（电路与系统专业论文）用于生物芯片的微流控系统研究.pdf

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注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 舢4 川4删q 舢4mmwm-舢8iiii舢y r 、 。擎徘审萃戳珥毒妊移非晕t 申千箪搬毒￥妊掣劓谚萃拱珥毒拦妤非氍 锋圈辫蕈兽专焉( ；f ： 鲤箪一) 皇斡霉勘甲。萃观珥毒明千逊、千箪i 阜绀明士斟辫稚甘娶锋砰斟卓2 蕃 笾茸砚妊影非鬃裂猎显瞽 。嚣母 7 厶9 口乒) 私，一七笔影雪争绻￥舰弘刍功私够形冠护蟛杉磬y ：( 嘭g 单) 弭研署甄 w 内7 ，w 易 6 n 哆! s v 姒 i ! t ；m 噍私l 七乞z “乏| 蜜印当油 修澎每彩匝环每蟛舅懈州专i ，鳕鐾黝 口千避华素岛刨 口蛳醵辫掣 口珥秦环每千逾声千逊鲋亲 口千斟 暗椠茸拱 目z 甜多匆 o 。f 瞬曰挺岛( o t o0 0 t 1 z鲁嘉 弓唿、槲杉 矽辅 彩j，么警歹嘭郅磁s 碌彩6 箩白、q 俦酉f 恸 目凰茸拱 - 邑i 冒哥晕勘茸孤珥去甭箪搬毒￥拦掣 目9 匆口o z 毒形。专焉y 砰磷磊霉勤 。掣目勘肆固咄蚓甭跖抱甲辑鲤葛一岳焉津砰斟卓。犁群娶丁皋蕻霉刨y 章 。面目y 章甲凿g 膂业疆礤刨业图啤琏一晕甲朝茸砚卓驾撕与硝士申茸砚珥杂明聋鬻 。铤嚣茸嵌裂骐目冀曾勤朝貊举勤晦刨晦匿杀柔￥拦掣犟瞀覃砚珥秦钾y 牢：梁凄y 卓 。u 耳q 。x o p u t 1 0 0 8 ：1 91 0 z e i i z o z ；：d u q 。骤豳勘锋囤辫豆革鬻硎士印茸砚 。茸锲妊好刨暂硼哇迈瞥g 雄蝴暂砷希鬻哇革誓q 彭掣业掣刮酶军哿茸观珥杀拦好非 。胜砰朝茸砚擎髯辂新科茸翠囝哿y 章如刨。暂酣冒署身j ； 惭船辆豳* 群并取甄 犁辨璩茸现砑秦翠胖y 劲冀强f 士砷茸谣茸祺砑杀朝圉弹军群革罄辞狲印壬砷( 霉永) 肚睁半 杀国串哇坷延掘冒粤辑性国七b 刨珥嘉碑群岩勤茸观砑柔( 争) 2 茸现砑杀明妊哲迈鹫砑责犁群 衅旦辚掣杀￥拦掣罩群* 晕僻星撵群醉( ) o 暂酣冒料鼯丐岛禧i 骠孵茸等覃砚暂相鲜 茸、攀碍咨目茸砚艳群丁豳囡辫翠罄圜雨断掣璐静弭鲻辫岛勘钵国翠僻疆骈勤茸拱砑杀明 拄汤琳相也魂杀朝目抱性哇杀磷( z ) 2 犁群骠茸弓茸观砑杀千渔斟秦￥妊掣 y 嘴冀 茸砚珥杀再距蛊堑犁哿稿士滞西砚暂疆由黪由缮茸酱诵血珥杀( 醑壬早强章嘈由骝狮星f 回) 茸砚砑柔罩鬻犁解辑蟛硒岩畚； 瓣珥杀( i ) ：帽砰茸砑茸观砑嘉明甲圈鲜犁群餮砰勤凳 翠单啡案￥拦单。犁群醢星朝目陛哇磺劲覃砚珥嘉甭距捡￥阜杀￥妊单鹄上弓毕y 牢 。狲士砷翠群暂卓骝狮茸砚珥杀明y 卓藁暂杀￥妊掣掣蟛解霉舒 瓣珥杀千迹、千科明辫捶餮峰醢岳出胜哇避劲茸砚珥杀雨g 抱士* 杀￥拦掣 群斟 锋砰群目觋茸砚再柔杀￥妊阜 i |?h，y f 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：杨丝毅2 0 1 0 年5 月3 1 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 一一 _ 一 保密期限 2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 随着m e m s 技术在生物医学检测与生化分析领域的广泛应用，微纳米 结构的微流体驱动与控制技术已经逐渐成为研究的热点。本论文工作是国 家自然科学基金项目的一部分，主要研制了一种可用于生物芯片的微流控 系统。该系统主要由无阀压电行波式微流泵和p d m s 微流沟道构成。 本论文具体工作包括以下几个方面： ( 1 ) 对压电双晶片的振幅进行了理论推导和行波的形成机理进行了深 入分析，为无阀压电行波式微流泵的研制提供了理论依据。 ( 2 ) 利用a n s y s 有限元软件，对压电双晶片的振动进行了建模仿真， 为微流泵参数的选择提供了参考依据。这些参数包括加在压电双晶片两极 间的电压、压电双晶片的长度和宽度、压电双晶片单片压电陶瓷的厚度和 中间电极层的厚度等。此外，还分析了压电双晶片阵列相邻两片不同间距 时的相互影响关系和压电双晶片不同位移下p d m s 微流沟道的位移响应情 况。 ( 3 ) 完成了微流泵驱动控制电路的研制。利用c p l d 芯片产生四路振 幅相同、频率相同、相位相差9 0 。