（光学工程专业论文）收缩扩张型无阀微泵泵体的激光制备技术研究.pdf

摘要 摘要 微电子机械系统( m e m s ) 的飞速发展令世人瞩目，而微流动系统作为m e m s 技术研究的一个主要方向，已展示了其广阔的市场应用前景。微泵是微流动系统 的重要执行器件，是微流动系统发展水平的重要标志。目前已研制出多种类型的 微型泵，其中压电式无阀微泵具有结构简单、易于制造、体积小、重量轻、耗能 低、无电磁干扰，可根据施加电压或频率控制输出流量等优点而成为近年来的研 究热点，其研究具有十分重要的意义。 本文根据无阀微泵的工作原理，设计了一种压电驱动的收缩扩张型无阀微 泵。该微泵采用高分子聚合物作为泵体材料，应用准分子激光微加工和热压键合 技术制作。论文首先讨论了收缩管扩张管和压电驱动器的结构参数对于微泵性 能的影响，分析了压电薄膜泵的频率特性，然后重点研究了准分子激光制备无阀 微泵的加工工艺，采用掩模钻孔法和掩模曝光法制做了微泵的泵腔结构。最后， 应用热压和胶粘键合技术对微泵零件进行了连接，得到了微泵泵体结构。该微泵 泵体结构具有加工工艺简单，加工效率高，成本低廉的优点。 关键词：微泵，收缩管扩张管，准分子激光微加工，聚合物 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a ct r e m 盯k a b l ed e v e l o p m e n th a sb e e na c l l i e v e di nm e m s m i c r o n 试d i cs y s t e r n s ， m a i ns u b j e c tf o rm e m s ，h a v e 诫d e l yb e e i lu s e di i lm a i l yf i d d s m i c m p u m pi sa i l i m p o r t a i l te x e c u t i o nl l l l i to f m i c r o n u i d i cs y s t 锄s ，w l l i c hi d i c a t c st h ed c v e l o p i n gl e v e l o fm i c r o n u i d i cs y s t 锄s s o ，t 1 1 er e s e a c ho fi ti sv e r ys i 印i 右c 撕v e 试o u st ) i p e so f 耐c m p u m p sh a v eb e c l ld e v e l o p e d ，髑p e c i a l l yv a l v d e s sp i e z o e l e c m cm i c r o p u m p s w i 血s i m p l es 妇n l c t u r e ，l o wv 0 1 u m e ，l o ww c i g h t 趾l dn oe l e c t m m a 驴e d ci m e r f c r e r l c e 拙c tm u c hm o r ea t te ：n t i o na n dh a v eb e c o m ef o c u so f r e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s a c c o r d i n g t ot l l e o p e r a t i o np 血c i p l e o fv a l u d e s s m i c m p u m p ，av a l v e l e s s n o z z l 踟i 锄s e rp i c z o e l e 咖cm i c o p u m pi sd e s i 弘e d t h em i c o p u m pi sb a s e do n p m m am a t e r i “a i l df a b 五c a t e db ye x c i m e rl a s e rm i c r o m a c l l i n i n ga n dh 0 0 - p r e s s b o n d i n gt e c h n o l o g yt h eo p t i m u md e s i g no ft l l es 扛u c t u r eo ft l l ev a l v e l e s sm i c o p u m p i sd i s c u s s e da i l d 也e 颤u c i l c yc h a m c t c f i s t i co f 廿l ep i e z o d e c 伍cm i c o p u m pi s a l l a l y z e d t h e nt 1 1 ep r o c e s s i n gt e d l l l i co fe x c i m e r1 觞e ri ss t l l d i e dw i m 锄p h a s i s t h e c h a m b e rw i mm i c m s 扭m l r eo fm ep u m pi sm a d eb ye x c i m e r1 a s e rm i c r o