一種用于生化傳感檢測(cè)的壓電式行波微流泵的研究*

戰(zhàn)傳娜，張 維，李 亭，楊長(zhǎng)銳，岳 釗，牛文成，劉國(guó)華

(南開(kāi)大學(xué)電子系，天津 300071)

表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)作為一種非標(biāo)記光學(xué)生物傳感器技術(shù)，普遍的用于各種生物化學(xué)檢測(cè)。為了提高SPR的檢測(cè)效率，減少樣品消耗，通常將微流控技術(shù)與SPR相結(jié)合，即在SPR生物傳感器中使用微流控芯片［1］。微流泵是微流控芯片系統(tǒng)的核心部件，它負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)的工作提供流體驅(qū)動(dòng)力，主要用于控制樣品和試劑的泵送以及廢料的排出，同時(shí)控制樣品、試劑的流量和流速。根據(jù)其有無(wú)可動(dòng)閥片，微流泵可分為有閥型微流泵和無(wú)閥型微流泵。就目前的微流泵制作工藝來(lái)說(shuō)，機(jī)械式的有閥微流泵［2］制作工藝比較成熟，但由于其內(nèi)部存在微閥等機(jī)械可動(dòng)部件，必然受到加工工藝和加工精度的限制，不利于微型化的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)閥門(mén)頻繁開(kāi)關(guān)，穩(wěn)定性和使用壽命均受到一定程度的影響。而無(wú)閥微流泵利用了流體在微尺寸下的新特點(diǎn)，其原理新穎，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工，運(yùn)行可靠，成本低廉［3］。本文提出了一種新型的無(wú)閥微流泵，它是在行波的驅(qū)動(dòng)［4］下工作的。行波的產(chǎn)生方式是通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制電路產(chǎn)生四路(或更多)振幅相同，頻率相同，振動(dòng)方向相同，相位相差90°的方波控制信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電雙晶片［5］陣列，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)［6］，在傳輸微通道上激起行波，使溝道內(nèi)的液體沿行波方向流動(dòng)。這種無(wú)閥微流泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，泵送液體效率高，同時(shí)可以通過(guò)控制電路實(shí)現(xiàn)液體的雙向泵送。本文通過(guò)理論分析、模型仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，證明了這種壓電式行波微流泵用于生物傳感檢測(cè)的可行性。

1 壓電式行波微流泵的工作原理

行波和駐波是相對(duì)應(yīng)的，波在介質(zhì)中傳播時(shí)其波形不斷向前推進(jìn)，所以稱(chēng)為行波。處于波動(dòng)的各點(diǎn)在其平衡位置處振動(dòng)，而其振動(dòng)狀態(tài)，能量沿波的傳播方向向前傳播。行波通?？煞譃槿鹄ê蛷澢?。行波表面的任意一點(diǎn)，并不是作單純上下運(yùn)動(dòng)，而是作橢圓運(yùn)動(dòng)，無(wú)閥壓電式行波微流泵正是利用彎曲波在彈性介質(zhì)中的這種橢圓運(yùn)動(dòng)來(lái)傳遞能量，實(shí)現(xiàn)致動(dòng)。本文中這種彎曲波是靠壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的。

其行波合成原理證明如下。

單片壓電雙晶片的正弦振動(dòng)在微溝道壁上激起相應(yīng)的振動(dòng)，設(shè)為:

該振動(dòng)在有限的微溝道壁上傳播，傳播到微溝道的另一端時(shí)發(fā)生反射，反射波為:

兩列波疊加的結(jié)果是形成一列駐波:

由于四列壓電雙晶片的振動(dòng)相位分別相差90°，故產(chǎn)生的四列駐波分別為:

這四列駐波疊加起來(lái)，形成了在微溝道壁上傳遞的行波:

當(dāng)微通道的壁面以正弦行波振動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡近似為橢圓形。經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，由于流體的粘滯性，流體質(zhì)點(diǎn)在初始位置有了一段很小的位移。通過(guò)重復(fù)這種運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了凈流量［7－8］。

2 壓電式行波微流泵的制作

2.1 兩種不同溝道結(jié)構(gòu)微流泵的設(shè)計(jì)

