（机械电子工程专业论文）数字化无阀微泵的设计、制作及应用实验研究.pdf

直立毽王太差簋堂挝监塞堑圭弛孟圜邀墓敛遮盐：倒佳厘廛目塞墅班宜 摘要 微泵是微流体系统的重要部件。主流微泵是基于容积式驱动技术发展的，其有阀 型微泵，内部有可动件的阀体，微泵的可靠性和使用寿命不高；其扩张收缩管式无阀 型微泵，反向止流性较差，不能实现单向流。基于其它驱动技术，如电渗式驱动、磁 流体驱动技术的微泵，对所泵送的液体的适用性较差。所以，实现基于新的驱动技术， 并对泵送液体无特殊要求，具有广泛适用性，内部无可动部件的微泵，是微泵送研究 的重要课题。 本论文基于“微流体数字化”技术，充分利用微尺度特性，提出固液两相耦合驱 动原理：在微尺度下，由外部作用，使固壁产生周期性的沿流向的小幅运动；由于边 界流与固壁间的分子作用力，使边界流具有固体特性，所以边界流与固壁一起运动； 边界流与中间流产生速度差势，由于液体间粘性力的作用，拖动中间流运动。 以此设计新型的非隔膜式的数字化无阀微泵。微泵两端呈针状，中间为腔体，进 口端直径大于出口端直径。利用毛细作用力将液体吸入，再利用固液耦合作用驱动泵 腔体内流体运动，由于进、出口端自锁，液体形成单向流，由出口端泵送出去，实现 流体的微泵送。经建模分析，微泵的结构参数、固相运动参数以及液相粘性参数对流 动产生影响，需要综合各参数，进行优化。 本论文针对玻璃成形特点，设计制作水平式微器件制备仪，并制作了成本较低的 玻璃无阀微泵管。并进行原理性验证实验，证明原理正确，可实现泵送。针对不同的 出口直径，微泵管的进、出口比率在适当的范围内，可实现泵送。 本论文的数字化无阀微泵可实现连续流、离散流的泵送。低频率驱动可泵送离散 流，高频率驱动可泵送连续流。无阀微泵对泵送液体具有广泛的适用性。可泵送较低 黏度液体，如蒸馏水、酒精；也可泵送较高粘度的酸奶；还实现了银粉悬浊液的泵送， 没有沉积或堵塞现象；对含细胞的培养液也实现了培养液包裹细胞同时的单个的泵 送。无阀微泵泵送液体量微小、单次离散泵送可达皮升级；泵送体积流速可控制得 很小，经测量，可达o 5 4 1 山血n ，甚至更小；泵送效率较高，泵送的出口速度可达 0 2 m s 。 结合生物制造中的应用研究，利用无阀微泵将细胞向组织支架上进行定点输送， 摸索多种细胞在组织支架上的培养的可能性。运用微立体光刻技术，设计、制备初步 的微米级的圆柱阵列式和三角孔式细胞支架，支架结构微小，支架孔径约为 摘要南京理工大学博士学位论文 1 0 0 - 1 5 0 肛m ，可作为原生代种子细胞的附着处，支架内部有营养存储空间和流动通道。 选用虾卵、小鼠卵细胞实验，该无阀微泵可利用毛细作用力，将含有细胞的培养液连 同细胞一起吸入微泵管内，并可将细胞定点输送到指定的支架微孔内，并能保持生物 活性。此方法为三维空间多种细胞排列生长提供一种思路。 关键诃t 微流体系统，无阀微泵，微流体数字化技术，泵送性能，生物制造，细胞 支架，细胞输送 a b s t r a c t m i c r of l u i d i cs y s t e mi sa l li m p o r t a n tb r a n c ho fm e m s ，a n dh a sb e e nah o tr e s e a r c ho b i c c t a st h ec o n c e r n f u la c t u a t o r so ft h em i c r o f l u i d i cs y s t e m , m i c r o p u m p sh a v eb e c o m et h es i g n s o fi t sd e v e l o p m e n tl e v e l t 1 l i sp a p e rp r e s e n t san e w c o n c e p to fd e s i g n i n ga n df a b r i c a t i n gg l a s sv a l v e l e s sm i c r o - p u m p t i l i sm i c r o p u m pd r a f t st h el i q u i d si n t ot i l ei n l e tb yt h ec a p i l l a r yf o r c e t h e ne j e c t st h e m b a s i n go nt h ed i g l t a lm i c r of l u i d i ct e c h n o l o g y t h e l l ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h eh o r i z o n t a l d e v i c et of a b r i c a t et h em i c r o f l u i d cm e e t s ，h a s e do nt h ep r i n c i p l et h a tt h ev i t r e o u sm a t e d a l c o u l db em o l d e dw h e ni tb es e m i m o l t e n t h ed e v i c ec o u l dp r o d u c e sm i c r o - n e e d l e s 。 