微流體驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展*

趙士明 趙靜一 李文雷 王立亞 郭 銳

(①燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室, 河北 秦皇島 066004；②先進(jìn)鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué)), 河北 秦皇島 066004；③唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，河北 唐山 063299)

流體是物質(zhì)的重要存在形式之一，流體的流動(dòng)是自然界最基本的現(xiàn)象，通常把微米尺度或接近微米尺度空間里的流動(dòng)稱為微流體。以層流或低雷諾數(shù)為主要特征的微流體的操控簡(jiǎn)稱為微流控。最近十幾年迅速發(fā)展的微流控芯片是一種典型的微流控技術(shù)的推廣，因?yàn)槲⒊叨鹊奶卣?，可以把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域涉及的生物、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室的功能集成到一塊幾平方厘米的芯片上，因此也稱為芯片實(shí)驗(yàn)室[1-3]。

微流控芯片可以操縱幾十微米到幾百微米的微小通道內(nèi)部流體的流動(dòng)，所控制的流體體積可以小至10-9～10-18L。微流控芯片主要以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，被廣泛應(yīng)用于分離分析、生物科學(xué)和生命醫(yī)學(xué)研究等眾多領(lǐng)域，是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)[4-6]。關(guān)于微流控芯片的研究有大量的文獻(xiàn)報(bào)道，Nature雜志也對(duì)微流控芯片做過題為“芯片實(shí)驗(yàn)室”專輯。微流控芯片的成功研制為人類研究微尺度通道內(nèi)的流動(dòng)特性提供了重要基礎(chǔ)，其在微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、生物醫(yī)療、組織工程、新材料、新能源、高清顯示、微流控器件、微納光學(xué)器件、微納傳感器、微納電子、生物芯片、光電子中都有應(yīng)用。作為微流控芯片發(fā)展的核心部分，微流體驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的研究具有巨大的社會(huì)意義和市場(chǎng)價(jià)值。本文針對(duì)目前微流控技術(shù)發(fā)展中的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)使用的微通道、微型泵、微型閥的發(fā)展進(jìn)行了分析、歸納和總結(jié)，提出了發(fā)展過程中存在的問題，并對(duì)微流體驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 微通道技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

微通道可以實(shí)現(xiàn)微尺度下包括多相介質(zhì)的混合、分離、冷卻、檢測(cè)等，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，生物物理科學(xué)以及多孔介質(zhì)性能等方面都有廣泛應(yīng)用[1，7]。微流控系統(tǒng)中的關(guān)健技術(shù)，包括微通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、微泵的驅(qū)動(dòng)、微閥的控制，目前已成為了國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。微流控芯片的微通道一般包括入口、主通道、輔助通道和出口。當(dāng)需要輸入多相流體時(shí)，各相流體從不同的入口通道引入，到主通道匯集，經(jīng)過主通道處理后的各流體再由不同的出口通道流出。入口和出口部分可以設(shè)計(jì)成“T”型[7]，“Y”型[8]，或扇骨型[9]。微通道可以使用不同的材料來制備，包括玻璃[10-11]、硅[12]、高分子聚合物材料[13]等。

微流體芯片的制備有大量的報(bào)道，劉趙淼等[14]通過理論分析和數(shù)值模擬研究了圓形和梯形截面微通道內(nèi)的流動(dòng)，研究表明：微通道中流動(dòng)的摩擦系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大逐漸減?。煌ǖ澜孛娴漠?dāng)量直徑會(huì)改變過渡狀態(tài)存在的雷諾數(shù)范圍；粗糙度會(huì)影響湍流狀態(tài)下流動(dòng)的摩擦系數(shù)，相同雷諾數(shù)下，粗糙度值越大，摩擦系數(shù)越大。Greene J P等[15]制備了一種導(dǎo)電塑料薄箔帶用于微通道板的探測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)微通道板進(jìn)行了探測(cè)，根據(jù)測(cè)試得到的3組數(shù)據(jù)顯示基本上能滿足測(cè)試要求。針對(duì)制備微通道的材料不同，使用不同的加工方法。玻璃材料和硅主要用光蝕刻的方法，加工方便，可以精準(zhǔn)地控制微通道的大小、形狀和位置，適合批量生產(chǎn)。納米光刻技術(shù)能制備出尺寸小于500 nm的微通道，但是光刻技術(shù)因?yàn)榫鹊仍螂y以用于三維微孔網(wǎng)絡(luò)的打印。最新的激光光刻3D打印技術(shù)打印精度達(dá)到1 nm。劉媛媛等[16]使用3D打印技術(shù)打印了具有三維微孔網(wǎng)絡(luò)的組織工程支架，并進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，構(gòu)建的組織工程支架力學(xué)性能能滿足要求，支架具有良好的生物相容性。