的3 3 v 电压的方波信号，然后通过大功 率三极管进行放大，得到了所需的驱动电压信号，并且振幅和频率都可调。 ( 4 ) 对微流泵和p d m s 微流管道的制作工艺，芯片的封合和表面改性 技术进行了研究，完成了无阀压电行波式微流泵及微流管道的制备。 本论文研制的微流控系统采用四路振幅相同，频率相同，相位彼此相 差9 0 。的方波电压信号驱动压电双晶片有规律振动，在输流管道上产生行 波，使液体沿着行波方向流动，目前其流速可以达到o 1 7 3 9 l m i n 。作为一 种新型的微流体控制技术，无阀压电行波式驱动所需驱动电压低、材料选 择广泛、成本低廉、使用方便、可适用于各种环境中，在生物芯片领域具 有广泛的应用前景，该技术目前未见相关的报道。 关键词：微流控系统、无阀压电行波式微流泵、压电双晶片、a n s y s 仿真、p d m s 微流管道 a b s g a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e m s t e c h n o l o g yi nt h eb i o m e d i c a lt e s t i n ga n d b i o c h e m i c a la n a l y s i sf i e l d ，m i c r of l u i dd r i v ea n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo f m i c r o n a n o s t r u c t u r eh a sg r a d u a l l yb e c o m ear e s e a r c hf o c u s t h i sp r o j e c tw h i c h w ed e v e l o p ea b i o - c h i pu s e di nm i c r o f l u i d i cs y s t e m si ss u p p o r t e db yt h e n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n t h es y s t e mc o n s i s t so fv a l v e l e s s p i e z o e l e c t r i ct r a v e l i n gw a v em i c r o p u m pa n dt h ep d m sm i c r o f l u i d i cc h a n n e l t h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) w ea n a l y z et h ea m p l i t u d et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fp i e z o e l e c t r i c b i m o r p ha n dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft r a v e l i n gw a v ei nd e t a i lw h i c hp r o v i d e at h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ev a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i ct r a v e l i n gw a v em i c r o p u m p ( 2 ) w es i m u l a t es e v e r a li m p o r t a n tf a c t o r sw h i c ha r ea f f e c t e dt h ea m p l i t u d e o ft h ep i e z o e l e c t r i cb i m o r p h ，s u c ha st h el e n g t h ，w i d t h ，t h i c k n e s so ft h e p i e z o e l e c t r i cb i m o r p h ，t h ev o l t a g e ，t h et h i c k n e s so ft h em i d d l ee l e c t r o d ea n ds o o n