微流动系统的研究现状与趋势

　　1　引言

　　微流动系统是微机电(MEMS)系统的一个重要分支。由于它具有尺寸微小,无效体积小,功耗低,控制精度高,响应速度快等特点,且加工、键合工艺与集成电路兼容,容易实现微泵、微阀、微流量传感器等流体器件与控制电路的集成,有利于批量生产,使得这种微型化、集成化的微流动系统在微量化学分析与检测,微量液体或气体配给,打印机喷墨阵列,集成电路芯片的散热与冷却,微型部件的润滑,药物的微量注射,微小卫星的推进等领域有着广阔的应用前景,微流动系统是当前国内外研究的重点和热点。

　　目前微流动系统应用最广泛的领域之一就是微流体芯片或称微全分析系统。微流体芯片系统,主要以分析化学和生物化学为基础,以微细加工和微电子技术为依托,以微流动系统为支撑,把整个化验室的功能,包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在一个只有几平方厘米的基片上。与常规的化学分析方法和手段相比,微流体芯片可以大大地降低试剂(样品)的消耗量,缩短检测时间,操作更简单方便,能耗低,效率高,结果更可靠。它具有系统集成化,操作自动化以及数据获取和分析智能化的特点。因此微流体芯片在新型药物开发、高通量药物筛选、农作物优育优选、疾病诊断和治疗、食品卫生监督、环境检测、司法鉴定、以及国防安全和航空航天等领域有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力。

　　微流动系统主要包括微流量驱动与控制器件(如微泵、微阀、微流量传感器等),微型控制电路以及其他辅助器件(如微节流器、微喷嘴、微通道、微混合器等)。本文对当前国内外微流动系统的研究现状进行综述和分析。

　　2　微流动系统的基础理论研究

　　由于微流动系统的特征尺度接近微米量级,其流动特性与宏观流体的流动规律相比,发生了很大变化。钟映春等对微流体力学中的固体边界和边界层滑移问题,层流与湍流的界定问题,表面张力特性问题,流体粘度特性问题等进行了探讨;Pfahler等人通过研究认为,在不同的微管道直径下,微流体与固体边界有不同的摩擦系数;Stemme等人对极性流体和非极性流体的流动阻力进行了研究;李战华等人对非极性小分子有机液体在微管道中的流量特性进行了研究,认为非极性的、分子尺度小于纳米量级的有机液体,在微米尺度管道中的流量特性规律仍符合连续介质假设的经典流体力学模型;Mala等用水在氧化硅和不锈钢材料制成的圆管内进行流动实验,结果表明了微尺度效应的存在,使得流量-压力特性与经典理论有偏差;唐学林等对微型泵内液体流动的现代分子动力学模型进行了研究;李勇等对微管道流体的流动特性进行了研究;凌智勇等对影响微流动的尺度效应、表面力、气泡、相对表面粗糙度等因素进行了分析;姜成山等对微流体器件中的速度滑移和温度跳变边界条件进行了探讨;冯焱颖等认为,液体微流动与气体不同。由于液体单位体积内包含有足够多的分子,可以看作是连续介质。并且液体的分子距接近分子的直径,可以把液体仍然看作是不可压缩的;除了一些个别的情况,如液体在固体基底上的扩展和聚合物的熔融物从毛细管的挤出,无滑移边界条件在大多数液体微流动中是适用的。所以,一般情况下,液体微流动的行为利用无滑移边界条件的Navier-Stokes方程仍然可以精确地预测。而且,液体微流动一般为低雷诺数的层流。等等。所有这些研究都为不同工作机理的微流体器件的建模、仿真和优化设计奠定了理论基础。