蘇 波，張 桔，韓 雪

(首都師范大學(xué) 物理系，北京100048)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)微流體系統(tǒng)進(jìn)行了很多研究，目的是獲得微米級(jí)的全分析系統(tǒng)(μ-TAS)，微泵是微流體系統(tǒng)中的關(guān)鍵的部件之一。依據(jù)工作原理，微泵可分為機(jī)械式微泵和非機(jī)械式微泵。機(jī)械式微泵通常都有一機(jī)械閥片進(jìn)行流體流向的控制，由于存在機(jī)械可動(dòng)部件，機(jī)械微泵的驅(qū)動(dòng)頻率受到限制。無(wú)閥微泵為非機(jī)械式微泵，它的研究開(kāi)始于20世紀(jì)90年代初期，1992年，德國(guó)的Gerlach T等人首次提出在微泵設(shè)計(jì)中采用無(wú)閥結(jié)構(gòu)的設(shè)想［1］;1993年，瑞典的Stemmed E等人成功地采用擴(kuò)散口/噴口結(jié)構(gòu)制作了微泵［2］，微泵尺寸只有幾厘米，擴(kuò)散口/噴口的形狀為錐形，可用來(lái)輸送液體和氣體;1994年，他們研制了第一個(gè)硅基無(wú)閥微泵，橫向尺寸為1 cm，在(100)硅片上采用各向異性腐蝕法腐蝕形成棱錐形擴(kuò)散口/噴口結(jié)構(gòu);而后，Geriach T等人制作出了更小的無(wú)閥微泵(7 mm×7 mm×1 mm)。

微泵的驅(qū)動(dòng)方式有多種，主要包括壓電式［3，4］、熱氣動(dòng)式、熱機(jī)械驅(qū)動(dòng)式、靜電驅(qū)動(dòng)式以及超聲波驅(qū)動(dòng)式［5］等。其中，壓電驅(qū)動(dòng)式主要采用壓電圓片或者壓電雙晶片作為驅(qū)動(dòng)器，采用壓電圓片作為驅(qū)動(dòng)器，由于壓電圓片的振動(dòng)幅度較小，所以驅(qū)動(dòng)力有限;采用壓電雙晶片作為驅(qū)動(dòng)器，由于壓電雙晶片的振動(dòng)臂較長(zhǎng)，制成的微泵體積較大。對(duì)于微泵的泵腔，很多研究人員以硅基為材料，采用MEMS技術(shù)進(jìn)行制作，這種方法需要特殊的微細(xì)加工設(shè)備，制作周期較長(zhǎng)，制作成本較高。對(duì)于振動(dòng)膜，有人采用體硅加工的方法刻蝕出振動(dòng)膜，由于硅的彈性模量較高(190 GPa)，豎直方向的形變只能達(dá)到十幾微米，制成的微泵的驅(qū)動(dòng)力非常有限［6］。同時(shí)，硅振動(dòng)膜的加工成本高且極易破碎，難以獲得較高的成品率。與傳統(tǒng)的硅振動(dòng)膜相比，聚二甲基硅氧烷(PDMS)振動(dòng)膜具有顯著的優(yōu)勢(shì)［7］。

本研究采用常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)在有機(jī)玻璃上加工出微泵泵腔和擴(kuò)散口/噴口，以PDMS制作振動(dòng)膜，采用微振動(dòng)馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)器，制成了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、驅(qū)動(dòng)電壓低的無(wú)閥微泵。

1 工作原理

圖1為無(wú)閥微泵的工作原理圖。圖中，φi和φo為瞬間通過(guò)入口和出口的流量。無(wú)閥微泵通過(guò)振動(dòng)膜的形變引起腔體體積變化來(lái)驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)。無(wú)閥微泵的擴(kuò)散口是橫截面積在流體流動(dòng)方向上逐漸擴(kuò)大的流通通道;噴口是橫截面面積在流體流動(dòng)方向上逐漸縮小的流通通道。無(wú)閥微泵工作原理是基于擴(kuò)散口/噴口所具有的整流特性。如果擴(kuò)散口/噴口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在同樣的壓強(qiáng)差驅(qū)動(dòng)下，擴(kuò)散方向的流量將大于噴口方向的流量。微泵的一個(gè)工作周期可以分為“吸取模式”和“壓縮模式”，當(dāng)振動(dòng)膜向上運(yùn)動(dòng)時(shí)腔體擴(kuò)張，微泵進(jìn)入“吸取模式”(圖1(a))，此時(shí)入口充當(dāng)擴(kuò)散口，而出口充當(dāng)噴口，其結(jié)果是入口(擴(kuò)散口)流進(jìn)量大于出口(噴口)的流進(jìn)量;當(dāng)振動(dòng)膜向下移動(dòng)壓縮腔體時(shí)，微泵進(jìn)入“壓縮模式”(圖1(b))。此時(shí)腔體體積減小，微泵的出口充當(dāng)擴(kuò)散口，入口充當(dāng)噴口，結(jié)果是出口(擴(kuò)散口)的流出量大于入口(噴口)的流出量。經(jīng)過(guò)一個(gè)工作周期就會(huì)使一部分凈流量靠腔體振動(dòng)膜的驅(qū)動(dòng)到達(dá)出口側(cè)。