t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h es p a c eb e t w e e nt w op i e z o e l e c t r i cb i m o r p h sa n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea m p l i t u d eo f p i e z o e l e c t r i cb i m o r p ha n dt h e d o w n w a r dd i s p l a c e m e n to fp d m sm i c r o - f l u i d i cc h a n n e l ( 3 ) w ef m i s ht h ed r i v ea n de o n t r o lc i r c u i tw h i c hp r o d u c e sf o u r3 3 vs q u a r e w a v es i g n a l sw i t ht h es a m ea m p l i t u d e ，s a m ef r e q u e n c y ，p h a s ed i f f e r e n tw i t h9 0 0 g e n e r a t e db yc p l d a n dt h e nt h es i g n a l sa r ec o n v e r t e db yt h eh i 曲- p o w e r t r a n s i s t o r sw o r k i n gi ns a t u r a t i o na n dc u t o f fr e g i o n t h es i g n a la m p l i t u d ea n d f r e q u e n c ya r eb o t ha d j u s t a b l e ( 4 ) t h i sp a p e ra l s od e s c r i b e st h ep r o d u c t i o no fm i c r of l o wc h a n n e lm o l d ， t h ep r o d u c t i o np r o c e s so fp d m sm i c r o f l u i d i cc h a n n e l ，c h i ps e a l i n ga n ds u r f a c e m o d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y v a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i ct r a v e l i n gw a v e m i c o r p u m pi sp r o d u c e db yf o u r s q u a r ew a v es i g n a l sw i t ht h es a m ea m p l i t u d e ，s a m ef r e q u e n c y ，p h a s ed i f f e r e n t w i t h9 0 0t od r i v et h ep i e z o e l e c t r i cb i m o r p hw i t hr e g u l a rv i b r a t i o nt og e n e r a t e n t e c h n o l o g y ，t h ev a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i ct r a v e l i n gw a v em i c r o p u m p c a i lb ed r i v e n b ya l o wv o l t a g e ，a n di th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sm a t e r i a ls e l e c t i o n e x t e n s i v e ，l o w - c o s ta n ds oo n a n dw e c a l ln o tf i n dt h er e l e v a n tr e p o r t si nc h i n a c u r r e n t l