m a c h j l l i n g l a s t ly ap r o t o t y p ei sm a d e t h er e s e a r c hs h o w sm a tn o z z l e d i f f 泌e rv a l v e l c s s p i e z o d e c t r i cp u m pf 曲r i c a t c db ye x c i i n e rl a s e r f c a t u r e si 1 1 n o v a t i v ed e s i g n ，e a s y f a b r i c a t i o n ，f l e x i b l ef a b r i c a t i o n ，l o wc o s t ，h i 曲i n t e g r a t i o na i l ds m a l ls i z e ，a n di s s u i t a b l er ) rm ec o n n d lo f m i c r on o w s k e yw o r d s ： m i c r o p u m p ，n o z z l 踟i f m s e r ，e x c i m e r1 a s c rm i c r o p m c 船s i n g ， p 0 1 ”n e r 独创性声明 本入声鞠所呈交的论文是我个入在导师指导下进行的研究工 乍及取得的研 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 人已缀发表藏撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学袋或证书两使建过的挂糕。与我一目工佟的同志对本磅究所骰瓣任侮贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：心日期：塑! ：! ：望 关于论文使用授权的说明 本入完全了解北京工波大学有关保留、使用学能论文的规定，朝：学校有权 保整送交论文的复印传，允许论文被褒阅和偻阅；学校可以公布论文的全部溅部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密豹论文程艇塞爱瘦遵守鼗篾定) 签名： f 可蓖 导师签名日期：塑! ! ：! ：圭3 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 微流控系统 近十几年来，微流控系统“咀及相关的微型机械制造技术一直是m e s 研 究的一个非常活跃的领域。它包括微传感器、微泵、微阀、微喷等“。通过在微 通道中对流体或气体进行操控，来实现特定的分析功能”1 。其最终目的是将分析 试样所需的所有功能都集成到了一块基底材料上，获得微米级的全分析系统 ( ut a s ) 蚓。 近年来，对微流控系统的研究受到了前所未有的重视，同时也取得了巨大 的成就。美国国防部高级研究计划局预测，在未来的几年里，微流体机械的市场 份额将占整个m e m s 市场份额的一半以上。作为m e m s 的一个组成部分，微流控系 统同样只有集成化和批量生产的特点，同时由于尺寸小，可减小微流控系统中的 无效体积，降低能耗和试剂用量，而且响应快。在生物、医疗、军事、工业控制 和环保等领域有着广泛的应用前景。 1 1 2 微泵 微泵是微流控系统的核心部件，是实现微流量供给的动力元件”3 。作为一种 重要的微执行器，微泵可广泛应用于药物输送。1 、d n a 合成、微量流体供给和精 确控制、芯片冷却系统和微型卫星等等，其广泛的应用前景引起研究者的极大兴 趣和深入的研究。 依据工作原理，微泵被分为两类：机械式和非机械式，区别在于后者无运 动部件。目前的研究中，机械式占主导地位。机械式泵结构的共同特点是将泵腔 的一面做成易于变形的薄膜，薄膜在力的驱动下产生往复运动，使腔体内的压力 交替变化，从而产生泵效应，因而，这种泵又称作薄膜泵。机械式微泵又分为两 种类型：蠕动式、往复式，其中往复式在研究中占据主流地位。目前，通过微 制造方法已经制造出基于不同驱动原理的微泵，如压电式、静电式、气动式、屯 制造方法已经制造出基于不同驱动原理的微泵，如压电式、静电式、气动式、电 北京工业大学工学硕士学位论文 磁式、蒸气式、形状记忆会金式等。耍乏类徽泵主要优点是见乎可坟驱裁饪糖类型 的液体。通常存在的问题悬进出阀弓j 起的。高压冲击阀片，会造成其磨损并产生 疲劳。_ l 麓：井鞑动簇产生静液漾运葫为赫渖式豹，不零l 予获褥恒定鹩浚邃。j # 凝藏 式微泵，目前也引起人们的兴趣。流体驱动是由热、化学、声、磁或电动力来实 现。因为它没有任僻运动部件，因此能够产生无脉狰流动。 根据荚有无可幼阀片，微泵又可以分为有阀型微泵和无阔型微泵。有闽型 往往基于机械驱动，原理筒单，制造工艺成熟，易于控制，是目前应用的主流； 无阑型曩 j 豢豢剃用浚钵在微尺度下瓣瑟特燃，原理跪较灏颗，更适予微型豫，具 有熙大的发展前景。目前，微泵的研究已经成为微流控系统发展水平的重要标志。 1 2 压电微泵的研究现状 同其他驱动方式相比，从响应时间、能量密度、驱动力的大小米看，聪电驱 动嚣骢输爨功率藏尺寸交绽最小，殛电驱动具有基力较大、体积交化量丈、髭耗 小、无热生成、响成快、无电磁干扰、可靠性和耐用性好，输入与输出的线性关 系哥 ；圭精确遣控翎浚量。