m i c r o c h a n n e l sa n ds oo r t h ev a l v e l e s sm i c r op u m pw a sf a b r i c a t e db yt h ed e v i c e b y d o i n gr e s e a r c ho nt h ed r i v e - c o n t r o le x p e r i m e n t s ，f l u i df r o mt h i sm i c r o p u m pc o u l dm a k e s u pap u l s a t i n gf l o w0 rc o n d n u o u sf l o wb yd i f f e r e n tc o n t r 0 1 t h ev o l a m e so fw h i c ha r et i n y , r e a c h i n gt h el e v e lo fl l a n o 1 i t r e a tt h es a m er i m e t h es t r o b o s c o p i cs y s t e mw a sb u i l t , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y z eo ft h ei m a g e s ，t a k et h er e s u l tt h a tt h ep u m p i n gs p e a kv e l o c i t yi s a b o u t0 2 m s t h et h r e e d i m e n s i o ns c a f f o l da d h e r e db yc e l l si st h ek e yp a r to ft l l et i s s u ee n g i n e e r i n g t l l i sp a p e rp r e s e n t st h ep r i n c i p i u mm o d e lo ft h et h r e e d i m e n s i o ns c a f f o l dm a d eb y m i c r o s o l i dl i g h tc h i s e lt e e h n o l o g y t h e l l ，i tp r e s e n t sc e l lp o i n r i n gf e e d i n gt ot h es c a f f o l d b yd i g i t a lv a l v e l e s sm i c r op u m p t h ep u m p e dc e l l sw o u l db ei n j e c t e do n eb yo n e e f f i c i e n t l y t l i s p a p e rd e s c r i b e dt h em o v e m e n ta n a l y z eo fm i c r o - f l u i d i nd i g i t a lv a l v e l e s s m i c r o p u m p m i c r o f l u i di nv a l v e l e s sm i c r o p u m p i sc o n s i d e r e dt os e p a r a t ei n t ot h eb o r d e r f l o wa n dt h em i d f l o w , f o rt h em u r a li n f e c t i o na n dt h ev i s c o u sf o r c e t h i sp a p e rg i y e st h e m i d f l o wm o v e m e n te x p r e s s i o n sa n df i g u r e st h a tt h em i d f l o wl a g sb e h i n dt h eb o r d e rf l o w f r o mt h e 趾a l y z eo nd y n a m i c s 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 sm i c r