孫仕欣,李保慶,馬 托,王友謖,褚家如
(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機(jī)械與精密儀器系,合肥230026)
微泵是一種輸送流體的設(shè)備[1],具有體積小、重量輕、集成度高等特點(diǎn)[2],被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)[3]、生物學(xué)[4]和微電子[5]等領(lǐng)域。根據(jù)微泵工作原理的不同,微泵可分為機(jī)械式微泵和非機(jī)械式微泵。機(jī)械式微泵相較于非機(jī)械式微泵具有更好的生物兼容性,因此被更廣泛地應(yīng)用。蠕動微泵作為機(jī)械式微泵的一個重要分支,其工作原理為以一定時序驅(qū)動外部或內(nèi)部致動器從而驅(qū)動微腔室內(nèi)流體,使各腔室之間的流體以定向可控的形式發(fā)生流動[6]。
20 世紀(jì)90年代初Jan G Smits 首次提出蠕動微泵[7]。與其他機(jī)械式微泵不同,蠕動泵的微通道中沒有運(yùn)動部件,不需要被動閥來校正流量,因此可避免由于微粒和活細(xì)胞粘在閥門上而造成的生物試劑污染或微泵受損[8]。Amirhesam Banejad 等人提出的氣動蠕動微泵,最大流量為56.28 μL/min,反向截止壓強(qiáng)最大可達(dá)50 kPa[9],雖然其具有較大的流量和反向截止壓強(qiáng),但由于該微泵尺寸較大,芯片厚度達(dá)8 mm,無法適用于如床旁診斷、器官芯片等涉及微流量精確控制的應(yīng)用場景。2011年Chung-Shao Chao 等人提出了具有一體式PZT(壓電陶瓷驅(qū)動器)驅(qū)動單元的三腔室壓電蠕動微泵,流量最大可達(dá)0.6 μL/min[10],具有作用力大、結(jié)構(gòu)相對簡單等優(yōu)點(diǎn)。但其制造工藝復(fù)雜、成本高,并且集成式微泵不易于清洗,存在交叉污染等風(fēng)險。Tuo Ma 等人提出了一種微流控芯片和致動器相互分離的壓電蠕動微泵,具有響應(yīng)速度快、芯片即插即用等優(yōu)點(diǎn)。但是,依靠彈性變形產(chǎn)生擠壓的方式會使得三腔室微泵的三根致動器對微腔的壓緊力不足,從而導(dǎo)致液體回流的現(xiàn)象,使得反向截止壓強(qiáng)僅為2 kPa[11],限制了芯片和致動器分離式的蠕動微泵在輸送高密度、高粘度流體控制領(lǐng)域的應(yīng)用[12]。
本文設(shè)計開發(fā)了一種五腔室壓電蠕動微泵,主體結(jié)構(gòu)包含5 個壓電致動器和具有5 個微腔室的微流控芯片兩個部分,腔室個數(shù)的增加可以有效減少液體的回流,具有更高的反向截止壓強(qiáng)。經(jīng)測試,其有效輸送流量最高可達(dá)15.85 μL/min,最大反向截止壓強(qiáng)可達(dá)12 kPa。
壓電蠕動微泵及測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,該實(shí)驗(yàn)測試裝置由PC 操作端、控制系統(tǒng)、壓電致動器、氣泵、CCD 和微流控芯片組成。其中控制系統(tǒng)、微流控芯片和5 個壓電致動器組成微泵。PC 上位機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制信號,由壓電致動器執(zhí)行相應(yīng)的動作。CCD 將采集到的圖像傳輸?shù)絇C 界面,進(jìn)行實(shí)時觀測。
圖1 壓電蠕動微泵及測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Piezoelectric peristaltic micropump andtest system structure diagram
