基于微流控芯片的五腔室壓電蠕動(dòng)微泵的設(shè)計(jì)

孫仕欣，李保慶，馬 托，王友謖，褚家如

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機(jī)械與精密儀器系，合肥230026）

微泵是一種輸送流體的設(shè)備[1]，具有體積小、重量輕、集成度高等特點(diǎn)[2]，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)[3]、生物學(xué)[4]和微電子[5]等領(lǐng)域。根據(jù)微泵工作原理的不同，微泵可分為機(jī)械式微泵和非機(jī)械式微泵。機(jī)械式微泵相較于非機(jī)械式微泵具有更好的生物兼容性，因此被更廣泛地應(yīng)用。蠕動(dòng)微泵作為機(jī)械式微泵的一個(gè)重要分支，其工作原理為以一定時(shí)序驅(qū)動(dòng)外部或內(nèi)部致動(dòng)器從而驅(qū)動(dòng)微腔室內(nèi)流體，使各腔室之間的流體以定向可控的形式發(fā)生流動(dòng)[6]。

20 世紀(jì)90年代初Jan G Smits 首次提出蠕動(dòng)微泵[7]。與其他機(jī)械式微泵不同，蠕動(dòng)泵的微通道中沒有運(yùn)動(dòng)部件，不需要被動(dòng)閥來校正流量，因此可避免由于微粒和活細(xì)胞粘在閥門上而造成的生物試劑污染或微泵受損[8]。Amirhesam Banejad 等人提出的氣動(dòng)蠕動(dòng)微泵，最大流量為56.28 μL/min，反向截止壓強(qiáng)最大可達(dá)50 kPa[9]，雖然其具有較大的流量和反向截止壓強(qiáng)，但由于該微泵尺寸較大，芯片厚度達(dá)8 mm，無法適用于如床旁診斷、器官芯片等涉及微流量精確控制的應(yīng)用場(chǎng)景。2011年Chung-Shao Chao 等人提出了具有一體式PZT（壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器）驅(qū)動(dòng)單元的三腔室壓電蠕動(dòng)微泵，流量最大可達(dá)0.6 μL/min[10]，具有作用力大、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但其制造工藝復(fù)雜、成本高，并且集成式微泵不易于清洗，存在交叉污染等風(fēng)險(xiǎn)。Tuo Ma 等人提出了一種微流控芯片和致動(dòng)器相互分離的壓電蠕動(dòng)微泵，具有響應(yīng)速度快、芯片即插即用等優(yōu)點(diǎn)。但是，依靠彈性變形產(chǎn)生擠壓的方式會(huì)使得三腔室微泵的三根致動(dòng)器對(duì)微腔的壓緊力不足，從而導(dǎo)致液體回流的現(xiàn)象，使得反向截止壓強(qiáng)僅為2 kPa[11]，限制了芯片和致動(dòng)器分離式的蠕動(dòng)微泵在輸送高密度、高粘度流體控制領(lǐng)域的應(yīng)用[12]。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種五腔室壓電蠕動(dòng)微泵，主體結(jié)構(gòu)包含5 個(gè)壓電致動(dòng)器和具有5 個(gè)微腔室的微流控芯片兩個(gè)部分，腔室個(gè)數(shù)的增加可以有效減少液體的回流，具有更高的反向截止壓強(qiáng)。經(jīng)測(cè)試，其有效輸送流量最高可達(dá)15.85 μL/min，最大反向截止壓強(qiáng)可達(dá)12 kPa。

1 五腔室壓電蠕動(dòng)微泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與加工

1.1 五腔室壓電蠕動(dòng)微泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓電蠕動(dòng)微泵及測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置由PC 操作端、控制系統(tǒng)、壓電致動(dòng)器、氣泵、CCD 和微流控芯片組成。其中控制系統(tǒng)、微流控芯片和5 個(gè)壓電致動(dòng)器組成微泵。PC 上位機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制信號(hào)，由壓電致動(dòng)器執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。CCD 將采集到的圖像傳輸?shù)絇C 界面，進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。

圖1 壓電蠕動(dòng)微泵及測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Piezoelectric peristaltic micropump andtest system structure diagram