燕山大學(xué)趙靜一團(tuán)隊(duì)[17-19]研究了基于3D打印的骨組織工程三維多孔支架其內(nèi)部微通道的流動(dòng)特性,根據(jù)仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)了骨組織工程多孔支架，利用有限元與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論定量地對(duì)骨支架微管道內(nèi)細(xì)胞與營(yíng)養(yǎng)液的流動(dòng)進(jìn)行研究，得出了理想的體外培養(yǎng)骨支架管道是內(nèi)部主管道呈錐形，微管與主管具有90°夾角的結(jié)構(gòu)，管道相交處設(shè)置過渡圓角的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠使骨支架內(nèi)部流場(chǎng)分布更合理，有利于成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)，縮短患者的治療時(shí)間。

2 微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

微流控系統(tǒng)的動(dòng)力源于微泵，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里要精確地檢測(cè)和控制流量，在液體藥物輸送、細(xì)胞分離、微量化學(xué)分析等方面應(yīng)用廣泛。

關(guān)于微泵的研究報(bào)道出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代初期，經(jīng)過30多年的發(fā)展，在微泵的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和微泵的微流體理論基礎(chǔ)方面的研究取得了一定進(jìn)展。微泵按照有無運(yùn)動(dòng)部件分為機(jī)械式微泵和非機(jī)械式微泵。機(jī)械式微泵驅(qū)動(dòng)力大、響應(yīng)快應(yīng)用比較廣泛，但也因其必須具有力學(xué)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也存在機(jī)械磨損和泄漏等問題。機(jī)械式微泵主要分為壓電驅(qū)動(dòng)微泵、靜電驅(qū)動(dòng)微泵、熱氣驅(qū)動(dòng)微泵、電磁驅(qū)動(dòng)微泵、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)微泵。

(1)壓電驅(qū)動(dòng)微泵

壓電驅(qū)動(dòng)微泵是基于壓電晶體的壓電特性驅(qū)動(dòng)薄膜振動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)泵送流體的。

何秀華等[20]設(shè)計(jì)一種基于合成射流壓電激勵(lì)器的無閥微泵結(jié)構(gòu)，研究了微泵的工作原理，并根據(jù)微泵存在的自吸困難等，提出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法。對(duì)選用的合成射流激勵(lì)器流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明: 利用該方法得到微泵結(jié)構(gòu)的最佳泵腔高度為7 mm，最佳出口直徑為1.78 mm。在零背壓下，取雷諾數(shù)為225、頻率為100 Hz時(shí)，微泵流量可達(dá)32.1 mL/min。該微泵結(jié)構(gòu)及工作原理，如圖1所示。

耿照新等[21]設(shè)計(jì)了具有三明治結(jié)構(gòu)和兩被動(dòng)閥的壓電驅(qū)動(dòng)微泵，并對(duì)氣體微泵與液體微泵的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等分析，設(shè)計(jì)了氣液兩用微泵，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)，氣、液體的最大流量分別達(dá)到53.6 mL/min和1.280 mL/min。

H.K.Ma等[22]研制了一種新結(jié)構(gòu)的壓電驅(qū)動(dòng)微泵,如圖2所示。該微泵使用高檔數(shù)控機(jī)床加工而成，兩個(gè)閥口和泵膜都采用PDMS材料制造，橫截面積為28 mm×5 mm。在50 V電壓、100 Hz正弦交流電驅(qū)動(dòng)電壓下，最大穩(wěn)定流量達(dá)到72 mL/min，微泵結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少了泄漏，增加了通流能力，散熱性好。

