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东北大学博士学位论文 摘要 微流控分析系统中微流体驱动技术的研究 摘要 尽管微流体驱动技术在过去的十余年得到了飞速发展，各种微泵种类繁多，但 微流体驱动系统集成化和微流体驱动系统可靠性的提高仍然是微全分析系统的薄弱 环节。本文在对现有微泵综述的基础上，对p d m s 气动微泵、蒸发吸湿微泵、毛 细蒸发作用力微泵和原位集成式毛细蒸发作用力微泵进行了研究。 p d m s 气动微型泵的研究包括制作工艺和结构参数的优化两方面。p d m s 气动 微泵的关键制作工艺是液体通道的弧形化和p d m s 层之间、p d m s 层与玻璃基片之 间的封接。通过比较三种材料弧形化效果，选择a z 4 6 2 0 正性光刻胶作为液体通道 阳模的制作材料，利用该材料在加热状态下的重流( r e f l o w ) 特性，使液体通道阳模弧 形化。通过比较三种封接工艺，选择等离子体氧化处理法封接技术为微泵制作的封 接工艺，该工艺易操作，封接速度快，而且封接效果好。首次对影响微泵流速的因 素一气体通道宽度、致动频率、致动气压、液体通道深宽比、液体通道宽度等进行 了系统研究，在优化参数气体通道宽度w l 为1 0 0 0 p m ，致动频率厂为2 0 3 0h z ，致 动气压为6 0k p a ，液体通道深宽比h w 2 为o 1 ，液体通道宽度w 2 为1 5 0 l t m 时，微 泵可以获得的最大流速为0 5 5 p l m i n ，较类似结构微泵的流速提高4 倍，抗背压能 力为1 1 0 c m 的水柱。 蒸发吸湿微泵是利用吸湿剂吸收液体的水蒸气，实现稳定低流速的液体驱动。 本文设计了结构包括液体储存和流动、吸湿剂储存和间隔室三部分的微泵，通过在 吸水剂储存腔体上方设置螺纹口，实现了可重复使用的、基于吸水剂改变气体饱和 蒸气压的蒸发- 吸湿微泵功能。该微泵具有结构简单、造价低、易于制作和不需要外 接能源的特点，但存在工作时间受吸水剂储存量限制的不足。 在蒸发一吸湿微泵的基础上，本文提出了一种新型的毛细蒸发作用力微泵。它 以吸水膜的毛细作用和大气蒸发相结合作为驱动力，由储液管、储水池、吸水膜、 排气孔和蒸发孔组成。对微泵性能进行了测试并考察了温度、湿度、蒸发面积、空 气流动状况对微泵流速的影响，结果表明在同一工作日的一般温湿度波动范围内， 微泵可在较长时间内提供稳定的i i l m i n 级液体流速。通过改变蒸发孔的面积或使用 风扇可调节微泵的流速。微泵的流速精度般优于3 r s d ( n = 4 1 ) 。该微泵应用到化 学发光分析体系中，系统实现了较高的重现性，精度为l 。4 r s d ( n = 1 1 ) 。该微泵不 仅结构简单、造价低、体积小、流速稳定，而且可长时间连续使用，流速易于调节。 在毛细一蒸发作用力微泵研究的基础上，本工作进一步将毛缅蒸发作用力微泵 东北大学博士学位论文摘要 集成到微流控芯片上。它以吸水柱的毛细作用和大气蒸发相结合作为驱动力。吸水 柱为致密的滤纸柱，放置在微流控芯片的废液池处，并在废液排出口处钻孔作为微 泵的储液池。通过滤纸柱与储液池中的废液接触，利用滤纸柱的毛细作用力将储液 池中的废液吸引到滤纸柱中，然后通过滤纸柱表面的蒸发，导致液体连续流动。滤 纸柱宜径为7 5 m m ，暴露高度为2 0 m m 时，其平均流速为2 1 4 p 。l m i n ，流速的精度 为1 6 r s d ( n = 4 6 ) 。该微泵应用于吸光光度分析系统中，实现了较高的重现性，精 度为3 4 r s d ( n = 5 ) 。 关键词：微流控分析系统，微泵，p d m s 气动微泵，蒸发吸湿微泵，毛细蒸发作 用力微泵，集成化 - 一 东北大肇博士学位论文 a b s t r a c t s t u d i e so nl i q u i dd r i v e sf o rm i c r o f l u i d i cs y s t e m a b s t r a c t d e s p i t et h es t r o n gi m p e t u si na d v a n c e m e n to ff l u i dd r i v e sf o rm i e r o f i u i d i cs y s t e m i nt h ep a s td e c a d e ，a se v i d e n c e db yt h em u l t i t u d eo fm i c r o p u m p sd e v e l o p e d ，i n t e g r a t i o n o fd r i v i n gs y s t e m so nt h em i c r o f l u i d i cc h i pa sw e l la st h ed e v e l o p m e n to fr e l i a b l e m i c r o f l u i dd r i v i n gs y s t e m ss t i l lr e m a i n e dt ob eac h a l l e n g e b a s e do nar e v i e