按泵类有无运动部件分,可以分为机械式微泵和非机械式微泵。机械式微泵驱动力 较大、响应速度快,是目前应用的主流,但因为有可动部件,结构复杂,存在机械磨损 和泄漏现象,不利于微型化、集成化发展。非机械式微泵将非机械能转变为微流体的动能,没有运动部件,结构简单、流量连续稳定,是目前研究的热点。 (1)机械式微泵 ①压电驱动微泵 压电驱动微泵是基于压电晶体的压电特性驱动薄膜振动从而实现泵送流体的。常见的压电材料有压电片、 PZT压电堆、压电薄膜。压电驱动的优点是结构简单、驱动力大、响应时间短、能耗低、 效率高;其缺点是驱动电压高、振幅小,自吸困难,限制了其应用范围。 ②静电式 静电驱动是指基于库仑力的 原理,在平行的2个极板中,给其中一个固 定极板加上单一极性的电压:在另一个与泵 膜连接的极板上加上交变电压,交替产生该 极板的双向形变,从而实现泵的功能。极板 间的引力,如式(1.3-7)所示。 式中, F 为静电驱动力,V为所加的电压,A为极板的面积x为极板间的距离;ε为介电常数。这种微泵具有低功耗(典型值 1mW) 和较快的响应速度等优点,主要不足 在于其加上较高的电压也只能产生较小的形变,导致最大泵出量很小。国内对于静电式微泵的研究主要集中于理论分析和数值模 拟上。 ③热气动式 热气动微泵具有空气腔和 泵腔2个由泵膜分隔开的腔体,通过对空气加热器和冷却器使空气腔中的气体周期性地 膨胀和收缩,从而使薄膜同时发生周期性的振动,实现泵的功能。加热、冷却导致的气温变化(△T)使空气腔容积产生变化 (△V), 从而引起泵腔中压力的变化(△p), 三者之间的关系可以表示为: (1.3-8) 式中, E 为表示薄膜弹性的体积模量,β为 热膨胀系数,△T 为气体温度的变化,△V/V 为容积的变化比。构成热气动泵体和泵膜的 材料 一 般为玻璃和 PDMS ( 聚 二 甲 基 硅 氧烷)。 ④电磁式 基于洛伦兹力的典型电磁驱动微泵由带有进、出口微阀门的腔体、柔性可变的泵膜、1个永磁体和1套驱动线圈组成。一般永磁体附着于泵膜上,也可以是线 圈附着其上。当交变电流通过线圈产生交变磁场时,就会与永磁体之间相互排斥和吸引,从而产生微泵的动力。平面线圈是微电磁驱 动的研究重点。电磁驱动的优点是输入电压 低、泵膜变形大、频率调节方便、响应快,并且可以远程控制。其缺点是能耗大、电磁材料微加工困难、由于线圈存在难以微型化。 ⑤ 形状记忆合金式 形状记忆合金 (shape memory alloy,SMA) 是一种能够记 忆原有形状的智能合金材料。形状记忆效应 是指 SMA 的2种固态相——高温下的奥氏 体和低温下的马氏体之间的相变而发生的延 展性形变。SMA 微泵正是利用了这种周而复 始的两种固体相的相变作为泵的动力来源。 常见的记忆合金有钛镍合金、金镉合金、铜 锌合金等。SMA 需要的输入功率较大,其响 应速也较慢,效率低,泵膜变形较难控制, 但其具有较大功(率)重(量)比,集驱动、 传动和传感于一身,变形大、输出应力高、 驱动电压低和生物相容性等优点,使得它在 微小型应用领域具有独特的前景。 ⑥ 离子导电聚合片式 与硅、金属等膜片相比,聚合物泵膜可以产生较大的形变,输入功率也更小。 一种最常见的聚合物泵膜材料是离子导电聚合胶片 (ionic conductive polymer film,ICPF),它是由聚合电解质胶 片和胶片两面化学结合的白金导体构成的。白金导体构成了胶片的两极,胶片在外在电 场的作用下会发生阳离子向阴极迁移,同时吸附聚合物中的水分子运动,从而发生阴极 膨胀、阳极收缩的现象。当施加周期性交变 电场时,聚合物泵膜也会发生周期性形变为微泵提供动力。 ⑦ 相变式相变式微泵的执行部件包括加热器、由泵膜分隔开的工作腔和泵腔。