圖1 無(wú)閥微泵工作原理圖Fig 1 Operation principle of the valveless micropump

2 微泵的設(shè)計(jì)與制作

2.1 微泵的設(shè)計(jì)

根據(jù)無(wú)閥微泵的工作原理和擴(kuò)散口/噴口理論，無(wú)閥微泵的工作性能與擴(kuò)散口/噴口的幾何尺寸有關(guān)，其中擴(kuò)散口/噴口窄口處的寬度，擴(kuò)散口/噴口窄口處的擴(kuò)散角以及擴(kuò)散口/噴口的長(zhǎng)度對(duì)微泵的工作特性起著決定性作用。本研究采用ANSYS仿真軟件模擬分析擴(kuò)散口角度和擴(kuò)散口長(zhǎng)度對(duì)微泵流量的影響，模擬的條件是驅(qū)動(dòng)電壓、腔體體積、振動(dòng)膜厚度、擴(kuò)散口/噴口窄口處的寬度不變，只是擴(kuò)散口角度和擴(kuò)散口長(zhǎng)度在變化，模擬的結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)可以看出:流量隨著擴(kuò)散角度的增加先增加后減小，擴(kuò)散角度在10°左右時(shí)，微泵的流量達(dá)到最大值。因此，在其他條件不變時(shí)，擴(kuò)散角度有最優(yōu)值使微泵的性能最佳。從圖2(b)可以看出:隨著擴(kuò)散長(zhǎng)度的增加，擴(kuò)散口/噴口的整流特性先變好后變壞，擴(kuò)散口的一般作用就是通過(guò)改變沿著流動(dòng)方向上的橫截面積來(lái)減小或增大流體的流速。要使擴(kuò)散口和噴口具有較好的整流特性，擴(kuò)散口長(zhǎng)度必須達(dá)到一定的值。依照模擬結(jié)果設(shè)計(jì)微泵的腔體直徑為8 mm，深度為0.5 mm，擴(kuò)散口/噴口窄口寬度為0.3 mm，擴(kuò)散口/噴口的長(zhǎng)度為2.5 mm，擴(kuò)散口/噴口擴(kuò)散角為10°。

圖2 流量與擴(kuò)散角度、擴(kuò)散長(zhǎng)度關(guān)系Fig 2 Flow rate vs diffused angle and diffused length

2.2 微泵泵體的制作

微泵泵體上的泵腔和擴(kuò)散口/噴口都制作在同一塊有機(jī)玻璃上。首先，用銑床在厚度為3 mm的有機(jī)玻璃上銑一個(gè)直徑為8 mm，深度為0.5 mm的圓形腔體作為泵腔，然后，在圓形腔體的底部鉆2個(gè)直徑為0.3 mm的孔，并分別以2個(gè)鉆孔為中心用錐形銼子加工出2個(gè)張角為10°的錐形孔作為擴(kuò)散口和噴口。

2.3 PDMS 振動(dòng)模制作

本研究采用PDMS作為振動(dòng)膜，這是因?yàn)镻DMS振動(dòng)膜具有以下優(yōu)點(diǎn):1)PDMS振動(dòng)膜的彈性模量?jī)H為0.75 MPa，因而在微振動(dòng)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，可以忽略其彈性模量的影響，即認(rèn)為微振動(dòng)馬達(dá)的最大位移即為振動(dòng)膜的最大位移。2)PDMS薄膜的加工工藝簡(jiǎn)單，具有較長(zhǎng)的使用壽命。3)PDMS具有良好的延伸性，粘貼、封裝時(shí)都不易損壞，從而大大降低了封裝難度并提高了成品率。

首先，配制PDMS預(yù)聚物，把PDMS基質(zhì)與固化劑按10∶1的質(zhì)量比混合，均勻攪拌后放在抽氣機(jī)中脫氣處理1 h，以防止制成的PDMS膜中產(chǎn)生氣泡。將PDMS預(yù)聚物滴在一塊用硅烷試劑處理過(guò)的平玻璃上，再將玻璃放在甩膠機(jī)上進(jìn)行旋涂。為得到厚度均勻的膠層，甩膠機(jī)需低速啟動(dòng);啟動(dòng)時(shí)控制甩膠機(jī)轉(zhuǎn)速600 r/min，約6 s，再加速至1500 r/min，保持30 s，在平板玻璃上得到一層均勻的PDMS。