wo f e x i s t i n gm i c r o p u m p s ，i nt h e w o r ks y s t e m a t i cs t u d i e sw e r ec o n d u c t e do np d m s p n e u m a t i cm i c r o p u m p s ，m i c r o p u m p sb a s e do ne v a p o r a t i o na n da b s o r b i o n ，m i c r o p u m p s b a s e do nc a p i l l a r ya n de v a p o r a t i o n ，o n c h i pi n t e g r a t e dm i c r o p u m p sb a s e do nc a p i l l a r y a n de v a p o r a t i o n f a b r i c a t i o np r o c e s s e sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fp d m sp n e u m a t i cm i c r o p u m p s w e r eo p t i m i z e d m a j o rf a c t o r si nt h ef a b r i c a t i o no fp d m sp n e u m a t i cm i c r o p u m p sa r e t h ef o r m a t i o no fa r c - s h a p e dc h a n n e lp r o f i l e so ft h em o l d i n gm a s t e r sa n db o n d i n gp d m s l a y e r sa sw e l la sb o n d i n gb e t w e e nt h ep d m sl a y e ra n dt h eg l a s ss l i d e a m o n gt h r e e m a t e r i a l ss t u d i e d ，a z 4 6 2 0p o s i t i v ep h o t o r e s i s td e m o n s t r a t e dt h eb e s tp e r f o r m a n c ea sa p o s i t i v em a s t e rf o rp r o d u c i n gal i q u i dc h a n n e lw i t ha ni d e a lc r o s ss e c t i o n a lp r o f i l e a m o n gt h et h r e eb o n d i n gm o d e ss t u d i e d ，b o n d i n gf o l l o w i n gp l a s m ac l e a n i n gs h o w e dt h e b e s tr e s u l ta n dw a su s e da st h eb o n d i n gm e a n sf o rf a b r i c a t i n gp d m sp n e u m a t i c m i c r o p u m p s f o rt h ef i r s tt i m e , s y s t e m a t i c s t u d i e sw e r ec o n d u c t e do nt h ef a c t o r s a f f e c t i n gt h ef l o wr a t e ，i n c l u d i n gc o n t r o lc h a n n e lw i d t h s ，a c t i v a t i o nf r e q u e n c y , a c t i v a t i o n p r e s s u r e ，l i q u i dc h a n n e lr a t i oo fd e p t ht ow i d t ha n dl i q u i dc h a n n e lw i d t h t h eo p t i m i z e d p a r a m e t e r sw e r ec o n t r o lc h a n n e lw i d t h 。