o - p u m p ，t h ed i g i t a lm i c r o - f l u i d i c t e c h n o l o g y , p u m p m ga b i l i t y , 0r g a n i s mm a n u f a c t u r i n g ，t h r e e d i m e n s i o ns c a f f o l d ；c e l l p o i n t i n gf e e d i n g 论文相关图、表目录 表1 1 1 基于目前技术的宏观与微观流体器件的通用比较表2 图2 3 1 玻璃微泵圆管工作示意图1 9 图2 3 2 数字化无阀微泵的原理示意图2 0 图2 3 3 微泵圆管中的流体流动示意图2 2 图2 3 4 微泵出口处中间流与边界流的示意图2 4 图2 3 5 边界流的加速度和速度的周期图2 5 图2 4 1 微泵出口段数值网格2 8 表2 4 1 无阀微泵的典型参数2 9 图2 4 2 微泵自然频率、固壁振幅、微泵流量与微泵出口段锥度关系2 9 图2 4 3 微泵自然频率、固壁振幅、微泵流量与微泵出口直径关系3 0 图2 4 4 微泵自然频率、固壁振幅、微泵流量与微泵出口段长度关系3 0 图2 4 5 微泵固壁振幅、微泵流量与外部扰动因子幅度关系3 1 图2 4 6 微泵固壁振幅、微泵流量与外部扰动频率关系3 l 图2 4 7 微泵固壁振幅、微泵流量与液体粘性系数关系3 2 图3 1 1 玻璃粘度一温度特性曲线3 6 图3 1 2 玻璃线膨胀系数一温度特性曲线3 6 图3 1 3 玻璃拉制原理图3 7 图3 1 4 微流体器件制各仪结构图3 8 图3 1 5 微流体器件制备仪电路连接图3 9 图3 1 6 制作出的微流体器件制备仪全景照片4 0 图3 1 7 拉制出的微针( a ) ，微管道( b ) 4 0 表3 2 1 加热电压( 温度) 与拉制内径、加热延时时间关系表4 l 图3 2 1 加热电压与拉制直径( a ) 、加热时间( b ) 和半锥度( c ) 的关系图4 2 表3 2 2 弹簧弹性系数与拉制直径和半锥度的影响关系表4 3 图3 2 2 微泵管直径、半锥度和弹性系数的关系图。4 3 表3 2 3 弹性系数o 3n r a m 弹簧拉制的微泵的相关数据表4 4 表3 2 4 弹性系数0 1n m 弹簧拉制的微泵的相关数据表4 4 图3 2 3 制作出的玻璃微泵管照片4 5 图3 3 1p i 公司( 德国) p - 8 4 4 系列驱动器外形和尺寸安装图4 8 图3 3 2 驱动电源的功率放大器外形图( 南京理工大学微系统研究室) 4 9 图表目录南京理工大学博士学位论文 图3 4 1 实验中的数字化无阀微泵5 0 图3 4 2 数字化无阀微泵实验过程( 泵送甲基橙) 5 1 表3 4 1 微泵进出口比例关系5 2 图3 4 3 微泵进出口内径合适的比例范围5 3 图4 1 1 正向加速度大的拟合波形图5 5 图4 1 2 反向加速度大的拟合波形图5 5 图4 1 3 波形l 示波图5 6 图4 1 4 波形2 示波图5 6 图4 1 5 数字化无阀微泵实验系统结构图5 7 图4 1 6 不同波形的加速度与驱动电压关系图5 8 表4 1 1 驱动频率2 0 h z 递增改变电压加速度峰值测量5 8 表4 1 2p i 驱动器连接负载后加速度峰值测量5 8 表4 2 1 驱动电压的变化对实验效果的影响6 0 图4 2 1 加速度与电压幅值( a ) 和加速度与驱动频率( b ) 的关系图6 0 表4 2 2 驱动频率的变化对实验效果的影响6 1 图4 2 2 离散流( a ) 和连续流( b ) 的实验图6 2 表4 3 1 不同液体运动粘度6 4 图4 3 1 常数电压驱动( a ) 和跳变电压驱动( b ) 示意图6 5 图4 3 2 电压常量( a ) 与电压跳跃变化( b ) 驱动的加速度曲线测量图6 5 图4 3 3 数字化无阀微泵泵送酸奶的效果图( 反色) 6 6 图4 3 4 银粉悬浊液被微泵泵送的过程图6 7 图4 3 5 示踪粒子悬浊液泵送照片6 7 图4 3 6 微泵出口端细胞排列6 8 图4 3 7 细胞泵送输送过程6 9 表4 3 2 细胞泵送情况与微泵出口端大小的关系表7 0 表5 1 1 电压= 8 0 v 改变频率( 泵量= 7 5 1 0 一也出口= 7 0 l l m ，进n = 1 0 0 u m ) 7 2 表5 1 2 频率= 1 0 h z 改变电压( 泵量= 7 5 1 0 3 m l 出= 7 0 u m ，进d = 1 0 0 l - t m ) 7 2 图5 1 1 体积流速与驱动参数关系图7 3 表5 1 3 同样驱动电压、频率，不同微泵管的泵送效率7 3 图5 2 1 频闪测速系统结构图7 4 图5 2 2 频闪实验照片7 5 图5 2 3 