基于AMESim的新型PDMS微閥動態(tài)特性仿真研究*

符 海，劉旭玲，許宏光，李松晶

(哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

微流控芯片實驗室又稱芯片實驗室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片(Microfluidic Chip)，指的是把生物和化學等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成或者基本集成到一塊幾個平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以控制流體貫穿整個系統(tǒng)，用以取代常規(guī)生物或化學實驗室的各種功能的一種技術(shù)［1］。微流控芯片是微電子、生物和化學等技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，目前，它已被廣泛應用于生物、化學、醫(yī)學等行業(yè)中的臨床分析及疾病檢測、環(huán)境監(jiān)測、核酸和蛋白質(zhì)分析以及細胞和離子的檢測等多方面，并且形成了多學科交叉的一個研究熱點，被列為21世紀最為重要的前沿技術(shù)之一。

微流控芯片的用途十分廣泛，但是目前流行的微流控芯片的最大的不足之處是它們都需要大量輔助設(shè)備，體積龐大且成本很高，因此極大地限制了該微流控芯片的應用［2］。近年來，Stephen R Quake教授提出的依靠外部氣動控制系統(tǒng)驅(qū)動和控制的氣動微流控芯片成為微流控芯片的一種重要形式，并且已在許多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應用。該氣動微流控芯片［3］由多層PDMS薄膜［4］通過軟刻蝕方式制作而成，在氣動控制層，以某種序列信號，依次控制各氣動致動器的開啟或關(guān)閉，從而在流體流動層中產(chǎn)生對液體的擠壓和誘導作用，以實現(xiàn)傳輸、控制流體工質(zhì)的功能［5］。但由于其外部氣路控制系統(tǒng)中仍然采用常規(guī)電磁閥或閥組，這種常規(guī)的電磁閥本身仍然存在著價格昂貴、體積龐大等等缺點，且其以硬質(zhì)材料制成，存在著無法與PDMS(聚二甲基硅氧烷，通常被稱為有機硅，固態(tài)時為一種硅膠)材料的微流控芯片進行集成等問題。

隨著微流控芯片的不斷發(fā)展和廣泛應用，對其微型化、集成化、經(jīng)濟性等要求也越來越高。針對目前氣動微流控芯片控制系統(tǒng)的需求，并結(jié)合目前微流控系統(tǒng)微閥的發(fā)展現(xiàn)狀，文獻［6-7］中提出了一種微型化、結(jié)構(gòu)簡單，且易于與氣動微流控芯片集成的電磁驅(qū)動微閥，并對該閥進行了閥口靜態(tài)特性仿真。這種新型的微閥較好地解決了常規(guī)電磁閥價格昂貴、體積大、無法與PDMS微流控芯片集成等問題。

本研究利用AMESim軟件，對這種新型PDMS微閥的流量及壓力動態(tài)特性進行仿真研究，并將其與傳統(tǒng)氣動電磁換向閥進行特性比較。

1 新型微閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

筆者所研究的微型化、結(jié)構(gòu)簡單且易于與氣動微流控芯片集成的PDMS電磁驅(qū)動微閥，是將其原來外部氣動控制系統(tǒng)中的氣動電磁閥集成到了微流控芯片上，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

集成在微流控芯片上的電磁微閥組的基本構(gòu)成單元是氣動電磁微閥，這種新型微閥主要由:電磁致動器、上層PDMS平膜、帶微流道的下層PDMS厚膜構(gòu)成。其中，電磁致動器通過精密的加工制造技術(shù)制成，其銜鐵(閥芯)頭部直徑僅為1 mm，在閥座上通過玻璃片與上層PDMS平膜結(jié)合在一起，具有結(jié)合強度大之特點，實現(xiàn)了新型PDMS微閥與微流控芯片的集成化。

