（机械制造及其自动化专业论文）电磁力驱动微型膜片泵的研究与实验分析.pdf

摘要 摘要 液体的微量传输在微量药物注射、化学检测、生物微分析等领域上有广泛的 应用，研究日愈深入。 本文研究一种新颖的电磁力驱动的p d m s 膜片泵，具有体积小，制作简单， 控制精度高的特点。它由驱动线圈、嵌有小永磁体的p d m s 膜片及阀体构成。永 磁体在通电线圈产生的磁场中受到电磁力作用，驱动膜片运动，使膜腔产生体积 变化，并在阀作用下引起液体单向流动。 文中首先全面地概述了当前不同种类的微泵的工作原理及发展情况； 重点推导和分析了磁场大小、电磁力大小、膜片的受力与变形、通电线圈产 生的电磁力作用下的膜片变形量等模型，最终建立了完整的电磁力驱动微型膜片 泵的理论控制模型。 通过m a t l a b 仿真了电流与磁场强度关系、膜片变形与其回复力的关系；根 据膜片泵的理论控制模型仿真了不同的螺线管与膜片泵结构数据对泵膜片变形的 影响，在理论上优化了实体模型结构。 从理论上介绍了微型泵的工作频率、每搏输出流量的计算公式，并推导了液 体的瞬时响应模型。 设计了微型膜片泵，详细的介绍了其制作过程，包括关键步骤：p d m s 的制 备与固化、嵌入微型永磁体的p d m s 驱动膜片的制作、p m m a 与p d m s 膜片做成 微阀的集成等。 完成了对该膜片泵的实验测试，针对电流与液体流量，脉冲与液体流速进行 了实验测试，并检测其输出负压大小。结果表明该膜片泵能进行微升体积的液体 泵送，及其在控制上的可行性。 关键词：电磁力驱动；p d m s 膜片泵；控制精度；控制模型；仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o f l u i dt r a n s m i s s i o np l a y sa ne x t e n s i v er o l ei na s p e c t so fm i c r o v o l u m e m e d i c i n ei n j e c t i o n ，c h e m i s t r ym e a s u r e ，a n db i o l o g i c a lm t a sa n ds oo n ，w i t h w h o s er e s e a r c hi sb e c o m i n gd e e p e r an o v e lp d m sd i a p h r a g mm i c r o p u m pa c t u a t e db ye l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei s r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ，w h i c hi ss m a l lv o l u m e ，e a s ym a n u f a c t u r i n g ，a n d p r e c i s ec o n t r o l l i n g i ti sc o m p o s e do fs o l e n o i d ，p d m sd i a p h r a g mi n s e r t e dw i t h s m a l lm a g n e t ，a n dv a l v e s t h em a g n e td r i v e nb yt h em a g n e t i cf o r c e ，i nt h e m a g n e t i cf i e l dg e n e r a t e db yt h ee l e c t r i f i e ds o l e n o i d ，a c t u a t e st h ed i a p h r a g mt o m o v e ，w h i c hc h a n g e st h ev o l u m eo ft h ep u m pc h a m b e r a sar e s u l t ，t h ef l u i d f l o w si nad i r e c t i o ni nt h ep r e s e n to fv a l v e s i nt h ep a p e r , f i r s t l y ，t h ep r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n to fv a r i o u sm i c r o p u m p sa t p r e s e n t ，i sc o m p r e h e n s i v e l ys u m m a r i z e d ； t h em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y ，e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，d i a p h r a g mf o r c ew i t