扁平振动电机驱动的无阀微泵的研究

　　0　引　言

　　微泵是微流体系统中的动力元件,它的主要功能是产生液体的微量流动。往复振动式微泵是最早被研究的微泵之一,它主要由周期性振动的薄膜和阀片组成。薄膜的往复运动引起腔体体积的变化从而驱动液体的流动。往复式微泵通常包括有阀微泵和无阀微泵。荷兰Twente大学于1983年开始研究有阀微泵,在1988年研制成功了硅基压电驱动的有阀微泵^[1],在100 V/1Hz的方波驱动下最高可获得8μL/min的流量。无阀微泵的研究开始于20世纪90年代初期, 1992年,德国的Tichter等人首次提出在微泵设计中采用无阀结构的设想^[2]; 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^[3],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, T·Geriach等人制作出了更小的无阀微泵(7×7×1)mm。

　　微泵的驱动方式有多种,主要包括:压电式、热气动式、热机械驱动式、静电驱动式以及超声波驱动^[4-5]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。对于泵腔,很多研究者采用的是MEMS技术以硅基为材料进行制作,这需要特殊的微细加工设备,制作成本较高;另外,对硅材料进行加工时,要用到化学试剂,容易造成环境的污染。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(190GPa),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。同时,硅振动膜的加工成本高且极易破碎,从而使微泵加工费用高,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)振动膜具有显著地优势^[6-7]。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以及扩散口/喷口,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作振动膜,采用扁平振动电机作为驱动器,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i和0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“吸取模式”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。