2 0 藿纪7 0 年代茭鏊s 8 n d i 8 嚣家实验室s p e n s e r 鬻j 开 始压电薄膜泵的研制。3 ，国内外不少高校和研究所的科研人员在压电微型采方面 遴行研究。 。2 ， 毒季糕和制造技术 1 。2 。 1 珏瞧驱动拱料 压电致动器是聪电微型泶的动力源，它承担着将电能转换为机械能的蘑要作 瑟。嚣建，愿遣致动糕兹工髂性嫠决定压毫微泵囊磷歪零王传及辕窭戆力静离诋， 而服电致动器的压电常数和结构决定了它的工作能力和工作特点。驱动器件主要 有鼙晶片“、双晶片“o 帮愿电堆式“8 ，勇豁，还可疆爝丝网球掰来锈作压电薄膜 作为微型裂的驱动元件“，这些都是利用联电陶瓷的横向和纵向效应。 1 2 1 ，2 泵体、阀片与泵膜材料 材料的选择主簧取决予奉孝料的梳械强度、化学稳定畿、生稼兼容性、荔热 工以及易键合等特点。根攒制造技术的不同，微泵的材料可以大体上分为醚基和 非碜基材料。硅及碱微加工技术在系统集成、高精艨的尺寸控制和批量生产方面 一2 一 第一章绪论 具有饶势，键蔻硅半导诲砉季聿莲徐穆离、魏工莰器专一、工艺复杂、工装周颓长， 因此，医用次性硅微泵在市场中受到很大的限制。e 硅基材料，如新型高分子 聚合物及熟加工技术以其低廉的价格和特有的性能为一次性微流体器件的研制 开发和市场臌月带来了机遇。蹙有机物材料与戳、玻璃、石英等相比，其有价 貉蘸、荔予猊缓燕工、竭蘩短、甥耗，j 、蒗避姨及邋穗淫强熬撬势。缀多耨懿薅 料都应到微型泵的研究中。徽溅裂的主要材料集中谯：硅及其氧化物、黼热玻璃、 铜、p d m s 、浆酰亚胺、聚甲基冈烯酸甲酯( p m ) 、聚碳酸脂、聚二甲糕硅氧烷 及p c 塑料“”镣材料。其中泵膜材料的选择特别重要，泵膜要与工作物质相接触， 瑟懿，郡麴鬃勃性较好、稳定拣较惠戆毫分子聚合物枣孝籽痒势膜片是一瓣较好的 选择。在蠢麓微泵中，考虑刭阕片的藏滚健熊、润片磨攒、疲劳和液体中的颗粒 粘附等因索，般情况下阀片的材料主要为高分子聚合物和硅。下面对上面提到 的部分材料的性能做一个比较( 见表1 1 ) 。 表l 一1 不嗣材料斡性能比较 弛由l e l lp 盯妇臻a n 口ec p a 矗s o no f d i 蕊r 啪ts u b s 妇t em a t i 弧a l 材料 s ig l a $ 8c o c p cp 吣肫 p d i i s 密度( g c 酽)2 3 3 2 5 01 0 21 2 01 1 7 1 1 91 1 2 一1 1 5 热导率 ( w 7 m k ) 辊辕强度 纯学性能 生物兼容性 光学性能 键台 徽加工方法 一般 好 差 差 4 0 0 飞0 0 0 c 静奄键台 党剡化学 腐蚀 抒 莳 好 好 1 0 0 。c 齄接、热键台 热压、洼塑、 激光 婷 好 好 窳温加簋直 接键台 热聪、注壁、 激光 1 ，2 1 3 制造技术 徽泵熬王最齐始是稳用精密貔城热工与硅一玻滚微鸯疆工技末，翔1 9 9 3 年 s t e m m e 镣入蘑铜片采臻精密桃搬船工技术，研秘嬲篷电徽泵，僵是仍僚整在平 面加工技术上，随着体硅加工技术的发展，使得微浆的研制进一步靠_ i 黩商业化， 特别是对塑料的微加工技术的谶步发展，使得微凝真正实现了商业化，如德国 好好好好吣粼癌觥 好好好好一一会一一 持好好好气粼一 罐雠 持好好好一一台一一 哺好麓好 一一 一蚀 北京工业大学工学硕士学位论文 的t h i n x x s 公司利用微注塑技术对塑料进行加工，制作出了不同型号的商业化的 压电微泵；c a r r o z z a 等人利用紫外立体光刻技术对聚合物进行加工，制作出聚 合物一铜片结构的压电微泵“。己开发的加工技术，大体可以分为添加工艺和减 去工艺。其中添加工艺是在一定的条件下将熔体、气体及固体颗粒结合在一起， 形成所要的形状，具体的方法有：注模成型、电铸、溅射、蒸发、c v d 及p c d 等： 减去工艺利用一定的方法将块体材料做成所需的一些复杂而精细的结构，具体的 方法有：湿法化学刻蚀、千法反应离子刻蚀、精密机械加工及激光微加工等方法。 1 2 2 压电微泵的国内外研究现状 基于不同结构和原理，目前提出多种不同形式的压电微泵。根据压电振子 能量转化方式，压电泵可分为压电薄膜泵“7 ”3 和压电超声泵“2 ”两大类。两者的 主要区别在于：压电薄膜泵是直接或间接利用压电振子机械变形来改变泵腔体 积，通过阀实现流体的单向流动；而压电超声泵则是利用压电振子产生的超声波， 无须借助阀即可实现流体的单向( 沿着波的传播方向) 流动。根据阀的结构特点， 压电薄膜泵又分为有阀压电薄膜泵( 悬臂梁、浮动球阀或锥型阀等) ”“和无阀压 电薄膜泵( 如锥型管无阀压电薄膜泵) 。“”1 。每种压电薄膜泵又包括压电片驱动和 压电叠堆驱动。 1 2 2 1 有阀压电薄膜微泵 1 2 2 1 1 压电片式有阀压电泵 压电片式有阀压电泵的基本结构如图卜1 所示。主要由泵体、薄片型压电振 子和两个单向阀构成。压电振子往复弯曲变形振动引起泵腔体积和压力交替变 化，吸程时，泵腔体积增大、压力减小，使进口阎打开、出口阀关闭，流体向腔 内流动：反之，排程时，进口阀关闭，出口阀打开，流体从泵腔内排出。