基于MEMS技术的SU-8胶被动微阀片的设计与研制

　　微流控系统未能成功小型化和商业化的一个重要原因是没有可靠的微流体组件[1-4]，如微泵和微阀，因此，很多研究者投入大量的精力和财力来研究这些器件.随着微机电系统(micro electro mechanicalsystems，MEMS)技术的发展，微流控器件也得到了很快发展.被动式止回微阀在微流体设备中可以让液体或气体向一个方向流动，止回微阀的开启与关闭主要依靠微阀片两边的压力差，如同集成电路中的二极管. 止回微阀在微流控的器件中有很广泛的应用，如分析化学中的气相色谱仪、航天器件中的微注射系统等[2].止回微阀可以单独地应用到微通道中，也可以应用到往复式有阀微泵中.过去主要是利用MEMS 技术加工硅材料，用硅制作一些微流体器件，其主要缺点是在封装时易损坏和成本很高.另一个很有发展前景的是聚合物材料，已开始广泛应用到MEMS 微流体器件中[3,5]，其优点是成本低且易加工.与其他材料(如聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、不锈钢、金属化的聚酯薄膜等)相比，用 SU-8 胶加工的止回微阀具有开启压力小、反向泄漏小、弹性模量和弹性常数都很低及响应时间短等特点.笔者采用MEMS技术设计加工了一种带有4个弹性梁阀臂的微阀，并从理论上分析了其过流特性.

　　1 具有弹性梁阀臂的微阀

　　1.1 折叠弹性梁微阀的结构与有限元分析

　　由于悬臂梁阀片在运动中不是平动，所以正向流速过小，反向截流不好.为解决这一问题，设计出两种微阀并进行了有限元分析;结合微阀在微泵中的实际应用，进行了加工与测试.在弹性梁末端固定的边界条件下，对微阀进行模态分析，厚度均为 10 μm，谐振频率和阀片结构见表 1.

　　微阀的可靠性是微阀的一个重要参数，为了预测微阀在工作过程中可能存在的损坏，需要了解微阀上的应力大小和应力分布情况，通过对微阀上的应力分析可以对结构进行优化和筛选.下面对 SE 和 SF 两种微阀进行应力和挠度分析.

　　图 1 和图 2 是两种阀片在 100 Pa 压力和 10 μm厚度条件下的应力与挠度分布情况，从图中可以看出：两种阀片的挠度和应力都随厚度增加减小很快，特别是在 5~15 μm 之间时，SE 阀片的应力和挠度要比 SF 阀片的应力和挠度略大一些.

　　图 3 和图 4 分别是 SE 微阀在不同压力和厚度下的挠度与应力分布情况，图 5 和图 6 分别是 SF 微阀在不同压力和厚度下的挠度与应力分布情况. 从图中可以看出：在相同厚度和相同压力的情况下，SE 型要比 SF 型微阀的应力和挠度略大一些，但是这两种微阀的应力与挠度分布位置是一致的.