1 0 0 0 “m ；l i q u i dc h a n n e l ，1 5 0 m ；l i q u i dc h a n n e l r a t i oo fd e p t ht ow i d t h ，0 1 ；a c t i v a t i o nf r e q u e n c y , 2 0 3 0 h z ，a c t i v a t i o np r e s s u r e ，6 0 k p a u n d e rs u c hc o n d i t i o n s ，t h em a x i m u mf l o wr a t ea c h i e v e dw a so 5 5 p l m i n ，w h i c hi s a b o u taf a c t o ro f4h i g h e rt h a ns i m i l a rm i c r o p u m p sr e p o r t e de l s e w h e r e ，a n dt h e m a x i m u me n d u r a b l eb a c kp r e s s u r ew a sl10 c mw a t e rc o l u m n a m i c r o p u m pb a s e do ne v a p o r a t i o na n da b s o r b i o nw o r k so nt h em e c h a n i s mt h a tt h e v a p o u re v a p o r a t e df r o mt h ed r i v e nf l o ww a sa b s o r b e db yad e s i c c a n t t h em i c r o p u m p c o m p o s e do fac o m p a r t m e n tf o rl i q u i ds t o r a g e ，ac o m p a r t m e mf o rd e s i c c a n ts t o r a g e ，a n d t h ec o m p a r t m e n tf o ra v o i d i n gt h el i q u i dc o n t a c t i n gw i t ht h ed e s i c c a n t t h em i c r o p u m p c o u l db eu s e dr e p e a t e d l yb yi n c l u d i n gat h r e a d e ds c r e wi na no r i f i c eo ft h ed e s i c c a n t c o m p a r t m e n t t h em i c r o p u m pw a sc h a r a c t e r i z e db ys i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，l o wc o s t , e a s y 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t f a b r i c a t i o na n dn e e d i n gn op o w e r ad r a w b a c ko ft h em i e r o p u m pi si t sr e l a t i v e l ys h o r t w o r k i n gp e r i o d ，l i m i t e db yt h ea m o u n to f t h ed e s i c c a n ts t o r e d b a s e do nt h es t u d i e so ft h ea b o v em e n t i o n e dm i c r o p u m p ，an o v e lm i c r o p u m pb a s e d o nc a p i l l a r ya n de v a p o r a t i o nw a sd e s i g n e d ，c o m p o s i n go faw a t e rr e s e r v o i r , l i q u i d s t o r a g et u b e ，w a t e ra b s o r b i n gm e m b r a n e ，a n de v a p o r a t i o na p e r t u r e s f a c t o r sa f f e c t i n g t h ef l o wr a t eo ft h em i c r o p u m pw e r es t u d i e da n dd i s c u s s e d t h ep u m pp r o v i d e ds t e a d y f l o wr a t ei nt h eul m i nr a n g ew i t h i naw o r k i n gd a yu n d e rm o s ta m b i e n tt e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t yc o n d i t i o n s t h ef l o wr a t eo ft h ep u m pc o u l db ea d j u s t e db yc h a n g i n gt h e a r e ao ft h ee v a p o r a t i o na p e r t u r e ，a n d o rb yu s i n gab l o w e r t h ef l o wr a t ep r e c i s i o no ft h e p u m