基于微振動馬達的無閥微泵的研究*

蘇 波，張 桔，韓 雪

(首都師范大學(xué) 物理系，北京100048)

0 引言

目前，國內(nèi)外已經(jīng)對微流體系統(tǒng)進行了很多研究，目的是獲得微米級的全分析系統(tǒng)(μ-TAS)，微泵是微流體系統(tǒng)中的關(guān)鍵的部件之一。依據(jù)工作原理，微泵可分為機械式微泵和非機械式微泵。機械式微泵通常都有一機械閥片進行流體流向的控制，由于存在機械可動部件，機械微泵的驅(qū)動頻率受到限制。無閥微泵為非機械式微泵，它的研究開始于20世紀(jì)90年代初期，1992年，德國的Gerlach T等人首次提出在微泵設(shè)計中采用無閥結(jié)構(gòu)的設(shè)想［1］;1993年，瑞典的Stemmed E等人成功地采用擴散口/噴口結(jié)構(gòu)制作了微泵［2］，微泵尺寸只有幾厘米，擴散口/噴口的形狀為錐形，可用來輸送液體和氣體;1994年，他們研制了第一個硅基無閥微泵，橫向尺寸為1 cm，在(100)硅片上采用各向異性腐蝕法腐蝕形成棱錐形擴散口/噴口結(jié)構(gòu);而后，Geriach T等人制作出了更小的無閥微泵(7 mm×7 mm×1 mm)。

微泵的驅(qū)動方式有多種，主要包括壓電式［3，4］、熱氣動式、熱機械驅(qū)動式、靜電驅(qū)動式以及超聲波驅(qū)動式［5］等。其中，壓電驅(qū)動式主要采用壓電圓片或者壓電雙晶片作為驅(qū)動器，采用壓電圓片作為驅(qū)動器，由于壓電圓片的振動幅度較小，所以驅(qū)動力有限;采用壓電雙晶片作為驅(qū)動器，由于壓電雙晶片的振動臂較長，制成的微泵體積較大。對于微泵的泵腔，很多研究人員以硅基為材料，采用MEMS技術(shù)進行制作，這種方法需要特殊的微細加工設(shè)備，制作周期較長，制作成本較高。對于振動膜，有人采用體硅加工的方法刻蝕出振動膜，由于硅的彈性模量較高(190 GPa)，豎直方向的形變只能達到十幾微米，制成的微泵的驅(qū)動力非常有限［6］。同時，硅振動膜的加工成本高且極易破碎，難以獲得較高的成品率。與傳統(tǒng)的硅振動膜相比，聚二甲基硅氧烷(PDMS)振動膜具有顯著的優(yōu)勢［7］。

本研究采用常規(guī)機械加工技術(shù)在有機玻璃上加工出微泵泵腔和擴散口/噴口，以PDMS制作振動膜，采用微振動馬達作為驅(qū)動器，制成了結(jié)構(gòu)簡單、體積小、驅(qū)動電壓低的無閥微泵。

1 工作原理

圖1為無閥微泵的工作原理圖。圖中，φi和φo為瞬間通過入口和出口的流量。無閥微泵通過振動膜的形變引起腔體體積變化來驅(qū)動流體流動。無閥微泵的擴散口是橫截面積在流體流動方向上逐漸擴大的流通通道;噴口是橫截面面積在流體流動方向上逐漸縮小的流通通道。無閥微泵工作原理是基于擴散口/噴口所具有的整流特性。如果擴散口/噴口結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，在同樣的壓強差驅(qū)動下，擴散方向的流量將大于噴口方向的流量。微泵的一個工作周期可以分為“吸取模式”和“壓縮模式”，當(dāng)振動膜向上運動時腔體擴張，微泵進入“吸取模式”(圖1(a))，此時入口充當(dāng)擴散口，而出口充當(dāng)噴口，其結(jié)果是入口(擴散口)流進量大于出口(噴口)的流進量;當(dāng)振動膜向下移動壓縮腔體時，微泵進入“壓縮模式”(圖1(b))。此時腔體體積減小，微泵的出口充當(dāng)擴散口，入口充當(dāng)噴口，結(jié)果是出口(擴散口)的流出量大于入口(噴口)的流出量。經(jīng)過一個工作周期就會使一部分凈流量靠腔體振動膜的驅(qū)動到達出口側(cè)。