2.4 微泵的封裝

將PDMS振動(dòng)膜裁剪成與泵體的大小相一致的尺寸，將微振動(dòng)馬達(dá)用粘結(jié)劑粘結(jié)在振動(dòng)膜中間部位的正上方，由于微振動(dòng)馬達(dá)的振動(dòng)幅度比較大，僅靠PDMS與有機(jī)玻璃的自然鍵合容易產(chǎn)生PDMS振動(dòng)膜與泵體的脫落，所以，PDMS振動(dòng)膜與泵體上表面之間也用粘結(jié)劑進(jìn)行粘合。最后，將2個(gè)空心的細(xì)金屬管固定在擴(kuò)散口/噴口的端面作為入口和出口，實(shí)驗(yàn)時(shí)，在細(xì)金屬管上連接橡膠軟管便于液體的流入和流出。制成的微泵示意圖如圖3所示，整個(gè)微泵的尺寸為12 mm×12 mm×6 mm。

圖3 微泵封裝示意Fig 3 Structure sketch map of micropump

3 微泵的性能測(cè)試

3.1 微振動(dòng)馬達(dá)頻率測(cè)試

圖4為實(shí)測(cè)的微振動(dòng)馬達(dá)頻率與電壓的關(guān)系曲線(xiàn)，從圖中可以看出:微振動(dòng)馬達(dá)的起振電壓為0.7 V，所對(duì)應(yīng)的頻率為5 Hz，隨著電壓的增加，振動(dòng)頻率與電壓呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)電壓達(dá)到1.4 V后，振動(dòng)頻率與電壓呈線(xiàn)性關(guān)系，電壓達(dá)到3.0 V時(shí)，實(shí)際測(cè)量的頻率為138 Hz。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電壓越大，微振動(dòng)馬達(dá)的振幅越大;另外，實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，如果微振動(dòng)馬達(dá)啟動(dòng)后，逐漸降低電壓，當(dāng)電壓降低到0.4 V時(shí)，微振動(dòng)馬達(dá)才停止振動(dòng)。

圖4 頻率與電壓關(guān)系曲線(xiàn)Fig 4 Frequence vs voltage

3.2 微泵的流量測(cè)試

首先，將封裝好的微泵的泵腔與管道中注入去離子水，然后，采用輸出電壓可調(diào)的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行微泵的流量測(cè)試。由于微泵的流量較小，所以，采用液面位移法來(lái)間接測(cè)量流量。開(kāi)始時(shí)，先記錄出液管中的液面位置，然后，開(kāi)啟電源并測(cè)量單位時(shí)間(如1min)內(nèi)出液管中液面前進(jìn)的距離，最后，將液面前進(jìn)的距離與出液管的橫截面積相乘即可得到微泵的流量。為了保證結(jié)果的可比較性，實(shí)驗(yàn)時(shí)，始終保持出液管與容器中的液面相一致，保證零背壓。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，微泵的初始電壓設(shè)置在0.7 V，圖5給出了微泵的流量和電壓的關(guān)系，從圖中可以看出:在0.7～1.0 V，微泵的流量緩慢增加;在1.0～1.8 V范圍內(nèi)，微泵的流量隨著電壓的升高增加的幅度很大，但在1.8～3.3 V的范圍內(nèi)，微泵的流量的變化趨勢(shì)非常小，最大值為150μL/min，這是由于微振動(dòng)馬達(dá)的振動(dòng)頻率不僅隨著振動(dòng)電壓的升高而增加，而且，振動(dòng)的幅度也隨電壓的升高而增加，當(dāng)電壓達(dá)到1.8 V時(shí)，微泵的振動(dòng)幅度已經(jīng)接近泵腔的深度，腔體的壓縮已經(jīng)接近極限，所以，流量變化不顯著。

圖5 流量與電壓關(guān)系曲線(xiàn)Fig 5 Flow rate vs voltage

4 結(jié)束語(yǔ)

研究了一種新型的無(wú)閥微泵，該微泵的特點(diǎn)是:1)采用常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)在有機(jī)玻璃上制作微泵的腔體和擴(kuò)散口/噴口;2)利用微振動(dòng)馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)部件，從而可以使微泵在低電壓下工作;3)采用彈性模量較小的PDMS材料作為振動(dòng)膜，保證了微泵的長(zhǎng)壽命。另外，微泵上PDMS振動(dòng)膜的厚度對(duì)微泵的流量也有一定的影響。

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