h d e f l e c t i o n ，a n dd i a p h r a g md e f l e c t i o nu n d e rt h em a g n e t i cf o r c eg e n e r a t e db yt h e e l e c t r i f i e ds o l e n o i d ，i sd e d u c e da n da n a l y z e d f i n a l l yt h et h e o r e t i c a lc o n t r o l l i n g m o d e lo ft h ed i a p h r a g mm i c r o p u m pi se s t a b l i s h e d s i m u l a t i o nb e t w e e nc u r r e n ta n dm a g n e t i cf i e l d i n t e n s i t ya n db e t w e e n d i a p h r a g md e f l e c t i o na n di t s f o r c ei s d o n e a c c o r d i n gt o t h et h e o r e t i c a l c o n t r o l l i n g m o d e lo ft h ep u m p ，t h er e l a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts t r u c t u r eo f s o l e n o i da n dp u m pa n dd i a p h r a g md e f l e c t i o ni sa l s os i m u l a t e d a n df i n a l l yt h e t h e o r e t i c a lp u m pm o d e ls t r u c t u r ei so p t i m i z e d t h e w o r k i n gf r e q u e n c yo ft h ep u m pa n dt h ee x p r e s s i o no ff l u i do u t p u tp e r i m p u l s ea r ei n t r o d u c e d a n dd e d u c t i o no ft h et r a n s i e n t - r e s p o n dm o d e lo ff l u i di s d o n e d e s i g n t h e d i a p h r a g mm i c r o p u m p a n d i n t r o d u c ei t s m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s e s ，i n c l u d i n g ：( a ) p r e p a r i n ga n dc u r i n gt h ep d m s ，( b ) m a n u f a c t u r i n gt h e a b s t r a c t p d m sd i a p h r a g mi n s e r t e ds m a l lm a g n e t ，( c ) m a k i n gv a l v ew i t hp m m aa n d p d m sd i a p h r a g m ，( d ) i n t e g r a t i o n c o m p l e t et h et e s t i n ge x p e r i m e n tt ot h ep u m p t h e r e l a t i o nb e t w e e nc u r r e n t a n df l u i dv o l u m ei st e s t e d ，a sw e l la st h er e l a t i o nb e t w e e nt h ef l u i dv e l o c i t ya n d d i f f e r e n ti m p u l s ef r e q u e n c y e x p e r i m e n tt h eb a c k p r e s s u r e t h ee x p e r i m e n t i n d i c a t e st h a tt h ep u m pc a nt r a n s m i tm i c r o f l u i d ，a n dt h a ti ti sf e a s i b l et oc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：e i e c t r o m a g n e t i cf o r c e ；p d m sd i a p h r a g mm i c r o p u m p ；p r e c i s e c o n t r o l l i n g ；c o n t r o l l i n gm o d e l ；s i m u l a t i o n 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 办丫， 、层 铆， )、， 名堑 月 人 事叭净 商 l | 。 