一种新型无阀微泵的研究

　　微流体系统是微机电系统(MEMS)的一个重要分支,在医学、化学、生物工程和电子工程等领域有着广泛的应用前景,近年来已成为研究的热点.微泵是微流体系统的核心部件,可实现流体输送、流体测量、流体混合、燃料微量注射等,对微分子操作具有重要作用,因此研究实用而灵活的微器件的设计及制作技术具有重要意义[1-3].通常情况下,硅是制作微器件的首选材料,荷兰Twente大学于1983年开始研究有阀微泵[4],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[5]; 1993年,瑞典的E. Stemmed等人成功地采用扩散口/喷口结构制作了微泵[6].

　　微泵的驱动方式有压电驱动[7]、电磁驱动、热驱动、静电驱动和形状记忆合金驱动等,其中电磁驱动是通过外加磁场和磁体的相互作用产生驱动力,由于磁场可以不依靠媒介而存在,因此电磁驱动可以用在比较大的空间范围[8],同时,电磁驱动器设置方便,驱动电压较低,还可以进行远程驱动;调整输入驱动线圈的电流频率可以方便地控制振动膜的振动频率和振幅.另外,在电磁驱动方式中,微泵驱动膜的材料也是决定微泵性能的关键因素.目前,电磁驱动微泵的制作大多采用了将振动膜和磁性材料相结合的方式,制作过程比较繁琐.比如, Zhang[9]研制的电磁驱动振动膜微泵,将厚7μm的坡莫合金沉积在8 mm×8 mm、厚17μm的硅薄膜上,在300 mA, 3 V电压驱动下可以得到23μm的振幅.

　　本研究直接采用直径为8 mm,高度为3 mm的扁平振动马达作为驱动器,利用MEMS技术加工出扩散口/喷口以及泵腔,研制出一种新型的电磁驱动无阀微泵.微泵上的扁平振动马达粘贴在振动膜(泵膜)上,通过扁平马达带动泵膜的振动,由于扁平振动马达的振动幅度较大,从而可以使泵膜有较大的形变量.另外,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)来制作微泵的泵膜,因为PDMS的弹性模量较小,仅为0. 75 MPa,所以制作的泵膜可以较厚.另外,根据PDMS在固化前是液态的特性,可以采用旋涂的方法来制膜,通过控制转速和时间,就可方便地得到不同厚度的PDMS膜.最后, PDMS具有良好的延伸性,在粘贴和封装时都不易损坏,这样,降低了封装难度,提高了成品率和使用寿命,并且降低了加工的成本[10].

　　1　设计原理

　　无阀微泵的工作原理是基于Torsten Gerlach提出的微扩散理论.无阀微泵是利用流路差异引起的压力损失的不对称性来实现流体泵送的.无阀微泵的主要组成部件包括带有驱动膜的腔体和两个锥形管结构,其工作原理如图1所示.当泵膜向上运动时腔体扩大,微泵进入“吸取模式”(图1(a))时,入口处的锥形管充当扩散口,而出口处的锥形管充当喷口,其结果是入口(扩散口)的流进量大于出口(喷口)的流进量;当泵膜向下移动时,腔体收缩,微泵进入“压缩模式”(图1(b)),出口处的锥形管充当扩散口而入口处的锥形管充当喷口,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,就会有一定的净流量从出口流出[11].