pw a sb e t t e r t h a n3 r s d ( n 2 4 1 ) u n d e rm o s tc o n d i t i o n s w h e na p p l i e dt ot h e m i c r o c h i pf i c ls y s t e m ，ap r e c i s i o n o f1 4 r s d ( n = 11 ) w a so b t a i n e d t h i s m i c r o p u m pw a sc h a r a c t e r i z e db ys i m p l ed e s i g n ，s m a l ld i m e n s i o n s ，a n ds t a b l e ，a d j u s t a b l e f l o wr a t ed u r i n gl o n gw o r k i n gp e r i o d s o nt h ef o u n d a t i o n o ft h es t u d i e so nt h em i e r o p u m pb a s e do nc a p i l l a r ya n d e v a p o r a t i o n ，t h em i c r o p u m pw a si n t e g r a t e do nam i e r o f l u i d i ec h i p at i g h t l yr o l l e df i l t e r p a p e rc o l u m nw a su s e df o rw a t e ra b s o r p t i o n ，a n dm o u n t e do nt h ew a s t eo u t l e tr e s e r v o i r o ft h em i c r o f l u i d i cc h i p h e nt h eb o t t o mo ft h ef i l t e rp a p e rc o l u m nc o n d u c t e dt h el i q u i d i nt h ew a s t er e s e r v o i r , al i q u i df l o ww a sp r o d u c e db yt h ec a p i l l a r ya n de v a p o r a t i o n e f f e c t si nt h ef i l t e rp a p e rc o l u m n 。w i t haf i l t e rp a p e rc o l u m nd i a m e t e ro f7 5 m m ，a n da h e i g h to f2 0 r a me x p o s e dt oa i r ，t h ea v e r a g ef l o wr a t ew a s2 1 4 p l m i n ，a n dt h ef l o wr a t e p r e c i s i o nw a s1 6 r s d ( n = 4 6 ) ，w h e na p p l i e dt ot h em i c r o c h i pf l o wi n j e c t i o na b s o r b e n t s p e c t r o p h o t o m e t r i ea n a l y s i ss y s t e m ，ap r e c i s i o no f3 4 r s d ( n = 5 ) w a so b t m n e d k e yw o r d sm i c r o f l u i d i ca n a l y t i c a ls y s t e m ，m i c r o p u m p ，p d m sp n e u m a t i cm i c r o p u m p ， m i c r o p u m pb a s e do ne v a p o r a t i o na n da b s o r b i o n ，m i c r o p u m pb a s e do n c a p i l l a r ya n de v a p o r a t i o n ，o n c h i pi n t e g r a t e dm i c r o p u m p sb a s e do n c a p i l l a r ya n de v a p o r a t i o n ，i n t e g r a t i o n v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：圾争公钥 日期：脚、? 、缯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 学位论文作者签名： 次物教 日期：删、? 