（动力工程及工程热物理专业论文）热汽泡驱动无阀微泵特性数值模拟.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 微机电系统通过微制造技术将机械单元、传感器、执行器件和电子元件整合 到一片微基板上。微机电系统现正被广泛应用于航空、生物化学、基因分析等多 个领域。微流控系统作为微机电系统的一个重要分支，近年来取得了很大的进展。 微泵是微流控系统中不可或缺的关键部件。对于微泵的基本设计要求是高可靠性、 低能量消耗、制造方便、生产成本低、易于控制等。在宏观尺度下，泵一般都包 括了活塞和阀门这些部件。但是当尺寸下降的时候，活动部件的制造困难程度将 会增加，而运行的可靠性将会降低。所以在微流控制系统中，无阀泵将是微泵最 好的一个发展趋势，其性能及操作特性是其重要的需要关注的方面。 本文利用电加热产生汽泡，过冷主流冷凝汽泡缩小的特性，在前人的研究基 础上，构成了一种新型的热汽泡驱动的微泵。并利用数值模拟的方法，研究了汽 泡驱动无阀微泵的特性。利用利用c f d 程序f l u e n t 的u d f s 接口，通过能量及 质量传递的解析描述汽泡的行为，研究了汽泡驱动无阀泵的特性。 研究发现，包含一个汽泡生长和冷凝的汽泡变化过程的微泵工作周期中，冷 凝阶段的时间较长，是微泵驱动的决定性因素。汽泡的生长和加热壁面的过热度 相关，壁面过热度升高，汽泡生长速度变快，相同时间到达更大的体积。不同的 冷凝阶段加热壁面温度变化情况，汽泡的生长特性不同，连续变化的壁面温度边 界条件，汽泡冷凝时间变长。不同的壁面过热度有不同的最佳驱动频率和驱动比 例。不同的壁面过热度有不同的最佳驱动频率，过热度增加，最佳驱动频率会降 低，流量和压力变大。同一壁面过热度，流量和压力有相似的变化趋势。而对于 两种不同的冷凝阶段加热壁面情况，定温条件的泵的流量比变温条件泵的流量要 高，原因是定温条件下，汽泡的冷凝较快，泵的流量增加。在定壁温条件下，a t = 1 5 o c 时，厂= 2 0 2 0 2h z ，d u t y - - 4 0 3 ，最大的体积流量是2 9 6 t l m i n ，最大的泵压 是6 8 0p a 。在变壁温条件下，过热度么丁= 1 5o c 时，产1 7 0 9h z ，d u t y = 2 5 6 ， 体积流量q = 9 0 2 3l x l m i n ，泵送压力为6 8 7p a 。壁面温度条件的改变对流量有较 大的影响，对泵送压力影响不大。研究还发现，汽泡驱动无阀微泵在吸取模式中， 能解决一般微泵中遇到的无法将输送流体混合的问题。在当微泵工作在吸取模式 的时候，来自于进口和出口的流体的冲击，会将一个大的汽泡分成两个小部分， 而驱动腔中会出现涡流，流体在驱动腔中混合。 关键词：热汽泡驱动，无阀微泵，数值模拟 重庆大学硕十学位论文 英文摘要 a b s t r a c t m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) i sad e v i c et h a ta s s e m b l et h es e n s o r ， a c t u a t o ra n de l e c t r i c a lc o m p o n e n ti n t oas i n g l es u b s t r a t e m e m sh a v eb e e nw i d e l y a p p l i e dt os p a c ea p p l i c a t i o n , b i o c h e m i c a l ，g e n i ca n a l y s i sa n do t h e ra p p l i c a t i o n s m i c r o f l u i d i cs y s t e m si sai m p o r t a n tb r a n c ho fm e m sa n dd e v e l o p e df a s t i nr e c e n t d e c a d e s m i c r o p u m pi sa ne s s e n t i a lc 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 ，e g h a n d l i n g s m a l la n dp r e c i s ev o l u m eo ff l u i d sf o rc h e m i c a l ，b i o l o g i c a lo rm e d i c a ls y s t e m s t h e r e q u i r e m e n t st oo fm i c r o p u m pa r eh i 曲r e l i a b i l i t y ，l i t t l es m a l le n e r g yc o n s u m p t i o n , e a s y s i m p l ef a b r i c a t i o n , l o wc o s ta n d ，e a s yh a n d i n g i nt h ec a s eo fm a c r os c a l e ，t h ep i s