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦f - j ：k 学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 1 2 不保密，适用上述授权。 v ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ： ) i 。a ) 年6 月勺日 1 胗 第1 章绪论 1 1 微泵的研究意义 第1 章绪论 微型泵在医药、化学、生物、微电子诸多领域中有着很广泛的运用，例如医 药微量注射，化学检测、生化反应、生物微分析系统。因此，近年来人们对它的 研究越来越深入。 向人体输送药剂已经成为许多人研究和设计微泵的一个目的。在上世纪8 0 年代初，j a ns m i t s 致力于发明一种微型医疗泵，利用它来控制胰岛素传输，维持 糖尿病患者正常血糖浓度，从而实现取代频繁的针注射法的目标【1 1 。糖尿病患者 一天所需注射胰岛素量不超过l m l ，出于这种注射的考虑，人们对能够持续提供 微量药物的微型泵更加有兴趣。d a s hak 【2 1 、c o i lj l t 3 】等人则提出利用微泵往肿 瘤和血道里输送聚能高分子，并对此做了研究。在生物、细胞研究领域，微型泵 也有很大的研究空间，例如，对细胞的位置进行操作、固定，利用微型泵对细胞 注射生物大分子。 一些研究者发明了用于微电子设备的单相或双相冷却的微型泵1 4 【5 1 。微电子 冷却对流速具有很高的要求，t u c k e m a n 和p e a s e 在阐述了液相芯片冷却过程r f l 提 出液体流动速度为每分钟几百个毫升【6 1 。目前，研究表明【7 11 0 0 w 的微型芯片的双 相对流冷却需要1 0 m l m i n 或者更大的流速。可以将微型泵与集成电路做在一起， 对发热区域直接冷却。 现在，人们越来越多地关注化学和生物分析系统的小型化。化学检验系统的 微型化能够减少所需的化学样品和试剂的取用量，有利于加快化验的速度，降低 人为干涉因素【8 】【9 】，并且使检测系统易于携带，检测可以在任何地点进行。随着 各种微型泵研究的深入，微型泵在全分析系统巾的应用会越来越多。 微型泵技术在未来太空探测领域也有很大的应用前景【l o l 。飞船处于失重状态 时，微型泵被用到大量的分光计检测系统传输中，这种泵在0 1 p a 的真空度时，传 输效率很高f 1 1 】。另外，微推进是微型泵在太空领域的一项潜在应用，例如，在未 来1 - - 5 k g 的微型太空飞船中，基于离子的推力系统需要以1 m l m i n 的流速输送液 态气体【1 2 1 。 1 皇壁盔要塾熊型墨苎壅堕里塑皇塞堕坌堑 1 2 微型泵的发展现状 甘前微型泵一般由泵体及驱动结构和微阀( 或特殊管道) 两部分组成。微型 泵在结构和功能实现上可按多种形式分类 1 3 i 圳q 。 1 ) 根据控制液体流动方向的结构，微型泵分为有阀和无阀泵，有阀结构有球 阀和橡胶片阀，而常见的无阗结构表现为扩散收缩管道。其中。对于阀结构，根 据有没有利用外部能量来执行阀门的开启或者关闭这一区别，具体又可分为主动 阀和被动阀： 2 ) 按照微流体的驱动力，微型泵可分为电渗流动力( e l e c t r oo s m o t i c ) 式、 电磁力驱动式、磁流体驱动式、重力( 流体静压力卜气动动力式，记忆合金驱动 ( s m a ) 式、热致动双金属驱动式、热气动动力式、表面张力式、离心力式、压 电动力式等； 3 ) 根据驱动系统上有无活动部件，微型泵分为机械式和非机械式。顾名思义， 机械泵主要依靠结构上的机械运动带动液体流动，在微型泵上常表现为驱动结构 带动驱动腔空间的收缩和扩张运动。它可采用的驱动力源广泛，比如电磁力、压 电陶瓷驱动等；非机械泵表现为，即使在工作状态时也看不到有结构运动的发生， 它已超出传统泵的概念，主要采用的是电化学、热学等原理，其驱动主要有电渗 流，表面张力，热气泡、化学气泡等。 对于许多微型泵，阀是很重要的一个组成部分，目前阀一般分为被动阀 ( p a s s i v ev a l v e ) 和主动阀( a c t i v ev a l v e ) 。 图1 1 被动阀结构 被动阀( c h e c k p a s s i v ev a l v e ) 的结构如图1 1 所示，在理想常态下，阀门是 第1 章绪论 关闭着的。当液体从上往下流时，阀门在流体作用下关闭，阻止液体向下流动； 当液体自下往上流动时，阀门被流体打开，形成液体流动。因此这种阀的特点是 只能控制液体单向流动。 被动阀的原理、结构简单。