Pierre-Henri Cazorla等[23]使用硅和PZT薄膜材料制作了應(yīng)用于MEMS的低壓壓電驅(qū)動(dòng)微泵。該微泵可以使用液體及氣體介質(zhì)，并且不需要外部驅(qū)動(dòng)。通過實(shí)驗(yàn)，在24 V電壓、1 Hz正弦交流電驅(qū)動(dòng)電壓下，薄膜向上產(chǎn)生5.6 μm的偏差，使用水作為介質(zhì)，得到3.5 mL/min的最大流量，微泵的閥門可承受3 200 Pa，其優(yōu)勢(shì)在于將壓電驅(qū)動(dòng)的微泵驅(qū)動(dòng)電壓大幅降低，這項(xiàng)技術(shù)可用于降低電力驅(qū)動(dòng)裝置的功率損耗和減小植入裝置的尺寸。

(2)靜電驅(qū)動(dòng)微泵

靜電微泵是利用平行板電容器兩個(gè)極板之間的靜電力為驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)力使彈性泵薄膜發(fā)生振動(dòng)，引起泵腔的壓力波動(dòng)，完成吸排流體的功能。Astle A A等[24]研制了一種用于氣相色譜儀化學(xué)分析的多級(jí)靜電氣動(dòng)微泵，在電壓100 V，14 kHz的驅(qū)動(dòng)電壓下，最大流量為3 mL/min，最大背壓為7 kPa，可以滿足氣象色譜儀對(duì)流量和壓力的要求。

國內(nèi)主要是從理論分析和仿真方面對(duì)靜電微泵進(jìn)行研究。董金新等[25]應(yīng)用任意拉格朗日—?dú)W拉(ALE)描述建立了無閥微泵的靜電—結(jié)構(gòu)—流體全耦合三維模型，并進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，研究表明：泵腔內(nèi)流體的動(dòng)態(tài)特性與泵膜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系密切；用雷諾方程描述泵腔內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)特性具有可行性；對(duì)微泵的3D全耦合仿真，能夠獲得驅(qū)動(dòng)電信號(hào)與流體流量、泵送壓力等輸出變量三者之間的關(guān)系，有利于實(shí)現(xiàn)靜電驅(qū)動(dòng)微泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化。張彧等[26]用最小能量法和均勻壓力載荷下的圓薄膜大變形半解析解相結(jié)合的方法，改進(jìn)了靜電驅(qū)動(dòng)柔性振膜微泵的理論分析模型。并通過理論分析和仿真研究得出了用雙腔結(jié)構(gòu)，減小介電層厚度、減小腔體深度、縮小腔體半徑，有利于靜電驅(qū)動(dòng)柔性振膜型微泵性能的提高。

(3)電磁驅(qū)動(dòng)微泵

根據(jù)電磁驅(qū)動(dòng)的工作原理，且磁場(chǎng)可以不依靠媒介而存在，因此電磁驅(qū)動(dòng)可以用在比較大的空間范圍。電磁驅(qū)動(dòng)微泵的原理就是將永磁體貼在泵膜上，通電后線圈內(nèi)部產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使永磁體帶動(dòng)泵膜往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而完成泵送。Yamahata C等[27]研制了一種基于PDMS材料的球閥型電磁驅(qū)動(dòng)微泵。該微泵采用噴砂技術(shù)加工了玻璃基板，利用燒結(jié)技術(shù)制備了多層微流控芯片。將永磁體插入PDMS薄膜合成薄膜，體積沖程較大，在泵的自吸能力和抗氣泡特性都有很大提升。取驅(qū)動(dòng)電流為100 mA，驅(qū)動(dòng)頻率為30 Hz時(shí)，可得最大輸出流量5 mL/min，最大背壓28 kPa。

(4)熱氣驅(qū)動(dòng)微泵

熱氣驅(qū)動(dòng)微泵是利用加熱和冷卻壓力室內(nèi)的氣體，使氣體產(chǎn)生膨脹和收縮，推動(dòng)泵膜的周期性振動(dòng)，從而完成泵送。熱氣驅(qū)動(dòng)微泵驅(qū)動(dòng)力大，使用較低的驅(qū)動(dòng)電壓可以產(chǎn)生比較大的泵膜的變形，但是加熱冷卻速度較慢，驅(qū)動(dòng)效率低，功耗大。Ha S M等[28]研制了一種應(yīng)用于生物芯片的PDMS熱驅(qū)動(dòng)微泵，該微泵由三層PDMS片和一層加熱電阻玻璃片組成，利用PDMS模塑法加工出泵腔、微閥、流體通道等微結(jié)構(gòu)。加熱電阻與微泵泵體采用分離式封裝方法，加熱電阻可重復(fù)使用，降低了微泵的成本。經(jīng)過試驗(yàn)，在0.1 Hz，占空比為0.33的驅(qū)動(dòng)電壓下，該微泵的驅(qū)動(dòng)性能達(dá)到最佳，最大流量達(dá)到50 μL/min。