频闪实验平抛轨迹照片7 5 图5 2 4 微尺的数字图片7 8 表5 2 1 尺寸标定的数据表7 8 x 直立垄王太堂埋堂焦监塞 熬主毡玉固丝錾敛超进：割韭盈廛旦塞墼盈豇 图5 2 5 液体出口后运动示意图7 9 表5 2 2 频闪图片处理计算表8 0 图6 1 1 生物制造的体系构架8 2 图6 2 i 单种细胞方形支架3 d 模型一8 6 图6 2 2 多种细胞圆型支架3 d 模型8 6 图6 2 3 单种细胞方形支架( 左) 和多种细胞圆型支架( 右) 实体造型8 6 图6 2 4 微立体光刻原理示意图8 7 图6 2 5 微立体光刻设备u r m - - - i - i p 3 0 1 实物图8 8 图6 2 6 圆柱孔阵列式支架设计图。8 9 图6 2 7 圆柱孔阵列式支架实体造型图9 0 图6 2 8 三角支架式支架实体照片9 1 图6 2 9 支架显微内部通道放大图9 2 图6 3 1 细胞向支架定点输送实验结构原理图9 4 图6 3 2 微泵泵送吸入细胞组图9 6 图6 3 3 微泵泵出细胞组图9 7 图6 3 4 实验前局部显微图9 8 图6 3 5 细胞被泵送出照片：9 8 图6 3 6 虾卵细胞定点输送效果图9 8 图6 3 7 小鼠卵细胞泵送定点图9 9 图6 3 8 细胞泵送至细胞支架后效果9 9 图6 3 9 单个圆台孔支架放大示意图9 9 x l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：年月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 蛊塞堡王盍耋盛芏位：| 盘塞 螫主业玉匡醴基酸途让：剑挂星廛且塞墅班豇 1 绪论 微机电系统，日本称作微机械，美国称为微电子机械系统，欧洲称其为微系统， 在此称为微系统【l 】。在2 0 世纪8 0 年代初期，微系统作为一个非常重要的技术学科明 确形成，在这期间几个具有决定意义的事件分别起了巨大作用。1 9 8 1 年到1 9 8 2 年间， 成立了首批致力于将这项新技术的应用商业化的公司一一微传感器技术公司和 t r a n s e m o r y 器件公司；1 9 8 2 年( i e e e 会议论文集上发表了第一篇对该领域的综述 性文章作为机械材料的硅( p e t e r s e n ，1 9 8 2 ) ；1 9 8 2 年到1 9 8 3 年，批量化姬i l s 生产技术首次用于微加工的汽车m a p ( 多功能绝对压力) 传感器和微加工的一次性血 压传感器这样的大批量产品；1 9 8 3 年，第一届固态传感器与执行器国际大会在荷兰 d e l f t 技术大学召开。斯坦福大学的j a m e s b ) m g e l l 教授是m e m s 技术的奠基人之一， 他早在7 0 年代初就开始了微加工领域的研究工作。到1 9 8 3 年美国所有主要的大学都 正式有了重要的m e m s 研究项目【2 啊。1 9 8 7 年，美国利用i c 工艺首次制作出直径6 0 1 2 0 肛m 的微电机，这一突破性的成就开辟了微系统研究的崭新领域。1 9 9 3 年美国国家 关键技术委员会将m e m s 立为国家的关键技术，1 9 9 5 年在日本召开了第一届世界微机 械高层会议，加快了微机械研究的步伐【6 。 多学科交叉是微系统研究的最显著特点，它包括电子工程、机械工程、集成电路 工艺、电路设计、材料科学、化学、测量学、流体工程、光学和封装技术，器件与系 统的设计、制造与检测是以上述学科为背景的。另外，它还具有广泛的市场与应用范 围，包括传感器、流体控制与调节、光学、显示、打印、电子开关、化学分析、生物 化学的流体处理、精确机械运动和驱动以及数据存储系统等p 4 0 l 。 1 1 徽流体系统 1 1 1 徽流体系统概念 微系统在流体领域有着巨大的应用前景，随着人们努力地去实现完全微型化的 流体系统，微机械在这一领域的应用将越来越重要。一般认为微流体系统是指集成微 传感器、微泵、微阀、微喷、微通道、微计量器等元器件及输入输出接口、微处理电 路等于一体的，用于实现微量流体的压力、流量和方向控制及成分分析等功能的，适 合于批量化生产制作的高度集成化微型系统。 目前，有很多材料都可以用于制造微流体系统或其他组成部分，如玻璃、塑料 聚合物、金属、陶瓷和半导体“”。 1 绪论南京理工大学博士学位论文 微流体系统的应用领域包括流体的微量配给，药物的微量注射，微集成电路的冷 却与除尘，微量化学分析，高精度喷墨打印，微型推进发动机，生物和化学传感，药 物传输，分子识别，核酸合成，排序和放大，环境监测等。微流体系统还具有：减小 尺寸，提高性能，减小功耗，实现一次性使用，集成控制电路，降低价格等潜在的好 处【1 1 3 1 。 在实际应用中，微机械流体器件和宏观流体器件有很多的区别，概括起来如表 1 1 1 。