、2 占 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名：否则视为同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学博士学位论文 第一章导论 第一章导论 1 1 引言 2 0 世纪9 0 年代初m a n z 掣1 1 提出了以微机电系统( 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 ， m e m s ) 为加工平台的微全分析系统( m i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m ，或，m i c r ot o t a l a n a l y s i ss y s t e m s ，p t a s ) ，自此这个领域得到了飞速的发展【23 1 ，其目的是通过化学分 析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备 中，甚至集成到芯片上。微全分析系统一般可以进一步分为四个单元一进样单元、 流体控制单元、检测单元和电子控制器【4 1 。微流控芯片是微全分析系统中的重要组 成部分，其主要形态特征是各种构型的微通道网络与各种微阀的集合体。其功能是 通过对通道内流体的控制，完成芯片上试样的分离分析。在任何微流控分析系统中， 流体驱动都是必不可少的，它起着传输液流和分配液流的作用，是实现微流体控制 的前提和基础。 目前用于微流体驱动的微泵有很多种，大体上可分为机械微泵和非机械微泵。 机械微泵根据致动机理的不同又可以分为压电致动微泵、静电致动微泵、电磁致动 微泵、形状记忆合金( s h a p em e m e r ya l l o y , s m a ) 致动微泵、热气动力致动微泵和气 动微泵等。非机械微泵与机械微泵的区别是无活动部件，液流无脉动性，其工作原 理是将非机械能或机械能直接传递给液体，使其流动。目前已经有多种非机械微泵 被研制开发，如电渗泵、磁液态动力泵、电液态动力泵、毛细蒸发作用力微泵等。 本章将对各种微泵的工作原理、发展过程与现状及关键的微加工技术进行概述， 并进一步给出本论文的工作目的及设计思想。 1 2 机械微泵的工作原理 机械微泵可分为两种类型一往复式和蠕动式，但多数微泵为往复式。往复式微泵 又可以分为有阎微泵和无阀微泵两种。往复式有阀微泵的原理结构如图1 1 所示，由 一腔体、泵膜、两个被动阀和一个致动器组成。腔体的一侧用一弹性膜封闭，通过 某种致动机理，弹性膜上下移动，使腔体内液体在高压和低压之间交替变换。在一 个工作周期内，微泵的工作状态可以分为泵入模式和泵出模式。在泵入模式状态下， 泵膜向上移动，泵腔体积增大，处于低压状态，腔体由入口经入口阀吸入液体。在 泵出模式状态下，泵膜向下移动，泵腔体积减小，处于高压状态的腔体使腔体中的 1 东北大学博士学位论文第一章导论 液体经出口阀从出口流出。入口阀和出口阀在微泵工作中将阻止倒流，起“流体整 流器”的作用，使液体的双向流动变成指定方向的单向流动，在膜连续工作状态下 实现液体的连续流动 卯。 入 圈 腔体体积变化量 出 图1 1 往复式有阀微泵工作原理示意图 f i g 1 1s c h c m a t i c d i a g r a ms h o w i n g p r i n c i p l e s o f ar e c i p r o c a t i n g m i c r o p u m p w i t hv a l v e sf 钉 如果把入口阀和出1 ：3 阀代以扩散u ( d i f f u s e r ) 和喷嘴( n o z z l e ) ，即成为无阀机械微 泵【6 7 891 0 1 1 1 ，此种微泵是由e s t e m m e 和g s t e m m e 在1 9 9 3 年首先提出的12 1 ，扩散 口和喷嘴的定义如图1 2 所示，扩散口是一个逐渐张开的通道，喷嘴是逐渐收缩的通 道。无阀机械微泵的工作原理图如图1 2 所示，在一个工作周期内，工作状态仍然可 图1 2 无阀微泵工作原理 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f v a l v e l e s sm i c r o p u m p sw o r k i n gp r i n c i p l e - 2 东北大学博士学位论文 第一章导论 分为泵入模式和泵出模式，泵的运行以扩散d 喷嘴的定向流动特性为基础。通过 正确设计扩散口嚷嘴的几何尺寸使微泵在泵入模式中，由入口( 扩散口) 流入腔 体的液体量大于由出口( 喷嘴) 流入腔体的液体量：在泵出模式中，由出口( 扩 散口) 流出腔体的液体量大于由入口( 喷嘴) 流出腔体的液体量，结果从泵的入 口端到出口端就有定向的液体流动。 1 3 机械微泵的种类与发展 目前几乎所有的微致动机理都能应用于机械微泵中，主要包括压电i 1 31 4 5 协7 1 8 1 9 2 0 1 、热气动2 1 2 22 32 4 2 5 1 、静电( 2 62 72 82 9 3 0 1 、电磁【3 1 3 2 3 33 4 3 536 1 、形状记忆合金 ( s m a ) i 3 73 8 】、气动等。原则上，任何可以使微机械部件产生往复运动的技术都可以 成为微泵的致动器，因此，新的致动机理还可能出现。