苏 波1,王登伟2
(1.首都师范大学物理系,北京 100048; 2.中国科学院微电子研究所,北京 100029)
摘 要:研制了一种新型的电磁驱动式无阀微泵,该微泵利用有机玻璃制作泵腔,采用扩散口/喷口的结构,以PDMS作为振动膜,利用扁平振动电机作为驱动部件。对微泵的振动频率和输出流量进行了测试,结果显示,电压在1·0 V~1·8 V范围内时,微泵的输出流量随着电压的升高而增加,当电压在1·8~3·3 V时,微泵输出的流量保持稳定,达到150μL/min。具有良好的性能和低廉的成本。
关键词:扁平振动电机;无阀微泵; PDMS振动膜;扩散口/喷口
中图分类号: TM359·9 文献标志码: A 文章编号: 1001-6848(2011)04-0023-03
0 引 言
微泵是微流体系统中的动力元件,它的主要功能是产生液体的微量流动。往复振动式微泵是最早被研究的微泵之一,它主要由周期性振动的薄膜和阀片组成。薄膜的往复运动引起腔体体积的变化从而驱动液体的流动。往复式微泵通常包括有阀微泵和无阀微泵。荷兰Twente大学于1983年开始研究有阀微泵,在1988年研制成功了硅基压电驱动的有阀微泵[1],在100 V/1Hz的方波驱动下最高可获得8μL/min的流量。无阀微泵的研究开始于20世纪90年代初期, 1992年,德国的Tichter等人首次提出在微泵设计中采用无阀结构的设想[2]; 1993年,瑞典的E·Stemmed等人成功地采用扩散口/喷口结构制作了微泵[3],微泵尺寸只有几厘米,扩散口/喷口的形状为锥形,可用来输送液体和气体; 1994年,他们研制了第一个硅基无阀微泵,横向尺寸为1 cm,在(100)硅片上采用各向异性腐蚀法腐蚀形成棱锥形扩散口/喷口结构;而后, T·Geriach等人制作出了更小的无阀微泵(7×7×1)mm。
微泵的驱动方式有多种,主要包括:压电式、热气动式、热机械驱动式、静电驱动式以及超声波驱动[4-5]等。其中压电驱动式主要采用压电圆片或者压电双晶片作为驱动器,采用压电圆片作为驱动器,由于压电圆片的振动幅度较小,所以驱动力有限;采用压电双晶片作为驱动器,由于压电双晶片的振动臂较长,制成的微泵体积较大。对于泵腔,很多研究者采用的是MEMS技术以硅基为材料进行制作,这需要特殊的微细加工设备,制作成本较高;另外,对硅材料进行加工时,要用到化学试剂,容易造成环境的污染。对于振动膜,有人采用体硅加工的方法刻蚀出振动膜,由于硅的弹性模量较高(190GPa),竖直方向的形变只能达到十几微米,制成的微泵的驱动力非常有限。同时,硅振动膜的加工成本高且极易破碎,从而使微泵加工费用高,难以获得较高的成品率。与传统的硅振动膜相比,聚二甲基硅氧烷(PDMS)振动膜具有显著地优势[6-7]。本研究采用常规机械加工技术在有机玻璃上加工出微泵泵腔以及扩散口/喷口,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作振动膜,采用扁平振动电机作为驱动器,制成了结构简单,体积小,驱动电压低的无阀微泵。
1 工作原理
图1为无阀微泵的工作原理图。图中
i和0为瞬间通过入口和出口的流量。无阀微泵通过振动膜的形变引起腔体体积变化来驱动流体流动。无阀微泵的扩散口是横截面积在流体流动方向上逐渐扩大的流通通道;喷口是横截面面积在流体流动方向上逐渐缩小的流通通道。无阀微泵工作原理是基于扩散口/喷口所具有的整流特性。如果扩散口/喷口结构设计合理,在同样的压强差驱动下,扩散方向的流量将大于喷口方向的流量。微泵的一个工作周期可以分为“吸取模式”和“压缩模式”,当振动膜向上运动时腔体扩张,微泵进入“吸取模式”(图1(a)),此时入口充当扩散口。而出口充当喷口,其结果是入口(扩散口)流进量大于出口(喷口)的流进量;当振动膜向下移动压缩腔体时,微泵进入“压缩模式”(图1(b))。此时腔体体积减小,微泵的出口充当扩散口,入口充当喷口,结果是出口(扩散口)的流出量大于入口(喷口)的流出量。经过一个工作周期就会使一部分净流量靠腔体振动膜的驱动到达出口侧。
根据经典流体力学,可将扩散口方向和喷口方向的压降分别表示为:
式中,ρ为流体密度;vd为扩散口最窄处的流体速度;vn为喷口最窄处的流体速度(假定两个速度分别是流体流过扩散口和喷口横截面积的速度,为常数);ξd、ξn分别为扩散口和喷口的压强损失系数。由于振动膜在驱动器的作用下产生往复运动,因此无阀微泵的泵腔体积为一个变量,可以将泵腔容积变化量近似表示为:
其中,V0=K0x0,且V0是无阀微泵的腔体体积变化的最大幅度,x0为振动膜中心的最大位移,f为扁平振动电机的工作频率,K0为常数。由此可得腔体中的净流量的变化为:
式中,i和0为瞬间通过入口和出口流入泵腔的流量。根据文献[7]可以得到频率为f的无阀微泵单位时间内流量的近似表达式为:
其中,η=ξn/ξd。从式(5)可看出通过提高喷口与扩散口的压强损失系数比值,提高振动膜的振幅和驱动器振动频率,均可以不同程度地提高无阀微泵的流速。
2 微泵的制作过程
2·1 微泵泵体的制作
微泵泵体上的泵腔和扩散口/喷口都制作在同一块有机玻璃上。首先用铣床在厚度为3mm的有机玻璃上铣一个直径为8 mm,深度为0·5 mm的圆形腔体作为泵腔,然后用直径为0·3mm的钻头在圆形腔体的底部钻两个孔,最后分别以两个钻孔为中心用锥形锉子加工出两个锥形孔作为扩散口和喷口。
