微流動(dòng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

微流動(dòng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

1微流系統(tǒng)的應(yīng)用前景微流動(dòng)系統(tǒng)是微機(jī)械系統(tǒng)的一個(gè)重要分支。由于它具有尺寸微小,無效體積小,功耗低,控制精度高,響應(yīng)速度快等特點(diǎn),且加工、鍵合工藝與集成電路兼容,容易實(shí)現(xiàn)微泵、微閥、微流量傳感器等流體器件與控制電路的集成,有利于批量生產(chǎn),使得這種微型化、集成化的微流動(dòng)系統(tǒng)在微量化學(xué)分析與檢測,微量液體或氣體配給,打印機(jī)噴墨陣列,集成電路芯片的散熱與冷卻,微型部件的潤滑,藥物的微量注射,微小衛(wèi)星的推進(jìn)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,微流動(dòng)系統(tǒng)是當(dāng)前國內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前微流動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一就是微流體芯片或稱微全分析系統(tǒng)。微流體芯片系統(tǒng),主要以分析化學(xué)和生物化學(xué)為基礎(chǔ),以微細(xì)加工和微電子技術(shù)為依托,以微流動(dòng)系統(tǒng)為支撐,把整個(gè)化驗(yàn)室的功能,包括采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測等集成在一個(gè)只有幾平方厘米的基片上。與常規(guī)的化學(xué)分析方法和手段相比,微流體芯片可以大大地降低試劑(樣品)的消耗量,縮短檢測時(shí)間,操作更簡單方便,能耗低,效率高,結(jié)果更可靠。它具有系統(tǒng)集成化,操作自動(dòng)化以及數(shù)據(jù)獲取和分析智能化的特點(diǎn)。因此微流體芯片在新型藥物開發(fā)、高通量藥物篩選、農(nóng)作物優(yōu)育優(yōu)選、疾病診斷和治療、食品衛(wèi)生監(jiān)督、環(huán)境檢測、司法鑒定、以及國防安全和航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。微流動(dòng)系統(tǒng)主要包括微流量驅(qū)動(dòng)與控制器件(如微泵、微閥、微流量傳感器等),微型控制電路以及其他輔助器件(如微節(jié)流器、微噴嘴、微通道、微混合器等)。本文對當(dāng)前國內(nèi)外微流動(dòng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述和分析。2微管道流體特性由于微流動(dòng)系統(tǒng)的特征尺度接近微米量級,其流動(dòng)特性與宏觀流體的流動(dòng)規(guī)律相比,發(fā)生了很大變化。鐘映春等對微流體力學(xué)中的固體邊界和邊界層滑移問題,層流與湍流的界定問題,表面張力特性問題,流體粘度特性問題等進(jìn)行了探討;Pfahler等人通過研究認(rèn)為,在不同的微管道直徑下,微流體與固體邊界有不同的摩擦系數(shù);Stemme等人對極性流體和非極性流體的流動(dòng)阻力進(jìn)行了研究;李戰(zhàn)華等人對非極性小分子有機(jī)液體在微管道中的流量特性進(jìn)行了研究,認(rèn)為非極性的、分子尺度小于納米量級的有機(jī)液體,在微米尺度管道中的流量特性規(guī)律仍符合連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的經(jīng)典流體力學(xué)模型;Mala等用水在氧化硅和不銹鋼材料制成的圓管內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明了微尺度效應(yīng)的存在,使得流量-壓力特性與經(jīng)典理論有偏差;唐學(xué)林等對微型泵內(nèi)液體流動(dòng)的現(xiàn)代分子動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了研究;李勇等對微管道流體的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究;凌智勇等對影響微流動(dòng)的尺度效應(yīng)、表面力、氣泡、相對表面粗糙度等因素進(jìn)行了分析;姜成山等對微流體器件中的速度滑移和溫度跳變邊界條件進(jìn)行了探討;馮焱穎等認(rèn)為,液體微流動(dòng)與氣體不同。由于液體單位體積內(nèi)包含有足夠多的分子,可以看作是連續(xù)介質(zhì)。并且液體的分子距接近分子的直徑,可以把液體仍然看作是不可壓縮的;除了一些個(gè)別的情況,如液體在固體基底上的擴(kuò)展和聚合物的熔融物從毛細(xì)管的擠出,無滑移邊界條件在大多數(shù)液體微流動(dòng)中是適用的。所以,一般情況下,液體微流動(dòng)的行為利用無滑移邊界條件的Navier-Stokes方程仍然可以精確地預(yù)測。