可见， 单向阀开启和关闭是通过泵腔内压力的交替变化实现的，因此其开启关闭动作 滞后于压电振子的振动。日木山形大学铃木胜义教授等对压电片式有阀压电泵进 行了试验研究“1 ，结果表明，压电振子的工作频率有一个最佳范围，使得压电泵 的输出流量最大。他们制作的压电片式有阀压电泵的最佳频率为2 3 h z ，驱动电 压1 2 0 v 、无负载时的最大输出流量为1 1 0 m 1 m i n 。 一4 一 第一章绪论 c h 咄w l v 口 浏八渊v 忒 忒一志蕊 h 唧y p 沁。曲岫胂 图卜1 压电片式有阀压电泵 f i g 卜1p i e z od i a p h r a 硼p u l 玎pw i t hc h e c kv a l v e s 1 2 2 1 2 压电堆式有阀压电泵 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，产生较大 的位移变形。美国m a s s c h u s e t t s 工学院的l iq h 。71 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3 ( f ) 所示，在峰值电压1 2 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3m l i n 。还有改进形式压 电叠堆式有阀压电泵是利用位移放大机构来增加泵腔体积的变化量，可一定程度 改善泵的性能。压电叠堆振子不是直接作用在薄膜上，而是通过位移放大机构驱 动薄膜。因此，增加了泵腔体积的变化量，提高了压电泵的输出流量。 图卜2 压电堆式有阀压电泵 f i 9 1 2p i e z os t a c kp u m pw i t hc h e c kv a l v e s 1 2 2 2 无阀压电薄膜微泵 有阀压电泵的结构通常较复杂，于是一些研究者就开始无阎压电泵的研制， 简化系统组成，降低加工难度，易集成化，优于传统配置单向微阀的微泵，流动 北京_ i 渡大学工学硕士学位论文 有踩魂佳，锶对流体魏葑阏不翔铸统梳穰式徽阀宠众，蠢一定程度的翻滚，系统 内不存在机械阀对流体的挤压作用，除均相流体外，对一些非均相流体亦可驱动， 如含微小颗粒的溶液、含细胞的溶液，且能保证活细胞在经过泵出时可不受损伤， 这一点对生物分析具有重要意义。无阀结构微泵主黧是利用管道的特殊结构或流 薅赘嚣度簿魏等实凌滚髂数攀囱浚动。壤鬟赛入弱鹣不嚣爵缢分秀3 类，箨扩张 管收缩管秃阀压电微泵、异溅管无阀压电微泵和潞控无阀压电微泵。 国l 一3 器狩无疆歪龟激泵静缝拳留 f i g l 3s tn i c t u r eo fk i 删so fv a l v l e l e s sp i z e om i c o r p 唧p s 1 2 ，2 2 1 扩张管收缩管无阀艨电微泵 无阀与柯阀压电微泵的主疆区别在于用收缩镣和扩张管代替了止涸阀， 盛踟m e 予1 9 9 3 年蓄次提出裁麓皎缡管扩张管裁俘走润压电泵汹3 ，采瘸精密翔 工技术在锶片上做出微泵，觅丽l 一3 ( 8 ) 。0 临哪等入对硅片用深刻镶鞠黼的 各向异性腐蚀加工出无阀压电微泵，见图卜3 ( b ) 。溉阀压电微泵的工作原理是： 在p z r 压电片上加载周期变化的电压，p z r 就有周期性位移产生，从而带动泵 膜( p a s s i v ep l a t e ) 开始振动，由于扩散管与收缩管内压力分布瘟线不闰，引 莛滚交麓不鞠，整葵表臻烫滚体熬差量擎自流袭。名搠毛强般 巍聪站。箨潮 对两个胶体的锥型管无阀压电浆( 如图卜3 ( c ) ) 的各种联接情况进行了理论分 析，得到收缩管扩张管的角魔及压力。研究结聚袋明：两个腔体串联比并联 更能提高膳电泵的性能，无阅微泵的研究有了初步的理论基础。 诲多嚣寒都薅无阙压电徽浆遴行了磅究，避壤弱多采羯豹是缁长戆镶墼警 道，兵育不阉的流体动力学特瞧，其中瑞典0 ，| 疵琳对两个腔体著联的镶銎管酶 实验研究表明：两个腔体交叉工作( 一个吸入，另一个排出) 比两个腔体i 嗣步工作 ( 同时吸人戚排出) 的效率( 压力、流量) 高2 倍，且输出脉动小，工作频率5 4 0h z 第一章绪论 时浆的最大输出流鬣和压力分别为1 6m l m i n 和1 6 7 k p a 1 9 9 9 年a n d e r s 的另一 璎礴究表明：串联聚嚣个黢俸交叉王佟薅最大羧篷滚量程嚣力帮铙予单荻俗泵。 根据仿真分析结果，他认为：减小锻烈管的通流面积也可能提高输出压力。吉林 大掌研究寝明：雅篷管无澜压电袋的出流方向与镶塑管静角度育美，锥型角小 于2 0 。时扩张管出流；锥角在2 0 。1 2 0 。时收缩管出流，阍有阀愿电泵一榉， 增加腔体数凝也可改善锥型蒋无阀滕电泵的性能。 。2 ，2 2 。2 器蝥管嚣演压毫泵 由于无阀压电浆没有趱动阀体，因此它可以输送带有悬浮颗粒的流体。美 国华盛顿大学梳械工程系静l i n g s h e n gj i 黼g 等研铡一释溺定漓徽鍪泵( f i x e d v a l v em i c r o p u m p ) ，亦称为凭移动阀泵( n om o v i n gi ) a r t sv a l v ep u m p ) ，它是依 靠特殊的管路形状安现流体的单向流动。