流体功能与系统的尺度效应与具体的情况关系很大。正如表1 1 1 所列，对 微流体系统来说，重要的特性包括：最小死区，低的泄漏或气体渗透，好的流量体 积控制精度，快速的机械响应扩散混合时间，理想的化学生物可兼容表面等。这些 因素的相对重要性取决于所研究的微流体系统。 表1 1 1 基于目前技术的宏观与微观流体器件的通用比较表【6 1 宏、微观流体的异同主要体现在物理法则、行为法则以及不同组件之间的接口、 封装、引液，显示、检测等方面旧。 1 1 2 徽流体系统装置 2 微流体系统装置主要包括微流道、微喷嘴、微射流元件、微压和微流量传感器、 重塞堡王去堂蝗主堂宣监塞 堑至盟五圆邀基数这盐：剑往丛查目燕监班豇 微阀和微泵，其中微阀和微泵是最关键的装置。 将微流体装置和微流体系统技术应用于工业，可构成微反应器，该系统不仅体积 小，而且样品消耗少、分析时间短、能耗低、效率高，可以使微反应过程显著快于宏反 应过程，这类装置将为加速新药物和新化学产品开发提供有效手段，可望在化工、医 药、食品等领域获得大量应用。 荷兰、日本、德国、美国等国对微泵的研究开展的较早，我国在近些年也展开微 泵的研究工作。具体的详述，将在1 3 节介绍。 徼阀是微流体系统中的又一关键装置。微阀是微流体系统中的开关元件，其开和 闭控制着微流体流路的方向。日本日立制作所开发了一种静电驱动的大变形膜片阀， 阀口尺寸仅为4 5 p m x 4 5 1 m l ，可控制6 0 p a 、1 0 m l j m i n 的气流【1 4 】；美国i c s e n s o r s 公司研制的双金属片热驱动阀，阀开口量仅为4 1 j 1 1 1 ，可控制0 2 m p a 、8 5 m l m i n 的气 流【1 5 】；德国f r a u n h o f e r 研究所采用桥形结构制作的热驱动阀，阀口尺寸为3 6 0 ”m x 3 6 0 i _ l m ，可控制7 0 0 m l j m i n 的液体【1 6 】；日本表面和界面研究所开发了气动控制的三通 阀，可控制1 5 j m m 的液体【1 7 】。2 0 0 0 年，u n g e r 等报道了一种采用多层软光刻技术制 作的气动致动p d m s 微阀【1 8 】。目前，研究方向正朝着微泵微阀阵列化的方向发展，例如 瑞士机械系统研究所开发的热气致动膜片式微阀阵列，其密度已达到3 0 0 个c m 2 微阀 的水平【1 9 1 。 微混流器是芯片实验室( l a b o n c h i p - l o c ) 微系统中的关键装置。不同试剂在微流 道中的充分混合是完成测试的必要条件，然而在微流道中靠浓度梯度自然扩散是很慢 的，例如扩散率d ：2 5 1 0 。9 c m 2 s 的直径为l u m 的微粒，在微流道中以2 m m s 速度流 动，微粒扩散5 0 9 m 距离需要大于1 小时的时间，那么1 0 m 长的微流道，则需要高的驱 动压力。目前的微流体系统中普遍采用多s 形的长流道结构，从而增大了微流体系统 的尺寸。为了解决这一问题。必须采用混流器来强化扩散过程。美国加州工艺研究所 开发了一种气动数控混流器，主通道尺寸1 0 0 p m x1 0 1 1 m ，可实现2 出j m i n 流体的混合 操作，但结构比较复杂；此外还有采用混沌混流的装置，但仅适用于雷诺数大于l o 的场合口“。 经过2 0 多年的发展，微流体装置和系统技术已经在许多领域得到应用，且应用范 围正越来越广。彩色喷墨打印机业已成为微流体装置中产值最大的商品；c p u 等电子 元件的不断高密度化，使得冷却问题成为其进一步发展的瓶颈，微热管是首选的解决 方案，目前基于微热管原理的微换热器的换热率已达到2 k w c m 2 ，比液氦沸腾换热高 两个数量级阎，显然这将是一个极大的市场。微流体装置和微流体系统在生命科学领 域的应用是又一巨大的潜在市场。基于微流体技术的基因芯片、生物芯片，已广泛应 3 1 绪论南京理工大学博士学位论文 用于d n a 测序、病理基因分析、药物反应分析。美国的m i c r o n i c s 公司最近推出了l ( ) c 微流体系统，可自动并行实现生物化学分析，仅用一滴血就可以得出各项化验数 据，i , o c 系统将使医院化验室告别试管时代。仅用极少量的试样，就可快速地获得所 需的参数。欧共体在1 9 9 5 1 9 9 8 年启动了b a r m i n t 计划，开发面向医学的药物释放 样机，微注射器已成功应用于糖尿病患者。 1 2 微泵送技术 微泵送的广泛定义是：在微尺度下，将流体从一处运输到另一处，提供微流体运 动的动力源。微泵送一般有两个过程组成，一个“吸入”过程，一个“泵出”过程。 基于微小尺寸规模，微泵送的泵浦液体量微小，对于生物技术、芯片分析、样剂取样 测量等方面有着重要意义。 、 微泵送技术在航空航天、生命科学、分子基因学、合成化学、微化学分析、生物 工程、医学医疗等领域中有着广泛的应用。