微振动流的发展泵采用MEMS技术详解.doc

微振动流的发展泵采用MEMS技术 摘要： 在本论文中，我们提出了一种微振动流量泵（微VB），这是一种新型的微型泵。微VFP构造上使用主动式振动阀，由固定在墙壁上的一个微通道和下游的狭缝孔的悬臂状结构构成。狭缝孔被设计成周围的振动阀的流动不对称形，并且有效地产生一个净流的一个方向。与此同时，阀作品作为一个致动器以诱导液体流在微通道。由于阀是由柔性材料，其包括磁性颗粒，它是由从微VFP外改变磁场操纵。这种设计使微的VFP外部操作不存在任何电气或机械的连接。此外，微VFP，它体现了与一个腔室泵送自由设计性，使其便于在小空间实现。为了证明其基本泵送性能，原型微VFP在制作在微通道240微米×500微米的一个横截面采用了微机电系统技术，机阀的振动特性使用高速摄像进行了调查。泵的性能在5到25赫兹的范围内的各种致动的频率，通过测量静水压头和流率进行评价。所提出的微VFP设计表现出驱动频率性能的提高并且具有3.8±0.4 Pa的最大关闭压力和在25赫兹内，0.38±0.02微升/分钟的最大流量。此外，为了阐明的详细泵送过程中，围绕振动阀的流动特性，通过分析基于微米分辨率的粒子图像测速（微PIV）的速度场进行了调查。流体静压测量的有效性通过比较体积流速与从微PIV数据估计证实。本研究揭示了开发微VFP的基本性能。 关键词：微泵，振动流泵，阀，微机电系统，微PIV 介绍 许多技术用于微型生化分析系统，被称为微型全分析系统（曼茨等人1990）或芯片实验（Stone等人，2004年），这些已经开发了近十年。在这些系统中，流体输送，混合，生化反应，分离和检测使用少量样本流体和试剂都是自动进行的。通过微通道导致反应的均匀性的限制效应。因此，这些系统具有许多有利的特征，例如减小的分析时间，总成本，和患者的疼痛。为了可靠和完全自动化的系统的发展，各种微型泵是一个关键的技术用于开发在高压下输送流体通过横截面非常小的微通道，水头损失，已经提出了（彼得2005）。先前的微型泵可大致分为两大类：机械泵和非机械泵。第一类通常实现通过使用止回阀，振荡膜或涡轮增压的工作流体抽（面包车门楣等，1988）。第二类通过另一种形式的能量转化为动能增加动力流体。属于这一类的典型泵是微型泵电流体动力（巴特等，1990），电渗微型泵（Liu和1992达斯古普塔），和磁流体泵（张和Lee，2000）。然而，大多数当前的微型泵不满足在一个芯片上的实验室的要求，如在每分钟或更少微升的范围内的小流量的精确控制，因为本微型泵的尺寸相对较大的，或者因为缺乏稳定的泵送机构。 振动流量泵（VFP），目前是一个宏观的泵，首次由桥本龙太郎等人提出了。 （1994）。其中的VFP的工作原理是通过振动在其一侧的阀管的液体柱以提供动能。VFP有许多有利的功能，如简单的结构泵送性能，自吸式，和可控性。因为上述优点在机械和化学工程的各个工业领域中VFP已经得到极大的重视，。此外，VFP已被认为是一个合适的机构，用于人造器官左心室中的的辅助装置（LVAD）（Yambe等人，2003; Kawano等人，2001; Shintaku等人2010）。因为VFP可以稳定地用不同频率产生振荡流。小型化的VFP，其实是毫米级泵，由河野等人提出。并提出用作一个增压泵在临床应用中的外部分流导管（Kawano等人，2003; Kato等人，2003）。但是，应用VFP的微流体系统需要进一步的小型化。 另外，在本研究中，我们已经开发出一种微VFP制成由微机电系统（MEMS）技术（Shintaku等人，2007，2008; Inaoka等人2011），为了使VFP应用于微型全分析系统的芯片上的应用或实验室。在对比宏观尺度的VFP的管振动，我们采用了微VFP阀门的振动。该变形，振动薄板阀代替管，其一侧固定到通道壁，有助于在尺寸和功率消耗的显着降低。这种新颖的泵主要由一个振动阀制成聚二甲基硅氧烷（PDMS），其中包括磁性粒子从泵外面操纵阀门的发展的实现。该泵送性能通过测量在各种驱动频率下产生的静水压头的影响。此外，在微VFP的流体动力学通过基于微米分辨率的粒子图像测速（微PIV）的非接触流观测得以实现。微VFP可精确控制流率在0.07±0.02的范围内，以0.38±0.02微升/分钟的速度。因此，微VFP在少量流体的精确控制的应用中，例如单分子研究中使用有用（Perkins等人，1995; Nagahiro等人2007;花笑等人2008;土井等人2010） 。最大压力是3.8±0.4帕，通过微缩放通道输送液体，这是足够高的。这里所获得的结果是提供在微VFP的泵送性能的基本理解。 微VFP结构 图1a是微VFP的示意图和泵送操作的概念。微VFP由一个悬臂状振动阀和下游的狭缝孔组成。上游和下游之间的阀门的不对称振动的