微流泵的溝道結(jié)構(gòu)是影響微流泵性能的關(guān)鍵因素之一。為此我們提出了兩種微流泵溝道結(jié)構(gòu)，第一種是直溝道的壓電式行波微流泵，其尺寸規(guī)格如下:寬100 μm，長(zhǎng) 200 μm，高 26 μm，溝道側(cè)壁 300 μm，壓電區(qū)長(zhǎng)8.7 mm，分布4個(gè)0.16 mm×2 mm的突起，突起的高為120 μm。圖1(a)表示直溝道的結(jié)構(gòu)示意圖;第二種為鋸齒形溝道的壓電式行波微流泵。依據(jù)的是擴(kuò)張/收縮管結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致對(duì)流體阻力的不同［4］。其尺寸規(guī)格為:進(jìn)口 200 μm，出口 700 μm，擴(kuò)散角6.5°，微溝道高度100 μm，側(cè)壁和頂壁厚度分別為300 μm 和200 μm，壓電區(qū)長(zhǎng)8.7 mm，分布著4 個(gè)梯形突起，突起的高度為120 μm，鋸齒形溝道的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)所示。

圖1 兩種不同溝道的結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1可以看出，這兩種溝道結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是溝道上方都有四個(gè)突起，其作用是可以使壓電雙晶片壓下去的時(shí)候，溝道受到更大的壓力，從而有助于提高微流泵的流速。

2.2 壓電式行波微流泵的制作方法

無(wú)閥壓電微流泵大部分采用硅微加工技術(shù)制作［9］，這種制作工藝比較成熟，但是硅材料存在易碎且價(jià)格昂貴等缺陷。本文提出了一種更簡(jiǎn)單，更易實(shí)現(xiàn)的微流泵制作方法，即對(duì)有機(jī)玻璃進(jìn)行微加工，一方面有機(jī)玻璃具有良好的光學(xué)性能，容易加工，以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，另一方面這也是由初期的實(shí)驗(yàn)都是在有機(jī)玻璃上實(shí)現(xiàn)決定的。其中，基底、壓電雙晶片矩陣支架、微流溝道的陽(yáng)模均用有機(jī)玻璃制成，微流溝道用PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成。

首先制作微溝道陽(yáng)模，采用ProtoMat H100刻板機(jī)(LPKF公司，德國(guó))進(jìn)行微機(jī)械加工有機(jī)玻璃，制作PDMS微流溝道的陽(yáng)模。ProtoMat H100屬高端電路板雕刻機(jī)/刻制機(jī)，它具有加工速度快、分辨率高，修改方便等優(yōu)點(diǎn)，能按照成本預(yù)算及時(shí)完成復(fù)雜的制模工作。

其次是制作微流泵溝道，制作微溝道的材料是PDMS(Sylgard 184，Dow Corning)，制作方法是澆注法，這種方法具有準(zhǔn)確性高，制作簡(jiǎn)單，工藝周期短，對(duì)加工環(huán)境沒(méi)有特殊要求等突出優(yōu)點(diǎn)，它可以精確復(fù)制微米級(jí)別的微結(jié)構(gòu)。具體的制作過(guò)程是通過(guò)把PDMS預(yù)聚體和固化劑按一定的比例充分混合，真空脫氣后澆注到陽(yáng)模上，放入烘箱中加熱一段時(shí)間制得。PDMS微流溝道的預(yù)聚體和固化劑的比例是10∶1，有機(jī)玻璃上涂覆的一層0.1 mm厚的PDMS，基底的預(yù)聚體和固化劑的比例是5∶1，分開(kāi)兩個(gè)容器充分?jǐn)嚢韬蠓湃胝婵崭稍锲髅摎?0 min，相對(duì)真空度達(dá)到－15 psi，分別澆注在微溝道陽(yáng)模和有機(jī)玻璃基底上。微溝道陽(yáng)模通過(guò)注射器從上模板的針孔中緩慢注入。PDMS澆注完畢后，放入到65℃的恒溫烘箱里，微溝道陽(yáng)模加熱30 min，有機(jī)玻璃基底加熱10 min后取出，將PDMS微溝道脫模，然后粘接在有機(jī)玻璃基底的PDMS上，利用范德華力，使溝道和基底粘合在一起，初步制得微流泵。