t o n a n dv a l v ea r et h ee s s e n t i a lp a r t so fap u m p h o w e v e r ，t h ed i f f i c u l t yo ff a b r i c a t i o na n d t h eu n r e l i a b i l i t yo fo p e r a t i o nw i l li n c r e a s ed r a m a t i c a l l yw h e nt h ed i m e n s i o nd e c r e a s e s t oac e r t a i nd e g r e e b u ti nm i c r o - s c a l ef l u i d i cs y s t e m ，t h ev a l v e l e s sd i f f u s e r n o z z l e p u m pc a nb eag o o da l t e r n a t i v e t h em o s ti m p o r t a n ta d v a n t a g eo fv a l v e l e s sp u m pi st h a t t h ep u m pa n dv a l v eh a v en or i s ko fw e a r i n ga n df a t i g u i n gb e c a u s en om o v i n gp a r t sa r e i n c l u d e di nt h es y s t e m a n dt h ef a b r i c a t i o no fp u m pw i t h o u tm o v i n gp a r t si nt h em i c r o s c a l ei se a s i e ra n dw i t hl o w e rc o s t t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eb u b b l ea c t u a t e dv a l v e l e s sp u m ph a sb e e ni n v e s t i g a t e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h eu s e rd e f i n e df u n c t i o n s ( u d f s ) i n t e r f a c eo ft h ec o m m e r c i a l c f dc o d eo ff l u e n ti se m p l o y e dt os i m u l a t et h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rc a u s i n gb y p h a s ec h a n g e u d f sw r i t t e nw i t hcl a n g u a g ec a nb eu s e dt oc u s t o m i z ef l u e n tt o m e e tp a r t i c u l a rm o d e l i n gn e e d s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eb u b b l es h r i n k i n gp r o c e s sc o s t sm o r et i m et h a n t h eg r o w t hp r o c e s s t h es h r i n k i n gp r o c e s si st h ek e yf a c t o ro ft h ep u m pf l o wr a t e t h e w a l ls u p e r h e a t i n gw i l la f f e c tt h ep r o c e s so fb u b b l eg r o w t ha n ds h r i n k i n g t h eb u b b l e w i l lg r o wf a s ta st h es u p e r h e a t i n gi n c r e a s i n g t h eb u b b l eh a sd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c w i t l ld i f f e r e n th e a t i n gw a l lt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n a tt h ec o n d i t i o no fh e a t i n gw a l l t e m p e r a t u r ec h a n g ec o n t i n u o u sv a r i a t i o nm e t h o d ，t h eb u b b l es h r i n k i n gp r o c e s sw i l lt a k