平面无阀微泵的设计与制作

    微泵作为微执行器的一种,由于它能够对微小流量进行精确控制^[1],在化学微量分析、生物化疗和喷墨打印机等领域有较好的应用前景.荷兰Twente大学于1983年开始研究有阀微泵^[2],在1988年研制成功了硅基压电驱动的有阀微泵.由于有阀微泵具有可动部件,不可避免地存在一些缺点.无阀微泵方面的研究工作始于20世纪90年代初期. 1992年,德国的Richter等人首次提出在微泵设计中采用无阀结构的设想^[3]; 1993年,瑞典的E. Stemmed等人成功地采用扩散口/喷嘴结构制作了微泵^[4].本文研究了平面无阀微泵的工作原理、设计和制作,并对测试结果进行了分析,旨在将其应用于微流体测控系统中.

    1　工作原理

    无阀微泵的主要组成部件包括带有驱动膜片的腔体和两个扩散口/喷嘴结构,其工作原理图见图1.无阀微泵通过驱动膜片发生形变引起腔体体积的变化来驱动流体流动,无阀微泵的扩散口是横截面面积在流体流动方向上逐渐扩大的流通通道;喷嘴是横截面面积在流体流动方向上逐渐缩小的流通通道.无阀微泵工作原理基于扩散口/喷嘴具有整流特性.如果扩散口/喷嘴结构设计合理,在同样的压强差驱动下,扩散方向的流量将大于喷嘴方向的流量,微泵的一个工作周期可以分为“供给模式”和“泵模式”.当加电压时,膜片向下弯曲进入“泵模式”(图1(b)),此时腔体体积减小,微泵的出口充当扩散口,进口充当喷嘴,结果出口(扩散口)流出量大于入口(喷嘴)的流出量;当不加电压时,膜片的弹性使微泵进入“供给模式”(图1 (a)),此时入口充当扩散口,而出口充当喷嘴,其结果是入口(扩散口)流进量大于出口(喷嘴)的流进量.无阀微泵经过一个工作周期的最终结果是使一定的净流量靠腔体的振动膜片的驱动到达出口侧.

    无阀微泵主要采用扩散口/喷嘴结构代替了普通微泵的有阀结构,扩散口/喷嘴被称为微流量二极管,具有单向整流特性.扩散口/喷嘴的结构参数将决定其整流特性的性能,进而影响无阀微泵的工作性能.在流体力学中,管道逐渐扩张时,构成了一个扩散段.流体沿扩散段流动时,由于速度将逐渐减小而压力逐渐升高,故又称为扩压段;反之,管道逐渐收缩时,速度将逐渐升高而压力逐渐减小,常称为加速段,其平面结构如图2所示.

    流体在流动过程中必然要有能量损耗,通常用一个损失系数ξ来描述沿流体方向所有因素的影响^[5].因此,在扩散口方向和喷嘴方向的压差分别为

式中:ρ为流体密度;V_d为扩散口窄口处的流体速度;V_n为喷嘴窄口处的流体速度.