(5)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)微泵

形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)(SMA)是利用合金隨溫度變化發(fā)生相變的特性，來提供驅(qū)動(dòng)力。形狀記憶合金的記憶功能通過馬氏體相變的可逆性來體現(xiàn)。常見的記憶合金有鈦鎳合金、金銅合金、銦鈦合金、銅鋅合金等[29]。這種微泵的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力大，缺點(diǎn)是薄膜的變形難控制、響應(yīng)慢、驅(qū)動(dòng)頻率低。Shuxiang Guo等[30]研制了一種利用基于NiTi形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)微泵，該微泵結(jié)構(gòu)由12根記憶合金彈簧，4根橡膠軟管，3對(duì)擠壓桿，2個(gè)單向閥組成。微泵的設(shè)計(jì)采用蠕動(dòng)式結(jié)構(gòu)，使用了三組記憶合金驅(qū)動(dòng)器協(xié)調(diào)控制，來驅(qū)動(dòng)微流體的流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過改變驅(qū)動(dòng)電壓的大小和頻率，可以獲得 400～3 200 μL/min的流量，如圖3所示。

3 微流體控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

微型閥簡(jiǎn)稱微閥，其在微流控芯片、生物醫(yī)療、電子工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，也是微流體驅(qū)動(dòng)控制中的核心部件。微閥的種類很多，凡是能控制微通道閉合和開啟狀態(tài)的部件都能作為微尺度流動(dòng)中的微型閥使用的都是微閥。因?yàn)橹饕糜谔幚砦⑿⊥ǖ纼?nèi)的流動(dòng)，微閥體積非常小，用于流量小、壓力低的場(chǎng)合。微閥一般與微泵結(jié)合完成所需要閥的功能。微閥具有如下特征：低泄漏、低功耗、響應(yīng)速度快、線性范圍寬、適應(yīng)面廣等。微閥按驅(qū)動(dòng)方式分為主動(dòng)型微閥和被動(dòng)型微閥兩大類。

3.1 主動(dòng)型微閥

3.1.1 機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式

(1)磁力驅(qū)動(dòng)微閥

Bae B等[31]設(shè)計(jì)了一種永磁體附著在微機(jī)械膜和外部螺線管線圈壓力調(diào)節(jié)微閥,該微閥用于青光眼的治療，臨床試驗(yàn)使用此微閥的醫(yī)療機(jī)械為青光眼患者植入藥物提供了方便。Ahn團(tuán)隊(duì)[32]制作了加入集成磁性感應(yīng)器的微閥，該微閥由集成磁性感應(yīng)器、電鍍的鎳鐵合金膜的硅膜及閥座組成。磁性感應(yīng)器的磁通量推動(dòng)硅膜與鎳鐵合金結(jié)合，硅膜脫離閥座，閥口開啟，流體從出口流出。李松晶等[33]提出一種可用于氣動(dòng)微流控芯片氣壓控制的電磁致動(dòng)微閥，并對(duì)微閥的工作原理與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，建立了流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，利用Fluent進(jìn)行了流場(chǎng)的仿真，結(jié)果得出電磁微閥出口流量與入-出口壓差、閥口開度成正比例關(guān)系。

(2)壓電驅(qū)動(dòng)微閥

壓電現(xiàn)象是指晶體在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)械壓力或拉長(zhǎng)的能力。由于壓電作用能夠產(chǎn)生極大的彎曲力和小的位移，因此壓電驅(qū)動(dòng)的微閥被廣泛應(yīng)用[34-35]。Wu X等[36]提出一種壓電驅(qū)動(dòng)和液壓放大的軸向聚合物微型閥，如圖4所示。微閥使用立體光刻技術(shù)制備，具有三層壓電層。使用不可壓縮彈性體作為可靠的液體介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)過程中產(chǎn)生較大阻塞力，微閥能保持穩(wěn)定狀態(tài)。微閥用于氣動(dòng)觸覺感知裝置中，其工作壓力高達(dá)90 kPa，切換速度在1～200 Hz。在150 V時(shí)，閥的最大行程為37 μm。在94.4 kPa壓差下，微閥的流量和開啟電壓分別為785 mL/min和150 V。在氣動(dòng)觸覺感知裝置中的成功應(yīng)用，為這類微閥在其他微機(jī)電系統(tǒng)中推廣提供借鑒。