圖2 為微泵實(shí)物照片,壓電梁和微針共同組成致動器單元。測試流體為加有藍(lán)色染料的5%DMSO 溶液,方便觀察微針的下壓狀態(tài)。圖3 為微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖,微流控芯片由具有微管道結(jié)構(gòu)(管道高度為60 μm)的PDMS 層(層厚300 μm)和載玻片鍵合而成。圖4 為微流控芯片尺寸示意圖,P1,P2,P3,P4,P5分別表示5 根微針,其直徑與圓腔相同,d=1 mm;為保證各壓電梁運(yùn)動過程中不會產(chǎn)生干涉,微腔圓心距l(xiāng)=5 mm。
圖2 微泵實(shí)物圖Fig.2 Photo of micropump
圖3 微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of microfluidic chip structure
圖4 微流控芯片尺寸示意圖Fig.4 Schematic diagram of microfluidic chip structure
微流控芯片結(jié)構(gòu)由具有微管道結(jié)構(gòu)的PDMS層和載玻片兩部分組成,如圖5所示。PDMS 層的制備工藝如下:①使用SU8-2025 光刻膠進(jìn)行光刻圖形化加工,得到交聯(lián)SU-8 結(jié)構(gòu),最后顯影形成60 μm 厚的微管道模具,如圖5(b)(需要注意由于交聯(lián)狀SU-8 內(nèi)應(yīng)力很大,可能導(dǎo)致基底彎曲變形和膠體開裂,所以在光刻加工過程中必須緩慢加熱及冷卻);②將混合脫氣后的PDMS(Dow Corning SYLGARD184)預(yù)聚物懸涂在模具上,使用勻膠機(jī)以slope 5 s,400 r/30 s 的參數(shù)進(jìn)行勻膠,如圖5(c)所示;③將樣品放進(jìn)65℃的烘箱固化2h 后揭下PDMS層,得到厚度約300 μm的具有微管道結(jié)構(gòu)的PDMS層;④將PDMS 層置于等離子清洗機(jī)(Mingheng PDC-MG)中進(jìn)行氧等離子體處理,而后與載玻片鍵合,并放入65 ℃烘箱中加熱30 min,完成芯片制備。
圖5 芯片加工工藝圖Fig.5 Manufacturing process of the microfluidic chip
驅(qū)動控制電路如圖6所示,包含單片機(jī)、串口通信電路、穩(wěn)壓電路以及壓電致動器驅(qū)動電路。
圖6 電路原理框圖Fig.6 Schematic of circuit
微泵控制電路的工作過程如下:系統(tǒng)供電后,電腦通過串口通信電路發(fā)送指令到單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)接收到的指令控制相應(yīng)的I/O 口產(chǎn)生一定時序的方波信號。再由方波信號控制基于MOS 管的開關(guān)電路的通斷,最終產(chǎn)生幅值大小與開關(guān)電源供電電壓相同的時序驅(qū)動信號,用于驅(qū)動控制壓電致動器。
該測量裝置以測量五腔室微泵反向截止壓強(qiáng)和流量為目的,由單片機(jī)及驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)對壓電致動器的驅(qū)動控制,微針安裝在每根壓電彎曲致動片前端,每個微針對應(yīng)有一個PDMS 管道微腔。當(dāng)驅(qū)動壓電致動器后,致動器產(chǎn)生的形變使微針沖擊對應(yīng)的管道微腔,管道微腔內(nèi)的液體受到擠壓從而在管道內(nèi)形成定向運(yùn)輸。
五腔室壓電蠕動微泵各壓電致動器電信號波形圖如圖7所示,1 表示壓電致動器通電,0 表示斷電,5 根壓電彎曲致動片分別被電信號驅(qū)動,整個周期完成10 步動作。工作模式如圖8所示。
圖7 蠕動微泵壓電致動器波形圖Fig.7 Electrical waveform of peristaltic micropump each piezoelectric actuator
圖8 蠕動微泵壓電致動器工作時序圖Fig.8 Working sequence diagram of peristaltic micropump piezoelectric actuator
反向截止壓強(qiáng)測試流程如下:①設(shè)定壓電致動器工作模式,驅(qū)動電壓和頻率,驅(qū)動微泵工作;②通過CCD 觀測出口液面高度變化,調(diào)整恒壓氣泵的輸出壓強(qiáng)直至液面高度不變,此時氣泵所示的壓強(qiáng)大小即為該泵在這一致動器工作參數(shù)下的反向截止壓強(qiáng)。