e m o r et i m et h a nt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r em e t h o d t h es i m u l a t i o nr e s u l ta l s os h o w st h a t b u b b l ea c t u a t e dv a l v e l e s sp u m ph a sd i f f e r e n to p t i m a ld r i v i n gf r e q u e n c yw i md i f f e r e n t s u p e r h e a t i n g w a l ls u p e r h e a t i n gi n c r e a s i n g ，t h eo p t i m a ld r i v i n gf r e q u e n c yd r o p ，v o l u m e f l o wr a t ea n dp u m pp r e s s u r ei n c r e a s e t h ev o l u m ef l o wr a t ea n dp u m pp r e s s u r eh a v e t h es a m ev a r i a t i o nt r e n d a tt h ec o n d i t i o no ft h et w ot y p e so fw a l lt e m p e r a t u r ev a r i a t i o n i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 m e t h o d s ，t h ev o l u m ef l o wr a t ew i l lb et l i g h e ra tt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r em e t h o dt h a n t h eo t h e r s a tt h ec o n d i t i o no fc o n s t a n tt e m p e r a t u r em e t h o d ，t h em a x i m u mv o l u m e f l o wr a t ea n dt h em a x i m u mp u m pp r e s s u r ea l e2 9 6 t l m i na n d6 8 0p a , r e s p e c t i v e l y , a t a t = 1 5 。c ，f = 2 0 2 0 2h z ，d u t y = 4 0 3 a tt h ec o n d i t i o no fc o n t i n u o u sv a r i a t i o n m e t h o d ，t h em a x i m u mv o l u m ef l o wr a t ea n dt h em a x i m u mp u m pp r e s s u r ea le9 0 2 3 i - t l m i na n d6 8 7p a , r e s p e c t i v e l y , a ta t = 15o c ，f 217 0 9h z ，d u t y = 2 5 6 t h er e s u l t s a l s os h o wt h a t ，v o r t e x e sw i l le x i s ta tt h ec h a m b e rw h e nt h ev a l v e l e s sp u m pw o r k sa tt h e s u p p l ym o d e t h a ti sas o l u t i o no ft h et a r g e tt h a tc a nn o ts o l v eb yo t h e rm i c r op u m p k e y w o r d s ：t h e r m a lb u b b l ea c t u a t e d , v a l v e l e s sd i f f u s e r - n o z z l em i c r o p u m p ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i 重庆大学硕士学位论文主要符号表 扩管压降系数 扩管局部阻力系数 扩管最大流速 喷嘴出口直径( m m ) 单位质量力 频率 温度 传热系数( w m 2 - k ) 运动粘性系数( m 2 - s 。1 ) 汽化潜热 壁面温度 饱和温度 比热( j ( 蚝k ) 。1 ) 雷诺数 广义源项 主要符号表 喷管压降系数 喷管局部阻力系数 喷管最大流速 时间( s ) 体积流量 表面张力系数 壁面过热度 导热系数( w ( m k ) 以) 动力粘性系数( k g m s ) 热流密度 密度( p l ( g m 3 ) 流体粘性应力张量 单位质量流体的总能量 广义扩散系数 蛾厶 ， q 口 竹 a 。 