最后是PDMS溝道的鍵合和表面改性。鍵合方法采用的是熱鍵合，利用PDMS本身作為膠粘劑，將之前軟固化的微流泵繼續(xù)放在60℃的恒溫箱中加熱1 h，從而制得完全固化的微流泵。采用紫外光照射進(jìn)行表面改性處理，使PDMS表面的－O－Si(CH3)2－基團(tuán)轉(zhuǎn)化為－O4Si(OH)n－基團(tuán)，硅羥基的增加，使PDMS的親水性得到改善。紫外處理不僅可以改善親水性，還可以增加PDMS之間的粘結(jié)強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)永久封合。這種方法與等離子體氧化［10］處理相比，具有設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

PDMS微溝道粘接在有機(jī)玻璃基底的PDMS上，主要是通過(guò)范德華力粘在一起的，粘接強(qiáng)度很低，可承受壓力僅為 10 g/cm［11］，為了增強(qiáng)粘接能力，本文通過(guò)熱鍵合和紫外線照射的方法處理，可以承受的壓力得到了很大的提高［12］。

壓電式行波微流泵的核心致動(dòng)部件是壓電雙晶片，制作此微流泵用的是江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的壓電雙晶片 QDA－35－2.1－0.7，它采用PZTS(鋯鈦酸鉛)的壓電陶瓷材料，具有高耦合系數(shù)和高壓電應(yīng)變常數(shù)，機(jī)電參數(shù)具有優(yōu)異的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性。四片壓電雙晶片按間距0.1 mm平行分布，組成壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)陣列，將此驅(qū)動(dòng)陣列的懸臂頂端對(duì)應(yīng)溝道上的四個(gè)突起，另一端固定在基底上，即可完成整個(gè)微流泵系統(tǒng)的制作。

2.3 壓電式行波微流泵的驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用單片機(jī)控制電路，其核心控制芯片是單片機(jī)HT46F49E(臺(tái)灣盛群半導(dǎo)體有限公司)，此電路能夠產(chǎn)生四路電壓和頻率相同，相位相差90°的方波信號(hào)，并且方波信號(hào)的頻率和幅度是可調(diào)的。同時(shí)本電路也有一些附加功能，如顯示輸出方波的頻率和電壓，以及計(jì)時(shí)功能。單片機(jī)輸出的是四路相位相差90°，幅度為5 V的方波信號(hào)，所以這四路信號(hào)需要與三極管相連，利用三極管的開(kāi)關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)電壓放大功能。放大之后的四路方波信號(hào)與壓電雙晶片相連，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，在微流泵溝道上激起行波。

3 結(jié)果與分析

3.1 仿真結(jié)果

首先對(duì)提出的新型壓電式行波微流泵使用Fluent軟件進(jìn)行流體仿真。即證明行波作用在溝道上，能夠驅(qū)動(dòng)微溝道內(nèi)的液體流動(dòng)。

本研究中的問(wèn)題并不涉及復(fù)雜的溝道情況，故利用二維模型對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行仿真。啟動(dòng)Fluent二維單精度求解器，導(dǎo)入劃分好的網(wǎng)格文件，調(diào)入水的物理參數(shù)，編譯UDF定義上壁面的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行求解，求解的速度等值線分布情況如下圖2所示。

圖2 行波作用下的速度等值線圖

圖2左側(cè)的圖例表示速度的大小，單位是m/s，右側(cè)圖的左邊表示微溝道的入口，右邊表示微溝道的出口，上壁表示行波的傳播?？梢园l(fā)現(xiàn)，行波作用在上壁面上之后，微流泵的溝道內(nèi)部產(chǎn)生了速度場(chǎng)，說(shuō)明溝道內(nèi)的液體在行波的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)。同時(shí)由速度等值線分布情況可知，在靠近上壁面的地方速度比較高。

加上四片壓電雙晶片之后，用Fluent仿真了壓電式行波微流泵溝道內(nèi)流體的流動(dòng)情況，圖3表示微流泵內(nèi)流體流動(dòng)的速度矢量圖，可以發(fā)現(xiàn)流體在行波的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生了指向出口方向的速度。仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了行波理論的可行性。