y k e y w o r d s ：m i c r o f l u i d i cs y s t e m ，v a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i ct r a v e l i n gw a v e m i r c o p u m p ，p i e z o e l e c t r i cb i m o r p h ，a n s y ss i m u l a t i o n ，p d m sm i c r o f l u i d i c c h a n n e l 目录i v 第一章绪论1 第一节微型全分析系统和微流控芯片发展概况1 第二节微流控系统的特点2 第三节微流控系统的分类3 1 3 1压力驱动和控制4 1 3 2 电渗驱动和控制6 1 3 3 电流体力驱动和控制8 1 3 4 表面张力驱动和控制1 0 1 3 5 热驱动和控制1 0 1 3 6 离心力驱动和控制1 l 1 3 7 重力驱动和控制。1 2 第四节微流控系统的发展趋势1 2 第二章无阀压电行波式微流泵的原理1 5 第一节引言1 5 第二节压电晶体的压电特性与振动方式1 5 2 2 1 压电晶体的特性常数1 5 2 2 2 压电本构方程18 2 2 3 振动模式。l9 第三节驱动模型的理论分析2 l 2 3 1 压电双晶片振幅的理论推导。2 l 2 3 2压电双晶片振幅的实际计算2 5 第四节行波模型的理论分析2 6 2 4 1驻波与行波2 6 2 4 2正弦波行波的合成2 6 i v 2 7 2 9 第三章无阀压电行波式微流泵的有限元分析3 0 第一节a n s y s 有限元分析软件应用基础3 0 3 1 1a n s y s 软件简介3 0 3 1 2a n s y s 分析流程3l 第二节有限元建模3 3 3 2 1压电单元有限元分析3 3 3 2 2 p d m s 管道有限元分析。4 1 3 2 3 无阀压电行波式微流泵有限元分析4 4 第三节有限元分析和参数优化5 1 3 3 1 加在压电双晶片两极的电压5 l 3 3 2 压电双晶片的长度。5 2 3 3 3 压电双晶片的宽度5 3 3 3 4 压电双晶片单片压电陶瓷的厚度5 4 3 3 5 中间电极层的厚度5 6 3 3 6 压电双晶片阵列相邻两片不同间距时的相互影响关系5 7 3 3 7 压电双晶片不同振幅时p d m s 微流沟道的位移响应情况5 9 3 3 8参数优化6 0 第四节本章小结6 0 第四章无阀压电行波式微流泵的控制电路设计6 l 第一节引言6 1 4 1 1c p l d f p g a 基本开发流程6l 4 1 2 q u a r t u si i 简介6 3 4 1 3 v e r i l o gh d l 硬件描述语言的优点6 4 第二节电路实现。6 4 4 2 1e m p 2 4 0 芯片介绍。“ 4 2 2电源模块6 6 4 2 3有源晶振模块6 7 4 2 4j t a g 模块6 8 4 2 5 三极管矩阵模块6 9 第三节软件实现7 l 第四节本章小结7 3 v 7 4 7 4 7 4 7 5 7 7 7 9 7 9 8 2 5 2 3p d m s 芯片的封合和表面改性。8 3 5 2 4微流泵性能的检测8 4 第三节本章小结8 5 第六章总结与展望8 6 第一节总结8 6 第二节展望8 7 参考文献8 8 致谢9 2 个人简历。9 3 v i 第一章绪论 第一章绪论 第一节微型全分析系统和微流控芯片发展概况 微型全分析系统( 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 s ，简称p , t a s ) 自2 0 世纪9 0 年代提出以来，经过将近二十年的发展，已经发展成为当前世界上最前 沿的科技领域之一。自2 0 0 2 年开始，i x t a s 已被列入美国a n a l y t i c a lc h e m i s t r y 两年一次的综述中，标志着l x t a s 的学术前沿地位，并被学术界承认为分析科学 的一个独立领域，表明当前微流控芯片在微分析领域的主导和前沿地位【l j 。 微型全分析系统又称微流控芯片分析系统，是由瑞士的m a n z 与w i d m e r 在 2 0 世纪9 0 年代初首先提出的。目前的核心技术是以微流控技术为基础的微流控 芯片。2 0 世纪9 0 年代初毛细管电泳技术的发展为 t t a s 研究取得突破提供了重 要的条件。