圖2 為微泵實(shí)物照片，壓電梁和微針共同組成致動(dòng)器單元。測(cè)試流體為加有藍(lán)色染料的5%DMSO 溶液，方便觀察微針的下壓狀態(tài)。圖3 為微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖，微流控芯片由具有微管道結(jié)構(gòu)（管道高度為60 μm）的PDMS 層（層厚300 μm）和載玻片鍵合而成。圖4 為微流控芯片尺寸示意圖，P1，P2，P3，P4，P5分別表示5 根微針，其直徑與圓腔相同，d=1 mm；為保證各壓電梁運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)產(chǎn)生干涉，微腔圓心距l(xiāng)=5 mm。

圖2 微泵實(shí)物圖Fig.2 Photo of micropump

圖3 微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of microfluidic chip structure

圖4 微流控芯片尺寸示意圖Fig.4 Schematic diagram of microfluidic chip structure

1.2 微流控芯片加工工藝流程

微流控芯片結(jié)構(gòu)由具有微管道結(jié)構(gòu)的PDMS層和載玻片兩部分組成，如圖5所示。PDMS 層的制備工藝如下：①使用SU8-2025 光刻膠進(jìn)行光刻圖形化加工，得到交聯(lián)SU-8 結(jié)構(gòu)，最后顯影形成60 μm 厚的微管道模具，如圖5（b）（需要注意由于交聯(lián)狀SU-8 內(nèi)應(yīng)力很大，可能導(dǎo)致基底彎曲變形和膠體開裂，所以在光刻加工過程中必須緩慢加熱及冷卻）；②將混合脫氣后的PDMS（Dow Corning SYLGARD184）預(yù)聚物懸涂在模具上，使用勻膠機(jī)以slope 5 s，400 r/30 s 的參數(shù)進(jìn)行勻膠，如圖5（c）所示；③將樣品放進(jìn)65℃的烘箱固化2h 后揭下PDMS層，得到厚度約300 μm的具有微管道結(jié)構(gòu)的PDMS層；④將PDMS 層置于等離子清洗機(jī)（Mingheng PDC-MG）中進(jìn)行氧等離子體處理，而后與載玻片鍵合，并放入65 ℃烘箱中加熱30 min，完成芯片制備。

圖5 芯片加工工藝圖Fig.5 Manufacturing process of the microfluidic chip

2 五腔室微泵工作原理

2.1 驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)控制電路如圖6所示，包含單片機(jī)、串口通信電路、穩(wěn)壓電路以及壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路。

圖6 電路原理框圖Fig.6 Schematic of circuit

微泵控制電路的工作過程如下：系統(tǒng)供電后，電腦通過串口通信電路發(fā)送指令到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收到的指令控制相應(yīng)的I/O 口產(chǎn)生一定時(shí)序的方波信號(hào)。再由方波信號(hào)控制基于MOS 管的開關(guān)電路的通斷，最終產(chǎn)生幅值大小與開關(guān)電源供電電壓相同的時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)控制壓電致動(dòng)器。

2.2 微泵工作模式

該測(cè)量裝置以測(cè)量五腔室微泵反向截止壓強(qiáng)和流量為目的，由單片機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)控制，微針安裝在每根壓電彎曲致動(dòng)片前端，每個(gè)微針對(duì)應(yīng)有一個(gè)PDMS 管道微腔。當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器后，致動(dòng)器產(chǎn)生的形變使微針沖擊對(duì)應(yīng)的管道微腔，管道微腔內(nèi)的液體受到擠壓從而在管道內(nèi)形成定向運(yùn)輸。

五腔室壓電蠕動(dòng)微泵各壓電致動(dòng)器電信號(hào)波形圖如圖7所示，1 表示壓電致動(dòng)器通電，0 表示斷電，5 根壓電彎曲致動(dòng)片分別被電信號(hào)驅(qū)動(dòng)，整個(gè)周期完成10 步動(dòng)作。工作模式如圖8所示。

圖7 蠕動(dòng)微泵壓電致動(dòng)器波形圖Fig.7 Electrical waveform of peristaltic micropump each piezoelectric actuator

圖8 蠕動(dòng)微泵壓電致動(dòng)器工作時(shí)序圖Fig.8 Working sequence diagram of peristaltic micropump piezoelectric actuator