不同的致动器由于其致动机 理不同，其性能也有很大的区别，下面对不同致动机理的微泵的工作原理及发展进 行概述。 1 3 1 压电微泵 压电力已经广泛应用于微机械设备中。压电效应产生予一些特殊的晶体，当它 们承受机械应力时，就被极化，极化的强度与应力大小成正比。反之，当施加电场 时，它们也会产生应力和形变，形变的程度随电场强度的增加而增加。压电致动器 中即采用了压电晶体和金属电极制作的活动部件，利用压电效应产生部件的形变。 压电致动器通常由双压电晶片构成，所施加的电压通过引起一层收缩，另一层膨胀 而获得更有效的响应。往复式压电微泵由v a nl i n t e l 等人首先提出“，其结构如图 1 3 所示，也是迄今为止应用最为广泛的一种结构，由两个被动阀、一个泵腔和一个 泵腔和 入口 出口 图1 3 往复式压电微泵结构原理图1 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f r e c i p r o c a t i n gm i e r o p u m pw i t hp i e z o e l e c t r i ca c t u a t i o n 一3 - 东北大学博士学位论文第一章导论 压电致动器组成。微泵的最大输出压力取决于所用致动力的大小。压电材料用胶通 过手工粘接到玻璃薄膜上，这种工艺不利于批量生产出可靠性较高的微泵。 图1 4 厚膜压电微泵【1 4 】 f i 9 1 4t h i c kf i l mp i e z o e l e c t r i cm i e r o p u m p k o c h 等人提出了一种适合于批量生产微泵的网板印刷技术【1 4 】，这种技术制得的 微泵被称为厚膜微泵，如图1 4 所示，也是由被动阀和泵腔组成，被动阀是利用掺杂 自停止腐蚀技术制成的悬臂梁，然后通过硅一硅键合技术制成。泵腔上的弹性薄膜是 通过控制k o h 的腐蚀时间，制成的单晶硅薄膜。网板印刷技术制得的压电薄膜比用 物理气相淀积的方法制成的薄膜厚，压电特性因此也更好些，但仍不如前述用胶粘 的压电片的性能。网板印刷技术的有利条件是可以在4 英寸的单晶硅片上进行加工， 而不是将单个的压电片粘到单个的薄膜上，这就为批量生产提供了可能。 4 一 东北大学博士学位论文 第一章导论 被动 ( a )( b ) 图1 5p m m a 压电微泵的结构 ( a ) 微泵的叠片式装配图( b ) 带有被动阀和孔的s u 一8 片放大图 f i g 1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fp m m am i c r o p u m pw i t hp i e z o e l e c t r i ca c t u a t i o n ( a ) s t a c k e dc o n c e p to f t h em i c r o p u m p ( b ) g e o m e t r yo f t h es u - 8d i s kc o n t a i n i n gt h ev a l v ea n dah o l e n g u y c n 等。”提出了一种由6 层p m m a 构成的结构新颖的压电微泵，如图1 5 所示，由六层p m m a 组成。第一层p m m a 片，在中心位置开孔，用来固定压电片； 压电片既起致动器的作用，又起泵膜的作用；泵腔由压电片和第二层p m m a 片来确 定，第二层p m m a 片上设有两个泵腔连接孔；下面两层是完全样的s u ，8 片，上 面带有悬浮盘状的被动阀。被动阀的结构如图1 5 ( b ) 所示，被动阀是由悬浮于四根 折叠状弹簧的直径为1 m m 的园盘构成，叠状弹簧是用s u 一8 制成的平面折叠状，剖 面尺寸为1 0 0 “m 1 0 0 pm 的弹簧。另一个2 m m 赢径的孔作为另一片s u 8 片上的 被动阀的间隔层。当给压电片施加一定频率变化电压时，压电片将上下振动，导 致泵腔体积和泵腔压力的变化，被动阀随之上下运动，致使液体定向流动。被动 阀上下移动的幅度受s u 8 片厚度的限制。该六层结构用四个螺钉固定。 s t e m m e 等人研制的以扩散口喷嘴结构为基础的无阀微泵“2 3 采用压电机制来进 5 东北大学博士学位论文第一章导论 行驱动。该微泵是用铜制成的，扩散口和喷嘴的形状为锥形，可以用来运送液体和 气体。g e r l a c h 等基于无阀微泵的工作原理研制出了第一个硅基无阀微泵“，结构如 图1 6 所示。