵 f i g 1 - 7t h eu l t r a s o n i cm i c r o p u m p 胶一凝胶法制得p z t 薄膜，这可以允许产生更强的声波，微泵的传送速度可达到0 2 2 5 p t m i n 。这 种驱动方式所需的驱动电压低( 一般在1 0 v 以内) ，也不需要活动部件，可以驱动气体，并不受 所驱动流体种类的限制，非常适合于传送细胞和其他敏感的生物材料。主要缺点是驱动速度小、 背压低，超声波驱动主要用：液体混合以及定位。 表面张力驱动是利川液体表面张力的变化进行液体驱动的。通过液同接触面的浸润性产生表 面张力梯度使液滴定向流动；也可以通过改变液体的成分和温度梯度来产生表面张力梯度。 g a l l a r d 扩”等人利用电化学方法控制溶液中表面活化分子的浓度，产生表面张力梯度驱动液体以 及液体中的剐体颗粒，如图l - 8 所示。一个电极产生表面活化分子，另一个电极消耗表面活化分 子，这样可以产生表面张力梯度，通过改变两个电极之间的电势差可以改变表面活化分子产生的 速度，改变表面张力梯度的人小，从而改变流体驱动速度。图中所示的交义型管道的左右和一f 端 都设置有铂电极，上端设置有一个参考电极( 饱和甘汞电极) 和铂电极。图中a 是i - n 铂电极施 加0 3 v 电压、右端铂电极施加+ o 3 v 电压时液体晶体的流向，b 是左端铀电极施) j n - 0 3 v 电压、 6 卜海交通大学博1 j 学位论文第一章绪论 图1 - 8 表面张力驱动微泵 f i 晷1 - 8 t h e m i e n ) p u m p a c t l i a 把d b y s u r f a c e t e n s i o n 右端铂电极施加+ o 3 v 电压时液体晶体的流向，c 是下端铂电极施加- 0 3 v 电压、左端铂电极施加 + o 3 v 电压时液体晶体的流向，d 是上端和左端电极施加- o 3 v 电压时液体晶体的流向。这种驱动 方法所需的电压小( 一般小于i v ) 。还有一种方法是通过电势改变金属液体表面张力进行驱动的， 实验表明，当金属液滴表面的电压变化l v 则表面张力变化约为5 0 ，冈此当沿着充满电解质的 管道施加电压时金属液滴便可以沿着管道运动。l e e 1 首先将此概念用于表面张力微驱动，在一个 管道里驱动水银液滴，所闱驱动电压为1 3 v