圖1 無閥微泵工作原理圖Fig 1 Operation principle of the valveless micropump

2 微泵的設(shè)計與制作

2.1 微泵的設(shè)計

根據(jù)無閥微泵的工作原理和擴散口/噴口理論，無閥微泵的工作性能與擴散口/噴口的幾何尺寸有關(guān)，其中擴散口/噴口窄口處的寬度，擴散口/噴口窄口處的擴散角以及擴散口/噴口的長度對微泵的工作特性起著決定性作用。本研究采用ANSYS仿真軟件模擬分析擴散口角度和擴散口長度對微泵流量的影響，模擬的條件是驅(qū)動電壓、腔體體積、振動膜厚度、擴散口/噴口窄口處的寬度不變，只是擴散口角度和擴散口長度在變化，模擬的結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)可以看出:流量隨著擴散角度的增加先增加后減小，擴散角度在10°左右時，微泵的流量達到最大值。因此，在其他條件不變時，擴散角度有最優(yōu)值使微泵的性能最佳。從圖2(b)可以看出:隨著擴散長度的增加，擴散口/噴口的整流特性先變好后變壞，擴散口的一般作用就是通過改變沿著流動方向上的橫截面積來減小或增大流體的流速。要使擴散口和噴口具有較好的整流特性，擴散口長度必須達到一定的值。依照模擬結(jié)果設(shè)計微泵的腔體直徑為8 mm，深度為0.5 mm，擴散口/噴口窄口寬度為0.3 mm，擴散口/噴口的長度為2.5 mm，擴散口/噴口擴散角為10°。

圖2 流量與擴散角度、擴散長度關(guān)系Fig 2 Flow rate vs diffused angle and diffused length

2.2 微泵泵體的制作

微泵泵體上的泵腔和擴散口/噴口都制作在同一塊有機玻璃上。首先，用銑床在厚度為3 mm的有機玻璃上銑一個直徑為8 mm，深度為0.5 mm的圓形腔體作為泵腔，然后，在圓形腔體的底部鉆2個直徑為0.3 mm的孔，并分別以2個鉆孔為中心用錐形銼子加工出2個張角為10°的錐形孔作為擴散口和噴口。

2.3 PDMS 振動模制作

本研究采用PDMS作為振動膜，這是因為PDMS振動膜具有以下優(yōu)點:1)PDMS振動膜的彈性模量僅為0.75 MPa，因而在微振動馬達的驅(qū)動下，可以忽略其彈性模量的影響，即認(rèn)為微振動馬達的最大位移即為振動膜的最大位移。2)PDMS薄膜的加工工藝簡單，具有較長的使用壽命。3)PDMS具有良好的延伸性，粘貼、封裝時都不易損壞，從而大大降低了封裝難度并提高了成品率。

首先，配制PDMS預(yù)聚物，把PDMS基質(zhì)與固化劑按10∶1的質(zhì)量比混合，均勻攪拌后放在抽氣機中脫氣處理1 h，以防止制成的PDMS膜中產(chǎn)生氣泡。將PDMS預(yù)聚物滴在一塊用硅烷試劑處理過的平玻璃上，再將玻璃放在甩膠機上進行旋涂。為得到厚度均勻的膠層，甩膠機需低速啟動;啟動時控制甩膠機轉(zhuǎn)速600 r/min，約6 s，再加速至1500 r/min，保持30 s，在平板玻璃上得到一層均勻的PDMS。

2.4 微泵的封裝

將PDMS振動膜裁剪成與泵體的大小相一致的尺寸，將微振動馬達用粘結(jié)劑粘結(jié)在振動膜中間部位的正上方，由于微振動馬達的振動幅度比較大，僅靠PDMS與有機玻璃的自然鍵合容易產(chǎn)生PDMS振動膜與泵體的脫落，所以，PDMS振動膜與泵體上表面之間也用粘結(jié)劑進行粘合。最后，將2個空心的細金屬管固定在擴散口/噴口的端面作為入口和出口，實驗時，在細金屬管上連接橡膠軟管便于液體的流入和流出。制成的微泵示意圖如圖3所示，整個微泵的尺寸為12 mm×12 mm×6 mm。