張蕊華等[37]對(duì)壓電微閥的驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行了研究，根據(jù)壓電陶瓷的工作原理，電源的穩(wěn)定影響微閥控制精度。張蕊華為驅(qū)動(dòng)電源加入了穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)并改進(jìn)了放大電路，試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的電壓輸入輸出線性特性良好，實(shí)際高壓輸出與理論輸出線性擬合誤差最大僅為84 mV，且在高壓輸出時(shí)其紋波特性很小，輸出信號(hào)紋波誤差僅為10 mV，提高了壓電驅(qū)動(dòng)微流量閥的控制精度。

(3)熱驅(qū)動(dòng)微閥

熱驅(qū)動(dòng)微閥主要分為熱氣驅(qū)動(dòng)微閥、雙金屬驅(qū)動(dòng)微閥、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)微閥。熱驅(qū)動(dòng)微閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能提供較大的驅(qū)動(dòng)力，但是也存在效率低，響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)[32-33]。

①熱氣驅(qū)動(dòng)微閥 熱氣驅(qū)動(dòng)的微閥原理是液體體積的熱膨脹引起膜的偏擺。Takao H等[38]研制了一種使用彈性薄膜熱氣驅(qū)動(dòng)微閥，使用PDMS材料。經(jīng)測(cè)試，該微閥具有位移量大、密封好的優(yōu)點(diǎn)。在30 kPa時(shí)測(cè)試，泄漏量小于1 μL/min。當(dāng)入口壓力為20 kPa時(shí)，微閥關(guān)閉所需功率為30 mW，微閥開啟需要85 mW，開啟壓力偏高。微閥的粘性阻力較大，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。Potkay J A等[39]研制了一種低功耗混合型熱氣驅(qū)動(dòng)微閥，該微閥致動(dòng)器使用了靜電控制和集成閥板位置傳感技術(shù)，這種組合式的致動(dòng)器安裝在單一結(jié)構(gòu)上，使致動(dòng)器所需能耗低。微閥大小為7.5 mm×10.3 mm×1.5 mm，開啟后流速為8 mL/min，在115 kPa時(shí)，泄漏量為 2.2×10-3mL/min。在250 mW時(shí)，致動(dòng)時(shí)間為430 ms，閥關(guān)閉需要功率為90 mW。該微閥采用了熱氣動(dòng)和靜電控制，降低了功率損耗，并減少了泄漏量。

②雙金屬微閥 雙金屬驅(qū)動(dòng)的原理是兩種金屬在相同溫差下膨脹或收縮的量不同產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使雙金屬片發(fā)生形變。Jerman H等[40]設(shè)計(jì)了一種具有8 μm厚的硅膜和5 μm厚的鋁層的雙金屬驅(qū)動(dòng)微閥。輸入壓力為7～350 kPa時(shí)，微閥的流量控制在0～150 mL/min，實(shí)現(xiàn)了正比例控制。經(jīng)測(cè)試，充入氮?dú)鈮毫υ?4.5 kPa時(shí)，閥反向泄漏量為30 μL/min。

③形狀記憶合金微閥 形狀記憶合金(shape memory alloys)，能在加熱升溫后消除在較低溫度下發(fā)生的變形，恢復(fù)其變形前形狀的合金材料，因?yàn)槠涮匦阅壳皯?yīng)用廣泛。Piccini M E等[41]用直徑75 μm的鎳鈦諾金屬線和硅膠研制了一種常閉式微閥，該微閥經(jīng)測(cè)試最高可以承受68.9 kPa的壓力。通過輸入壓力脈沖控制微閥的開啟關(guān)閉，當(dāng)脈沖功率為213 mW 時(shí)，反應(yīng)時(shí)間為2.5 s，平均流速為28.4 μL/min。當(dāng)壓力為20.7kPa時(shí)，流速為33 μL/min。杜敏等[42]研制了一種基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的常閉型微閥。該微閥由彈性溝道層和形狀記憶合金橋兩部分組成，制造采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)的軟光刻工藝實(shí)現(xiàn)，之后采用印刷電路板(PCB)上的形狀記憶合金絲焊接組裝搭建驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。利用形狀記憶合金微絲在相變過程中產(chǎn)生的拉力，打開微閥結(jié)構(gòu)。測(cè)試得出微閥開啟壓力為約4 000 Pa，開啟時(shí)間0.6 s，關(guān)閉時(shí)間0.1 s。當(dāng)電流在0.14～0.30 A內(nèi)，可得到6.7～75.2 μL/min的流量調(diào)節(jié)范圍，呈現(xiàn)線性規(guī)律。形狀記憶合金微閥，具有較高輸出功率，能很好控制壓差和流速。