流量測試流程如下:①將出液口末端敞開與大氣相連;②設(shè)定壓電致動器工作模式,驅(qū)動電壓和頻率,驅(qū)動微泵工作;③記錄一定時間內(nèi)液面高度變化及所需時間,通過計算得出微泵流量。
作為流體動力源,微泵的最主要性能指標(biāo)為反向截至壓強(qiáng)和流量。下文詳細(xì)探究了不同電壓和頻率對五腔室微泵性能的調(diào)控。圖9 顯示了五腔室微泵驅(qū)動頻率和驅(qū)動電壓對微泵反向截止壓強(qiáng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同電壓下隨著頻率的增大,反向截止壓強(qiáng)也在隨之增加,當(dāng)驅(qū)動頻率100 Hz,120 V 時有最高的反向截止壓強(qiáng),為12.66 kPa。并且隨著頻率的增加反向截止壓強(qiáng)的增幅在降低,可以預(yù)見隨著頻率增加,反向截止壓強(qiáng)會收斂到某一個固定值。在相同驅(qū)動頻率下,電壓對五腔室微泵的反向截止壓強(qiáng)也存在影響,隨著電壓的增加,反向截止壓強(qiáng)隨之增加。
圖9 五腔室微泵和三腔室微泵的反向截止壓強(qiáng)與驅(qū)動電壓和驅(qū)動頻率關(guān)系圖Fig.9 Relationship between backpressure and driving voltage and driving frequency of five-chamber micropump and three-chamber micropump
為研究五腔室微泵與三腔室微泵性能上的差異,本文測試了在100 V 驅(qū)動電壓下,三腔室微泵反向截止壓強(qiáng)隨頻率變化的規(guī)律。當(dāng)驅(qū)動電壓為100 V,工作頻率25 Hz 時,三腔室微泵由于液體回流較為明顯,反向截止壓強(qiáng)僅為1.37 kPa;而驅(qū)動頻率提升至100 Hz 時,反向截止壓強(qiáng)為3.83 kPa;而在同等條件下五腔室微泵的反向截止壓強(qiáng)分別為3.36 kPa 和7.83 kPa,相比較于三腔室微泵提高了2.4 倍以上。這是因?yàn)橹聞悠鱾€數(shù)的增加彌補(bǔ)了三腔室微泵的致動器對微腔的壓緊力不足的情況,減少了液體的回流,因此會表現(xiàn)出更高的液體運(yùn)輸能力。
五腔室壓電蠕動微泵流量測試結(jié)果如圖10所示,可以看出流量與驅(qū)動頻率呈現(xiàn)正相關(guān)性。這是因?yàn)轭l率越高,同等時間內(nèi)完成的泵送周期越多,因此流量增加。此外,電壓幅值同樣也會對流量產(chǎn)生影響。在頻率為25 Hz 時,當(dāng)電壓為60 V 時,微泵流量為0.52 μL/min(8.67 nL/s),當(dāng)電壓為80 V 時,微泵流量為1.60 μL/min(26.67 nL/s)。當(dāng)電壓繼續(xù)增加至100 V 時,同一頻率條件下時,微泵流量增加到3.70 μL/min(61.67 nL/s)。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,通過調(diào)節(jié)電壓可以實(shí)現(xiàn)0.52 μL/min~15.85 μL/min 的流量改變。且電壓越大,流量越大。微泵的最大流量在電壓120 V,頻率100 Hz 時到達(dá),為15.85 μL/min。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)殡妷旱拇笮苯佑绊懙轿⑨樀臎_程,五腔室每個腔室沖擊的體積會對單周期流量產(chǎn)生直接的影響。
圖10 五腔室微泵和三腔室微泵的流量與驅(qū)動電壓和驅(qū)動頻率關(guān)系圖Fig.10 Influence of driving voltage and driving frequency on the flow of three-chamber micropump and five-chamber micropump