但一般情况下，阀门与其相对的壁之间没有外力 挤压时，阀门与相贴合的壁之间会有缝隙，使得液体会自上往下流，造成回流。 另外在实际工作中，阀门与所对应的壁之间的形状及表面粗糙度对密封性也会造 成影响。 主动阀( a c t i v ev a l v e ) 在结构上和被动阀类似，区别在于主动阀可控，而被 动阀不可控。制作时在阀门的背面粘附上一个驱动结构，如p z t 等，通过外加驱 动信号，橡胶相应变形，控制开关状态。它的开关过程可控，不受流体方向的影 响，因此有些阀能促使液体双向流动。并且根据信号驱动下的阀门关闭的紧密程 度，可以不同程度地抑止泄流程度。但是，工作过程中要求主动阀能很好地配合 微型泵腔的驱动信号，适时地控制一对主动阀的开和关状态；而且结构上主动阀 制作工艺复杂，稳定性不好，如驱动结构容易老化。 1 2 1 有阀泵 一般地，有阀泵包含有一个驱动腔和两个阀。其基本原理是，腔体的体积在 驱动力作用下做周期性改变，泵腔内液体相对入口和出口端产生压强差，并在两 个阀的有序开闭作用下形成单向的液体流动。被动阀主要依靠液体流动执行开关 动作，它是一种单向阀，液体只能朝一个方向流动，其结构简单，工艺容易实现； 主动阀开关动作的执行只能依赖于外加信号的控制。由于主动阀的可控，所以在 驱动腔作用下液体可以沿着正反方向流动，控制主动阀的结构材料常为p z t 。 有阀型微泵一般是依靠泵腔体容积的周期性变化和阀门有序开关，进行工作 的。根据驱动薄膜振动的方式不同，有阀微泵常见的驱动结构有压电( p z t ) 驱 动、静电驱动和热驱动等。 1 2 1 1 压电驱动的微型泵 压电驱动的原理是通过对压电材料( 如p z t 或z n o ) 施加电压形成电场而产 生应变。这种驱动有反应速度快和驱动力大的优点。然而，在硅微加工中制作压 皇壁塑型垫垡型壁苎堑塑! ! 塞! 童墼坌塑 电驱动层要求在硅表面上沉积一层压l u 材料搏膜，作为驱动层，这个过程异常复 杂。因此常见的压电驱动足直接把一块压电材料薄层通过粘胶干段粘台到微型泵 硅膜上。 压电驱动的响应时间较短，为几毫秒到几i 一毫秒，具有驱动力太、发热少的 优点，但驱动电压较高，一般为l o o v 以卜。 压电陶瓷驱动微泵是最早研究的微泵之- - 1 ”，它利用压电晶体的压电特性， 如果在压电片的上下两面加一个足够高的电压，那么压电片就会产生形变，这个 形变带动微型泵的膜片形变，驱动微型泵工作。如果给托电片加一个方波电压， 则产牛周期性形变，驱动微泵的膜片往复运动，从而驱动整个泵工作。1 9 8 8 年， 一直从事微泵研究的荷兰t w e n t e 丈学报道了一种压电片驱动的被动式阀门微型泵 1 1 7 1 ，在1 0 0 v ，lh z 的方波驱动下最高可获得8l a l m i n 的流量。为了得到功率更太 的微泵，东京工学院的j u n g - h op a r k 等人从泵结构八手，研制r 一种人流量的微 泵i ”j ，这种微泵在1 0 0 v ，2 k h z 的方波驱动下，i 获得虽大流量8 0 m l s 、最高输 出压力o 3 2m p a 以及最高输山功率0 8m w 。 斋”恩s i l i c o n r u b b e r 两旃丽 h ”f s ( a )( b ) 图1 2p z t 驱动的阎常闭微型泵( a ) 微型泵横截图( b ) 为( a ) 中a - a 的截面圈 j u ns h i n o h a r a 等人i ”i 制作了一种p z t 驱动的常闭式微型泵。如图1 2 所示，它 山两层构成硅层( 下层) 和耐热玻璃层( 上层) 。利用硅的各向异性腐蚀的的 特点刻蚀硅的局部，形成三个膜层。其中，一层作为驱动腔的驱动膜，大小为 l o x l o m m ，另外两层作为阀膜，大小为5 x 5 m m 。玻璃层上有两个通孔，分别作为 液体的入口和出口通道。利用阳极键台把硅和玻璃键合在一起在玻璃盖片与阀膜 之间的通道有硅橡胶块粘在除阀膜外的通道面上，如图1 2 ( b ) 所示，常态时， 硅橡胶块刚好与阀膜紧紧贴合，将通道阻塞。作为阀门通道。在该层阀膜的另一 面固定上p z t ，构成完整的主动阀：在驱动膜上固定p z t ，作为泵的驱动结构。 施以一定的电压后，p z t 带动膜片一起变形，使驱动腔体积改变，驱动液体 流动。阀门与p z t 关联起来，如果阀是常闭的，当驱动腔膜片上的p z t 加上电 压时，驱动膜片往泵腔体积变太的方向变形，微型泵处于供液状态t 同时，进r a 端阀上的p z t 加上电压，橡胶块与硅膜间产生缝隙，如图12 ( b ) ，使阀门打开， 而出口端的阀保持常闭，结果使液体从入口端进入腔室；当膜腔由供液变成泵液 状态时，首先将入口端p z t 上的电压撤去( 或施加反方向电压) ，阀门由刚才的 开状态变为关，然后出l 1 阀施加电压，阀门打开，液体从腔室经出口端流出。 ) j t l 上电压，固定在阀膜上的p z t 带动阀膜变形迫使阀膜与橡胶块出现缝隙， 阀处于“开”状态；如果施加相反的电压，则会使阀膜与橡胶更加紧密- 按一定的顺序对三块p z t 施加电压，最终实现液体的定向流动。