为有别于其它形式的无阀舔电泵，有人 穆为努型管嚣阉压嗽泵。”。爆卜4 是5 4 2 型异型管无蠛疆电泵缎构图1 ，图 中黑色区域为阀和浆腔，中间白色部分( 直径最小处) 是压电振子( 直径为5 m m ) ， 灰毽区域是嚣电巧氧犍骚，铤头撂秘滚落滚动方自。实验表骥，它哥鞋竣邀囊径 为3 1 2 0 3u 的聚苯乙烯微球悬浮物，微球的密度高达9 0 0 0 粒u l 时仍然能 够正鬻工终，不堵塞，这稳鹭于每移镑有9 0 0 多拿徽球戳o 钿l 内i n 豹速度飘泵 中流过。 图卜4 异型管光阁压电微泵 f i g l 一4 撵o v i 拜爰j 嚣r t sv a l v ep 瑚带 1 2 。2 。2 3 溢控无阚压电裘 无阀压电薄膜泵的另一种形式怒利用液体粘度对温度的依存关系，实现流体 故擎起传竣。墨本么耀r 糠卿援城工程实验室憨s 胁扛湖鼯招等裂月这个愿理 研制了温控兹阀双向流体压电泵，其工作原理见图6 。”。压电振子通电时，薄膜 j g 裘工业大学工学磺士学织论文 向上弯曲，腔体减小，流体压力增大，同时出口加热嚣通电( 进口加热器断电) ， 赠窭麟= 处濂馋瀑度爨搿、旗嫠酶低，获溢屠辩窭熬滚激较大；樱葭，蹑电掇予凝 电时，进口加热器接通( 出口加热瓣断开) ，从进口吸入的流鬣较多。提高压电振 子戆魄噩袋延长瓤热器蕊逶惫霹鬻霹提裹象戆徐爨浚羹。溢控秃辫驻毫聚黪点 是，可以通过鼹换进出口加热器豹棚位米改变流内。 图卜5 灞控觅阀压电微浆 秘g i sv i s e o s i t ，j 氇s e d 畦”蝴i ev 雒￥ep i e z o 阳蹄 1 。2 。3 匾电微型泵的主黉阍题等菌景 最近几年又研究出很多 生能更好的压电微泵“蚓，使鹾电泵的研究开始由 瑾谂磺究彝实麓毽磅究方离邋涟。溪态慰疆毫徽泵磺突较晚，有关瓣壤埝与试骏 尚处于起步阶段，在米来的几年熙应该着麓解决聪电泵的实用性研究方面的问 瑟，觚试验释税发矮掰酉纛静、荔予藏蘑豹声磊还存在许多掰难。 。2 。s 。 麦癸陶器 幽于微机械材料、微测量、微控制、微装配和封装、复杂的w 幼结构的微 耀糯王、徽器 串静浚计技术等还不十分成熬，弼对，微流体豁麓确瑾论还簸予起 步阶段，联以，徽裂的研究述存在一臻主要煞闯题。”。 ( 1 ) 初始容积静体积( d o a dv o l u m e ) 较大、掇缩比小、臼吸丽滚、再现性 不好、可嚣链低； ( 2 ) 磁基微泵价格昂贵，聚含物簸微泵由于材料的不同工艺垮礁微裂脊很 第一章绪论 大的不同，键合通常用胶粘键合或者热压键合，与i c 工艺难以兼容； ( 3 ) 流量特性受气泡的影响大，在入口处的气泡影响微泵的工作： ( 4 ) 阀片的磨损与疲劳，液体中的颗粒会粘附在阀片上，导致阀片不能很 好工作。 1 2 3 2 前景 研究的方向是：成本低廉、制作工艺简单、综合性能较高、最优化的结构、 更好的加工方法、性能分析的方法，同时，还应研究工作物质的属性和液面处的 相互作用。开发耗能低( 低电压、高频率或可用直流电驱动) 、集成化的便携式 控制系统，实现高频下流量的精确控制。要达到能够解决压电微泵的自吸和气泡 容差问题。 作为微流量系统核心部分的微泵能精确检测和控制流量。有阀型微泵制造 工艺和应用技术成熟，原理简单，易于控制，是目前应用的主流；无阀型微泵则 常常利用流体在微尺下的新特性，原理比较新颖，更适于微型化，具有更大的发 展前景。 1 4 本文研究内容和意义 微流体有效、精确的控制是微流体器件性能实现和提高的决定因素之一。微 泵是实现这一功能的核心部件。目前微泵的流量可达几十微升秒到几十纳升 秒，压力在几千帕到几十千帕，商业化程度还不太高。主要原因在于传统微泵结 构复杂，加工成本高；整体制作工艺繁琐，键合次数多，精度对准差，受到加工 工艺和加工准确度的限制，导致效率和可靠性不高。在许多应用中( 比如生物、 医学方面) ，由于安全上的考虑，电压驱动( 静电式或压电式) 的微泵比电流驱动 ( 电磁式或热气式) 的更受欢迎。因此制作工艺简单、体积小、成本低、流量大， 利于批量生产的微泵，在实际应用中具有十分重要的意义。 微型无阀泵是微泵的一个新的研究热点。与有阀型微泵相比，它结构简单， 在制造工艺上减少了阀片制作和阀片键合工序，且其加工方式全部为平面加工工 艺，因此很适合集成化应用。同时，无阀泵流动阻力小，高频特性好，流量脉动 相对有阀型微泵也小，无活动阀片，使得寿命和可靠性大大提高。 本课题研究无阀微泵的目的希望获得一种能够集成到微流控生物芯片中的 北京工业大学工学硕士学位论文 微驱动装置，为微流控生物芯片提供动力源。这种集成微泵的微流控芯片被称为 集成微泵式微流控芯片。集成微泵式微流控芯片的优点是在多种样品检测时清洗 及换样过程全部由微泵快速自动实现，且无需移动芯片，因而避免了芯片检测点 的重复定位问题。所以这种新型集成化微流控芯片能极大地缩短连续检测时间， 简化检测设备。 基于以上考虑，本论文主要对无阀压电微泵进行了相关研究。 本文研究工作的主要内容是： ( 1 ) 从理论上对收缩扩张型无阀微泵的工作原理和流量效率进行了研 究，讨论了收缩管扩张管的几何结构参数的对微泵流量效率的影响， 得到了收缩管扩张管的基本设计准则； ( 2 ) 理论研究了压电驱动器的结构参数对于压电微泵输出性能的影响，分 析了压电薄膜微泵的频率特性。 ( 3 ) 研究了采用准分子激光微加工技术和热压键合技术制作p m m a 基收缩 扩张型和y 型无阀压电微泵的加工工艺，并制作了微泵泵体结构。 第二章收缩，扩张型无阀微泵的设计理论 第二章收缩扩张型无阀微泵的设计理论 2 1 收缩扩张型无阀微泵的工作原理 有阀型微泵原理简单，制造工艺较为成熟且易于控制，但由于阀片的存在大 大限制了其应用范围，阀片的疲劳和寿命问题及阀片反应时间长也一直是困扰研 究者的难题，而且这些可动部件的工艺精度限制了有阀型微泵的进一步小型化， 已不能满足近年来出现的芯片实验室的技术需求。无阀微泵是近年发展起来的一 个新的研究方向，其中又以收缩扩张型无阀微泵因为其结构简单、工作频率高 流量大、实用性强、适用于进一步微型化而备受关注，是微流动系统最热的研究 课题之一，目前已有人提出将这种结构的微泵集成到生物芯片中去。“。 入口 泵梗式 出口 图2 1 收缩扩张型无阀微泵原理示意图 f i 9 2 1t h e 叩e r a d o np r i n c i p l eo f n o z z l e - d i 肺s e re 1 锄e n tm i c r o p 嘲p 收缩扩张型无阀微泵的工作原理如图2 1 所示。将收缩扩张型无阀微泵的 泵腔划分为三个结构单元：驱动腔、缓冲腔和收缩管扩张管。当流体沿收缩管 扩张管横截面积逐渐增大的方向流动时，我们称之为扩张管，反之，则称之为收 缩管。收缩扩张型无阀微泵工作原理可简述如下：当位于驱动腔上方的振膜向 下运动时，驱动腔容积减小，对腔内流体施加一正压力，此时出口充当扩张管， 北京工业大学工学硕士学位论文 入口充当收缩管。由于扩张管内压力下降速度比收缩管内快得多，因此在距离驱 动腔相同距离的截面上扩张管的流量大于收缩管的流量，即出口流量大于入口流 量，微泵工作于“泵模式”；当振膜向上运动时，入口与出口功能对换，入口流 量大于出口流量，微泵工作于“吸入模式”。在振膜周期性的驱动下，则可实现 宏观的由入到出口的定向净流量泵送。 2 2 收缩管扩张管的结构和泵的流量效率 扩张管( 收缩管) 是一种将流体动能( 势能) 转换为势能( 动能) 的流体装 置“，其基本结构如图2 2 所示，当流体流向为从左至右的方向时该结构称为扩 张管( d i f f u s e r ) ，反之则称为收缩管( n o z z l e ) 。 图2 2 收缩管扩散管的结构图 f i 9 2 2g e o m e t r yo fc o n s i d e r e dd i f f u s e o 其中，口为扩散角，d 为特征宽度，上为特征长度。 流体通过收缩管扩张管的压力降可以分别表示为“” 岛= 罢2 厶 ( 2 1 ) 只= 罢虬2 ( 2 2 ) 式中，p 是液体密度，和分别是扩张管收缩管最小截面处的流速，品 和点分别是扩张管收缩管的压力损失系数( 下标d 和 分别代表扩张管和收缩 管，以下同) 。在收缩扩张型无阀微泵中，由于泵腔两边的入口和出口压力损失 系数的不同，将会在某一固定方向上引起一个净流量。扩张管收缩管的整流效 率可写为“”： 一1 2 第二章收缩扩张型无阀微泵的设计理论 叩= 粤 ( 2 3 ) 泵腔体积变化量圪可以表示为“2 1 屹= s 证f ( 2 4 ) 其中= e 而。 式中，= 2 万，。表示体积振幅，墨是一常数，是振动膜中心点振幅， ，表示泵的频率。于是泵的净流量为 州，= 警= r ( 2 _ 5 ) 丸和谚表示出口和入口的瞬时流量。 应用以上公式，对一个泵周期积分，可以得到一个泵周期的净流量为 ：鲨( 掣) ：盟( 掣) ( 2 6 ) _ ，r 玎j + 1 丌 刁i + 1 因此，微泵的流量效率可表示为 占= 掣( 2 - 7 ) ”2 + 1 由上式可见，为了增大微泵的流量效率，玎应尽可能大。 由式( 2 1 ) 和式( 2 6 ) 还可以导出在一个泵周期内收缩管扩张管的最大 压力损失为 为 ：上筻阜；然午 2 爿2 ( 1 + 叩j ) 22 4 2 ( 1 + ，7 j ) 2 ( 2 8 ) 其中，4 为收缩管扩张管最小截面积，即喉部面积。 一个泵周期内，在扩张方向( d i f f u s e r ) 和收缩方向( n o z z l e ) 的最大流量 九一：玎一：啊乓：车 ( 2 埘 1 + 叩2，7 2 一l 扩张管收缩管的压力损失系数与扩张管收缩管几何结构、流体的流动方向 北京工业大学工学硕士学位论文 和速度有关，其值可由实验确定。w h i t e “3 1 给出了各种不同的扩张管收缩管的压 力损失系数实验值，在这些实验数据的基础上，g e r l a c h 1 得到了收缩扩张型无 阎微泵的流量效率关于扩张管收缩管的扩散角的函数关系，如图2 3 所示： _ 厂八y ； i0 一a e a e a 鲈 图2 3 不同扩散角度f 微泵的流量效翠 f i 9 2 3t h e o r e t i c a lf u n c t i o no fr e c t i f i c a t i o ne f f i c i e n c yv s a p e r t u r ea n g l e 从图2 3 中可以看出，在两个角度范围内设计扩张管收缩管可以得到较高 的h 值： 口= 6 0 0 一8 0 0 和口= 4 0 一1 0 0 。