p 勺痧 e ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 蛾白 咐d 毋厂r 厅 ， 垓凡瓦 劬胎 学位论文独创性声明 左垂一 士 学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。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了谢意。 学位论文作者签名：淳l 导师签名： j 、1e 硼 签字日期： m 台一y |l 签字日期：忉叼一6 哆 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中 下简称“章程”) ，愿意将本人 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名： 导师签名：匕叁童华 年6 月y 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 隧装订在提交的学位论文最后一页。 匿黼 重庆大学硕十学位论文 l 绪论 1 绪论 1 1 微机电系统背景及意义 1 1 1 微机电系统背景 微机电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ，简称m e m s ) 是通过微制造技 术将机械单元、传感器、执行器件和电子元件整合到一片微基板上的系统装置。 这种新兴的机电系统为传统机械科学的发展开创了一个重要的方向【1 】。微机电系统 的概念起源于1 9 5 9 年美国物理学家、诺贝尔奖获得者r i c h a r dpf e y n m a n 提出的 微型机械的设想，其后1 9 6 2 年出现了第一个硅微压力传感器。1 9 8 8 年，世界上第 一个硅微型静电电机诞生在美国加州大学伯克利分校，该电机直径仅为( 6 0 - 一1 2 0 ) “n 1 2 1 ，为世人瞩目，是世界微机电系统技术研究的一个阶段性标志。1 9 8 9 年，美 国n s f ( n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ) 在研讨会的总结报告中提出了“微电子技术应 用于电子、机械系统”。自此，m e m s 成为一个新的学术用语【3 j 。 通常，微机电系统( m e m s ) 是指微型化的器件或器件组合，把电子与机械、光 学或者其他功能相结合的综合集成系统。m e m s 技术具有小尺寸( m i n i a t u r i z a t i o n ) 、 多样化( m u l t i p l i c i t y ) 、微电子( m i c r oe l e c t r o n i c s ) ，它将信息系统的微型化、多功能 化、智能化和可靠性水平提高到了新的高度。m e m s 与一般的机械系统相比，不 仅体积缩小，而且在力学原理和运动学原理，材料特性、加工、测量和控制等方 面都将发生变化，同时，它又属于多学科交叉的新领域，是融合微电子与精密机 械加工的技术；是集微型机构、传感器信号处理、控制等功能于一体的，具有信 息获取、处理和执行等多功能的系统【4 j 。 m e m s 本质上是一个跨学科的问题，它利用先进的设计理论、工程和制造技 术，吸收了一系列技术的优点，包括集成电路制造技术、机械工程、材料学、电 机工程、化学化工，生物技术、流体力学、光学、仪表和封装技术等。m e m s i 艺和设备将会对人们的生活带来巨大的影响。 m e m s 技术的主要分类 传感器m e m s 技术 传感器m e m s 技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压 电、压阻、热电偶、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。 生物m e m s 技术 生物m e m s 技术是用m e m s 技术制造的化学生物微型分析和检测芯片或仪 器，有一种在衬底上制造出的微型驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、 混合池、计量、增扩器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯 重庆大学硕士学位论文1 绪论 片，可以实现样品的进样、稀释、加试剂、混合、增扩、反应、分离、检测和后 处理等分析全过程，一般称为芯片实验室( l a b o n a - c h i p ) 或微全分析系统( m i c r o t o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，g t a s ) 。 光学m e m s 技术 随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，m e m s 发展的另一领域是与光学相 结合，即综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为 微光机电系统( m o e m s ) 。 射频m e m s 技术 射频m e m s 技术传统上分为固定的和可动两类。