在医学医疗中，微泵送可用于试剂的转递、 微量注射等，如有报道输注给药使硬膜外麻醉给药实现给药自动化，既能维持麻醉平 稳，又能减少术中病人血流动力学的波动】。在化学领域，微泵送可用于微量配给、 脉动流的传导、微混、血液的检测或者食品饮料的实验检测。在航天航空领域，微泵 产生的压差，可以作为微卫星姿态调整的动力。在生物工程中，微泵可用于悬浮粒子 或细胞的传输。微泵还有的用于燃料电池的燃料供给。微泵的应用随着研究的深入将 越来越广泛。 1 2 2 徽泵送的驱动技术及泵送特点 在微尺度下，许多宏观经典理论并不适用于微观，所以微泵送的驱动技术也是随 着人们不断的深入研究而逐步变化的。 1 2 2 1 容积式驱动技术 微泵送技术的早期发展遵循的就是隔膜或活塞原理。驱动原理就是容积的体积变 化引起的压差变化从而吸入并泵送液体。泵室腔被一层或多层的可移动的隔膜盖住。 驱使隔膜的上下运动就可以导致室腔体积的改变，从而产生了上下压力瞬时改变 p 。这工作原理可以描述为一个循环过程，其分为供给过程( 泵室腔体积增大) 和 4 直塞翌王态堂监主堂位j 盘塞螫芏盟五固毯基数丝盐：劐往厦匡圈塞墅班珏 压出过程( 泵室腔体积减小) 洲。 在供给过程中泵室腔产生低压，使得进口端的液体被吸入，( 压力差大于进口端 的极限压力) 。在压出过程中泵室腔产生高压，将腔室内的液体挤向出口端( 压力差 大于出口端的极限压力) 。此时，进口端关闭以防止比必要的回流，同样在供给过程 时出口端关闭。 1 2 2 2 离心力驱动技术 利用离心力驱动流体运动，在宏观流体中很早就有应用。m a n d o u 和k e l l o g g 2 s 就利用离心力来驱动微流体运动，他们采用光刻方法在塑料圆盘上制作微管道网络， 流体被装载在靠近圆盘中的储液池内，当圆盘旋转，流体在离心力作用下，沿着微管 道网络向远离圆心的方向流动，流速大小可以通过圆盘转速调节。通过控制转速、微 管道分布和几何构型可以实现流体的混合和被动阀的功能。该驱动方式现在比较成功 的利用在酶分析中试剂混合、反应、检测等操作。 1 2 2 3 电液动力( 皿) 驱动技术 e n d 驱动需要在流体一流体或流体一固体界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。适用于导电率极低的液体。两种材料的介电常数或导电 率不同，在电极阵列上施加电压就可以在材料界面诱导自由电荷。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行波，这样两者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 驱动技术，在大器件中被广泛应用于绝缘流体的驱动和地下输油管道中的油 的冷却等领域。移植到微泵送驱动中，其驱动电压从原来的几万伏降低到几百几十伏。 但e 曲驱动技术的适用范围仍太小。 1 2 2 4 表面张力驱动技术 通过化学或物理的方法，在管道中产生特定的表面张力梯度的表面，就可以使微 流体无需任何外部作用而自发运动。一般改变表面张力梯度的方法有两种，一种是通 过改变固体支持面的润湿性。使基底形成亲水区和琉水区。当把液滴点在疏水区时， 由于液滴边沿相反两面的接触角不同，造成两边表面张力不平衡，两边压力差可以驱 动液滴向亲水区运动。另一种产生表面张力梯度的方法是改变流体表面活化分子分布 5 i 绪论南京理工大学博士学位论文 浓度，常用改变液体成分或温度实现。该驱动方法可应用于微化学反应器或微化学 分析。 1 2 2 5 电渗式驱动技术 在与电解液接触的管壁上有不动的表面电荷，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静 电荷则几乎为零。双电层由紧密层和扩散层组成。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移面上发生相对运动。由 于离子的溶剂化作用或粘滞力的作用，当形成扩散层中的离子发生迁移时，这些离子 就会携带着液体一同移动，因此形成了电渗流。利用电渗现象驱动，即在电场作用下， 微泵中电解液体形成双电层离子携带液体沿固体表面移动。但电渗式驱动只适合一定 范围的流体和管壁材料。 1 2 2 6 热气泡驱动技术 通过给液体加热，使液体中产生气泡，气泡随温度增加而膨胀，从而驱动液体流 动。这种驱动方式所需加热电压小，内部没有可动部件，实现简单，易于集成，但是 目前其可达到的驱动速度较小。由于在微尺度下，空气对温度的敏感度很强，一点热 量变化可以使气体体积变化，从而驱动液态流体运动，故此驱动方法适用大部分流体， 目前处于研究阶段。 i 2 2 7 磁流体驱动技术 利用电场和磁场施加于导电流体的洛仑兹力驱动。微泵送利用磁流体驱动方式， 其器件结构较为简单，比较容易加工，液体无脉动，流动方向可以双向调节。