微流動系統(tǒng)的研究與應用

微流動系統(tǒng)的研究與應用

1微流系統(tǒng)的應用前景微流動系統(tǒng)是微機械系統(tǒng)的一個重要分支。由于它具有尺寸微小,無效體積小,功耗低,控制精度高,響應速度快等特點,且加工、鍵合工藝與集成電路兼容,容易實現(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,使得這種微型化、集成化的微流動系統(tǒng)在微量化學分析與檢測,微量液體或氣體配給,打印機噴墨陣列,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)星的推進等領域有著廣闊的應用前景,微流動系統(tǒng)是當前國內外研究的重點和熱點。目前微流動系統(tǒng)應用最廣泛的領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),主要以分析化學和生物化學為基礎,以微細加工和微電子技術為依托,以微流動系統(tǒng)為支撐,把整個化驗室的功能,包括采樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等集成在一個只有幾平方厘米的基片上。與常規(guī)的化學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,縮短檢測時間,操作更簡單方便,能耗低,效率高,結果更可靠。它具有系統(tǒng)集成化,操作自動化以及數(shù)據(jù)獲取和分析智能化的特點。因此微流體芯片在新型藥物開發(fā)、高通量藥物篩選、農作物優(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域有著廣闊的應用前景和巨大的市場潛力。微流動系統(tǒng)主要包括微流量驅動與控制器件(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)。本文對當前國內外微流動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行綜述和分析。2微管道流體特性由于微流動系統(tǒng)的特征尺度接近微米量級,其流動特性與宏觀流體的流動規(guī)律相比,發(fā)生了很大變化。鐘映春等對微流體力學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行了探討;Pfahler等人通過研究認為,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阻力進行了研究;李戰(zhàn)華等人對非極性小分子有機液體在微管道中的流量特性進行了研究,認為非極性的、分子尺度小于納米量級的有機液體,在微米尺度管道中的流量特性規(guī)律仍符合連續(xù)介質假設的經典流體力學模型;Mala等用水在氧化硅和不銹鋼材料制成的圓管內進行流動實驗,結果表明了微尺度效應的存在,使得流量-壓力特性與經典理論有偏差;唐學林等對微型泵內液體流動的現(xiàn)代分子動力學模型進行了研究;李勇等對微管道流體的流動特性進行了研究;凌智勇等對影響微流動的尺度效應、表面力、氣泡、相對表面粗糙度等因素進行了分析;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行了探討;馮焱穎等認為,液體微流動與氣體不同。由于液體單位體積內包含有足夠多的分子,可以看作是連續(xù)介質。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;除了一些個別的情況,如液體在固體基底上的擴展和聚合物的熔融物從毛細管的擠出,無滑移邊界條件在大多數(shù)液體微流動中是適用的。所以,一般情況下,液體微流動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測。而且,液體微流動一般為低雷諾數(shù)的層流。等等。所有這些研究都為不同工作機理的微流體器件的建模、仿真和優(yōu)化設計奠定了理論基礎。3雙金屬鋁硅薄膜驅動微泵和壓力流體傳感器國內如謝海波等研制出帶有收縮和擴張進出口的無閥型微泵,并進行了流場的動態(tài)仿真和實驗研究。王沫然等研制出相變型熱驅動微泵,并進行了理論分析和實驗研究;龐江濤等研制出基于雙金屬鋁硅(Al/Si)薄膜驅動微泵和壓力流體傳感器;徐東等研制出形狀記憶合金微泵;國外在微流動器件方面的研究起步比較早,已研制出的微流動器件包括微型薄膜泵,熱氣驅動微泵,靜電驅動微泵,壓電式微泵,單向無閥微泵,雙向無閥微泵,熱驅動主動式微閥,靜電驅動主動式微閥,壓電主動式微閥,形狀記憶合金主動式微閥,懸臂被動式微閥,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控制系統(tǒng)隨著人們對微流動系統(tǒng)領域各個獨立器件(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系統(tǒng)需求的日益增加,對微流動系統(tǒng)的研究就成為熱點之一。微流動系統(tǒng)按器件組合的方式不同,可以分為組合式和單片式兩種。組合式微流動系統(tǒng)主要是指將系統(tǒng)所需要的各器件獨立加工,然后再簡單地用精密機械方法組成一個整體。