而且,液體微流動(dòng)一般為低雷諾數(shù)的層流。等等。所有這些研究都為不同工作機(jī)理的微流體器件的建模、仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。3雙金屬鋁硅薄膜驅(qū)動(dòng)微泵和壓力流體傳感器國內(nèi)如謝海波等研制出帶有收縮和擴(kuò)張進(jìn)出口的無閥型微泵,并進(jìn)行了流場的動(dòng)態(tài)仿真和實(shí)驗(yàn)研究。王沫然等研制出相變型熱驅(qū)動(dòng)微泵,并進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究;龐江濤等研制出基于雙金屬鋁硅(Al/Si)薄膜驅(qū)動(dòng)微泵和壓力流體傳感器;徐東等研制出形狀記憶合金微泵;國外在微流動(dòng)器件方面的研究起步比較早,已研制出的微流動(dòng)器件包括微型薄膜泵,熱氣驅(qū)動(dòng)微泵,靜電驅(qū)動(dòng)微泵,壓電式微泵,單向無閥微泵,雙向無閥微泵,熱驅(qū)動(dòng)主動(dòng)式微閥,靜電驅(qū)動(dòng)主動(dòng)式微閥,壓電主動(dòng)式微閥,形狀記憶合金主動(dòng)式微閥,懸臂被動(dòng)式微閥,熱損式流體傳感器,熱分布式流體傳感器,微傳熱式流體傳感器,熱行程式流體傳感器,壓力式流體傳感器等。4微流感器集成微流動(dòng)控制系統(tǒng)隨著人們對微流動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域各個(gè)獨(dú)立器件(如微泵、微閥、微流體傳感器),微流體通道等研究的日趨深入,以及市場對高精度微流動(dòng)系統(tǒng)需求的日益增加,對微流動(dòng)系統(tǒng)的研究就成為熱點(diǎn)之一。微流動(dòng)系統(tǒng)按器件組合的方式不同,可以分為組合式和單片式兩種。組合式微流動(dòng)系統(tǒng)主要是指將系統(tǒng)所需要的各器件獨(dú)立加工,然后再簡單地用精密機(jī)械方法組成一個(gè)整體。如龐江濤等研制出了一種硅集成微型泵系統(tǒng),該系統(tǒng)為三片式結(jié)構(gòu),其中兩片由體硅加工技術(shù)形成,構(gòu)成微止回閥門。另一片為集成鋁硅雙金屬驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上集成了微流量傳感器和信號處理電路;德國的Nguyen等研制的便攜式微劑量系統(tǒng),采用的就是這種方式。該系統(tǒng)主要包括硅壓電(靜電)驅(qū)動(dòng)微泵/閥芯片,硅流體傳感器。各器件間主要依靠銷、釘、粘合劑來組裝連接;德國的Roβberg等研制的便攜式微藥劑注射系統(tǒng)也屬于這種類型。這種系統(tǒng)的集成度相對較低,裝配難度較大,不便于大批量生產(chǎn)。單片集成式微流體系統(tǒng)是將微泵、微閥、微傳感器及其他輔助器件(如微通道、過濾器、混合器等)采用微加工方法集成在同一基片上,以獲得一整體性芯片器件。集成式微流體系統(tǒng)由于其加工鍵合工藝與集成電路工藝兼容,容易實(shí)現(xiàn)微泵、微閥、微傳感器等微流體器件與控制電路的集成,有利于批量生產(chǎn)。所以這種單片集成式微流動(dòng)系統(tǒng)是研究的主流。荷蘭Lammerink等研制的基于混合電路板的氨水集成分析系統(tǒng),既是典型的單片集成式微流動(dòng)控制系統(tǒng)。其上層集成微流體器件(微泵、微閥、微流體傳感器)、微流體通道,下層為控制電路。不同的流體通過各自的入口(微閥或過濾網(wǎng)),經(jīng)過各自的熱氣驅(qū)動(dòng)微泵流出,其中各自的流量均由其本身的流量傳感器檢測,而后再通過電路控制器驅(qū)動(dòng)微泵動(dòng)作,最終達(dá)到控制各流體流量的目的;新加坡的Zuo等采用特殊的單芯片三維微加工技術(shù),設(shè)計(jì)了一種新型的集成微流動(dòng)系統(tǒng)。該芯片上集成有微泵,帶有壓力傳感器的微閥,溫度傳感器等,而省去了常規(guī)微加工中的基片/芯片鍵合或排列工序;瑞典的Gass等將壓力片驅(qū)動(dòng)的微泵與壓阻傳感器集成后,也形成了類似的微流動(dòng)系統(tǒng)。5微流動(dòng)系統(tǒng)的仿真一直以來對微流動(dòng)器件以及微流動(dòng)系統(tǒng)的研究基本上是采用單件設(shè)計(jì),單件樣機(jī)制造,單件反復(fù)實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性的方法,并取得了一些成果。但是這種研究方法耗時(shí)、費(fèi)力、成本高、設(shè)計(jì)制造周期長,不利于新系統(tǒng)、新器件的高效研制與開發(fā),制約了微流體驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)實(shí)用化和快速走向市場。因此迫切需要建立一套微尺度下的設(shè)計(jì)方法,以提高微流動(dòng)系統(tǒng)的建模、仿真和設(shè)計(jì)水平。