固定的m e m s 器件包括本体微 机械加工传输线、滤波器和耦合器，可动的m e m s 器件包括开关、调谐器和可变 电容。 1 1 2 微机电系统意义 很多科学家都认为，m e m s 会给人类社会带来另一次技术革命，将对2 1 世 纪的科学技术、生产方式和人类生活质量产生深远影响，因而被认为是关系到国 家科技发展、国防安全和经济繁荣的关键技术。m e m s 未来的发展方向有【5 】： 微型化、细分化。 生产批量化、规模化。 广度的集成化。 扩展方便化。 多学科交叉进一步深化。 微流系统快速发展。微流系统作为微机电系统的一个重要分支，近年来取 得了很大的进展。 1 1 3 微机电系统现状及热点 微机电系统( m e m s ) 自上世纪8 0 年代应用于医疗行业以来，在各种硅压力传感 器、加速度传感器和定制的微结构应用中大显身手【6 】。特别是经过8 0 年代、9 0 年代 的迅速发展，医疗及生物医疗领域已经成为m e m s 传感器最大的潜在市场【7 1 。 当前，m e m s 及其相关技术和产品己覆盖从检测、诊断到治疗等生物医学领 域。它对促进医疗器械的改善，加速疾病的预防、诊断及治疗都有着重要的作用。 在2 0 0 2 年，美国加州大学的科学家开发了一种由自旋蛋白质片段制成的可控纳米 马达，宽度仅1 1 岬。加州大学的蒙特马格诺说：“这种由天然蛋白质制成的马达， 可在未来用于驱动药物进送系统等纳米机构。，【8 ，9 】。 应用于生物医学领域的微机电系统通常称为生物微机电系统( b i o m e m s ) 。传 统上把在数平方厘米大小的硅片等材料上加工出的应用于生化分析的生物微机电 系统称为生物芯片( b i o c h i p s ) 。以生物芯片为核心的微全分析系统( m i c r ot o t a l 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 a n a l y s i ss y s t e m s ，i x t a s ) 1 0 j 是微机电系统当前的研究热点之一 2 0 世纪9 0 年代初，由瑞士的m a n z 和w i d m e r 首先在分析化学领域提出了以 微电子加工技术为依托的i - t t a s 的概念，也被称为芯片实验室( 1 a b o n - a - c h i p ) 。近年 来，随着微加工技术的发展和生物学领域的要求，芯片实验室逐渐成为研究热点， 其目标是在微芯片上集成各种生化反应，其意义在于减少试剂消耗、缩短反应时 间，使自动化程度更高，实现高通量、大规模的检测，从而降低成本，并且检测 结果也更加可靠1 1 1 。1 2 j 。 生物芯片主要是指通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建的微型 生物化学分析系统，其本质是进行生物信号的平衡分析，采用m e m s 技术在厘米 见方的芯片上集成成千上万与生命相关的信息分子，这些信息分子可以对各种生 物化学反应过程产生不同的敏感反应，从而实现对基因、配体、抗原等生物活性 物质进行高效快捷的测试和分析。生物芯片主要分为两大类【1 3 j ：阵列芯片( c h i p a r r a y ) 和芯片实验室( l a b o n - a - c h i p ) 。阵列型芯片包括基因芯片、蛋白芯片、组织芯 片、细胞芯片等。基因芯片是生物芯片技术中发展最成熟和最先实现商品化的产 品，它是基于核酸探针互补杂交技术原理而研制的。通过聚和酶链式反应( p c r ) ， 将d n a 分子扩增成千上万倍，通过荧光染色技术和芯片扫描系统，采集各反应点 的荧光强弱和荧光位置，经相关软件分析图像，即可获得有关生物信剧5 。蛋白质 是一切生命活动的基础，受基因表达的调控，而以检测样品中的m r n a 为基础的蛋 白芯片是当今研究中倍受关注的研究手段。蛋白芯片主要基于抗原抗体特异性反 应的原理，将多种蛋白质结合在固相基质上，检测疾病发生、发展过程中所分泌 的一些具有特异性的蛋白成分，蛋白芯片是直接从体液中检测特定蛋白质分子标 志物。蛋白生物芯片可分为两种，一种被称为“捕获式蛋白芯片”，另一种被称为“交 互式蛋白芯片”。第一代的蛋白芯片和d n a 芯片一样是作为一种定性分析的工具， 可用于分析样品之间相关蛋白的相对表达丰度，还可以作为d n a 芯片的补充，用 于研究蛋白质和基因表达之间的关系，未来将主要被应用于疾病诊断和药物开发 等领域。组织芯片和细胞芯片技术是近年来基因芯片( d n a 芯片) 技术的发展和延 伸。它们将整个细胞或组织样本布置在载体表面，通过辨认与细胞或组织特异性 成键配体，对某一个或多个特定的基因或与其相关的表达产物进行研究。芯片实 验室是生物芯片技术发展的最终目标，它将样品制备、生化反应以及检测分析的 整个过程集成化，形成微型分析系统。采用由加热器、微泵、微阀、微流量控制 器、传感器和探测器等组成的这一分析系统进行由反应物到产物的化学过程的分 析，并进行化学信息与电、光信号的转换芯片分析系统集样品的注入、移动、混 合、反应、分离、检测于一体，具有分析速度快、样品用量少、集成度高、自动 化、便于携带等优点。在不久的将来，只要取一滴血放到生物芯片上，便可以由 重庆大学硕士学位论文1 绪论 计算机迅速自动诊断出各种可能患上的疾病1 4 】。