当然，两个 阀的开启顺序可由外部支配，因此又可以形成液体的反向流动。 b ：蟛= ：s n 。d 8 7 。o 。9 ? ”川“” 雁垂囊 雠翌毒罂墨生孝雩 i n l e tm e m b r a n 川a n epr o b eh 0 0 u l l e t 蕾s o ie 弦! s l = o i a ；髫p k c l er “ 图1 3 压电叠堆式有阀泵【”】 该泵最大的流速大约是4 0 p l m i n ，输出最大负压为0 2 5k g f f c m 2 。 5 皇壁立要盐世型堕盐蔓些型塞兰塞些坌堑 美i 亘m a s s a c h u s e t t s t 学院的h ql i ，d cr o b e r t s t 2 0 l 等利用压电叠堆振子制作 了高频率、大流量压电叠堆式有阀压电泵，其结构如图1 3 所示。s o l ( s i l i c o no i l i n s u l a t o r ) 作为膜片与两个被动阎，构成可运动部件，该叠堆振于通过半径l m m 、 高度l m m 的圆柱形压电材料与底部的硅片连接在一起。通电后，压电材料推动叠 堆振子垂直方向变形引起腔体体积变大，进口阀关闭，出口阀被打开，液体流出 腔外。电压减小后，叠堆振子被往回拉，进1 3 单向阀片向上弯曲，使进1 3 打开， 同时出口阀片向下弯曲，将出口关闭，液体向泵腔内流动。 压电叠堆式有阀压电泵的特点是可以在高电压、高频率下工作。h ql i 等研 制的压电叠堆式微型压电泵在峰值电压1 2 0 0 v ( 基压6 0 0 v ) 、4 1 5 k h z 、输出压 力为零时的最大输出流量可达到3 m l m i n 。 1 2 2 磁力驱动蠕动式微型泵 流体通过管道时，有规律的改变管道多个控制区域的体积及相应部分的封闭 和开启状态，使液体在空间挤压过程巾，有节奏地朝一个方向流动。如图i4 ( a 珂) 所示，管道的控制膜片受载荷后，空间变小，液体被挤压流动，最后变形膜片使 管道“堵塞”| 形成通道开关。当管道有多个( 3 个) 开关形成阵列时，首先左端 膜片受压，膜片关闭管道，保持：然后，巾间的膜片受向下压力，空间变小，管 道内的液体向右流动，保持；随后，右边的膜片受下压力，空间减小，挤压管道 内的液体向右流动，关闭管道，保持，接下来，松开左边和中间的膜片，液体从 左向右进入了左边和中间膜片的管道空间。这样，这三个膜片通道完成了一次蠕 动周期，构成了一个蠕动型微阀。 o ，、，1 - o 一 _ _ ( a ) o 、， _ h _一 ( b ) 。o ，、。，_ _ 、， 。、- 图1 4 蠕变供液过程( i ) _ - ( b ) 一( c ) ( d ) 呻( e ) 蠕动式泉可以看成足一种特殊的主动阀泵。j 作时有规律的控制两端的胰脏 开闭。 l ：t 夕哆日纂嚣 l 一 m i c r 0m g t o r 国1 5 磁力驱动的蠕动泵1 2 。 t i n g r u ip a n 等人利川p d m s 青j 作了蠕动式泉体，且同15 所示。采体山二 层结构组成，以刀( 磁体之问相吸的磁力作为驱动力。与泵体相对应的外部永磁体 按一定规律安装往微型马达的轴j ，随电机转动。泵的上层为驱动层，包含用束 安装直径为l5 r a m 的7 k 磁体棒的= 个腔体：下层也含尺、j 为l o m m x2 m m 微流道， 其两端接有外径为0 9 4 m m ，内径为05 1 m m 的微管，作为液体的输入口和输出口； 中间层为驰动膜片。利用模铸的方法制作采体展。首先利用s u 82 1 0 0 进行软 光剿制作巾间层和下层的模其，蚪以t c f l o n t m 为材料力i 层的模具：按照硅橡 胶单体与变联荆1 0 ：1 的配比调配p d m s ( s v l z a r d1 8 4 ) ，然后将这些已除l 池的 p d m s 浇 _ = 到前面己完成的铸型内，放刮烤箱内保持1 0 0 的温度烘烤15 分钟后 崮化，剥离后，将中问层p d m s 膜h 干昂下面的流道层的表面进行氧离了处理， 而后将两个表面对齐施力01 m p a 压力，键合在一起。最后把裟上永磁体棒的最上 层再与驱动膜片珐键台往起。 与其他泵棚比，t i n g r u ip a n 设计的蠕动泵采j j 的材料都足p d m s ，由于p d m s 的良好特性i 驯，侄加工工艺方面比起硅加t _ 条件更加灵活，容易实现。该采的最 大输 b 流量足2 4 9 l m i n ，此时它的蛀犬输“1 负压足3 3 0 p a 。 1 2 1 3 静电力驱动微型泵 静电驱动泉一般采川硅作为材料，完全利用m e m s 丁艺进行制造，能方便地 批量生产，因此被广泛采用。它的原理是任两个电极问施加电压，形成强电场t 电磁力驱动微型膜片泵的研究与实验分析 带异种电荷的两电极表面的产生相互吸引的库仑力，而使充当膜片的一个电极变 形进行驱动的一种泵。 采用静电致动可以获得较高的驱动频率，同时有如下优点：第一，能耗低， 一般为毫瓦级；第二，膜片的振幅可以很容易地由驱动电压进行控制；第三，响 应速度快，可靠性极好。