反向截止壓強(qiáng)測(cè)試流程如下：①設(shè)定壓電致動(dòng)器工作模式，驅(qū)動(dòng)電壓和頻率，驅(qū)動(dòng)微泵工作；②通過CCD 觀測(cè)出口液面高度變化，調(diào)整恒壓氣泵的輸出壓強(qiáng)直至液面高度不變，此時(shí)氣泵所示的壓強(qiáng)大小即為該泵在這一致動(dòng)器工作參數(shù)下的反向截止壓強(qiáng)。

流量測(cè)試流程如下：①將出液口末端敞開與大氣相連；②設(shè)定壓電致動(dòng)器工作模式，驅(qū)動(dòng)電壓和頻率，驅(qū)動(dòng)微泵工作；③記錄一定時(shí)間內(nèi)液面高度變化及所需時(shí)間，通過計(jì)算得出微泵流量。

3 五腔室壓電蠕動(dòng)微泵性能表征

3.1 微泵反向截止壓強(qiáng)測(cè)試

作為流體動(dòng)力源，微泵的最主要性能指標(biāo)為反向截至壓強(qiáng)和流量。下文詳細(xì)探究了不同電壓和頻率對(duì)五腔室微泵性能的調(diào)控。圖9 顯示了五腔室微泵驅(qū)動(dòng)頻率和驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)微泵反向截止壓強(qiáng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同電壓下隨著頻率的增大，反向截止壓強(qiáng)也在隨之增加，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率100 Hz，120 V 時(shí)有最高的反向截止壓強(qiáng)，為12.66 kPa。并且隨著頻率的增加反向截止壓強(qiáng)的增幅在降低，可以預(yù)見隨著頻率增加，反向截止壓強(qiáng)會(huì)收斂到某一個(gè)固定值。在相同驅(qū)動(dòng)頻率下，電壓對(duì)五腔室微泵的反向截止壓強(qiáng)也存在影響，隨著電壓的增加，反向截止壓強(qiáng)隨之增加。

圖9 五腔室微泵和三腔室微泵的反向截止壓強(qiáng)與驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)頻率關(guān)系圖Fig.9 Relationship between backpressure and driving voltage and driving frequency of five-chamber micropump and three-chamber micropump

為研究五腔室微泵與三腔室微泵性能上的差異，本文測(cè)試了在100 V 驅(qū)動(dòng)電壓下，三腔室微泵反向截止壓強(qiáng)隨頻率變化的規(guī)律。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為100 V，工作頻率25 Hz 時(shí)，三腔室微泵由于液體回流較為明顯，反向截止壓強(qiáng)僅為1.37 kPa；而驅(qū)動(dòng)頻率提升至100 Hz 時(shí)，反向截止壓強(qiáng)為3.83 kPa；而在同等條件下五腔室微泵的反向截止壓強(qiáng)分別為3.36 kPa 和7.83 kPa，相比較于三腔室微泵提高了2.4 倍以上。這是因?yàn)橹聞?dòng)器個(gè)數(shù)的增加彌補(bǔ)了三腔室微泵的致動(dòng)器對(duì)微腔的壓緊力不足的情況，減少了液體的回流，因此會(huì)表現(xiàn)出更高的液體運(yùn)輸能力。

3.2 微泵流量測(cè)試

五腔室壓電蠕動(dòng)微泵流量測(cè)試結(jié)果如圖10所示，可以看出流量與驅(qū)動(dòng)頻率呈現(xiàn)正相關(guān)性。這是因?yàn)轭l率越高，同等時(shí)間內(nèi)完成的泵送周期越多，因此流量增加。此外，電壓幅值同樣也會(huì)對(duì)流量產(chǎn)生影響。在頻率為25 Hz 時(shí)，當(dāng)電壓為60 V 時(shí)，微泵流量為0.52 μL/min（8.67 nL/s），當(dāng)電壓為80 V 時(shí)，微泵流量為1.60 μL/min（26.67 nL/s）。當(dāng)電壓繼續(xù)增加至100 V 時(shí)，同一頻率條件下時(shí)，微泵流量增加到3.70 μL/min（61.67 nL/s）。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，通過調(diào)節(jié)電壓可以實(shí)現(xiàn)0.52 μL/min～15.85 μL/min 的流量改變。且電壓越大，流量越大。微泵的最大流量在電壓120 V，頻率100 Hz 時(shí)到達(dá)，為15.85 μL/min。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)殡妷旱拇笮?huì)直接影響到微針的沖程，五腔室每個(gè)腔室沖擊的體積會(huì)對(duì)單周期流量產(chǎn)生直接的影響。