m a n z 与加拿大的a l b e r t a 大学的h a r r i s o n 于1 9 9 2 年发表了首篇在微 流控芯片上完成的毛细管电泳分离的论文，展示了i t t a s 的发展潜力【2 j 。到1 9 9 4 年，美国橡树岭国家实验室r a m s e y 等在m a n z 的工作基础上，提高了微流控芯 片的性能与实用性【3 】，微流控芯片分析系统的商业开发价值开始显现。美国加州 大学伯克利分校的m a t h i e s 研究组于1 9 9 5 年在微流控芯片上实现了高速d n a 测 序【4 】，使学术界对微流控芯片技术引起了广泛的兴趣。1 9 9 6 年m a t h i e s 等又首次 将聚合酶链反应( p c r ) 扩增与毛细管电泳集成在一块芯片上1 5 j ，展示了微流控芯 片在试样处理方面及分析功能集成化方面的潜力。次年，他们又实现微流控芯 片上的多通道毛细管电泳d n a 测序，从而为微流控芯片在基因分析中的实际应 用提供了重要基础1 6 j 。 科学研究促进了仪器的研制和产业化。1 9 9 9 年9 月，首台微流控芯片商品 化微流控芯片分析仪器a g i l e n t2 1 0 0b i o a n a l y s e r 投放市场，用于核酸及蛋白质分 析。此后不久，日立和岛津也有微流控生化分析仪器的推出l 。 微流控芯片是近年来迅速兴起的交叉学科领域，广泛涉及物理、化学和光 电子等技术，在化学、生物、医学和环境科学中有广泛的应用前景，2 0 0 3 年被 f o r b e s 杂志列为影响人类未来的1 5 件最重要发明之一，2 0 0 4 年b u s i n e s s 2 0 杂 志称其为“改变未来的七种技术之一 。 微流控系统是在微米级甚至是纳米级的尺度，与宏观尺度的实验装置相比， 微流控芯片的微细结构显著增大了流体环境的表面积体积比例。这一变化在微 流控系统中导致了一系列与物体表面有关的，决定其特殊性能的特有效应，其 中影响分析性能的效应主要包括： 表面张力及毛细效应； 扩散效应； 层流效应； 快速热传导效应。 这些效应使微流控芯片的分析性能显著超过宏观条件下的分析体系，一般 来说，性能的改善主要包括： 分析装置更加集成化和自动化； 分析装置的体积减小； 试样和试剂消耗显著下降； 分析效率的显著提耐8 1 。 生物芯片技术的发展促进了微流体系统技术的发展。微流体系统包括微传 感器，微流管道，微喷嘴，微流泵和微流阀等，而微流泵是表征微流体系统发 展水平的重要指标，是其中最关键的部件之一。用于生物芯片的微流泵是流体 驱动的核心部件，它负责为整个系统的工作提供流动驱动力，主要用于控制样 品和试剂的泵送以及废料的排出，同时控制样品、试剂的流量和流速。根据其 有无可动阀片，微泵可分为有阀型微泵和无阀型微泵。按照驱动方式又可分为 压电式，静电式，形状记忆合金式，气动式和热驱动式等驱动方式的微型泵。 就目前的微流泵制作工艺来说，机械式的有阀微流泵制作工艺比较成熟， 但由于其内部存在微阀等机械可动部件，必然受到加工工艺和加工精度的限制， 不利于微型化的发展趋势。同时阀门频繁开关，稳定性和使用寿命均受到一定 程度的影响，其微型化发展空间有限。而无阀微流泵利用了流体在微尺寸下的 新特点，其一般原理非常新颖，而且其结构简单，容易】j n t _ ，运行可靠，成本 低廉，在制造工艺上减少了阀片制作的工序。另外，微型无阀泵具有平面加工 特性及结构参数化设计的优点，其流动特性可以通过结构化参数计算而预测， 易于形成系列化产品。 2 卫星的推进等。近年来，微流体系统的发展主要以生物芯片中由微流道组成的 微分析系统研究，微混和、分离样品研究及微推进器中的燃料输送研究等为代 表【9 1 。 m e m s 是指基于i c 工艺设计制造、集电子元件与机械结构于一体的微小系 统。微流控系统是m e m s 的一个重要分支，基于m e m s 工艺的无阀微流泵，由 于微泵的制作是在微米甚至纳米量级的，其一般原理已经不能完全照搬宏观原 理，而目前国际上对微流体流动机理尚无统一定论，因此其研究前景也相当广 阔。结构合理，性能优良，可批量生产的用于生物芯片的无阀微泵的设计制作 必将为我国的微流体技术的发展做出巨大贡献，也将推动生物芯片技术不断前 进。 总的来说，无阀压电行波式微流泵具有如下优点： 可以通过控制电压相位，实现流体的双向传输。 可以通过控制电压和频率来控制流体的流速。 泵体结构简单，容易加工，成本低廉，易于小型化。 总体效率高，使用范围广，使用方便。 