加热器工作时使工作腔内的液体汽化,腔内体积增大,从而推动泵膜膨胀,压缩泵腔内的 流体;加热器不工作时,热气体冷凝。工作 腔内体积减小,使得泵膜回缩,从而利用工 作腔内的这种气态和液态的往复转变为微泵 提供动力。 ⑧ 双金属式 铆合在一起的2种不同金属一般具有不同的热膨胀系数,当通过微泵内的加热器对双金属泵膜进行加热时,由于 2种金属的热膨胀程度不同,泵膜就会产生形变。双金属膜可以产生较大的推动力,然而由于常见金属的热膨胀系数都较小。因而双金属膜片的形变较小,响应的速度也不高,并不适用于需要高频振动的应用。 (2)非机械式微泵 ① 磁 流 体 式 磁流体式 (magneto- hydrodynamie,MHD) 微泵通过导电流体与磁场之间的相互作用来获得动力。MHD 是指导电流体在垂直相交的磁场和电场相互 作用而产生的洛伦兹力的驱动下流动。典型 MHD 微泵的结构相对比较简单,除了矩形 微通道之外,微通道的上下两面是用于产生 磁场的极性相反的永磁体,微通道的左右两面是用于产生电场的电极。除了外部提供的电磁场外,还要求所采用的流体应具有1s/m或更高的电导率。总的来说,MHD微泵可以用于具有较高电导率的流体,很多种流体 都满足这一条件,这使得 MHD 微泵可以广泛应用于生物医学领域。 ②电液动力微泵电液动力 (EHD)微泵基本原理是利用流体中带电离子在电场作用下的迁移,从而带动整个流体迁移流动的目的。这种微泵的优点是无阀无活动部件、 结构简单、对微加工工艺要求不高、成本低;但这种微泵对流体的介电性质有特殊要求,只能用于绝缘液体或导电率极低的液体,如乙醇、丙酮、异丙醇等,限制了其应用。按驱动电压类型可分为两种,一种是平行电极间施加直流电压的EHD 泵,另一种是在电极阵列上施加不同相位行波电压的EHD泵。 ③电渗流式电渗流 (electroosmotic)也被称为动电现象。是指在外加电场下电解质溶液由正极向负极移动的过程。这是一种 在微细尺度条件下发生的与电泳类似的现象,但通常情况下电渗流淌度大于组分的电泳淌 度。电渗流微泵无需任何运动部件,如止回阀等,其运作效率较高,流向完全由外加电 场的方向控制,普通廉价的MEMS 技术即可胜任这种微泵的制造。其主要的限制在于需要较高的操作电压,且不能用于非离子溶液。 ④电浸润式 电浸润式微泵利用表面张力来驱动流体运动。微尺度下,表面张力是一种主要作用力,而金属液体的表面张力会因电压改变而变化,在充满电解液的管道中施加电压金属液滴就可以沿着管道运动,推动流体运动。这类微泵具有功耗低,响应快、表面电化学不活泼等优点。 ⑤ 曲面波式曲面波 (flexural planar wave,FPW)微泵是采用超声驱动的。在这种微泵中存在一种称为声冲流 (acoustic streaming) 的现象。即具有一定幅度的声场可以被用来驱动流体。在这类微泵中。由压电晶体驱动器阵列产生声场,即沿一薄板传递的曲面波。这个薄板形成了流通道的一壁, 在该壁与流体之间存在着动力传递。曲面波微泵的工作电压较低,也无需阀门和加热机构,与EHD 微泵相比,对流体的导电率也没有限制。 ⑥电化学式电化学微泵通过电解水产生的气泡向液体提供驱动,电化学微泵主要由电极、微通道、电解水的腔室以及进 出口的阀门等组成,其设计和制造比较简单,并较易于其他微流控系统集成。电化学微泵的主要不足在于其产生的气泡在排出泵的时候可能会引起塌陷效应,气泡也有可能溶解于水,导致不稳定和不可靠的药物释放。 ⑦ 蒸发式蒸发式微泵的原理类似于树木的水分运输系统,这种微泵具有一套控制液体蒸发和对气体吸收的装置。关艳霞等通 过改变蒸发孔的面积或使用风扇调节微泵的流速,在较长时间内提供稳定的μL/min 级液体流速。
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