電磁致動微閥的具體工作原理如下:當電磁致動器未通電時，由于彈簧的預緊力的作用會推動閥芯，閥芯壓向上層PDMS薄膜，薄膜向下變形，堵塞閥口，微閥處于關(guān)閉狀態(tài);當致動器通電時，產(chǎn)生的電磁吸力克服彈簧彈力，將閥芯吸起，上層薄膜形變恢復，流道導通;當電磁致動器斷電時，電磁吸力消失，閥芯被在彈簧力作用下向下運動，迫使薄膜向下變形，流道關(guān)閉。新型PDMS微閥的電磁致動器采用直流24 V供電，電流為42 mA，功耗僅為1 W。

圖1 氣壓控制微閥結(jié)構(gòu)示意圖

采用所設(shè)計PDMS電磁微閥工作原理如圖2、圖3所示。

實現(xiàn)這種集成電磁驅(qū)動微閥功能的一種結(jié)構(gòu)如圖2所示，本研究在微流控芯片上設(shè)計出微流道，并通過驅(qū)動集成在芯片上的新型的電磁致動微閥組，進行簡單的控制邏輯組合，例如左側(cè)線圈得電接通(開啟P口通道)，右側(cè)線圈失電斷開(關(guān)閉T口通道)，實現(xiàn)了向氣動執(zhí)行元件提供壓縮空氣的功能;右側(cè)線圈得電接通(開啟T口通道)，左側(cè)線圈失電斷開(關(guān)閉P口通道)，實現(xiàn)了氣動執(zhí)行元件排氣的功能。這樣就可以利用該種新型的電磁致動微閥組，來替代傳統(tǒng)的氣動電磁閥。

圖2 集成在微流控芯片上的電磁微閥組工作原理

采用所設(shè)計PDMS電磁微閥實現(xiàn)氣動微流控芯片氣動流道壓力控制的工作原理為:當PDMS電磁微閥處于圖3(a)所示的左位(通態(tài))時，通過集成在微流控芯片上的電磁微閥向芯片的氣壓控制微流道提供壓縮空氣;當PDMS電磁微閥換向，處于圖3(b)所示的右位(斷態(tài))時，外部控制回路不再向微流控芯片的氣動執(zhí)行元件提供壓縮空氣，氣動執(zhí)行元件中氣體通過電磁閥排出，氣壓控制微流道中壓力降低。

圖3 集成了新型PDMS微閥的微流控芯片驅(qū)動和控制技術(shù)結(jié)構(gòu)原理

2 AMESim動態(tài)仿真模型

AMESim是一款基于鍵合圖的液壓機械系統(tǒng)建模仿真及動力學分析軟件［8］，在液壓系統(tǒng)的動態(tài)模擬中已經(jīng)得到了越來越廣泛地運用［9］。AMESim軟件提供了圖形化建模方法［10］，不僅方便了仿真模型的建立，而且所建立的仿真模型一般與系統(tǒng)的工作原理圖相似，仿真模型設(shè)置的各種參數(shù)均具有實際的物理意義。

本研究利用AMESim軟件對這種新型的微閥的動態(tài)特性進行分析。

圖4 AMESim動態(tài)仿真模型及其對比模型

首先，本研究根據(jù)該微閥的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立相應的仿真模型。AMESim的動態(tài)仿真模型及其對比模型如圖4所示。集成的電磁致動控制微閥由:電磁鐵模塊、帶限位和摩擦力的質(zhì)量模塊、表征彈簧和PDMS平膜彈性的力發(fā)生模塊、表征微閥動態(tài)特性而在進出口設(shè)置的彈性容腔和可變節(jié)流口等模塊組成。本研究在溢流閥和彈性容腔之間加設(shè)置的節(jié)流口，表示外部的能源回路與芯片之間接口的節(jié)流作用，執(zhí)行元件是具有彈性可變形腔體元件，用圖4左側(cè)模型中所示的組合模塊加以表征。壓縮空氣由電機驅(qū)動一個定量泵提供，并在泵的出口處通過溢流閥設(shè)定系統(tǒng)的壓力為10 bar。

同時，本研究建立的對比仿真試驗模型為圖4中右側(cè)模型，與圖4中左側(cè)模型相比而言，集成在PDMS微流控芯片上的電磁致動控制閥組由兩位三通的電磁閥的模塊替代，并且減少了一個彈性容腔，其余模塊和仿真參數(shù)設(shè)置均不改變。