但是该 驱动方式只能局限于中等导电液体和水溶液。 1 3 微泵送装置的发展状况 微泵的研究始于2 0 世纪8 0 年代初s t a n f o r d 大学的w a li m a r k 和s m i t h s ，随 后人们围绕微泵展开了大量的研究工作。过去的二十多年，研制了许多根据不同的工 作原理设计出的微泵【掘切。但是总体来说，微泵可分为有阀型微泵和无阀型微泵。 6 直塞垄王去堂埋堂盈j 幺塞堑主盐五圈熊垂的篮进：鲴往厘廛厦塞验受宜 1 & l 有月墅徽泵送装置的发展状况 有阀型微泵，其内部有可动件阀体。这类传统典型，利用容积式驱动技术，如微 隔膜泵微泵。现今主流微泵还是依据这种微泵的概念； 机械徽隔膜式徽泵，驱动是容积式驱动技术一般由进口、出口、腔体、进口阀 和出口阀组成，泵室腔被一层或多层的可移动的隔膜盖住。隔膜的运动是机械式运动。 隔膜致动器可分为外部致动器和微致动器。 外部致动器必须粘接或装配到微结构的泵体上，主要有： 电磁致动器，即通过电磁线圈与铁心配合致动。这种致动方式可获得大的位 移，而力的大小则取决于线圈的匝数和通过的电流。由于受电磁线圈尺寸的 限制，微型化较困难； 压电致动器，是由压电陶瓷片( p z t ) 和电极组成的，商品压电陶瓷可用环氧树 脂粘接在膜片上，膜片越薄，变形量与驱动电压和频率成比例，通常将多片 压电片堆叠以增加压力，但所需的驱动电压较高； 双金属致动器，原理是利用两金属在相同温差下膨胀或收缩的量不同产生内 应力，从而使双金属片发生形变而工作。 微致动器则是利用微加工技术直接在泵体上加工出来的，省去了装配工艺i 但是 受到加工工艺和加工准确度的限制，不易加工。主要致动器有： 静电力驱动器，当给激励电极加电压后，可挠性膜片将根据电压的方向和大 小不同，产生凸凹形变，从而使谐振腔内产生相应的方向和大小的脉冲压力， 打开或关闭阀的出入口，静电驱动器可允许驱动频率达到k h z ，其制作工艺 与i c 工艺兼容性较好。但是静电驱动器存在很多限制，一般2 0 0 v 才能移动 5 岫，同时由于电极间距很小，电压很高容易产生危险或被击穿，不利于应用； 形状记忆合金驱动器，由 h - n i 合金构成做成形状记忆合金膜片，利用材料 母相在超过某一温度的情况下冷却产生马氏体相变，经加热至一定温度后又 转变为母相( 称为逆相变) 的特性，使其具有形状记忆效应，从而使膜片上下 运动。 早在1 9 8 3 年荷兰t w e n t e 大学就开始了微泵研究，研制的压电片驱动微泵，工 作电压在1 0 0 v ，流量小于1 0 ) l u m i n ，在1 2 5 v 电压驱动下，最高背压为2 m 水高， 但驱动频率不高闭；此后日本东北大学研制出压电驱动薄膜泵，在9 0 v 2 0 h z 电驱动 下，输出流量2 0 ) a j m i n m ；德国f r a u n h o f e r 研究所研制出静电驱动的薄膜泵田， 7 1 绪论南京理工大学博士学位论文 外形尺寸7 r a m 7 n u n 2 r a m ，在1 7 0 v 2 6 i - i z 电驱动下，输出流量达7 0 肛l j m i n ；此外， 美国m i n n e s o t a 大学推出了静电驱动微泵；英国s o u t h a m p t o n 大学研制了形 状记忆合金驱动薄膜泵和厚膜压电泵1 2 8 - 2 9 ；z e n g e r l e 等人研制的基于硅片上的静电驱 动微泵刚；我国清华大学精密仪器系周兆英教授等研制了1 0 0 “l j m i n 的静电驱动微泵 和几十o j j m i n 的双金属热驱动微泵口”。 蠕动式徽泵，是由几个小的薄膜式微泵并联而成，第一个微泵上的驱动器驱动 使其腔体变大，将进口的液体吸入，第一个微泵上的驱动器压缩腔体体积，将液体压 向出口，该出口即第二个微泵的进口，此时第二个微泵的驱动器扩大其腔体体积，便 将液体吸入，依次类推，液体被最后一个微泵压出。s m i t s 等人研制的蠕动式微泵， 最大可达到1 0 0 沮_ m i n ( 1 5 h z 驱动) ，最高背压6 0 m 【3 2 1 ，其效能较高。 热徽隔膜式微泵，驱动也是容积式驱动技术其利用给腔室里的气体通过电加热 膨胀产生压力，从而推动膜片工作，但其工作效率则取决于与外界的热交换能力。荷 兰t w e n t e 大学在2 0 世纪8 0 年代末研制出6 v 2 w 电热驱动膜片泵，输出流量 3 4 p l m i n 、压力4 9 k p a ；后来又研制的热气驱动微泵1 3 ”，其驱动输入电压和功率分 别小于1 0 v 和2 w ，在驱动频率为5 h z ，可以实现输出流量为0 - 5 c 1 0 l r a i n 。o kc h a r t 3 e o n g 报道了热气驱动微泵的研制m j 。 1 3 。