第三节微流控系统的分类 微流控芯片是微全分析系统中的重要组成部分，微流体驱动和控制技术是 实现微流体控制的前提和基础。目前，微流体的驱功和控制技术种类很多，采 用的原理和形式也不尽相同。如按驱动原理来分，可分为压力驱动、电渗驱动、 电水力驱动、表面张力驱动、热驱动、离心力驱动、重力驱动、电磁驱动、静 电驱动等。如果按有无可动部件分，又可分为有阀驱动和无阀驱动。每一种驱 动和控制方式的操作形式都各不同。微流体的影响因素众多、流动特性复杂， 而且有时几种方式是组合在一起的。为叙述方便，下面我们将大致按照驱动原 理分类来对各种驱动和控制微流体的技术进行介绍。 以看作宏观流动 驱动和控制技术的移植，都是依靠入口、出口和腔体内部的相对压差来驱动流 体前进的。目前，利用压力驱动和控制微流体的方法有两种，一种是利用外部 的蠕动泵或注射器与微流管道连接，通过前者的推动力驱动流体冲开管道中的 阀门，在微流管道中向前流动，这种方法的主要缺点是不易于小型化，但它简 单、容易实现、成本低廉，而且已经商业化；另一种方法是采用微机械技术制 作的微流泵来提供压力差驱动流体前进。 1 9 8 0 年斯坦福大学的s m i t s 研究组【lo 】首先提出了微机械泵的概念；1 9 8 8 年 荷兰t w e n t e 大学的v a nl i n t e l 研究组【ll j 提出了基于压电薄膜往复式的压电微流 泵，与这种原理相似的其他微机械泵，在此后的几年中相继被提出。这些微泵 通常都由一个挠性泵膜、泵腔和两个止回阀组成【l 弧。这几种微机械泵的主要 区别在于泵膜的驱动原理和制作工艺上，泵膜的驱动原理有静电、热、双金属、 电磁等方式，制作工艺包括单晶硅刻蚀和注塑成型等。如图1 1 为一个压电双晶 片致动的微流泵的结构图。典型的往复式压电微流泵只需要几十伏的驱动电压， 就以可产生1 1 0 l ( p a 的静水压力，流速可以达到l m l m i n 。当泵膜向上运动时， 流体通过入口阀进入；当泵膜向下运动时，流体通过出口阀推出。通过压电陶 瓷在方波频率源的驱动下做有规律的上下振动，从而实现了流体的正向流动。 这种泵的优点是制动力大、响应时间短和泵体结构简单等。 图1 1 压电双晶片致动的微流泵 4 1 仃 信号源 第一章绪论 一种新型的无阀压电微机械泵于1 9 9 3 年由瑞典斯德哥尔摩c h a l m e r 大学的 s t e m m ee 和s t e m m eg 等【1 3 1 提出。图1 2 为该泵的原理图，在这种微流泵中， 薄膜式压电微流泵的止回阀被锥形的扩散口和喷嘴代替。因为扩散口和喷嘴在 两个方向上的流阻不同，当泵膜往上走时，扩散口进入的流体比喷嘴进入的流 体多，当泵膜往下走时，扩散口流出的流体比喷嘴流出的流体小，所以在总体 效果上可以产生单方向上的净流量。这种微泵有两个优点：一是泵腔内的最小 缝隙相对较大( 8 0 1 0 0 肛m ) ，颗粒容易通过，薄膜泵的颗粒问题在无阀泵中不会遇 到；二是这种泵既适用于液体，也适用于气体。这种无阀泵的缺点是容易产生 回流，而这种现象在许多应用中，如化学分析等，是需要尽量避免的。 一 扩散动作 喷嘴动作 喷嘴动作 扩散动作 a 注水模型b 泵模式 图1 2 无阀压电微机械泵 1 9 9 5 年，z e n g e r l e 等【1 4 】提出一种双向驱动流体的微机械泵。与以往微流阀 的设计不同，这种泵利用阀与阀之间的相移来实现流体的双向驱动。当驱动频 率低于流体环境下阀的共振频率时，该泵处于前向驱动模式；反之，该泵处于 后向驱动模式。这种微机械泵可以应用于化学分析系统的注样、清洗以及微量 液体的混合中。但这种双向泵的缺点和薄膜泵一样，存在泄漏和颗粒问题，性 能受液体所包含气泡的影响，启动注水过程比较困难等。 1 9 9 6 年德国的s t e h r 等【l5 】提出一种新型的有阀微流泵装置。这种装置既可以 当作主动微阀使用，也可以当作两个方向工作的微流泵使用。图1 3 为该装置 的结构示意图，它有两种工作方式：当施加方波电压时，它工作在泵模式下， 泵的速率由驱动电压、驱动频率和脉冲宽度控制；当施加直流电压时，它工作 在阀模式下，阀的动作与电压的极性有关。启动注水问题依然得不到很好的解 决。 压电双晶片 图1 3 有阀微流泵装置 n g u y e n 等【1 6 j 研制的压电驱动微流泵是由有机玻璃和s u - 8 光刻胶组成，与 硅材料相比，光刻胶较低的弹性常数使压电驱动电压低几个数量级，即几十伏 的驱动电压就能满足泵的正常工作需要。 