但是，静电致动也有如下缺点：静电致动只有做到电极 间间隙足够小，且施加的电压比较高时才能产生足够大的致动力，但同时也必须 防止两电极的接触。而且致动力的非线性性质给精确控制增加了难度。 在两个面积分别为彳的平行平面上加上电压以设两极的间隙为占，则两极 受到的静电力f f = 吉膨，e = 否v ( 1 - 1 ) 其中o 足真空介电常数，e 足电场强度。静电力驱动泵是在驱动腔的上下表面 加上电压，产生静电力使得其中的一个表面膜层发生变形，改变腔体的体积。 腔体 上电极下电极( 膜片) 阀i阀2 图1 6 静电力驱动的有阀泵i 矧 德国f r a u n h o f e r 研究所z e n g e r l e 研制出静电致动的薄膜泵【2 3 】【2 4 1 ，如图1 6 所示。泵外形尺寸7l 砌7m i n x 2m m ，尺寸为4 m m 4 m m x 2 5 1 t m 的电极在 1 7 0 v 2 6 h z 静电致动下，输出流量达7 0 p l m i n ，泵最高工作频率l o o h z ，静电微 泵的性能主要受到阀单元的止回阀膜片厚度和致动单元膜片与电极对间隙的影 响。 8 m i 镕* 膜片电撒电极主动阀 口一圈口囹 硅氯化硅p 硅a u 多晶硅 图i 7 静电驱动的双向微型泵 另外，m m t e y m o o r i 阱哗人设| 十一种静电力驱动的膜采，该采山= 个主动阀 构成，如图】7 所示。膜h 为15 15 r a m ，厚度为2 p m f j ! j g 晶砖，两电极m 的距 离为4 p m 。在屯压作用下，硅膜片变形，泵腕体积改变，吲时造成阀f 】有序的的 关启，使液体流动。足种蠕动，的静电泵。 实验结果表明该静电泵的最大的流速为i o l j t l m i n 。 122 无阀泵 封j 无阀泉，为，丈删流体的单向流动，最常见的灶采扩散收缩管道，本 质上这样的结构足代替了单向阀结构。另外，无阀结构还表现为其他形j ，k - i 前 自表面手长力、电场微流道等； 1 2 2 1 电渗流式无阀微泵 电涪流驱动是利用电解质溶液扯外加强电场作h j 卜沿着特定方向科l 动的原理 驱动液体流动。m 于表面电荷和分子打散作用，i 乜解质溶液t 0 管道内啭处或微流 通处形成紧密层和扩散屡，紧密层靠近内壁，厚度只有1 2 个离于，“1 沿着管道 施加电场时，电场j 使扩散层和紧密层相对移动，扩散层通过液体粕性力带动液 体一起移动形成了屯渗流【2 6 】。利用电渗驱动在微管道内形成电渗流现象，广泛被 应用于微流体控制系统中。 羹 皇堂塑墅些塑型里盐型盟! ! 壅：! 壅堕坌盟 图1 8 电渗流微型泵m 1 d a n i e l jl a s e r 2 i 等人利用硅微加工技术制作了一种电渗透硅微泵，如图l8 所币。上而一层是玻璃盖片，起密封作用，崮中未画小来。阳极和阴极中间部分 为许多狭小通道，通道的方向与两平行电极相垂直。通道的深度约为7 0 l t m ，宽 度约为28 , t t m ，长度为2 0 0 p m ，通道之间的间龋距离为2 0 , u m 。测试过程中，加在 两电极间的电压为4 0 0 v ，该泵的最大输出流量为1 7 0 t l m i n ，输出负胝足1 0 p a 。 c h u a n h u a c h e n 和j u a n gs a n l i a g o 酗1 一种平面渗流微型泵j ，巾两层5 0 7 5 l2 m m 的s o d a - l i m e 玻璃基片组成，如图1 9 所示，下图足泵的截面图，左上图 为上层，右r 图为f 层。利用湿刻蚀法在一片玻璃基片r 制作卣个深度为1 0 9 m 的蓄液口，间距为1 m m ：在月- 一块玻璃基片t 刻蚀出8 个泵流道，椿度为09 , u m ， 流道宽度总长为4 0 m m ，每个流道之间间隔为o2 5 m m ，k 度为lr n m 。存一定的 温度和压力作下将两片玻璃结合在一块。 巴， 图1 9 电渗透硅微泵 蚓 第1 章绪论 实验结果表明，在流道两端的电压为1 0 0 0 v 时，最大的输出负压可达到 0 3 3 a t m ，最大的液体输出流量为1 5 9 l m i n 。 电渗流微型泵没有动态密封结构，是微芯片上常用的致动液体的方式。但是， 该装置加工步骤多，工艺要求高，实现起来比较麻烦，而且会因为钝化层崩溃 ( b r e a k d o w no f p a s s i v a t i o n ) 的影响造成短路使泵不能工作。另外，由于溶液( 流 体) 的特殊要求，及一一般要求几百伏乃至上千伏工作电压，使它在人体药物注射 及其他检测方面上的应用有很大的局限性【2 8 1 。 1 2 2 2 收缩扩散流道的无阀泵 1 9 9 3 年，瑞典c h a l m e r s 工业大学计算机工程系的e r i ks t e m m e 首次提出利用收 缩管扩张管制作无阀压电泵【2 9 1 ，这种泵没有可动阀体，它是利用流体流过收缩管 和扩张管道对流体阻力不同来实现流体单向输送的。 