圖10 五腔室微泵和三腔室微泵的流量與驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)頻率關(guān)系圖Fig.10 Influence of driving voltage and driving frequency on the flow of three-chamber micropump and five-chamber micropump

隨后進(jìn)行了流量對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析腔室個(gè)數(shù)的改變對(duì)該種分離式壓電蠕動(dòng)微泵流量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三腔室微泵和五腔室微泵在同一驅(qū)動(dòng)電壓下（100 V），流量均隨驅(qū)動(dòng)頻率的增加而升高。在驅(qū)動(dòng)頻率為25 Hz～100 Hz 之間時(shí)，三腔室微泵的流量調(diào)節(jié)范圍在2.45 μL/min～8.19 μL/min，而五腔室微泵的流量調(diào)節(jié)范圍則在3.70 μL/min～9.45 μL/min。

有文獻(xiàn)表明，微泵腔室個(gè)數(shù)與流量有關(guān)[13]，根據(jù)Banejad 在文中提出的公式[9]，在一個(gè)循環(huán)周期中，理想狀態(tài)下，單根微針的沖擊作用可以使每個(gè)圓柱形腔室內(nèi)液體被完全排出，則在完全理想狀態(tài)下，三腔室微泵單周期排出液體體積為V周期=（n-2）×V圓腔體積，微泵的理想流量為Q理論=V周期×F，其中F為泵的頻率。則V三腔室微泵=V圓腔體積，V五腔室微泵=3V圓腔體積，因此Q三腔室微泵理論=V圓腔體積×F三腔室微泵頻率，Q五腔室微泵理論=3V圓腔體積×F五腔室微泵頻率。但實(shí)際上，在頻率增加時(shí)，受流動(dòng)阻力與流體慣性的影響，實(shí)際輸運(yùn)液體的流量會(huì)小于理想流量。圖9、圖10 中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的橫坐標(biāo)表示單根壓電彎曲致動(dòng)片的驅(qū)動(dòng)頻率，由于三腔室微泵和五腔室微泵的運(yùn)行步數(shù)不同，三腔室采用六步法運(yùn)行，而五腔室微泵采用十步法運(yùn)行，因此微泵的實(shí)際頻率之比為F三腔室微泵頻率∶F五腔室微泵頻率=5∶3；則Q三腔室微泵理論∶Q五腔室微泵理論=5∶9。在理想狀態(tài)下五腔室微泵的流量是三腔室微泵的1.8 倍，略大于實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的1.5 倍，說明腔室數(shù)量增加，上述影響也會(huì)增加。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，腔室個(gè)數(shù)的增加可以在保證流量的前提下，對(duì)反向截止壓強(qiáng)的提升有明顯的效果。對(duì)流體具有更大的輸送能力。

3.3 壓強(qiáng)性能表征

最后對(duì)不同反向截止壓強(qiáng)下的流量變化進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)定為120 V，驅(qū)動(dòng)頻率為100 Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，可以看出，芯片出液口壓強(qiáng)為0 kPa 時(shí)，流量大小為15.854 μL/min（264.2 nL/s），當(dāng)芯片出液口壓強(qiáng)為6 kPa 時(shí)，流量大小為9.93 μL/min（165.5 nL/s），流量隨壓強(qiáng)增大有顯著的減小趨勢(shì)，其最大反向截止壓強(qiáng)約為12.66 kPa。

圖11 流量與反向截止壓強(qiáng)變化關(guān)系圖Fig.11 Relationship between flow rate and backpressure

4 結(jié)語

在不改變驅(qū)動(dòng)電壓和頻率的情況下，本文提出了一種五腔室壓電蠕動(dòng)微泵，并對(duì)其性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)表征。結(jié)果表明腔室個(gè)數(shù)的增加會(huì)對(duì)微泵的反向截止壓強(qiáng)和流量的大小產(chǎn)生影響。并探究了驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)微泵性能的影響規(guī)律，即隨著驅(qū)動(dòng)電壓的提升，微泵的反向截至壓強(qiáng)和流量均會(huì)提升；而隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增加，反向截止壓強(qiáng)和流量同樣也會(huì)隨之增加。該研究結(jié)果對(duì)多腔室壓電蠕動(dòng)微泵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。