④雙穩(wěn)態(tài)微閥 主動(dòng)型微閥最大的缺點(diǎn)是需持續(xù)消耗功率來保持微閥的工作狀態(tài)，使用雙穩(wěn)態(tài)微閥可以避免這一缺點(diǎn)。B?hm S等[43]設(shè)計(jì)了一種雙穩(wěn)態(tài)微閥。微閥的雙穩(wěn)態(tài)致動(dòng)器，由NeFeB永久磁鐵、800匝螺線管線圈用軟磁路和彈簧偏置電樞組成，致動(dòng)器最大行程達(dá)到200 μm。當(dāng)正電流作用到線圈上，電樞鐵芯的夾持力下降，而彈簧力推動(dòng)電樞向下關(guān)閉微閥。相反，負(fù)電流脈沖可以開啟微閥。楊博淙等[44]設(shè)計(jì)了一種熱氣致動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)微閥，對(duì)該微閥的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)熱氣致動(dòng)微型閥的開閥響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果顯示加熱膜片的厚度分別為8 μm和25 μm時(shí)，后者比前者的開閥響應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)了近一倍，分別為11.4 ms和20.2 ms。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了微閥的開閥、開閥升壓等響應(yīng)時(shí)間參數(shù)，與計(jì)算值吻合較好。這說明了在實(shí)驗(yàn)較為困難時(shí)，用仿真計(jì)算的方法也具有一定意義。

3.1.2 非機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式

(1)電化學(xué)微閥

電化學(xué)微閥在生物、化學(xué)領(lǐng)域的微系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。其基本原理是依靠電解產(chǎn)生的氣體驅(qū)動(dòng)膜片變形來開啟或關(guān)閉閥口。Hamberg M W等[45]設(shè)計(jì)了一種電化學(xué)微閥，電壓1.6 V，電流50 mA時(shí)，能在短時(shí)產(chǎn)生200 kPa的壓力，使薄膜產(chǎn)生30～70 μm位移。Suzuki H和Yoneyama R[46]研制了一種微流控芯片，芯片使用氫氣泡驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)微閥作為止回閥。由工作電極的電位控制氫氣泡的膨脹和收縮。使用電化學(xué)微閥比其他類型的微閥臨界壓力低大約3 kPa。這種電化學(xué)微閥有序的開啟和關(guān)閉，可很好地控制微通道內(nèi)兩種不同的溶液，在幾秒鐘內(nèi)依次通過微通道。

(2)相變微閥

①石蠟微閥 石蠟通常是白色、無味的蠟狀固體，加熱溶解溫度較低，融化溫度在約在47 ℃～64 ℃。石蠟的相變特性好，在相變微閥中應(yīng)用具有重要意義。石蠟由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，體積增加10%～30%，石蠟固相和液相的變化保證了石蠟可以作為薄膜的推進(jìn)物，也可作為可融化的塞子[47]。Liu R H等[48]研制的熱驅(qū)動(dòng)微閥，使用石蠟作為一次性閥門材料。DNA聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)微裝置包括石蠟微閥，在熱循環(huán)過程中能把樣品溶液密封在微裝置的反應(yīng)腔內(nèi)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)微閥處于關(guān)閉狀態(tài)，可以保持零泄漏；當(dāng)壓力達(dá)到276 kPa，流道壁和石蠟界面上出現(xiàn)了泄漏。該閥反應(yīng)時(shí)間約20 s，增加凝固通道寬度和縮短凝固區(qū)與加熱區(qū)的距離可以有效縮短微閥反應(yīng)時(shí)間。