如龐江濤等研制出了一種硅集成微型泵系統(tǒng),該系統(tǒng)為三片式結構,其中兩片由體硅加工技術形成,構成微止回閥門。另一片為集成鋁硅雙金屬驅動結構,在驅動結構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)驅動微泵/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。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。所以這種單片集成式微流動系統(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)),經過各自的熱氣驅動微泵流出,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動微泵動作,最終達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,設計了一種新型的集成微流動系統(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等將壓力片驅動的微泵與壓阻傳感器集成后,也形成了類似的微流動系統(tǒng)。5微流動系統(tǒng)的仿真一直以來對微流動器件以及微流動系統(tǒng)的研究基本上是采用單件設計,單件樣機制造,單件反復實驗以檢驗設計的正確性的方法,并取得了一些成果。但是這種研究方法耗時、費力、成本高、設計制造周期長,不利于新系統(tǒng)、新器件的高效研制與開發(fā),制約了微流體驅動與控制系統(tǒng)實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計方法,以提高微流動系統(tǒng)的建模、仿真和設計水平。微流動系統(tǒng)的建模、仿真和優(yōu)化設計,即是通過計算機模仿真實的物理系統(tǒng),使設計者能夠在器件和系統(tǒng)尚未制造時就可以了解所設計的微流動系統(tǒng)的性能如何。在設計階段通過對系統(tǒng)建模和仿真研究,可以對設計的每個環(huán)節(jié)進行比較、分析和論證,檢驗設計是否合理,防止出現(xiàn)意想不到的錯誤,并在此基礎上對器件和系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。這就可以縮短研制周期,節(jié)約研究經費,提高產品質量。開展對微流體芯片微流動系統(tǒng)進行建模、仿真和優(yōu)化設計的研究是微流體系統(tǒng)的研究趨勢之一。微流動系統(tǒng)不是傳統(tǒng)的流體驅動與控制系統(tǒng)簡單的幾何縮小,當結構尺寸達到微米以后,兩者在建模和仿真上存在很大差別。主要體現(xiàn)在以下幾個方面:多能量域耦合所帶來的多學科交叉滲透。由于微流體的致動方式有:電磁致動、靜電致動、壓電致動、形狀記憶合金致動、熱致動、化學反應致動、表面張力致動、離心力致動等。各種物理場如機械、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雜性;尺度效應所引起的作用力的變化。當尺度減小時,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,表面力成為微流動系統(tǒng)中摩擦力的主要來源;材料特性的變化。當材料尺寸小到一定程度時,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,如抗拉強度,斷裂韌性和殘余應力等均有變化。對于宏觀力學系統(tǒng),經典的牛頓力學和流體力學理論是建立微流動系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎。由于特征長度微小化產生的尺度效應,使得微流動系統(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,經典的牛頓力學和流體力學理論仍然是建立仿真模型的依據(jù)。就目前的技術水平而言,已有的微流動系統(tǒng)還是屬于微米級和毫米級的,因此,建立在經典牛頓力學和流體力學基礎上的動力學模型仍占有主導地位。由于微流動系統(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物理場建立高效準確的模型,以及各個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)化模塊組成一個和原系統(tǒng)等效的模型系統(tǒng)。然后將這個模型系統(tǒng)送入仿真求解器中進行求解。最后對仿真結果進行分析比較,適當修改參數(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系統(tǒng),仿真結果存在較大誤差。能量耦合法是基于Lagrangian方程。在這種方法中,動能和機械變形能代表機械結構的動力學特性,使用動力學特性把運動學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。功率鍵合圖是復雜的多能域耦合系統(tǒng)動力學建模和仿真的有利工