微流動(dòng)系統(tǒng)的建模、仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì),即是通過計(jì)算機(jī)模仿真實(shí)的物理系統(tǒng),使設(shè)計(jì)者能夠在器件和系統(tǒng)尚未制造時(shí)就可以了解所設(shè)計(jì)的微流動(dòng)系統(tǒng)的性能如何。在設(shè)計(jì)階段通過對系統(tǒng)建模和仿真研究,可以對設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行比較、分析和論證,檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理,防止出現(xiàn)意想不到的錯(cuò)誤,并在此基礎(chǔ)上對器件和系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這就可以縮短研制周期,節(jié)約研究經(jīng)費(fèi),提高產(chǎn)品質(zhì)量。開展對微流體芯片微流動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究是微流體系統(tǒng)的研究趨勢之一。微流動(dòng)系統(tǒng)不是傳統(tǒng)的流體驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)簡單的幾何縮小,當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到微米以后,兩者在建模和仿真上存在很大差別。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:多能量域耦合所帶來的多學(xué)科交叉滲透。由于微流體的致動(dòng)方式有:電磁致動(dòng)、靜電致動(dòng)、壓電致動(dòng)、形狀記憶合金致動(dòng)、熱致動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)致動(dòng)、表面張力致動(dòng)、離心力致動(dòng)等。各種物理場如機(jī)械、流體、電子、熱、光、磁等相互作用,形成力-電-磁-熱等耦合的非線性系統(tǒng),增加了建模和仿真的復(fù)雜性;尺度效應(yīng)所引起的作用力的變化。當(dāng)尺度減小時(shí),微流體器件的表面積與體積之比大大增加,與體積力相比,表面力起主要作用,表面力成為微流動(dòng)系統(tǒng)中摩擦力的主要來源;材料特性的變化。當(dāng)材料尺寸小到一定程度時(shí),就會出現(xiàn)與大尺寸材料截然不同的性能。又由于制備方法的不同,還會引起材料性能的差異,如抗拉強(qiáng)度,斷裂韌性和殘余應(yīng)力等均有變化。對于宏觀力學(xué)系統(tǒng),經(jīng)典的牛頓力學(xué)和流體力學(xué)理論是建立微流動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。由于特征長度微小化產(chǎn)生的尺度效應(yīng),使得微流動(dòng)系統(tǒng)中的慣性作用相對較弱。但是對于微米級和毫米級的微系統(tǒng)來說,經(jīng)典的牛頓力學(xué)和流體力學(xué)理論仍然是建立仿真模型的依據(jù)。就目前的技術(shù)水平而言,已有的微流動(dòng)系統(tǒng)還是屬于微米級和毫米級的,因此,建立在經(jīng)典牛頓力學(xué)和流體力學(xué)基礎(chǔ)上的動(dòng)力學(xué)模型仍占有主導(dǎo)地位。由于微流動(dòng)系統(tǒng)的多能量域的耦合特性,其仿真遇到的最大困難是如何為每個(gè)物理場建立高效準(zhǔn)確的模型,以及各個(gè)物理場之間的正確耦合。系統(tǒng)級仿真通常用以下兩種方法:相似等效法和能量耦合法。相似等效法的基本思想是:首先是從真實(shí)的物理系統(tǒng)中提取一系列參數(shù)化模塊,由這些參數(shù)化模塊組成一個(gè)和原系統(tǒng)等效的模型系統(tǒng)。然后將這個(gè)模型系統(tǒng)送入仿真求解器中進(jìn)行求解。最后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較,適當(dāng)修改參數(shù),再送入求解器中重新求解,使參數(shù)化模型盡可能真實(shí)反映原物理系統(tǒng)。相似等效法建模簡單,求解速度快,但是由于建立的參數(shù)化模型往往不能很好地逼近真實(shí)系統(tǒng),仿真結(jié)果存在較大誤差。能量耦合法是基于Lagrangian方程。在這種方法中,動(dòng)能和機(jī)械變形能代表機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性,使用動(dòng)力學(xué)特性把運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和保守能量域耦合起來,而使用廣義力耦合非保守能量場,通過電勢能把機(jī)械和電場能量域耦合起來。但這種方法建模困難,求解速度慢。功率鍵合圖是復(fù)雜的多能域耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模和仿真的有利工