当口= 6 0 0 一8 0 0 时，微泵的流量效率占为 正值，这表明沿收缩管方向的压力损失大于沿扩张管方向的压力损失，微泵中流 体的净流动方向为从右向左的方向( 如图2 1 ) ：反之，当d = 4 0 l o o 时，微泵 中流体的净流动方向为从右向左的方向( 如图2 1 ) 。研究表明， 当口= 4 0 l o o 时扩张管收缩管内不会发生边界层分离现象，而当口= 6 0 0 一8 0 0 沿扩张管会发生 显著的边界层分离，因此前者的效率大大高于后者。在目前的扩张管收缩管设 计中大多采用较小的扩散角，以得到更高的流量效率。 除了扩散角度以外，在收缩扩张型无阀微泵的设计中，收缩管扩张管的 r 特征长度l 与特征宽度d 的比值兰( 本文称之为长宽比) 是一个关键因素。t o r s t e n 口 g e r l a c h 对于理想流体在收缩管扩张管中的流动的理论研究表明：对于圆锥型 r， 收缩管扩张管，当d = 7 0 0 时，与应当大于1 5 ，当口= 5 0 时，与应当大于2 5 ； d口 rr 而对于平坦型收缩管扩张管，当口= 7 0 0 时，专应当大于6 3 ，当口= 5 0 时，与应 4 口 当大于1 0 5 。这也是小扩散角( 口= 4 0 一1 0 0 ) 的收缩管扩张管通常被设计成细 一1 4 第二章收缩月广张型无润微泵麴设计理论 长鍪静骧溺。在真实流俸串，彝予秸住鲮律震，滚舔滚魂过程孛存在热栽散弓 莛 的能量损失，导致收缩管扩张管中的能量转换能够在较短的流动距离内完成。 r 因此，在窳际的收缩管扩张管设计中，三比理想流体的情形要小。对于平坦型 d ， l | 芟缓警扩张警，滚热袭力擎攮羧懿绝采表襄兰l e 1 5 鞋可敬获褥较黪豹流量 露 效率。对于平坦型收缩管扩张管，较大的深宽比皇( 为深度) 肖利于流量 口 效率的提商，通常采用微加工技术获得的深宽比尝程1 l 。5 之间。 2 3 压电蒲膜微泵的性能分析与结构设计 2 3 1 压电驱动器【4 5 蛔 压电裂楚利用压电晶棼的邋蕊逛效痤，邸压电爨俗蕤热电嚣后产生豹税壤变 形采提供驱凌力静。压电薄袋微豢豹基本结誊每魏阉2 4 所示： 压电薄膜 入口 图2 4 压电薄膜微泵的綦本结构 f i 9 2 48 a s i cs t n l c t u r eo fp i z e om e m b r 8 n e 口u m p s 其中燕懑薄膜窝泵簇缰戏笺合貘压电驱动器( 麓称压龟簌子) 。其王撑覆理 是：当向愿魄振子中的压电薄膜的上、下电极提供一定幅度的直流电愿，在压电 层内就会产嫩径向拉或压应力和相应垂直厚度方向上的压或拉应力，从而引起径 | 毒蜗 北京工业大学工学硕士学位论文 向伸缩和厚度方向上的缩伸，又由于薄板边缘固定端的约束，最终导致整个压电 振子在垂直厚度方向上的弯曲变形。如果在上、下电极上加一定频率和一定幅度 的交变电压，压电振子就会产生上下振动，从而驱动泵腔体积周期性变化，实现 泵送功能。 因此，压电泵的输出性能很大程度上取决于压电驱动器的几何参数。对于由 圆形的压电陶瓷片和泵膜构成的复合膜压电驱动器( 即压电振子) ，可采用其中 心点的变形量和压力表征其输出能力。 如图2 5 所示，假定压电振子变形后的曲面为一个抛物面，压电振子上距其 中心r ( 风( 风一i 吁一l ( 2 一1 9 ) 其中r 是大气压，叱。是阀的开启i 临界压力，是绝热系数。在小开启临 界压力和较低的驱动频率情况下，上一等式可以被简化为等温特性。减小微泵的 静体积，使其压缩比足够大，可以使微泵具有较强的抗气泡能力和自吸能力，微 泵的性能稳定性将更高。实际工作中，微泵腔体中的空气很难全部排出；另一方 面，由于流体与空气接触，总会有部分空气混入或溶解于液体中。当腔体容积变 化使液体压力降低到空气分离压时，液体中溶解的空气将大量分离出来；如果压 力降到液体饱和蒸汽压时，液体蒸汽和空气一起以气泡的形式析出，从而出现气 穴，即空化。对压电泵而言，当腔体容积增加使进口压力a 与腔体内流体压力风 之比户以风3 5 时，腔体中就有气穴现象发生，腔体容积越大汽化越强烈。由 于泵腔容积变化量极其微小，液体中混入的空气及空化将导致微泵性能不稳定。 考虑到液体的可压缩性及空化现象，应尽量减小泵腔内流体的总容积k ( 包括出 口锥型管内流体) 。当腔体压缩比晶= 矿o 0 7 5 时，微泵具有较强的抗气泡 一2 2 第二章收缩，扩张型无阀微泵的设计理论 _ 予魏糍力窝一定熬鑫程力”。 降低微泵驱动腔的高度可以减小微浆的静体积，为了不影响压电振子的变 形，腔体翁高度不宜太小，它翡最，l 、取穰皮不夺予篷电报予中心煮的最大嶷影量， 即取泵腔的最小高度值为 。：。掣r ： ( 2 _ 2 0 ) 此时，徽泵泵腔体容积为 ：积：砧：竽掣 ( 2 哪) 2 6 本耄小结 本牵嚣先奔缨了羧臻扩张婺光润微袋熬基本结饕农工作原理，定义了兹浚 缩扩张型无阀微凝的流髓效率占，研究了收缩管扩散管的结构参数对流量效率 r 疗的影响，研究表明：当扩散角较小( 搿= 4 。