基于微振动马达的无阀微泵的研究

　　0 引 言

　　目前，国内外已经对微流体系统进行了很多研究，目的是获得微米级的全分析系统( μ-TAS) ，微泵是微流体系统中的关键的部件之一。依据工作原理，微泵可分为机械式微泵和非机械式微泵。机械式微泵通常都有一机械阀片进行流体流向的控制，由于存在机械可动部件，机械微泵的驱动频率受到限制。无阀微泵为非机械式微泵，它的研究开始于 20 世纪 90 年代初期，1992 年，德国的 Gerlach T 等人首次提出在微泵设计中采用无阀结构的设想[1]; 1993 年，瑞典的 Stemmed E 等人成功地采用扩散口/喷口结构制作了微泵[2]，微泵尺寸只有几厘米，扩散口/喷口的形状为锥形，可用来输送液体和气体; 1994 年，他们研制了第一个硅基无阀微泵，横向尺寸为 1 cm，在( 100) 硅片上采用各向异性腐蚀法腐蚀形成棱锥形扩散口/喷口结构; 而后，GeriachT 等人制作出了更小的无阀微泵( 7 mm × 7 mm × 1 mm) 。

　　微泵的驱动方式有多种，主要包括压电式[3，4]、热气动式、热机械驱动式、静电驱动式以及超声波驱动式[5]等。其中，压电驱动式主要采用压电圆片或者压电双晶片作为驱动器，采用压电圆片作为驱动器，由于压电圆片的振动幅度较小，所以驱动力有限; 采用压电双晶片作为驱动器，由于压电双晶片的振动臂较长，制成的微泵体积较大。对于微泵的泵腔，很多研究人员以硅基为材料，采用 MEMS 技术进行制作，这种方法需要特殊的微细加工设备，制作周期较长，制作成本较高。对于振动膜，有人采用体硅加工的方法刻蚀出振动膜，由于硅的弹性模量较高( 190 GPa) ，竖直方向的形变只能达到十几微米，制成的微泵的驱动力非常有限[6]。同时，硅振动膜的加工成本高且极 易 破 碎，难以获得较高的成品率。与传统的硅振动膜相比，聚二甲基硅氧烷( PDMS) 振动膜具有显著的优势[7]。

　　本研究采用常规机械加工技术在有机玻璃上加工出微泵泵腔和扩散口/喷口，以 PDMS 制作振动膜，采用微振动马达作为驱动器，制成了结构简单、体积小、驱动电压低的无阀微泵。

　　1 工作原理

　　图1 为无阀微泵的工作原理图。图中，φi和 φo为瞬间通过入口和出口的流量。无阀微泵通过振动膜的形变引起腔体体积变化来驱动流体流动。无阀微泵的扩散口是横截面积在流体流动方向上逐渐扩大的流通通道; 喷口是横截面面积在流体流动方向上逐渐缩小的流通通道。无阀微泵工作原理是基于扩散口/喷口所具有的整流特性。如果扩散口/喷口结构设计合理，在同样的压强差驱动下，扩散方向的流量将大于喷口方向的流量。微泵的一个工作周期可以分为“吸取式”和“压缩模式”，当振动膜向上运动时腔体扩张，微泵进入“吸取模式”( 图 1( a) ) ，此时入口充当扩散口，而出口充当喷口，其结果是入口( 扩散口) 流进量大于出口( 喷口) 的流进量; 当振动膜向下移动压缩腔体时，微泵进入“压缩模式”( 图 1( b) ) 。此时腔体体积减小，微泵的出口充当扩散口，入口充当喷口，结果是出口( 扩散口) 的流出量大于入口( 喷口) 的流出量。经过一个工作周期就会使一部分净流量靠腔体振动膜的驱动到达出口侧。