横向尺寸为l c m ，在( 1 0 0 ) 硅片上采用各向异性腐蚀方法形成棱锥形的扩 图1 6 垂直硅基无阀微泵1 f i g 1 6v e r t i c a lv a l v e s l e s sm i c r o p u m pb a s e do ns i l i c o nm i c r o m a c h i n g 图1 7 双腔平面无阀微泵的设计【4 1 1 ( a ) 顶视图；( b ) 侧视图；( c ) 剖面图两个泵腔中的四个薄膜以反相位的方式被激励h 1 】 f l u i di n l e t ，液体入口；p i e z o e l e c t r i cd i s c ，压电盘；f l u i do u t l e t ，液体出口 f i g 1 7d e s i g no f t h ep l a n a rt w o - c h a m b e rp u m p ： ( a ) t o pp l a t e v i e w ；( b ) s i d ev i e w ；( c ) c r o s s - s e c t i o n a lv i e ws h o w i n gt h et w op u m pc h a m b e r sa n dt h e f o u rd i a p h r a g m se x c i t e di nt h ea n t i - p h a s em o d e 6 东北大学博士学位论文 第一章导论 散i s l 喷嘴结构。扩散d 喷嘴处于垂直方向，因此也称为垂直结构。之后，他们又研 制出了平面形无阀扩散微泵；所用的材料是铜，采用的是传统的加工技术。微泵由 两个压电致动的腔体组成，如图1 7 所示，两个腔体以并联的方式连接，这使得微泵 的流速是相同尺寸单腔微泵流速的二倍。在单腔微泵中，薄膜振荡所产生的压力和 液流的振荡将导致在微泵出入口处由流动摩擦产生的能量损失，在双腔泵中，如果 两个泵腔以反相位方式工作，压力和液流的脉动将被大大降低。在每个泵腔上使用 两个薄膜代替一个薄膜会使流量加倍。当腔体直径为1 3 r a m ，扩散口喷嘴颈的尺寸 是0 3 0 3 r a m ，长为4 1 m m ，当两个以反相位工作的腔体的振动频率为5 4 0 h z 时，最 大流速为1 6 m l m i n ，最大压力为1 7 m 水柱p “。 o l s s o n 等采用热塑复制法制作无阀微泵，该方法降低了无阀微泵的制作成本， 也有利于无阀微泵的批量生产“；u l l m a n n 对无阀压电微泵的性能进行了分析，这 有助于此类微泵具有更合理的设计“”。 1 3 2 热气动微泵 热气动微泵由v a nd ep o l 等【“1 首先研制成功，用带有内部加热电阻的密封腔体 代替压电盘集成在微泵顶部的薄膜上。图1 8 为典型的热气动微泵的结构副4 4 1 。它 由热气动致动器和两个被动阀组成，热气动致动器由加热器、薄膜和充满气体或液 体的密封腔体组成。欧姆加热和自然冷却使密封腔体内压力变化，进而使薄膜形变， 引起被动阀或开或关，导致液体定向流动。热气动致动器的特点是能用较小的电压 获碍较大的薄膜位移，但由于热延迟的原因，其致动频率较低。 图1 8 热气动微泵结构示意图“” f i g 1 8s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e r m o p n e u m a t i cm i c r o p u m p 在微泵中，薄膜的弹性决定着薄膜一次形变所引起腔体体积的变化量，所以 一7 - 东北大学博士学位论文第一章导论 j e o n g 等2 2 】将波纹状硅膜应用到热气动微泵中。波纹状薄膜比平面形薄膜更具有弹 性，因此由薄膜弹性形变所产生的腔体体积的变化量更大。该微泵由一组喷嘴扩散 口和微致动器组成，微致动器由p + 型( 在单晶硅中掺入大量的b 元素) 波纹状硅膜 和一个微加热器构成。该微泵的最大流速为1 4 1 t l m i n ，远远大于平面薄膜微泵的流 速。 通过应用印刷电路板( p r i n t e dc i r c u i t b o a r d ，p c b ) 技术，w e g o 等研制开发出了一 种能够与电子线路相集成的自吸式微泵【2 3 1 。p c b 技术能够使流体系统与控制致动器 和处理传感器信号的电子线路集成在一起。 1 3 3 静电致动微泵 静电致动微泵的特点是致动频率高、结构简单、便于操作，因此在m e m s 领域 中发展很快。i 刍z e n g e r l e 等人提出的垂直静电微泵。町的结构如图1 9 所示，致动器由 两层薄单晶硅片构成，分别做成弹性电极膜和对应的固定电极，弹性电极膜作为微 泵的泵膜，所处位置如图1 9 所示，处于泵腔的上方，其结构类似于电容器，当给电 容器的两个电极施加足够高的电压时，静电引力吸引泵膜向上偏移，当电容器放电 时，泵膜靠张力又回到原来的位置，这使得泵腔的压力发生变化，进而使入口阀和 进口阀或开或关，液体就产生了定向移动。根据致动频率的不同，微泵具有双向流 动的特性，在低致动频率下( o 1 8 0 0 h z ) 微泵为正向流动( 液体由1 9 所示的入口流向 出口) ，在高致动频率下( 2 6 k h z ) ，微泵为负向流动( 液体由1 9 所示的出口流向入口) 。 微泵的双向性取决于被动阀的响应与驱动流体压力差的相位转换。最大流速可达 8 5 0 m l m i n ，在2 0 0 v 的致动电压下可获得3 l k p a 的泵压。 入口出口 图1 9 静电薄膜微泵结构示意图【2 6 1 f i g 1 9s c h e m a t i cd i a g r a mo f e l e c t r o s t a t i cm i c r o p u m p 静电致动微泵的缺点是致动电压较高，要获得理想的流速，其致动电压需大于 - 8 东北大学博士学位论文 第一章导论 5 0 v ，而且当薄膜位移量超过电极间气体间隙的1 3 时，会出现不稳定性，因此薄膜 位移量较小。 