2·2 PDMS振动膜制作
本研究采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为振动膜,这是因为PDMS振动膜具有以下优点:①PDMS振动膜的弹性模量仅为0·75MPa,因而在扁平振动电机的驱动下,可以忽略其弹性模量的影响,即认为扁平振动电机的最大位移即为振动膜的最大位移。②PDMS薄膜的加工工艺简单,具有较长的使用寿命。
③PDMS具有良好的延伸性,粘贴、封装时都不易损坏,从而大大降低了封装难度并提高了成品率。
PDMS振动膜的具体制作方法如下:首先配制PDMS预聚物,把PDMS基质与固化剂按10: 1的质量比混合,均匀搅拌后放在抽气机中脱气处理1 h,以防止制成的PDMS膜中产生气泡。将PDMS预聚物滴在一块用硅烷试剂处理过的平玻璃上,再将玻璃放在甩胶机上进行旋涂。为得到厚度均匀的胶层,甩胶机需低速启动;启动时控制甩胶机转速600 r/min,约6 s,再加速至1 500 r/min,保持30 s,在平板玻璃上得到一层均匀的PDMS。
2·3 微泵的封装
将PDMS振动膜裁剪成与泵体的大小相一致的尺寸,将扁平振动电机用粘结剂粘结在振动膜中间部位的正上方,由于扁平振动电机的振动幅度比较大,仅靠PDMS与有机玻璃的自然键合,容易产生PDMS振动膜与泵体的脱落,所以, PDMS振动膜与泵体上表面之间也用粘结剂进行粘合。最后,将两个空心的细金属管固定在扩散口/喷口的端面作为入口和出口,实验时,在细金属管上连接橡胶软管便于液体的流入和流出。制成的微泵示意图如图2所示,整个微泵的尺寸为(12×12×6)mm。
3 微泵的性能测试研究
3·1 振动频率测试
本研究采用扁平振动电机作为驱动器,而驱动器的振动频率和输入的直流电压有关。根据厂家的资料,该扁平振动电机的使用电压范围在2·7~3·3V之间,额定工作电压为3·0V,起动电压为2·3V。
而通过实验发现,该振动在0·7 V时即可起动,图3为实测的扁平振动电机频率与电压的关系曲线,从图中可以看出,扁平振动电机的起振电压为0·7 V,所对应的频率为5 Hz,随着电压的增加,振动频率与电压为指数关系,当电压达到1·4 V后,振动频率与电压为线性关系,电压达到3·0 V时,实际测量的频率为138Hz。实验中还发现,驱动电压越大,扁平振动电机的振幅越大;另外,如果扁平振动电机启动后,逐渐降低电压,当电压降低到0·4 V时,电机才停止振动。
3·2 微泵的流量测试
将封装好的微泵的泵腔及管道中事先注入去离子水,采用输出电压可调的开关电源进行微泵的流量测试。由于微泵的流量较小,所以采用液面位移法来间接测量流量。首先,记录出液管中的液面位置,然后开启电源并测量单位时间(比如1min)内出液管中液面前进的距离,最后将液面前进的距离与出液管的横截面积相乘即可得到微泵的流量。为了保证结果的可比较性,实验时,始终保持出液管与容器中的液面水平,保证零背压。
实验时,微泵的初始电压设置在0·7 V,图4给出了微泵的流量和电压的关系,从图中可以看出,在1·0 V~1·8 V范围内,微泵的流量随着电压的升高增加的幅度很大,但是在1·8 V~3·3 V的范围内,微泵的流量的变化趋势非常的小,最大值为150mL/min,这是由于扁平振动电机的振动频率不仅随着振动电压的升高而增加,而且振动的幅度也随电压的升高而增加,当电压达到1·8 V时,微泵的振动幅度已经接近泵腔的深度,腔体的压缩已经接近极限,所以流量变化不显著。
4 结 语
研究了一种新型的电磁驱动式无阀微泵,利用常规机械加工技术在有机玻璃上加工出微泵的腔体和扩散口/喷口,采用聚二甲基硅氧烷作为振动膜,以扁平振动电机作为驱动部件,并研究了微泵的流量与驱动电压的关系。该微泵的结构简单,驱动电压低,具有良好的性能和低廉的成本。微泵上的扩散口/喷口的角度大小对微泵的性能具有一定的影响,目前正在优化设计,以取得最佳的驱动性能。
参考文献
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[2] GerlachT. Microdiffusers asDynamic PassiveValves forMicropumpApplications[J]. Sensors and Actuators, 1998, A69: 181-191.
[3] StemmeE. AValslessDiffuser/nuzzle-based Fluid Pump[J]. Sen-sor and Actuators, 1993, A39: 159-167.
[4] KAN Jun-wu, YNG Zhi-gang, PENG Tai-jiang, et a1. Designand Test of a High Performance PiezoelectricMicropump for DrugDelivery[J]. Sensors and ActuatorsA, 2005, 121(1): 156-161.
[5] 江兴娥,魏守水.行波微流体驱动技术研究[ J].微电机,2005, 38(6): 89-91.
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作者简介:苏 波(1975)男,博士,讲师,主要从事微流体驱动技术的研究。