2 无l 围型微泵装置的发展状况 有阀型微泵基本上是基于容积式驱动技术设计，原理简单，制造工艺成熟，易于控 制，是目前的主流，但由于整个泵体中存在阀片等机械可动部件，因此就必然受到加工 工艺和加工准确度的限制，不利于微型化的发展趋势，而且由于阀片的频繁开关，泵的 可靠性和使用寿命也不高。 相比之下，无阀型微泵由于其结构相对简单、制造工艺要求不高，因而有着独特的 发展优势。无阀型微泵则常常利用流体在微尺度下的新特性，原理比较新颖，更适于微 型化，具有更大的发展前景。 收缩扩张型徽泵是比较典型的无阀型微泵，是近年来研究的热点 3 5 - 4 h 。其驱动 技术也是容积式驱动。但是，它以收缩和扩张的不同形状通道代替单向阀【3 5 】，利用因 流道不对称所引起的压力损失的不对称来实现流体的泵送。然而，这类泵反向止流性 较差。当可动薄膜向上运动时，两端的流体同时进入腔内，但由于出口端的阻力较大， 导致入口端流入腔体的流体较多；当薄膜向下运动，流体从两端同时流出，这时入口 端的阻力较大，从而出口端流出的流体较多，这样实现了泵送。o l s s o na 等于2 0 0 0 年报道了其研制的在硅片上深加工的收缩一扩张型微泵1 3 6 。c l u i s t o p h ey a m a h a t a 等 8 赢基垄王古兰监主星篮监塞堑星业玉鲤毯墓欧丝盐：劁韭丞廑旦塞熊堑五 2 0 0 5 年也报道了电磁驱动的收缩一扩张型微泵口口。t a oz h a n g 和q i n g - m i n gw a n g 于 2 0 0 6 年又报道了利用收缩扩张管式无阀微泵输送燃料给燃料电池的研究【3 8 j 。 电水力式( e i d ) 徽泵，其驱动技术是电液动力驱动技术。b a r t 首先研制了电液 力驱动感应泵【4 2 】，其原理是在液体一固体界面处产生感应电荷，通过外加电场和液体中 感应电荷的相互作用来控制液体，这种驱动方式不需要活动的机械部件，因此制造简 单，可靠性高。但e h d 驱动技术的适用范围仍太小，适用于导电率极低的液体。 表面张力驱动式徽泵，利用表面张力驱动技术设计。c h a u d h u r y 和w h i t e s i d e s 使得2 微升的水滴在1 5 度的斜坡上以1 - 2 m m s 的速度“爬山”【4 3 】。 有人利用电化学方法控制表面活化分子的浓度，进而改变表面张力的梯度，在 4 衄宽的管道上用4 0 0 m v 电压产生2 5 m i n i s 的速度【4 】。该驱动方法可应用于微化学 反应器或微化学分析。但是就大部分研究结果而言，还仅限于固体表面上的流体移动， 微管道内能否实现还未见报道。 电渗式徽泵，其是利用电渗式驱动技术。在微流体系统中，尤其在生物和电泳芯 片方面得到广泛地应用。h a r r i s o i l 等利用电渗流驱动，实现了微芯片上的电泳分离 ( 删。但电渗式驱动只适合一定范围的流体和材料。 气泡式徽泵是通过使液体中产生气泡，气泡膨胀从而驱动液体流动。 美国f f o h n s h o p k i n s 大学利用热气泡驱动技术，研制出热气泡驱动微泵，输出流量 为2 u u s ，其特点是能有效控制单个气泡的生灭过程。 1 9 9 9 年，荷兰t w e q t e 大学推出了一种基于电化学原理驱动的微泵，通过电化学 反应，由电极产生的气泡来驱动1 0 0 岫：1 ) ( 2 0 0 p m 微流道中的液体，在输入电流2 0 0 a 时的输出流量仅为3 0 h m s ，压力1 5 k p a 4 5 】；脯i 】m 利于电化学电解反应产生的气泡 驱动原理设计了微泵。 磁致式徽泵是基于磁流体驱动技术产生的。j a n g 等研制出磁流体动力微泵( 姗d ) i 卅。微流体系统利用磁流体驱动方式，其器件结构较为简单，比较容易加工，液体无 脉动，流动方向可以双向调节。但是该驱动方式只能局限于中等导电液体和水溶液。 总而言之，有阀型微泵基本上都是基于隔膜式微泵发展，主要区别是在驱动隔膜 运动的方式不同，或是压电驱动，或是静电驱动，或是热气驱动等。但大部分有阀型 微泵只能泵送离散的脉动流f 驯。有阀型微泵内部有可动件，因此受到加工工艺和加工 精度的限制，主要采用硅光刻技术制造，成本较高。而且由于阀片的频繁开关，泵的 可靠性和使用寿命也不高。无阀型微泵的驱动原理多样，内无可动部件，比较适合微 型化发展，但是也有其局限性，扩张收缩管式无阀微泵，反向止流性较差，不能实现 9 1 绪论南京理工大学博士学位论文 单向流；其他的无阀微泵，如磁力式、电水力式等，对泵送液体要求较高，没有广泛 的适用性。 1 4 徽泵送技术的研究难点及热点 ( 1 ) 开展徽泵送驱动方法的创新研究 微泵送是在微米尺度下进行的。微观流体特性已经不同于宏观流体特性，许多宏 观流体力学在微观流体中不能够完全适用。在微尺度下，许多在宏观力学中忽略的作 用力，如表面张力、静电力等界面力作用显著。所以，在微泵送驱动技术上，由原先 从宏观驱动方法移植，到现在越来越多的引导利用微观作用力进行