②水凝膠微閥 水凝膠微閥的原理是水凝膠物質(zhì)受到環(huán)境、溫度等變化產(chǎn)生的可逆的體積膨脹與縮小。水凝膠微閥的基本原理是水凝膠物質(zhì)可隨環(huán)境的變化而產(chǎn)生可逆的體積變化。多種物理或化學(xué)刺激甚至微小數(shù)量級(jí)的環(huán)境參數(shù)的改變，均可導(dǎo)致水凝膠的體積變化[49]。Wang J等[50]研制了一種基于熱效應(yīng)的水凝膠微閥，微閥應(yīng)用于微流控系統(tǒng)。當(dāng)溫度達(dá)到32 ℃時(shí)發(fā)生相變，微閥的關(guān)閉時(shí)間約4.5 s，開啟時(shí)間與水凝膠的長(zhǎng)度成正比。當(dāng)壓力低于200 kPa時(shí)，微閥無泄漏，響應(yīng)時(shí)間6 s。

③溶膠-凝膠微閥 嵌段共聚物溶膠-凝膠狀態(tài)轉(zhuǎn)換致動(dòng)的微閥用于PCR擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)[51]。嵌段共聚物溶膠-凝膠致動(dòng)的微閥能提供高達(dá)138 kPa的壓力以保證PCR實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。Yoon D S等[52]利用甲基纖維素的可逆溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換的特性制造了一種凝膠微閥，閥的每個(gè)微通道中都裝入了一個(gè)微溫度傳感器和微加熱器。加熱溫度從30 ℃加熱到60 ℃之間過程中凝膠從透明狀變?yōu)闇啙釥?。為保證微閥正常工作，加熱通道溫度應(yīng)保持60 ℃左右，流動(dòng)通道溫度應(yīng)低于35 ℃。流速大于5 mL/min時(shí)，微閥可以穩(wěn)定工作。壓力為20.7 kPa時(shí)，微閥無泄漏。

3.2 被動(dòng)型微閥

被動(dòng)型微閥在微流控系統(tǒng)中主要作止回閥，根據(jù)是否包括機(jī)械移動(dòng)部件，被動(dòng)型微閥分為機(jī)械可動(dòng)部件微閥和不含機(jī)械可動(dòng)部件微閥。機(jī)械可動(dòng)部件微閥大多與微泵配合完成所需的功能，微閥只能順著壓力方向打開，類似二極管的特性[47]。

3.2.1 薄膜式微閥

薄膜型止回閥可以使用各種高分子材料制作，如聚對(duì)二甲苯[53]、光刻膠[54]、聚酰亞胺[55]、硅[56-57]、聚酯薄膜[58]。Hu M等[57]利用SOI硅片材料構(gòu)建了硅薄膜厚度為90 μm的微閥，如圖5所示。該微閥結(jié)構(gòu)包括一個(gè)六邊形孔、一個(gè)六邊形薄膜和三個(gè)柔性系繩，當(dāng)正向壓力為65.5 kPa時(shí)，閥的最大流速為35.6 mL/min，當(dāng)反向壓力為600 kPa時(shí)，泄漏速度為0.01 μL/min，在常溫下置于空氣中，閥的共振頻率為17.7 kHz。

3.2.2 懸臂梁式微閥

懸臂梁微型閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，在微型薄膜泵中應(yīng)用廣泛。Li B等[59]利用原位UV-LIGA工藝，以硅和鎳為主要材料研制了一種由80個(gè)微閥組成微閥陣列。微閥陣列可以滿足最大流速大于10 mL/s，承載高壓大于10 MPa，可以在高頻10 kHz以上工作。闞君武等[60]根據(jù)流體力學(xué)理論，建立了液體內(nèi)懸臂梁閥片的動(dòng)力學(xué)模型，給出了閥片基頻的計(jì)算方法，對(duì)閥片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析、研究了閥片與閥座間隙對(duì)液體內(nèi)閥片基頻的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，液體對(duì)懸臂梁閥的動(dòng)態(tài)特性影響較大，液體的附加質(zhì)量和附加阻尼都大幅度增加，致使液體中閥片基頻降低。

