采用无阀微泵的微调焦系统特性研究

　　0　前言

　　微流体系统作为微电子机械系统的一个重要分支,它具有尺寸小、能耗低、可控精度高和响应速度快等优点,而且其加工、键合工艺与集成电路相兼容,伴随着集成电路技术的发展,很容易实现微泵、微阀、微流量传感器等流体器件与控制电路的集成[1-2]。微流体系统在微量化学分析与检测、集成电路芯片的散热与冷却和微量药物注射等领域都有广泛的应用前景。[3]

　　近些年来随着微电子和微系统技术的迅猛发展,光学成像系统在电子产品中的应用越来越广泛,但是传统的固体透镜具有机械部件繁多、操作不灵便等缺点,所以基于电湿润效应或微流体系统的液体透镜系统逐渐受到了人们的重视[4-5]。液体透镜系统主要通不断改变透镜中液体的体积来改变焦距,而使用微泵可以有效地实现微小流量的精确控制。本文利用无阀压电微泵设计了一个微流控调焦系统,通过精确控制被控装置中液体的体积而达到调焦的目的,并且使用了Matlab/Simulink对系统的动态特性进行了仿真和分析。

　　1　结构和工作原理

　　微流控调焦系统主要由水箱、供水微泵、排水微泵、被控装置、位移传感器、信号发生器和连接管路等组成,工作介质采用去离子水,结构如图1所示。

　　该系统可以采用单泵模式和双泵模式两种工作方式来改变被控装置中的液体体积。单泵工作模式是指某一时刻只有一个供水微泵和一个排水微泵工作。双泵模式是指2个供水微泵和2个排水微泵同时工作,由于单个微泵的液流都有脉动,所以只要把功能相同的两个微泵设置在不同的工作相位就可以一定程度上消除液流脉动。同时位移传感器测出液面高度的变化,反馈给信号发生器,构成闭环控制。

　　微泵是微流控系统的关键执行部件。本文微流控调焦系统采用无阀压电微泵,因为无阀压电微泵具有输入/输出为线性、效率高、响应快等优点[6]。收缩管/扩散管型压电微泵是典型的无阀压电微泵,其结构简图如图2所示,当收缩管和扩散管具有相同尺寸且其进出口压力相同时,二者的流量不同,这是收缩管/扩散管型压电微泵工作的基本原理。当压电膜片的运动引起泵腔体积减小时微泵处于泵出模式,液体从扩散管和收缩管同时流出,出口起扩散管作用,入口起收缩管作用。由于扩散管对流体的阻力小于收缩管对流体的阻力,所以从出口流出泵腔的液体比从入口流出的液体多;相反的,当压电膜片的运动引起泵腔增大时,微泵处于吸入模式,从入口流入泵腔的液体比从出口流入的液体多。经过一个工作周期,无阀微泵从入口到出口存在一定的净流量。因此在交变电压驱动下,泵腔体积周期性变化,微泵实现连续泵送液体的功能。