一种无阀微流体驱动器的研究

　　微流体系统是20 世纪90 年代在微电子机械系统( MEMS) 技术基础上发展起来的一种新技术。微流体系统由于体积小, 操作简单及安装方便, 已广泛应用于疾病诊断、药物筛选、燃料微量注射和环境监测等领域[ 1-2] 。微驱动器作为构成微流体系统的重要部件, 受到了人们的普遍关注。由于微流体驱动器能精确控制流量, 它在药物微量输送、燃料微量喷射、细胞分离、集成电子元件冷却、基因工程、微量化学分析以及微小型卫星的推进等方面有着重要的应用[ 3-5] 。微流体驱动器根据有无可动阀片可分为有阀型微流体驱动器和无阀型微流体驱动器。有阀型微流体驱动器制造工艺和应用技术成熟, 原理简单, 易于控制, 是目前应用的主流; 无阀型微流体驱动器则常常利用流体在微尺下的新特性, 原理比较新颖, 更适于微型化, 具有更大的发展前景。

　　1 无阀微流体驱动器工作原理

　　无阀微流体驱动器的工作原理是基于T.Gerlach 提出的微扩散理论[ 6] , 无阀微流体驱动器采用扩散口/ 喷口结构, 它以收缩和扩张的不同形状通道代替了单向阀, 利用流路不对称所起的压力损失的不对称性实现流体的输送。无阀微流体驱动器的主要组成部件包括带有驱动膜片的腔体和扩散口/喷口结构, 其工作原理如图l 所示, 图中Ui 和Uo 为瞬间通过入口和出口流出腔体的流量。

　　无阀微流体驱动器通过使振动膜发生形变引起腔体体积变化来驱动流体流动。无阀微流体驱动器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。微流体驱动器的一个工作周期可以分为/ 吸取模式0和/ 压缩模式0, 当驱动膜向上运动时腔体扩张, 驱动器进入/ 吸取模式0 ( 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; 当驱动膜向下移动压缩腔体时, 驱动器进入/ 压缩模式0( 图1( b) ) 。此时腔体体积减小, 微流体驱动器的出口充当扩散口, 进口充当喷口, 结果出口( 扩散口) 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到达出口侧。

　　2 无阀微流体驱动器的设计和制作

　　2. 1 腔体及扩散口/ 喷口的制作

　　目前, 制作微流体驱动器大多是以硅为材料, 采用微细加工技术来制作, 需要特殊的设备, 制作工艺复杂, 成本较高。印刷电路板( PCB) 技术的发展使得制作微流体驱动器的材料摆脱了硅的限制, 可以直接用印刷电路板制作微流体驱动器的腔体以及扩散口和喷口, 极大的简化了制作过程并降低了制作成本。