一l 妒) 和长宽比； l o 1 5 时，收 d 缀扩张黧无阕徽浆具有较高瓣滚麓效率# ；接豢，疆究了基电骥凌器熬结梅参 数对微泵输出能力的影响，指出压电泵的输出能力不仅与工作参数( 工作电压和 频率) 有美，同时述受压瞧薄簇几何参数铡约减小瘁魔、增加重径可以箍商 输出流量；相反，减小直经、增加厚度可以提高输出压力。分析了压电薄膜泵的 频率特性和气穴现象，得捌了提i 莳压电薄膜泵最饿工作颓率和减少气穴的基本途 掇却方法。最后，采用有限元分攒软件a n s y s 对鼹电振予避孪亍了援态分辑。本章 对于收缩扩张型无阀压电微泵的结构优化设计具有一定的指导意义。 一2 3 北京工业大学工学硕士学位论文 第三章无阀压电微泵的准分子激光制备 3 1 准分子激光微加工技术 准分子激光是继大功率c 0 2 激光和n d ：y a g 固体激光后，又一种进入工业应用 的大功率激光。准分子激光微加工技术是二十世纪八十年代中期兴起的一项加工 制造业的高新技术。 准分子是由化学活性最稳定的惰性元素a r 、k r 、x e 和化学性质最活泼的元 素f 、c l 、b r 的两个同核或异核原子在激发态的复合物。它是束缚在电子激发态 下的分子，没有稳定的基态，即准分子是一种只在激发态才能暂时存在的不稳定 分子，在基态情况下它会迅速离解成其它分子团。因此，准分子的寿命很短，它 的上能级寿命只有1 0 1 s ，而激光跃迁的下能级为弱束缚态，寿命也很短，一般 在l o 1 3 量级，由于准分子在基态时，迅速离解成独立的原子，基态基本上是抽空 的，因此只要有准分子存在，就会形成极高的粒子数反转，所以准分子激光器的 增益很高。但由于准分子激光放电泵浦方式极容易导致孤光放电，所以准分子激 光工作方式主要为脉冲方式。常见的的准分子激光器如表3 1 所示。 表3 一l 常用准分子激光器 t a b l e3 1c o m m o ne x c i m e r1 a s e r s 激光器，24 ，k r fx e c lx e f 波i 圭( 1 1 1 1 1 ) 1 5 71 9 3 2 4 8 3 0 83 5 l 光子能量( e v ) 7 96 45 o4 o3 5 准分子激光微加工技术是激光烧蚀微加工方法的一种，可以对多种高聚物材 料进行高质量和柔性的加工。准分子激光对高聚物材料的加工程度取决于其对准 分子激光的吸收程度，当准分子激光参数确定时，被加工高聚物对其吸收越大则 刻蚀率越高。图3 一l 为三种高聚物材料的透过率曲线，由图可知三种材料在紫外 区有较强的吸收，吸收率均大于6 0 。 一2 4 第三章无阀微泵的准分子激光制备 图3 1c o c 、p c 、p m m a 的透过率曲线 f i 9 3 - l1 1 1 c 仃a n s m i t t i v i 血so f c o c ，p ca n dp m m am a t e f i a lw i m3 蚴“c k n 懿s 准分子激光微加工方法有两种类型：掩模曝光和直写。掩模曝光微加工方法 是指激光经过均束系统，通过掩模板，经收集透镜和成像系统后聚焦到材料表面， 利用激光和材料的相互作用直接切断化学键使材料气化的机理，对作用区的材料 进行去处加工。优点是对材料实现同步加工，加工速度快，微结构统一性好。缺 点是微结构受掩模的限制，加工灵活性差。直写微加工法是指让激光通过一定尺 寸的光阑，直接通过成像系统聚焦到材料表面，通过自动控制载有材料的工作台 的运动，将设计好的c a d 图形通过刻蚀的方法复制到材料表面。该方法的特点是： 可在动态移动范围内进行全三维空间加工，对微结构设计、微图案设计都有较大 的柔性，可实现打孔、线槽刻蚀、结构生成( 去除式) 、成型( 添加式) 、连接等 多种微操作。因此利用准分子激光直写微加工法可以在多种高聚物基片上制造具 有复杂结构的微器件，简化制作步骤，提高了生产效率。另外相对掩模曝光微加 工方法，它所需要的硬件成本低。 准分子激光为加工技术的优势主要表现在以下几个方面： 1 由于准分子激光的波长位于紫外波段，对于相同的光学系统，它所能成像 的最高分辨率远高于可见光束及红外光束，聚焦光斑直径能达到微米量级，功率 密度可高达1 0 8 1 0 ”，c m 2 。 2 准分子激光单光子能量大。与利用热效应的c o 。，y a g 等激光相比，准分子 激光基本属于冷光源，其光子能量已经大于许多材料的化学键能，它能够直接打 断材料的一部分化学键，对材料进行去除加工。因此，对材料的加工量非常精细， 甚至可以达到单原子态分离( 烧蚀时) ，极大地提高加工精度( 0 2 5 肿) 。由于冷 加工机理，和材料作用时，对周围未加工材料的影响比较小，可以得到接近理想 摹、哥装缎 北京工业大学工学硕士学位论文 的加工边界，可以得到比注塑法和热压法更高的深宽比，加工部位材料可显示原 质材料的优良性能。 3 根据光与物质相互作用的特点，对于许多材料来说，一般是光的吸收系数 随着光波长的减小而逐渐增加，较高的吸收系数可以将光能更高效的转化为材料 的内能从而更有助有材料的刻蚀同时减少吸收光能而在材料中导致的热吸收。更 提高微加工的效率。 4 准分子激光器一般工作在脉冲方式下，脉宽一般只有几十纳秒，远远小于 一般的激光器，这可以大大提高激光的功率密度，从而提高材料的刻蚀率。 5 由于属于无接触光加工，对材料基体及加工区的性能( 热物理性能、理化 性能、机