隨后進(jìn)行了流量對比實(shí)驗(yàn),分析腔室個數(shù)的改變對該種分離式壓電蠕動微泵流量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,三腔室微泵和五腔室微泵在同一驅(qū)動電壓下(100 V),流量均隨驅(qū)動頻率的增加而升高。在驅(qū)動頻率為25 Hz~100 Hz 之間時,三腔室微泵的流量調(diào)節(jié)范圍在2.45 μL/min~8.19 μL/min,而五腔室微泵的流量調(diào)節(jié)范圍則在3.70 μL/min~9.45 μL/min。
有文獻(xiàn)表明,微泵腔室個數(shù)與流量有關(guān)[13],根據(jù)Banejad 在文中提出的公式[9],在一個循環(huán)周期中,理想狀態(tài)下,單根微針的沖擊作用可以使每個圓柱形腔室內(nèi)液體被完全排出,則在完全理想狀態(tài)下,三腔室微泵單周期排出液體體積為V周期=(n-2)×V圓腔體積,微泵的理想流量為Q理論=V周期×F,其中F為泵的頻率。則V三腔室微泵=V圓腔體積,V五腔室微泵=3V圓腔體積,因此Q三腔室微泵理論=V圓腔體積×F三腔室微泵頻率,Q五腔室微泵理論=3V圓腔體積×F五腔室微泵頻率。但實(shí)際上,在頻率增加時,受流動阻力與流體慣性的影響,實(shí)際輸運(yùn)液體的流量會小于理想流量。圖9、圖10 中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的橫坐標(biāo)表示單根壓電彎曲致動片的驅(qū)動頻率,由于三腔室微泵和五腔室微泵的運(yùn)行步數(shù)不同,三腔室采用六步法運(yùn)行,而五腔室微泵采用十步法運(yùn)行,因此微泵的實(shí)際頻率之比為F三腔室微泵頻率∶F五腔室微泵頻率=5∶3;則Q三腔室微泵理論∶Q五腔室微泵理論=5∶9。在理想狀態(tài)下五腔室微泵的流量是三腔室微泵的1.8 倍,略大于實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的1.5 倍,說明腔室數(shù)量增加,上述影響也會增加。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,腔室個數(shù)的增加可以在保證流量的前提下,對反向截止壓強(qiáng)的提升有明顯的效果。對流體具有更大的輸送能力。
最后對不同反向截止壓強(qiáng)下的流量變化進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)時驅(qū)動電壓設(shè)定為120 V,驅(qū)動頻率為100 Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示,可以看出,芯片出液口壓強(qiáng)為0 kPa 時,流量大小為15.854 μL/min(264.2 nL/s),當(dāng)芯片出液口壓強(qiáng)為6 kPa 時,流量大小為9.93 μL/min(165.5 nL/s),流量隨壓強(qiáng)增大有顯著的減小趨勢,其最大反向截止壓強(qiáng)約為12.66 kPa。
圖11 流量與反向截止壓強(qiáng)變化關(guān)系圖Fig.11 Relationship between flow rate and backpressure
在不改變驅(qū)動電壓和頻率的情況下,本文提出了一種五腔室壓電蠕動微泵,并對其性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)表征。結(jié)果表明腔室個數(shù)的增加會對微泵的反向截止壓強(qiáng)和流量的大小產(chǎn)生影響。并探究了驅(qū)動電壓和驅(qū)動頻率對微泵性能的影響規(guī)律,即隨著驅(qū)動電壓的提升,微泵的反向截至壓強(qiáng)和流量均會提升;而隨著驅(qū)動頻率的增加,反向截止壓強(qiáng)和流量同樣也會隨之增加。該研究結(jié)果對多腔室壓電蠕動微泵結(jié)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。