用于生化传感检测的压电式行波微流泵的研究

　　表面等离子体共振( Surface Plasmon Resonance，SPR) 作为一种非标记光学生物传感器技术，普遍的用于各种生物化学检测。为了提高SPR 的检测效率，减少样品消耗，通常将微流控技术与SPR 相结合，即在SPR 生物传感器中使用微流控芯片[1]。微流泵是微流控芯片系统的核心部件，它负责为整个系统的工作提供流体驱动力，主要用于控制样品和试剂的泵送以及废料的排出，同时控制样品、试剂的流量和流速。根据其有无可动阀片，微流泵可分为有阀型微流泵和无阀型微流泵。就目前的微流泵制作工艺来说，机械式的有阀微流泵[2]制作工艺比较成熟，但由于其内部存在微阀等机械可动部件，必然受到加工工艺和加工精度的限制，不利于微型化的发展趋势。同时阀门频繁开关，稳定性和使用寿命均受到一定程度的影响。而无阀微流泵利用了流体在微尺寸下的新特点，其原理新颖，结构简单，容易加工，运行可靠，成本低廉[3]。本文提出了一种新型的无阀微流泵，它是在行波的驱动[4]下工作的。行波的产生方式是通过驱动控制电路产生四路( 或更多) 振幅相同，频率相同，振动方向相同，相位相差90°的方波控制信号，来驱动压电双晶片[5]阵列，利用压电陶瓷的逆压电效应把电能转换成机械振动[6]，在传输微通道上激起行波，使沟道内的液体沿行波方向流动。这种无阀微流泵结构简单，制作方便，泵送液体效率高，同时可以通过控制电路实现液体的双向泵送。本文通过理论分析、模型仿真和实验测量，证明了这种压电式行波微流泵用于生物传感检测的可行性。

　　1 压电式行波微流泵的工作原理

　　行波和驻波是相对应的，波在介质中传播时其波形不断向前推进，所以称为行波。处于波动的各点在其平衡位置处振动，而其振动状态，能量沿波的传播方向向前传播。行波通常可分为瑞利波和弯曲波。行波表面的任意一点，并不是作单纯上下运动，而是作椭圆运动，无阀压电式行波微流泵正是利用弯曲波在弹性介质中的这种椭圆运动来传递能量，实现致动。本文中这种弯曲波是靠压电陶瓷的逆压电效应产生的。其行波合成原理证明如下。

　　单片压电双晶片的正弦振动在微沟道壁上激起相应的振动，设为:

　　当微通道的壁面以正弦行波振动时，流体质点的轨迹近似为椭圆形。经过一个周期，由于流体的粘滞性，流体质点在初始位置有了一段很小的位移。通过重复这种运动，产生了净流量[7-8]。

　　2 压电式行波微流泵的制作

　　2. 1 两种不同沟道结构微流泵的设计