微流泵开始是作为微流控系统外的一个独立器件，现在逐渐发展成为集成 在芯片上的一部分。在芯片上制作微流泵和微流阀，从芯片系统集成角度上看 有利于系统的小型化、集成化和便携化。传统的有阀微流泵工艺繁琐、结构复 杂，无论是从技术还是成本上都很难集成到微流控芯片上去。而微型无阀泵由 于其简单的结构使得集成化更加容易。 总的来说，微机械泵的优点是几乎可以适用于任何流体的驱动。微机械泵 的主要缺点是：压电陶瓷所提供的压力非常有限，系统很难提供高流速。 有阀微机械泵包含微型可动部件，大大地影响微流泵的寿命，增加了制作工艺 的复杂度和提高了价格。微型阀的性能相对较差，存在背压低、泄漏和死体 积等诸多问题。启动注水问题仍是一大难点。 1 3 2 电渗驱动和控制 电渗( e l e c t r o o s m o s i s ) 驱动是利用微通道表面存在的固定电荷进行驱动的。 电渗流可以产生泵和阀的动作驱动微流体在微流管道中流动。电渗流产生的前 提是与电解液接触的管壁上有不动的表面电荷，这种表面电荷来自于离子化基 或者是液体中被强力吸附的电荷。在表面电荷的静电吸附和分子扩散的作用下， 溶液中的抗衡离子就会在固液界面上形成双电层，而管道中央液体中的净电荷 则几乎为零，双电层由紧密层和扩散层组成，其中紧密层的厚度约为1 到2 个 离子的厚度。当在管道两端施加适当的电压时，在电场的作用下，固液两相就 会在紧密层和扩散层之间的滑动面上发生相对运动。由于离子的溶剂化作用或 6 图1 4 电渗流形成的原理 体一 h a r r i s o n 掣1 。7 l 用电渗流来驱动微流体，成功地实现了微芯片上的电泳分离实 验，后来这种技术经过不断完善，被广泛应用于生物芯片等微型化化学分析系 统中样品的传输和控制。利用电压的切换，可以在微流管道的交叉口控制电渗 流的流动方向，实现阀的功能。通过优化管道的几何尺寸，可以在管道的不同 部分产生不同的流速，这在生化分析中，例如溶液的混和和多个样品的并行处 理中大有用处。b a n c h i 等【1 8 j 通过对t 型微尺度下的电渗驱动进行模拟，从理论 上分析了电渗流的原理。s u n 等【i9 】制作了利用电渗力来驱动的用于细胞分类的微 流控芯片。s c h a s f o o r t 掣2 0 j 利用5 0 v 的电压在垂直管道的方向上产生1 5 m v c ：m 的电势差，利用该电势差实现对电渗流大小和方向的控制。p i t t m a n 等1 2 l j 对用电 流监测法进行玻璃微芯片的电渗流测定中的电渗流动力学进行了实验研究。 随着m e m s 技术的发展，能够在微流控芯片上集成阵列电极，考虑采用阵 列电极来减低微流控芯片分析系统的操作电压，使之更有利于生化样品体系的 检测。l i n 等【2 2 】【2 3 】介绍了低压电泳芯片的设计和操作原理，并用有限元分析方法 来模拟单边电极、双边电极以及组合电极三种不同类型阵列电极的电泳芯片的 电场特性。f u 等【2 4 】对比了常规电压施加方式和低电压施加方式下的电势分布， 7 第一章绪论 模拟了不同方式下的样品形状和样品分离谱图。温志渝等【2 5 】【2 6 j 利用在分离通道 上分段、交替、循环施加电压的方法，提出了电泳芯片低电压分离的模型，并 进行控制电路的设计和制作。刘岗等【2 7 j 运用简化的低电压电泳芯片的运动梯度 场的分离和控制模型，对低电压芯片的各参数与分离度、分离效率的关系进行 了计算机模拟和讨论。陈超等【2 8 】【2 9 】设计了线性分布式的电极阵列，介绍了以普 通载玻片和p d m s 为基料的芯片制作工艺，并相应开发了一套电渗驱动的微机 控制系统，从而实时全程地控制电泳过程，并进行了d n a 分离初步实验。 交流电渗驱动现象是采用电极阵列在交流电作用下的电渗流引起的。r a m o 等【3 0 】的实验中，在以玻璃为基底材料的芯片上，利用非对称电极实现了交流电 渗驱动液体。此外还有在微流控芯片上集成阵列电极，在微阵列电极上施加脉 冲电压作为驱动力来实现液滴传输、合并和拆分等操作的报道p 。 电渗驱动相对于其它驱动方式。有很多的优点：电渗流的速度与管道的 横向尺寸无关，易于控制。电渗流在管道中的横向速度剖面几乎是平直的， 有利于样品的分离。可以通过控制电压来控制流速，利用电压的切换可以在 微通道的交叉口控制电渗流的方向，实现阀的功能。优化通道的几何结构， 还可以在微流装置的不同部位产生不同的流速。这在生化分析中很有用处。 流体流动没有脉动现象。