3 AMESim動態(tài)仿真分析結(jié)果

3.1 控制閥出口質(zhì)量流量、壓力仿真結(jié)果

電磁致動控制微閥的出口質(zhì)量流量仿真分析結(jié)果如圖5(a)所示。圖5(a)中線1表示對比仿真模型中兩位三通電磁閥A口的質(zhì)量流量特性，正值表示工作介質(zhì)由A口流進執(zhí)行元件，負值表示工作介質(zhì)由執(zhí)行元件通過A口流出。線2和線3表示電磁致動控制微閥的P口、T口的質(zhì)量流量特性。從圖5(a)中可以看出，在質(zhì)量流量特性上電磁致動控制微閥組在響應速度上稍差于傳統(tǒng)的電磁閥，并存在有一定的延時現(xiàn)象，但在氣動執(zhí)行元件排氣時的速度方面卻優(yōu)于傳統(tǒng)的電磁閥，排氣時間短，并且在信號突然加載(或卸載)時質(zhì)量流量特性整體上較平緩一些。

圖5 控制閥的出口質(zhì)量流量和壓力特性

電磁致動控制微閥的出口壓力仿真分析結(jié)果如圖5(b)所示。圖5(b)中線1表示對比仿真模型中兩位三通電磁換向閥A口的壓力特性。線2和線3表示電磁致動控制微閥組的壓力特性。從圖5(b)中可以看出，電磁致動控制微閥組的壓力最大壓力值處的曲線過渡較為平緩，曲線整體也更加平滑，表明壓力變動過程較平穩(wěn)，并且在排氣過程中壓力釋放速度較快，排氣時間短。因此，電磁致動的微閥組的壓力特性要優(yōu)于傳統(tǒng)的電磁換向閥控制。

3.2 氣壓控制微流道的體積(流量)、壓力仿真結(jié)果

氣壓控制微流道的體積(流量)和壓力特性如圖6所示。

圖6 氣壓控制微流道的體積(流量)和壓力特性

其中，氣壓控制微流通入口的流量仿真分析結(jié)果如圖6(a)所示。圖6(a)表明，在體積(流量)特性上，新型電磁致動控制微閥組控制下進入氣壓控制微流道入口處的氣體體積響應速度稍低于傳統(tǒng)的電磁閥，但體積增加過程中其波動幅度較小，在排氣時的流量的變化速度大，并且排氣過程變化較為平穩(wěn)，排氣時間短。

氣壓控制微流道入口的壓力仿真分析結(jié)果如圖6(b)所示。由圖6(b)可見，采用新型電磁致動控制微閥組控制時，壓力在增加階段，壓力波動較為平緩，整體壓力曲線也更為平滑，并且在排氣過程中壓力釋放較快，壓力波動平穩(wěn)，排氣時間短。

4 結(jié)束語

本研究利用AMESim軟件對一種新型PDMS微閥的動態(tài)特性進行了仿真研究，仿真分析結(jié)果表明該新型微閥組的質(zhì)量流量動態(tài)特性在響應速度上稍差于傳統(tǒng)氣動電磁閥，并且存在一定的延時，但在質(zhì)量流量特性增加的階段波動幅值較小;在壓力特性中壓力的增加較為平緩，排氣過程中壓力釋放較快，壓力釋放時間短，其整體壓力動態(tài)特性要優(yōu)于傳統(tǒng)的電磁閥控制。因此仿真結(jié)果表明，采用這種新型PDMS微閥對微流控芯片進行驅(qū)動和控制可以獲得較好的動態(tài)特性。

隨著微流控芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，對其微型化、集成化、經(jīng)濟性等要求也越來越高，而這種新型PDMS微閥主要由電磁致動器、上層PDMS平膜，帶微流道的下層PDMS厚膜構(gòu)成。在閥座上通過玻璃片與上層PDMS平膜結(jié)合在一起，實現(xiàn)了和微流控芯片的集成化，且在成本上遠低于氣動電磁閥，經(jīng)濟性好，同時它還具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)控制特性較好等優(yōu)點。

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