收缩扩散管道的微流量泵是依靠与泵腔相连接的两个收缩扩散流道 ( n o z z l e d i f f u s e re l e m e n t s ) 来控制其流体的流动方向的。这种扩散流道的横截面， 沿着其发散方向一般被视为为正方向，沿着汇聚的方向为负方向。扩散流道是无 阀泵的重要结构，它的任务是把表现为流体速度的动能转化为压力形式的另一种 能量。对于高效率的收缩扩散管道，具有同样能量的流体朝着正方向运动的流体 能量的损失会比较快，而朝着负方向则损失会慢【3 0 1 ，这种结构的物理特性使得液 体更容易沿着扩散的方向流动。 s l p p l y 衄 ( a )( b ) 图1 1 0 收缩扩散无阀泵示意图( a ) 供液状态( b ) 泵液状态 如图1 1 0 所示，中间部分是驱动腔体，与之连接的为两个结构相同的扩散 皇丝生型塑堕型堕二生塑! f 塞生墼塑堑 收缩管道i ”1 1 1 1 。在向上和向f 的作用力下，摆动的膜j ? 使驱动腔阁期性地产生了 “供液”和“泵液”两种状态。当处于供液模，时，血罔11 0 ( a ) 所不，驱动腔 体积增大，液体必然会从入口端和m 口端被吸到腔里面， h 相对于液体流动方向， 左边的管道( 入口端) 是扩散管道，而右边足收缩管道，因此，左端会比右端有 更多的液体被吸进腔里面。相反的，当处于泵液状态时，液体从两个端口被挤肚 出去，但返时入门端变成收缩管道，而口端则变成，扩散管道，从m 口端出八 的液体比入口端更多。因此，饵完成“两个状态”周期总会有一部分液体从入口 处被转移到出口处。 囊镛叠蔷l溪 ( a ) b j 圈11 1p z t 驱动的无阀泵【3 a l( a ) 无阀泵 ( b ) 扩散，收缩管道结构 a n d e r s o i s s o n ，g o r a ns t e m m e 等人吲吲制作了一种无阀泵，如罔11 l 所示。 它山两层材料厚度为5 0 0 9 m 的硅( 1 0 0 ) 和同村厚度玻璃构成， 要包括两 个驱动腔和叫个收缩扩散管道。首先利用热氧化法在硅1 乍长一层i g m 厚的：氧 化硅，利用光刻技术确定腔体和扩散收缩管道的位置，接着通过深层反应离了 刻蚀( d r i e ) 方法刻蚀出深度为8 0 9 m 的腔体和打散收缩管道，如图11 1 下图结 构。并在硅的背面生长氧化层后，光刻，确定两个孔的位置，再利用k o h 溶液刻 蚀，形成进液孔和出液孔。通过阳极键台把玻璃和加工过的硅层键合起。最后 在驱动膜上粘台上厚度为o2 r a m ，直径为38 m m 的压电材料作为驱动结构，形成 完整的无阀泵。 圈中，两个泵_ 作在相反的供液和泉液模式中。实验表明该泵最大流量是2 3 m l m i n ，最大的输出负压为7 4k p a 。 第1 章绪论 图1 1 2s m a 驱动的无阀泵i 矧 另外，t o s h i of u k u d a 和s h u x i a n gg u o l 3 4 】制作了一种由形状记忆合金( s l v l a ) 作为驱动的无阀泵。驱动腔由具有弹性的管子做成，其外表面被直径为0 2 n m l 的 n i t i 金属线螺旋缠绕，金属线两端分别固定在弹性管的两端，弹性管的两端是两 个扩散收缩管道，结构如图1 1 2 所示。 施加电压，螺旋金属线收缩，产生了“拧 的动作，腔体体积减小；撤去电 压，金属线恢复原形，弹性管体积变大。不断对金属线施加脉冲电压，驱动腔体 循环收缩一扩张的变化。由于收缩扩散管道的参与，液体连续的从入口端流向出 口端。该无阀泵能提供的最大流量为5 0 0 p l m i n - 7 0 0 p l m i n 。 s m a 驱动的微型泵本质上依靠记忆合金温度的周期性改变，金相从奥氏体转 变为马氏体【3 5 1 。这种金相改变导致合金发生相应的机械变形。它的主要特点是变 形大，能量高，但它的反应时间很慢，制作时需要对两种变形状态进行“记忆”， 不好控制。 1 2 2 3 电液力致动式微泵 电液力致动的基本原理是，在液体一固体界面处产生感应电荷，通过j , i , d r l 电 场和液体中感应电荷的相互作用来控制液体流动。这种致动方式不需要活动的机 械部件，因此制造简单、可靠性高。由于单极性电荷只能存在于绝缘液体中，电 液力致动方式只能用于绝缘液体或者电导率极低的液体，如乙醇、丙酮，而不能 用于导电液体，这极大地限制了其在微泵领域的应用。 趾m 研究了平面式电液力致动微泵，当对电极施加直流电压时，在正电极附 近产生正离子，由于电场力的作用，正离了向较近的负电极运动，通过液体摩擦， 止离了的转移动能变为液伴的动量，液体出从正电极向负电极方向运动 12 24 表面张力微型泵 表面张力驱动的微型泵原理是利用出u 端和 u 端处不同曲率半径的液滴问 声生的堆力差作为驱动，形成液体流动。它的结构r 分简单，小需要外部驸动装 置。液体的流动方向和速率u n 匝过改变两端液滴体秘来实现i i ”j 。 不考虑流道对流体的影响，在表面张力作用下，八u 端和出u 端液滴产生的 压力差描述为【3 6 i a p ：6 只一肇户2 ，( ! 一三)( 1 2 ) ( r o 其中7 为表面张力系数。 