生物芯片技术已成为2 1 世纪生物 医学工程的前沿科技，广泛用于临床、环境监测、工业实时控制等领域。 1 2 微流控驱动方式的意义及分类 芯片实验室又叫微流动控制芯片或者微流控制芯片实验室，指的是一种在一 块几平方厘米的芯片上构建的生物或化学实验室。它把生物和化学领域中所涉及 的反应，分离，细胞培养，分选等基本操作单元分别做成微米量级的构件，集成 到一块很小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代 常规生物或化学实验室的各种功能。现有典型的芯片约为几个平方厘米，一般的 通道尺寸为5 0 岬宽，1 0 岬深，长度约为5c m 。总体积较一般电泳毛细管小一个 数量级左右【l5 1 。这样一种尺寸仍然远大于载体分子的平均自由程。因此，连续介 质假说成立，连续方程可用。如果要将样品制备、生化反应、结果检测等步骤集 成到生物芯片上，则实验所用流体的量就从毫升、微升级降至纳升或皮升级，这 时候，就需要有足够精细而微小的流动控制体统。 将样品制备，生化反应，结果检测等步骤集成到生物芯片上，将会使实验所 用流体的量从毫升，微升的数量级降至纳升，皮升的数量级，这时候往往需要借 助微流控装置，微流控技术成为生物芯片的一项关键技术【l6 - 。一般来讲，流体操 控可分连续流系统和离散流系统两大类。早期研究侧重对连续流的操作，主要有 压电驱动，气动驱动，电化学驱动，剪切力驱动及电渗驱动等方法。然而，这些 方法一般都存在一定的局限性，如需要复杂的三维流体通道、泵、阀的结构；工 艺加工难度大；管道内试剂可能会相互污染；死体积大：影响器件的使用寿命； 另外，管道网络中的所有液体运动状态都相关，系统集成和控制难度大。因此，近 年来对离散化微液滴的操控和控制日益成为研究的重点。离散化微液滴系统不同 于连续流系统，它能独立控制每个液滴，能耗低，甚至不需要复杂的三维流体通 道，因此特别适用于高集成度、高性能、操作复杂的微生化分析系统。 微液滴操控包括微液滴生成和微液滴驱动，按生成方式可以将操控微液滴的 方法分为两大类 1 7 】。一类是被动法，即通过对微通道结构的特别设计使液流局部 产生速度梯度来对微液滴进行操控，主要为多相流法。该法的主要特点是可以快 速批量生成微液滴；另一类是主动法，即通过电场力、热能量等外力使液流局部 产生能量梯度来对微液滴进行操控，主要包括电润湿法、介电电泳法、气动法和 热毛细管法，该法的主要特点是可以对单个微液滴的操控。 多相流法原理是通过对流体微通道结构的独特设计以及对流体流速的控制， 利用液流间的剪切力、黏性力和表面张力的相互作用，使分散相流体在微通道局 部产生速度梯度，从而被拆分生成微液滴，产生的微液滴均匀地分布在互不相溶 4 重庆大学硕十学位论文1 绪论 的连续相中，形成单分散系统。有时为了减小表面张力，生成稳定的微液滴，还可 以向液流中加入表面活性剂，但在多数情况下应尽可能避免添加，以防给分析物 和试剂带来污染。多相流法的优势在于易对批量微液滴进行整体操控，而且实验 装置简单，对芯片要求较低，其不足之处是较难实现对单个微液滴的精准操控。 t 型结构是最简单和最早用于研究微液滴形成条件的微通道结构。n i s i s a k o 1 8 l 等报道了种分散相通道与连续相通道互相垂直的t 型结构( 如图1 a 所示) 。他们以 水为分散相，油为连续相，通过对连续相流速的改变( o 0 1 o 1 5m s 1 ) ，在t 型通道 内生成粒径1 0 0 - - 3 8 0 1 a m 微液滴，且连续相与分散相流量比越大，微液滴生成速率 越快。n g u y e n i l 9 j 等对t 型结构中微液滴的生成速率进行了理论分析，发现微液滴生 成速率与连续相平均流速的4 次方成正比，为准确地控制微液滴奠定了基础。 与t 型结构相比，在相同条件下，y 型结构( 如图1 b 所示) 中连续相对分散相的 剪切力较小。因此，仅仅利用y 型结构对微液滴进行操控并不多见。目前一般都是 利用t 型结构和y 型结构叠加在一起形成的组合结构，对微液滴进行操控。z h e n g t 2 0 l 等报道了一种这样的组合结构，并运用这种组合结构作为平台，生成了用于研究 蛋白质结晶条件的微液滴。 十字交叉型结构又称双t 型结构，其最大特点是它可以生成相间且互不干扰的 两种微液滴( 如图1 c 所示) 。与t 型结构相比，十字结构不仅能产生单分散更好的微 液滴，而且能产生半径小于1 0 0a m 的亚微液滴。最近，h u a l 2 l j 等还对微液滴生成模 式进行了数值模拟。 1 2 1 电液润湿( e l e c t r o - w e t t i n g o n d i e l e c t r i c ，e w o d ) 法 基于介质上的电润湿法是一种电控表面张力驱动法。它通过对介质膜下面的 微电极阵列施加电势来改变介质膜与表面液体的润湿特性，即通过局部改变微液 滴和固体表面的三相接触角，造成微液滴两端不对称形变，使微液滴内部产生压 强差，从而实现对微液滴的操作和控制。吴建刚【2 2 j 等研制出一种基于e w o d 机制 的可编程数字化微流控芯片。结果表明，在3 5v 低驱动电压下实现了约0 3 5 此和 0 4 5 此去离子水微液滴的传输和合并，并在7 0v 驱动电压下实现了0 8 止微液滴的 拆分等操作。