圖3 微泵封裝示意Fig 3 Structure sketch map of micropump

3 微泵的性能測試

3.1 微振動馬達頻率測試

圖4為實測的微振動馬達頻率與電壓的關(guān)系曲線，從圖中可以看出:微振動馬達的起振電壓為0.7 V，所對應(yīng)的頻率為5 Hz，隨著電壓的增加，振動頻率與電壓呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)電壓達到1.4 V后，振動頻率與電壓呈線性關(guān)系，電壓達到3.0 V時，實際測量的頻率為138 Hz。實驗中發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動電壓越大，微振動馬達的振幅越大;另外，實驗中還發(fā)現(xiàn)，如果微振動馬達啟動后，逐漸降低電壓，當(dāng)電壓降低到0.4 V時，微振動馬達才停止振動。

圖4 頻率與電壓關(guān)系曲線Fig 4 Frequence vs voltage

3.2 微泵的流量測試

首先，將封裝好的微泵的泵腔與管道中注入去離子水，然后，采用輸出電壓可調(diào)的開關(guān)電源進行微泵的流量測試。由于微泵的流量較小，所以，采用液面位移法來間接測量流量。開始時，先記錄出液管中的液面位置，然后，開啟電源并測量單位時間(如1min)內(nèi)出液管中液面前進的距離，最后，將液面前進的距離與出液管的橫截面積相乘即可得到微泵的流量。為了保證結(jié)果的可比較性，實驗時，始終保持出液管與容器中的液面相一致，保證零背壓。

實驗時，微泵的初始電壓設(shè)置在0.7 V，圖5給出了微泵的流量和電壓的關(guān)系，從圖中可以看出:在0.7～1.0 V，微泵的流量緩慢增加;在1.0～1.8 V范圍內(nèi)，微泵的流量隨著電壓的升高增加的幅度很大，但在1.8～3.3 V的范圍內(nèi)，微泵的流量的變化趨勢非常小，最大值為150μL/min，這是由于微振動馬達的振動頻率不僅隨著振動電壓的升高而增加，而且，振動的幅度也隨電壓的升高而增加，當(dāng)電壓達到1.8 V時，微泵的振動幅度已經(jīng)接近泵腔的深度，腔體的壓縮已經(jīng)接近極限，所以，流量變化不顯著。

圖5 流量與電壓關(guān)系曲線Fig 5 Flow rate vs voltage

4 結(jié)束語

研究了一種新型的無閥微泵，該微泵的特點是:1)采用常規(guī)機械加工技術(shù)在有機玻璃上制作微泵的腔體和擴散口/噴口;2)利用微振動馬達作為驅(qū)動部件，從而可以使微泵在低電壓下工作;3)采用彈性模量較小的PDMS材料作為振動膜，保證了微泵的長壽命。另外，微泵上PDMS振動膜的厚度對微泵的流量也有一定的影響。

［1］Gerlach T.Microdiffusers as dynamic passive valves for micropump applications［J］.Sensors and Actuators A，1998，69:181－191.

［2］Stemmed E.A valsless diffuser/nuzzle-based fluid pump［J］.Sensor and Actuators A，1993，39:159－167.

［3］Kan Junwu，Yang Zhigang，Peng Taijiang，et a1.Design and test of a high performance piezoelectric micropump for drug delivery［J］.Sensors and Actuators A，2005，121(1):156－161.

［4］Mguyen N T，White R M.Design and optimization of an u1trasonic f1exural plate wave micropump using numerical simu1ation［J］.Sensors and Actuators，1999，77:229－236.

［5］江興娥，魏守水.行波微流體驅(qū)動技術(shù)研究［J］.微馬達，2005，38(6):89－91.

［6］王海寧.基于MEMS技術(shù)的自吸微泵的研制［D］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2006.

［7］耿照新，崔大付，王海寧，等.新型壓電微泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計與理論分析［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(12):82－85.