玻璃-PDMS复合微流控芯片上气动微泵的研制与性能分析

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1、晰汪土学碛士学挂论文第一章绪论§1．1微流控分析系统(灯AS)简介当今的科技发展迅速，可以说是日新月异，分析化学——作为研究物质组成与结构的科学，现代科学技术的眼睛——化学、生命、信息、材料、环境等各类科学研究更是对它提出了更高的要求。其中之一就是要求分析测试过程达到快速化和自动化、分析仪器设备实现微型化和廉价化。为此，瑞士化学家Manz和Widmertl】在1990年首次提出了“微型全化学分析系统(Mmiaturmedtotalchemicalanalysissystem，Ir_TAs)”的概念。目的是通过化学分析设备的微缩，最大

2、限度地把采样、稀释、加试剂、混合、反应、分离、检测分析等实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到平方厘米级的芯片上，因此目前也被人们称之为芯片上的实验室f2,31(Lab．on-chip)。此As不仅仅只是带来分析设备尺寸上的变化，在分析性能上也带来了诸多优点，表现在：(1)分析的高效率，许多微流控芯片可以在数秒到数十秒的时间内自动完成测定、分离及其它复杂操作。分析及分离的速度高于相对应的宏观方法一至二个数量级。(2)分析的试样与试剂消耗已降低到数微升水平，随着技术的提高有可能会进一步减少。(3)分析部件易集成，并可在此基础上

3、制成功能齐全的便携式仪器。(4)加工芯片的原材料消耗少，成本低。gTAS是一个高度学科交叉的领域，它既依赖于许多分析技术的发展[41，又始终以微加工技术为依托网，同时还需要应用对象(以生命科学为主)的发展与融入【6～。除此以外，材料、电子、流体力学、光学仪器、计算机等科学领域的发展与介入也是们AS取得不断进展的必要条件。晰恤土学嚏士学位格文§1．2灯AS系统中微泵的工作原理及应用§1．2．1微流体驱动系统分类微流控芯片分析系统在结构上的主要特征是各种构型的微通道网络，通过对通道内流体的操控，完成芯片系统的分离分析功能。uTAs操作的

4、核心是对微流体的控制，而研究与微通道相适应的微流体驱动技术是实现微流体控制的前提和基础，没有液体的流动，也就没有流体的控制问题。与其他微流体控制技术相比，微流体驱动具有相对的独立性，已自成体系。微流体驱动系统的分类方式依据不同的要素有许多种【8】。依据驱动系统有无活动的机械部件，可分为机械和非机械驱动系统(泵)。对于机械微泵(机械微流体驱动系统)，按微泵中机械驱动部件的运动方式不同，可分为单向长行程式、往复式、转动式微泵等。目前，在微分析系统中以往复式微泵最为常见。往复式微泵，其组成包括以下部分：一个具有出入通道的微体积泵腔，两通道

5、上分别设置两控制流向的单向阀，泵腔的内壁由往复运动的泵膜组成，如图1．1所示。致动器产生的致动力作用于泵膜，使其发生形变或位移，以驱动泵腔内的流体。其基本工作模式是由致动力的循环往复变化，产生泵膜的往复运动，配合两单向阀的限流作用，形成单向连续流动的液流。因此往复式微泵属于有阀微泵。微机械往复泵图1．1微机械往复泵组成示意图微机械往复泵通常按致动器类型的不同进行分类，包括压电微泵[9--12】、电磁微泵llOJ3]、静电微泵【1扣垌、气动微泵【17l、热气动微泵[18,19]、形状记忆合金微泵120-22]、电化学致动微泵[23,2

6、41等。微机械往复泵中还有一类微泵采用特殊的利用流钎讧太学睡士学位论文体力学原理设计的控制阀，即所谓的“无阀”往复微泵口5捌。此外，微流体机械驱动系统还有两种不同于微机械往复泵的微泵，即离心力【270司和剪切力口9】驱动系统。对于非机械微流体驱动系统的分类，主要依据微驱动系统所用驱动动力的不同进行，通常包括：电渗流体驱动系统[30,311、电流体动力泵[32,331、磁流体动力泵[34,3射、重力驱动系统136]、热气动微泵p71、表面张力微泵网等。§1．2．2微流体机械泵1压电微泵压电微泵是在振动膜上设置有一压电片，通过压电材料的

7、逆压电效应使振动膜周期性振动，提供微泵工作的动力源，使泵腔压力周期性变化，从而引起液体的流动。1988年VanLintel等[91发表的文献报道了一种基于传统压电泵结构，但可实现集成化微加工的微泵，其结构如图1．2所示。该泵的整体结构为玻璃与单晶硅的多层结构，致动的压电部件为圆盘形，由一个薄玻璃片和一个商品化压电晶片组成的双压电晶片元件构成。两个单向阀为悬臂梁型被动阀，阀的加工方法采用阳极键合法实现单晶硅片与玻璃之间的封接。以一个操作单元为例，其具体操作过程是：泵液时，施加电压于压电隔膜，使其产生向下方的形变，造成泵腔内压升高，此时

8、进口阀受泵腔内的压力而关闭，出口阀受泵腔内的压力而开启，泵腔内液体经出口阀被泵出；吸液时，撤除施加电压，压电隔膜弹性回缩，泵腔内压降低，此时进口阀受向泵腔内的噩力而开启，导致外液流经进口阀被吸入泵腔，出口阀则因受向泵腔内的压力而关闭。