s r i n i v a s a n l 2 3 等运用e w o d 法成功地操控了含有人体体液的微液滴， 其装置如图2 所示。d u b o i s 2 4 】等运用e w o d 法对微液滴进行操控，从而对宏观和微 观范围内三组分缩合反应速率进行比较。这种方法最大的优点是可以对单个微液 滴进行精准操控，包括微液滴的拆分、传输和混合。因为要在芯片上集成微电极， 还需要配置可编程微电极开关控制系统，所以，对芯片系统的要求较高。另外， 这种方法也不适合对大量微液滴的操控。 5 重庆大学硕士学位论文 绪论 彳一厂 气j c = ： 图113 种基本多相流通道结构 f i g li t h r e eb a s i cc h a n n e ls t r u c u l l t o f m u l t i p l w s e f l o w 1 , 2 2 热毛细管( t h e r m o c a p i n a r y ) 法 热毛细管法是指对液体局部加热，使之产生热梯度改变液体局部表面能，实 现对液体的操控。d s r h u b e r 2 5 等设计了在固相表面集成可编程控制的微加热器阵列 装置，实现了微渡滴传输、混合和反应的操控。该方法也可对单个微液滴进行操 控，但不适合对微液滴内热不稳定物质如酶、蛋白质的分析。 1 - 2 3 介电电泳fd i e l e c t r o p h o r e s i s ) 法 介电电泳指在空间非均一电场下的颗粒，由于其相对于周边介质的诱导偶极 距不同而产生的电迁移。s c h w a l 乜 2 6 1 等证明了可以利用介电电泳对微液滴进行操 控。他们利用程序控制的二维微电极阵列操控了纳升级液滴的生成、移动和混合 反应。s i n g h f 2 7 l 等仅利用介电电泳法操控了微液滴的移动、分离和混合，还对处于 玻璃 g l a s s 特权隆 f e f o n a 玻璃 g l a s s l 油 囤1 2 血糖吸收光度检测微流控芯片平台【圳 f i 9 12 v e r t i c a lc r o s s s e c n o n o f t h ee l e t u c - w e t t i n gs e m pe d o n g w j 血t h e o p t i c a la b s o r b a n c e m e c s u r e m c m i n s m a n e n t a t l o n 重庆大学硕七学位论文1 绪论 电磁场中微液滴的运动进行了数值模拟，且实验结果与模拟结果相一致。介电电 泳法也能对单个微液滴实现较好操控，但是其操控力度在很大程度上取决于外加 电压的大小，而较高电压势必会限制该方法的应用。因此，如何实现较低电压下对 微液滴高效操控是其发展的一个趋势。 1 2 4 气动( p n e u m a t i cp t e s s u r e ) 法 气动法是一种利用气体压力( 正压或负压) 作为剪切力和驱动力操控微液滴的 方法。h o s o k a w a 等【2 8 】在以p d m s 为基片和p m m a 为盖片的芯片上利用空气压力生 成微液滴，以憎水微毛细管通道( h m c v ) 为阀门，对阵列气动管道进行控制，生成 了两种不同组分微升级液滴，再利用空气产生的正负压力使之快速混合，并对混 合后的微液滴进行了检测。运用此原理，他们在由硅和玻璃组成的微流控芯片上生 成了纳升级液滴，并对微液滴的形成条件进行了理论分析。由于微液滴有部分暴 露在气体中，因此，该方法不适合对含有易挥发性成分的微液滴进行操控。 在微流控制系统里面，驱动流体常规的方法还有压差驱动，其中常用的驱动 装置有： 有阀微型泵 有阀微型泵主要是基于不同致动原理的往复式薄膜泵。各种泵的区别在于对 薄膜的驱动方式不刚2 9 1 ，有静电、压电、电磁、热、气动和形状记忆合金等。 无阀微型泵 带有可动阀片的有阀微型泵的结构一般比较复杂，在工艺实现和集成上有一 定困难。无阀微型泵的特点是结构及制作工艺简单，泵送原理新颖。它是利用流 体流过收缩管和扩压管的阻力不同来输送流体的，但这类泵的反向止流性能较差 3 0 - 3 2 。此外，还有其它形式的微型泵【3 3 35 1 。 1 3 无阀泵研究方法及发展现状 第一个无阀泵出现在1 9 9 7 年，以硅为材料制造。在这种无阀泵里面，使用扩 张管作为流动方向的控制部件。无阀泵的最主要的优势是因为泵里面没有活动部 件，所以不会有磨损和活动部件配合不当的情况发生。而对于制造者来说，最让 它们感到兴趣的是因为没有了需要紧密配合的活动组件，一旦设计成熟，生产的 难度和成本都将会大大降低。一个无阀泵里面有两个扩管，而在流动的过程中因 为作用不同，而成为喷管和扩张管。无阀泵因为没有阀门，所以在工作过程中， 流体的流动呈现脉动性质。其中一种用于在无阀微泵里作为驱动装置的是压电薄 膜。压电薄膜在外加电压驱动下会周期性的改变驱动腔体的内部容积，从而造成 了微流系统里面的净流量。但是，因为有压电薄膜的存在，在运行中会引起系统 的振动。j r - h u n gt s m 等【3 9 | 因此而提出没有可活动部件的无阀微泵，并通过实验的 7 重庆大学硕十学位论文 1 绪论 方法，探讨性的验证了由加热电极产生的汽泡作为驱动的可行性。 