圖3 壓電式行波微流泵內(nèi)的速度矢量圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將圖1所示的兩種微流泵溝道按照前面介紹的制作方法，封裝成一個(gè)完整的微流泵。連接驅(qū)動(dòng)電路，制得的微流泵系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖4(b)所示，圖4(a)表示微流泵的示意圖。

圖4 微流泵系統(tǒng)實(shí)物圖

之后，在電壓26 V，不同頻率的條件下，對(duì)兩種溝道制成的微流泵的流量進(jìn)行了測(cè)量。圖5顯示了這兩種不同結(jié)構(gòu)的溝道流速隨著頻率的變化情況。

圖5 流速隨頻率的變化情況

通過(guò)圖5，首先可以發(fā)現(xiàn)直溝道結(jié)構(gòu)的微流泵能達(dá)到最大流速是12.56 μL/min，對(duì)應(yīng)的頻率是1 453 Hz;鋸齒形溝道結(jié)構(gòu)的微流泵的最大流速是在1 437 Hz處得到，最大流速是:33.35 μL/min。其次可以看到在測(cè)得的各個(gè)頻率范圍內(nèi)，鋸齒形溝道結(jié)構(gòu)的微流泵泵送液體的效率都有顯著的提高，這是因?yàn)殇忼X形溝道依據(jù)的是擴(kuò)散管/收縮管原理，利用這種結(jié)構(gòu)可以顯著提高微流泵的泵送效率。最后可以看出兩種溝道結(jié)構(gòu)在最大流速時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率值卻沒(méi)有多大的變化，這是由于制作微流泵的PDMS的彈性模量沒(méi)有變化，在同樣條件下，行波在其中的傳播不受溝道形狀的影響，僅由PDMS的彈性模量決定。

同時(shí)測(cè)量了這兩種微流泵結(jié)構(gòu)的最大背壓，鋸齒形溝道的行波微流泵的最大背壓為:1.13 kPa，直溝道的行波微流泵其最大背壓為:0.64 kPa。

綜合上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為鋸齒形溝道結(jié)構(gòu)的壓電式行波微流泵具有更好的性能。將頻率固定為取得最大流速時(shí)的1 437 Hz，測(cè)量鋸齒形溝道結(jié)構(gòu)的微流泵流速隨著電壓的變化情況，得出如圖6所示的結(jié)果。由文獻(xiàn)［13］可知壓電式行波微流泵的流速與電壓的平方成正比，圖6的曲線變化情況符合這一規(guī)律。

圖6 鋸齒形溝道結(jié)構(gòu)微流泵的流速隨電壓的變化

4 結(jié)論

本文提出了一種可用于生化傳感檢測(cè)的新型壓電式行波微流泵，以仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了微流泵內(nèi)部的流場(chǎng)流態(tài)以及兩種不同結(jié)構(gòu)的微流泵的輸出性能，這兩種微流泵管道加工尺寸的選擇依據(jù)一方面是受儀器本身加工精度的局限，另一方面是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中反復(fù)試驗(yàn)得到的最佳尺寸組合。研究結(jié)果表明，行波微流泵理論是具有可行性的;與直溝道結(jié)構(gòu)的微流泵相比，鋸齒形溝道結(jié)構(gòu)的壓電式行波微流泵在最大流速和背壓方面有著更好的性能。由于現(xiàn)在對(duì)微流泵的實(shí)驗(yàn)停留在初始階段，所以在以后的工作中，可以通過(guò)更進(jìn)一步的仿真，優(yōu)化微流泵溝道的深度、寬度、錐角、擴(kuò)散角和長(zhǎng)度等參數(shù)。同時(shí)這種微流泵將來(lái)可以制作成微流控芯片，作為SPR生物傳感器的反應(yīng)裝置，這將有助于減少樣品消耗，從而提高SPR生物傳感器的檢測(cè)效率，包括檢測(cè)通量、精確度、最低檢測(cè)限和檢測(cè)精度等，同時(shí)也可以推進(jìn)SPR生物傳感器的商業(yè)化。

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