3.2.3 毛細(xì)管微閥

毛細(xì)管微閥能被主動(dòng)力和被動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，毛細(xì)管微閥有電毛細(xì)管微閥、熱毛細(xì)管微閥、被動(dòng)毛細(xì)管微閥[50]。電毛細(xì)管效應(yīng)被稱為電潤(rùn)濕。電潤(rùn)濕是一種微流體現(xiàn)象，它已經(jīng)廣泛地被用作各種流體及電光設(shè)備的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。Ahn C H等[61]將一種集成的、具有突變微通道的無源微閥用于微流控芯片，該芯片用于臨床的即時(shí)檢驗(yàn)。該微流控系統(tǒng)由具有被動(dòng)閥的多組微通道組成。當(dāng)液體流過疏水微通道截面突然改變的區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生的損失使壓力下降。杜新等[62]研制了一種用于毛細(xì)驅(qū)動(dòng)流的通孔形毛細(xì)管被動(dòng)閥，建立了被動(dòng)閥的物理模型，分析了實(shí)際加工通孔時(shí)帶來的擴(kuò)張角對(duì)毛細(xì)管被動(dòng)閥性能的影響，并推導(dǎo)出相應(yīng)的成立條件。指出被動(dòng)閥的有效性與液體對(duì)壁面的動(dòng)態(tài)接觸角、前進(jìn)接觸角和通孔的擴(kuò)張角有關(guān)。結(jié)果表明，當(dāng)來流通道大于4 mm時(shí)，微閥有效性不受來流和通孔擴(kuò)張角大小影響，降低了對(duì)通孔的加工要求。去離子水實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)來流毛細(xì)數(shù)高達(dá)4.0×10-3，高度為20 μm時(shí)微閥仍能有效工作。

4 結(jié)語

由于MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，微流控領(lǐng)域也越來越受到人們的重視，隨著不斷涌現(xiàn)新結(jié)構(gòu)、新方法和新材料，使作為微流控驅(qū)動(dòng)與控制的核心部件的微泵與微閥性能上得到了較大提高。新技術(shù)的應(yīng)用，減小了微泵、微閥的泄漏速率、功率損耗、死區(qū)面積，提高了反向泄漏壓力、響應(yīng)速度、生物相容性，也相對(duì)降低了成本。但是微流體驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的泄漏、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本偏高等問題依然存在，造成了微流控芯片的商業(yè)化程度不高，目前主要應(yīng)用于生物化學(xué)分析、新藥研制、微型燃料電池和醫(yī)療等領(lǐng)域，微泵與微閥作為驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的核心部分，其研究有以下幾個(gè)方向：

(1)工藝與制造水平的提高。微加工屬于精細(xì)化加工，微加工技術(shù)的發(fā)展，直接影響到微驅(qū)動(dòng)控制器件的性能，近幾年出現(xiàn)的激光蝕刻、快速成型技術(shù)、微注塑成型技術(shù)等推動(dòng)了微驅(qū)動(dòng)控制器件的進(jìn)一步發(fā)展，但還是需要不斷地應(yīng)用新的技術(shù)和新的工藝使微泵、微閥的結(jié)構(gòu)更加合理，加工的精度更高，并解決泄漏、死區(qū)面積問題。

(2)一體化加工技術(shù)的應(yīng)用。目前宏觀領(lǐng)域多個(gè)行業(yè)都采用了一體化加工技術(shù)，如電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器的一體化加工可以提高加工效率，也有利于提高裝配精度。微流控驅(qū)動(dòng)與控制器件與微流控芯片一體化加工，將配合的精度保證在微米以下量級(jí)，將成為微加工的一種趨勢(shì)。

(3)內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理的研究。微流體驅(qū)動(dòng)與控制器件精度的量級(jí)達(dá)到微米，在這種微尺度效應(yīng)下需要建立完善的微泵、微閥的準(zhǔn)確的理論模型，并根據(jù)構(gòu)建的典型結(jié)構(gòu)，用數(shù)值模擬方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，研究微泵、微閥的內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理，確定最優(yōu)方案，以便于微器件加工制造，降低成本，提高效率。

(4)新材料的鍵和技術(shù)。材料的性能對(duì)微流控器件產(chǎn)生了巨大影響，微泵的管道、腔體結(jié)構(gòu)，微閥的薄膜、腔體結(jié)構(gòu)等使用不同的材料制作，參數(shù)的選擇也不同。在微流控驅(qū)動(dòng)控制器件中，各種材料(高分子聚合物和硅等)共同使用的鍵和技術(shù)，如硅片鍵和技術(shù)、真空熱壓鍵合、紫外線支持鍵合、超聲鍵合等技術(shù)，將會(huì)成為微驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。