电磁驱动柔性振动膜无阀微泵

　　1　引言

　　微流体系统是微机电系统(MEMS)的一个分支,它广泛应用于生物化学和食品饮料的实验检测中,如微量配给、微量注射、微全分析系统(Micro Total Analysis System,μ-TAS)、芯片实验室(Lab On a Chip)和PCR芯片(Polymerase Chain Reaction)。微泵、微阀和微流量传感器是构成微流体系统的重要部件,其中微泵和微阀是关键执行部件,微流量传感器是检测器件。微泵的研究始于二十世纪八十年代初Stanford大学的Wallmark和Smits^[1] 。随后,人们围绕微泵展开了大量的研究工作。按照其结构,可将微泵分为机械式和非机械式,机械式微泵靠活动部件来传输、控制流体,而非机械式微泵则是依靠物理化学反应提供动力源。机械式微泵中主要研究的是往复膜片式(振动膜式)微泵,它是依靠驱动器使膜片变形,引起泵腔内压力变化,从而将流体定向输送。按驱动原理分,振动膜微泵主要有压电驱动式^[2] 、热驱动式^[3] 、静电驱动式^[4] 、电磁驱动式^[5] 和形状记忆合金驱动式^[6] 。非机械式微泵主要有电液力驱动式^[7] ( Electrohydrodynamic,EHD)、曲面波驱动式( Flexural PlateWave) ^[8] 、电渗驱动式^[9] 、连续浸润式^[10] 、磁液力驱动式^[11] ( Magnetohydrodynamic,MHD)和气泡驱动式^[12] 。由于振动膜式微泵结构简单,控制方便,现有微流体系统中使用的微泵多为振动膜式微泵。Olsson^[13] 研究的无阀微泵可以在较高的频率(3kHz~4 kHz)下工作,以此得到较大的流量。但是

　　静电和压电振动膜式微泵所需要的驱动电压高,不利于和微电子电路集成。另外,采用硅薄膜作为振动膜,虽然可以在较高的频率下工作,但是其振幅较小,一般为几微米到十几微米。Jeong[14]采用了皱褶状的硅薄膜来增大振幅,4 mm×4 mm的膜片在6 V电压驱动下可以产生的振幅为37.5μm,但是采用热空气驱动,频率低,流量小。

　　电磁驱动是通过外加磁场和磁体的相互作用产生驱动力。由于磁场可以不依靠媒介而存在,因此电磁驱动可以用在比较大的空间范围内。同时,电磁驱动力较大(可达到数百微牛),可以产生较大的振幅。Zhang^[15] 研制的电磁驱动振动膜微泵,将7μm厚的坡莫合金沉积在17μm厚、8 mm×8 mm的硅薄膜上,在300 mA、3 V电压驱动下可以得到23μm的振幅。M.Khoo^[16] 利用硅橡胶作为微泵的振动膜,振动膜尺寸为2 mm×2 mm,厚度为40μm,并将22μm厚、870μm长的坡莫合金条嵌入该振动膜,外加磁场进行驱动。当外加磁场为1.85×10⁵ A/m时,振动膜振幅为83.9μm。

　　采用弹性模量小的材料做振动膜,比如硅橡胶,可以得到大的振幅,从而增大泵的冲程体积和体积流量。同时,硅橡胶的物理、化学性能均比较稳定,生物兼容性很好。采用电磁驱动方式,驱动器设置方便,还可以进行远程驱动;调整驱动线圈的频率可以方便地控制振动膜的振动频率和振幅。本文介绍一种电磁驱动式被动阀微泵,将被动式动态阀和柔性结构的振动膜以及电磁驱动线圈集成在一起,结构简单,同时可以方便地通过驱动电流来控制泵的流量。