现有的汽泡驱动无阀泵的研究方法主要有实验室。j r - h u n gt s a i 等【3 9 】从实验的 角度上验证了汽泡驱动的可行性和汽泡驱动无阀泵的特性。研究的现状导致到对 汽泡驱动泵的机理的研究不足。现在只有j r h u n gt s a i 等【3 9 1 的实验是关于汽泡驱动 无阀泵的研究。所以很有必要从汽泡的行为机理上分析汽泡驱动无阀泵的特性。 1 3 1 压电膜片驱动微泵 压电膜片驱动的微泵由于结构及原理简单，容易实现，因此应用最为广泛。 微泵作为微流体系统的重要执行部件，成为微流芯片发展的重要标志。 微泵可以分为有阀泵和无阀泵。有阀泵由于有可动部件，不可避免地存在一 些缺点。如被动阀片的疲劳破坏，大大降低了微泵系统的性能和可靠性；对于某 些液体易发生阻塞等，限制了其在微流体系统领域的应用。与有阀微泵相比，无 阀微泵没有阀门，结构简单、可靠性和频率高、成本低、更易于加工和装配等， 所以应用前景极其广泛1 3 。 q 缓冲 泵模式 图1 3 微泵的结构和工作原理图 f i g1 3s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l es c h e m a t i co f t h em i e r o p u m p 无阀微泵的工作原理是基于收缩管和扩张管对流体的阻力不同而实现差量流动。 其结构原理如图1 5 所示。当压电膜片向下振动时，给腔体内液体施加压力。由于 收缩管扩散管的压力降不同，引起流量不同，此时，9 g 。微泵处于“泵模式”。 当压电膜片向上振动时，给腔体内产生负压，收缩管扩散管的压力分布恰恰相反， 此时，o a 图2 1 热汽泡驱动的无阀微泵工作原理 f i g 2 1p u m p i n gp r i n c i p l ei l l u s 仃m e df r o mw et o pv i e wo f t h ep u m p m gc h a m b e r 汽泡驱动无阀微泵通过热汽泡在过冷流体中的生长和冷凝，液相和汽相的变 化，引起泵腔体积变化来驱动流体流动。汽泡驱动无阀微泵的扩散口是横截面积 在流体流动方向上逐渐扩大的流通通道；喷口是横截面面积在流体流动方向上逐 重庆大学硕士学位论文2 汽泡驱动无阀泵原理及相关数理基础 渐缩小的流通通道。微泵的一个工作周期可以分为“吸取模式”和“泵送模式”，当汽 泡生长的时候泵腔内液相体积变小，微泵进入“输送模式”，此时入口充当喷管，而 出口充当扩散管，其结果是出口流进量大于入口的流进量。当汽泡冷凝时，微泵 进入“吸取模式”。此时汽相体积减小，微泵的入口充当扩散口，出口充当喷口，结 果入口流出量大于出口的流出量。经过一个工作周期的最终结果是使一定的净流 量液体介质到达出口侧1 4 0 j 。 2 2 无阀泵理论流量推导和简化 根据流体力学局部阻力损失的计算方法，流体在微流道中流动时会产生能量 损失。因此，在扩散方向和收缩方向的压差分别为： 卸d ：掣 ( 2 1 ) 卸。：华 ( 2 2 ) 二 式中：p 是流体的密度，单位是k g m 3 ；坳和分别为扩散管收缩管窄口处的流 体速度，白和磊分别为扩散管收缩管的局部阻力系数。假定流体流经扩散管收 缩管横截面积锄和4 一的速度为常数，则流过扩散管收缩管的流量为： 伤= a d l ，dq = a 。v 。 ( 2 3 ) 式中：山和以分别为扩散管收缩管的最小截面面积。与泵腔压力相比，入口和 出口的压力可以忽略不计，因此有： p = 卸d = 卸。 ( 2 4 ) 由于用相同的结构做扩散管收缩管，所以，扩散管收缩管有相同的最小截面 面积： a d = 以= a ( 2 5 ) f l 了( 2 1 h 2 5 ) 联立整理得： 伤= a ( 2 p 弦0 弦 ( 2 6 ) q = a ( 2 p 弦0 六弦 ( 2 7 ) 在微泵的工作周期内，流经入口和出口的流量随时间而变化。当微泵处于“供 给模式”时，流量可表示为： 绋= a ( 2 p 弦0 厶弦 ( 2 8 ) q 叫= 一彳( 2 p 弦0 弦 ( 2 9 ) 当微泵处于“泵送模式”时，流量可表示为 线= 一4 ( 2 p 弦1 彘) _ x( 2 1 0 ) 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 汽泡驱动无阀泵原理及相关数理基础 这样，就可得到泵的流量 q 喇：a ( 2 p 弦1b 己弦1( 2 1 1 ) q = 2 ( 2 1 2 ) 矿是每个泵送周期和供给周期的汽相体积变化，厂是驱动频率，磊和白分别是 喷管和扩张管的阻力系数。 因为扩散管收缩管的压力损失系数值由其几何形状和尺寸决定，为了提高流 量，实现整流效果，必须对微泵的几何形状和尺寸进行合理的优化，实现最大的 流量和泵送压力。 2 3 已发表相关实验情况 国际上已经发表了一些有关无阀泵的实验和理论研究的论文1 3 7 , 8 】。他们对压电 膜片无阀泵做了实验和数值研究，得出各个参数对泵的流量和压力的影响。其中 有不同的泵的角度对流量的影响。有不同驱动电压对流量的影响。而对于汽泡驱 动无阀泵的研究，有j r - h u n gt s a i 等【3 州因此而提出没有可活动部件的无阀微泵， 并通过实验的方法，探讨性的验证了由加热电极