应用范围广，是目前最为成功的微流体驱动和控制 方法之一，是芯片毛细管电泳的主要驱动方式。 当然，电渗驱动与控制技术也存在一些局限性：电渗流对管壁材料和被 驱动流体的物理化学性质敏感，与液体接触的表面材料必须能够提供电荷，以 形成双电层，因此它只适用于一定范围的流体和管壁材料。产生电渗流所需 的高压电源会带来安全、功耗和所占空间大等问题，不利于系统的小型化。 要求流体在管道中保持连续性，防止管道中产生气泡，一旦管道中存在气泡， 该驱动方法效率急剧下降。电渗驱动由于焦耳热问题，不能高速驱动更宽管 道中的流体。 1 3 3 电流体力驱动和控制 电流体力( e l e c t r o h y d r o d y n a m i e ，简称e h d ) 驱动与控制由电场和流体中电 荷的相互作用来产生驱动力，电流体力驱动需要在流体中或固体液体表面诱导 产生自由电荷，通过电场与自由电荷的相互作用来驱动流体，它一般适用于导 8 第一章绪论 电率极低的液体。而电渗驱动主要依赖于材料与液体本身产生的双电层与电场 的相互作用来驱动流体，它适用于电解质溶液。 根据工作过程、驱动电压的种类以及空间自由电荷的诱导方式的不同，e h d 驱动技术主要可以分为两种，一种是b a r t 等【3 2 】提出的电势行波驱动的e h d 诱导 泵，另一种是由r i c h t e r 等1 3 3 1 提出的直流电压驱动的e h d 注射泵。图1 5 左图显 示了e h d 诱导泵的原理结构。两种材料的介电常数或导电率不同，如果在电极 阵列上施加一个电势行波，下面的材料界面就会产生与之同步运动的诱导电荷。 由于材料的电荷松弛会使自由电荷的运动滞后于电势行波的运动，这样所导致 的电势行波与被诱导电荷之间的位移就会产生一个作用在界面上的电表面应力， 从而驱动流体流动。 e h d 注射泵的驱动力是作用在流体离子上的库仑力。这些离子是通过电化 学反应由电极注射进流体中的，电极需要与流体直接接触，在电场作用下，发 射电极和接收电极之间就会产生一压力梯度，从而使得流体在两电极间流动。 图1 5 右图显示了一种e h d 注射泵的原理结构。该结构由两个相互隔离的网状 电极组成，一个电极用来注射离子，另一个电极用来接收离子。 啪诱导泵原理结构 e 皿注射泵原理结构 图1 5e h d 诱导泵和注射泵的原理结构 在微流体的驱动中，e h d 驱动技术所需要的驱动电压只需要几百甚至几十 伏就可以获得满意的驱动效果，而且随着对泵的几何尺寸的进一步优化，e h d 驱动技术还有很大的提升空间。但e h d 驱动技术有一个较大的局限性，它仅限 于那些导电率极低的液体的驱动，例如酒精、丙酮、硅油等。尽管g f u h r 等p 4 j 通过对行波诱导的e h d 驱动的原理进行修正从而将e h d 诱导泵的流动介质扩 展到水和弱电介质溶液，但e h d 驱动技术适用的范围仍然较小。不过，如果e h d 驱动技术和电渗驱动技术互为补充地使用，二者可以相得益彰。 9 人们很早就认识到表面张力的变化可以驱动流体流动这一现象p 引。早在1 0 0 多年前，意大利物理学家c a r l om a r a n g o n i 就对由于液体组成变化或温度梯度造 成的表面张力的变化及随之产生的液体流动的现象进行了研究。 从原理上讲，如果能够在固液表面产生某种特定的表面张力梯度，就可以 驱动液体向特定的方向流动。一般产生这种表面张力梯度的方法有两类：一类 方法是通过改变固体表面的湿润性，另一类方法是通过改变液体的成分或温度 梯度。 利用表面张力主动进行微流体驱动和控制还是最近的事情，它只是处于实 验研究阶段，要用于具体的微流体系统，还有很多技术问题需要解决。 1 3 5 热驱动和控制 热驱动和控制技术的操作过程一般是，通过给液体加热，使液体中产生气 泡，气泡随温度的增加而膨胀，从而驱动和控制液体流动。液体在只有一个开 口的腔体中，当液体中的气泡随温度的增加而膨胀时，液体会直接从开口喷出， 但当液体在两端开口的管道中时，这种驱动方法就不能实现液体的单向流动了。 o z a k i 3 6 1 在1 8 0 p r o 直径的金属管道中通过给单个气泡进行不对称加热，使气泡只 向一个方向膨胀，从而可以驱动液体在管道中定向流动。t h o m a s 等【37 j 提出了采 用多气泡模式进行流体驱动的方法，其中一个气泡可以起到阀的作用。图1 6 是 上述这两种方法的原理图。 这种利用对气泡不对称加热控制和驱动微流体的方法，所需加热电压小， 没有可动部件，实现简单，而且易于控制电路和流体管道集成一体，