1 3 4 电磁微泵 与静电微泵相比，电磁微泵具有较大的致动力，而且工作电压低，但电磁微泵 在体积上没有优势，随着线圈尺寸的减小，其致动力也随之下降。b o h m 等人提出的 塑料电磁微泵o “，其结构如图1 1 0 所示。图1 1 0 ( a ) 为电磁致动器，它由永久性磁铁 和线圈构成。实际上就是一个传统的电磁扬声器结构，当线圈中有电流通过时，就 在线圈中产生向上或向下的洛伦兹力，力的大小取决于电流的大小。图1 1 0 ( b ) 为微 泵的结构，它是在上下两个阀部件中间夹有阀膜的三层结构，在微泵的底部设有进 口和出口，在微泵的顶部设有泵膜。阀部件用注模技术制得，首先用传统的加工设 备制成铝模，再涂上一层脱模剂之后，将环氧树脂注入模中，在6 0 下固化5 0 r a i n 制成。阀膜是厚度为7 “m 的聚酯膜；泵膜是2 0 0 雎m 厚的硅橡胶膜，最后用环氧树脂 将电磁致动器固定在泵膜上，构成了完整的微泵。泵的功耗为0 5 w ，在零背压下， 水的流速可达2 1 m l m i n ，气体的流速为4 0 m l m i n ，微泵的体积为1 0 1 0 l o m m 。 该微泵的优点是制作简单、成本低，能自充液( s e l f - p r i m i n g ) ，缺点是没有利用微加工 技术，因此不能进一步缩小体积。 ( a ) 入口阀座 出口 2 m m 图1 1 0 塑料电磁微泵结构示意图口1 1 ( a ) 电磁致动器( b ) 塑料微泵 f i g 1 1 0s c h e m a t i cd i a g r a mo fp l a s t i cm i c r o p u m pw i t he l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t i o n ( a ) e l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o r ( b ) p l a s t i cm i c r o p u m p 9 东北大学博士学位论文第一章导论 g o n g 等对电磁微泵进行了设计、优化和模拟。“，所设计的微泵的微电磁致动器 是平面线圈，线圈的宽度为2 0 l _ t m ，间隔为1 0 i t m ，面积为6 6 r a m ，初始气体间隙 是3 0 9 i n ，泵的面积是3x3 m m 。模拟结果表明，当驱动信号的频率为1 2 5 h z 时，微 泵可获得最大流速。 1 3 5s m a 微泵 由t i n i 合金制得的s m a 微泵致动器具有很高的恢复力和致动力，因此能产生 较大的流速和较大的工作压力，泵压可达数百k p a 。其它类型机械微泵的典型输出压 力为几十k p a ，或者更少。对于在微分析系统中的应用，几十k p a 压力不够高，因为 微分析系统的流路复杂，流动阻力大。t i n i 微泵由t i n i 薄膜和偏置弹簧( b i a ss p r i n g ) 或偏置压( b i a sp r e s s u r e ) 构成。给t i n i 薄膜旆加偏置力，使之在室温下变形，再通过 加热使t i n i 薄膜又恢复到原来的平面形状。周期性地加热或冷却就得到了t i n i 薄膜 的往复式运动，于是泵的效果就产生了。s m a 微泵的致动机理虽然简单，但是偏置 和间隔结构( s p a c e rs t r u c t u r e ) 使s m a 微泵复杂。s m a 微泵的缺点是工作频率低、 功效低。形状记忆效应是用加热来驱动相位变化的，因此工作效率受卡诺循环的限 制，实际形状记忆致动器的功效为1 或者更少。 玻璃帽 撤压 泵入 凰圆凰 泵入 泵出 图1 i is m a 微泵的结构【4 5 】 ( a ) 加压型( b ) 撤压型 f i 9 1 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f s m a m i c r o p u m p ( a ) a p p l y i n gp r e s s u r e ( b ) r e l e a s i n gp r e s s u r e - 1 0 东北大学博士学位论文第一章导论 m a k i n o 等“”提出了能产生数百k p a 泵压的压偏置t i n i 微泵，t i n i 薄膜的初始变形 是通过键合在t i n i 致动器上的密封玻璃帽内的压力产生的。在2 0 0 k p a 下，t i n i 薄膜中 心处的位移为9 5 p , m ；1 0 0 k p a 的压力下，泵速可达4 8 m l m i n 。微泵的结构如图1 1 1 所 示，它主要由两部分组成，s m a 致动器和被动阀。s m a 致动器中的主要部件是具有 平面形状记忆功能的t i n i 薄膜，致动器由薄膜和玻璃帽组成，在薄膜和玻璃帽之间 形成一个腔体。当在室温下给腔体旌加偏置压力时，薄膜就发生形变。当薄膜被加 热时，又恢复了平直的形状。被动阀由入口阀和出口阀组成，它们根据t i n i 薄膜的 运动方式进行开关。根据如何施加偏置压力，