增 一 鬻 _ j 簟 + rc fp f c f 图1 1 3 表面张力驱动原理图 如图11 3 所示，当入u 端淑滴的曲率半径小丁出u 端液滴的胁率半径时，液 体正向流动，如( a ) 所1 i ；但、b 入口液滴的曲率半径较大叫，j j ! i 液体发生逆流， 如( b ) 所示。表面张力作用最终使液体在 反方向交替流动趋近稳定。 j o n g i lj u 和e r w i n b e r t h i e r 等人以p d m s ( s y l g a r d l 8 4s i l i c o n e ) 为材料设计出一 种o2 m m ( 宽度) 0 4 r a m ( 高度) 1 5 m m ( 长度) 通道的微型泵t ”】，流道内 先充满去离子化处珊的液体。当出u 端沣r4 0 “l 液滴而入u 端注上2 0 9 l 时液 体在管道流动的速度约为o8 m n # s 。接着速度变慢，在开始后5 0 l5 0 s ，液体出 现逆流现象，随后又正向流动，经过几次正逆流振荡后，虽终趋于平衡。另外， 实验也证明了，当r = v 。v 。( v 为小液滴体积) 人f3 时，表l 面张力驱动的微型 第i 章绪论 泵不会出现倒流振荡现象。 表面张力驱动的微型泵虽然加工容易，但不易操作，在没有对出口端和入口 端的小液滴干预时，无法提供持续的流体。 1 3 选题依据和论文内容 微型泵已经在医疗、生物方面得到了应用，如人体药物注射，并且它将在化 学检测和微动力供应领域上有广泛的前景，人们对它的研究将会更加深入。目前 微型泵从驱动原理、结构上的分类已多种多样，如压电、热气动、双金属片、s m a ， 有阀、无阀结构等。虽然很多文章描述到的微型泵能够实现功能，但是不少微型 泵还存在不足，具体表现为：( 1 ) 泵的输出流量不好控制；( 2 ) 微流量控制的微 型泵制作工艺比较复杂，很多需要依赖m e m s 加工手段完成，造价相对昂贵；( 3 ) 许多微型泵的驱动力很小，或者所需的驱动电压非常高，有些驱动的响应时间长， 反应速度慢；( 4 ) 很多泵的稳定性不好，易出现回流现象。 本文设计了一种电磁力驱动的微型泵，通过控制微型泵的输入电流大小就能 很好地控制微型泵的液体输出流量。不需要在微机电加工条件下进行加工，具有 结构简单，加工简易，制作成本低的特点。它主要由p d m s 和p m m a 构成。该 微型泵具有良好的输出特性，没有出现回流现象。 本文设计的磁力驱动微型泵由驱动线圈、嵌有小永磁体的p d m s 膜片及阀体 构成，永磁体在通电线圈产生的磁场中受到电磁力作用，驱动膜片运动，使膜腔 产生体积变化引起液体单向流动。从理论上推导和分析了电磁力驱动微型泵的控 制模型，包括磁场大小、磁力大小和膜片变形力，建立了磁力驱动与膜片变形的 数学模型。并使用计算软件m a t l a b 对电流输出与磁场大小之间的关系、电流输入 与膜片变形之间的关系做了数值仿真，详细地阐述了微型泵的制作过程，最后通 过实验测试了微型泵的输出性能。论文的主要内容包括： 第1 章介绍了微型泵的研究意义、发展现状和微泵的各种分类，以及选题依 据。 第2 章介绍了微型泵的理论模型，推导和分析了泵的电磁驱动力和膜片变 形，及其他相关要素，建立完整数学模型。 第3 章借助m a t l a b 软件，对通电线圈产生的磁场、电磁驱动力大小、膜 电磁力驱动微型膜片泵的研究与实验分析 片变形等方面做了仿真，理论上优化模型。 第4 章从理论上推导了微型泵的工作频率、每搏输出流量的计算公式以及液 体的瞬时响应速度的计算公式。 第5 章介绍了微型泵的设计和制作工艺流程。 第6 章测试实验，包含流速与电流、频率关系，分析了实验结果。 最后对论文的工作进行了总结，给出了未来研究目标。 1 6 第2 # 硅 o 膜变形模型 2 1 引言 第2 章磁力与膜片变形理论模型 先对微型泵的整体结构进行设i l ，针对丰 i 应的模型推导系统t i f i - k i 关璺素之 i 可的关系，建立数学模型。为微型泵的优化设计和测试建屯基础。 2 2 微型泵的理论设计结构 l i q 驰：计j 件膜j 1 图2 i 泵结构示意图 与其他驱动相比，如s m a 、热致动双金属、气动等驱动，磁力牲动具有响应 速度怏、驱动力量大等良好特点：相e t p z t 等驱动，其结构、设汁简单，提供的 位移人、可靠性强等特点。在微型泵研究领域己受广泛关注i ”i i ”i ，本立设汁的泵 采用r 电磁力作为驱动：固定在膜片上的永磁体与通电线圈作用，形成往复式摆 动膜片泵。 微型泵结构f i 三部分组成泵腔、阀体和驱动器构成。如图2l 所示，最f 层部分为阀体，j ：要包含两个单向阀结构，控制进液和出液方向；中间层是泵腔 体，由p m m a 和驱动膜片构成，卜要完成腔体体积的受化，实现液体流动；上层 为驱动器，实现对膜片的驱动。 以高弹性硅橡胶( s y l g a r d1 8 4p d m s ) 为膜片的材料，先将嵌入永磁体的膜 片键合到有圆柱通孔的p m m a 板的表面上形成泵体，承磁体位十通孔的中心位置 上，位于通孔j 方的圆形膜片即为驱动膜片。将按照p m m