《NPE》新篇預(yù)告：基于3D打印的槳葉驅(qū)動流體并應(yīng)用于微泵

來源：納米技術(shù)與精密工程

內(nèi)容概要
針對傳統(tǒng)的機(jī)械位移式微泵驅(qū)動電壓高、功耗大、位移小等缺陷，上海交通大學(xué)微米/納米加工國家重點實驗室丁桂甫教授課題組唐智勇等提出了一種基于振動微槳葉的主動式微泵工作機(jī)制。不同于傳統(tǒng)的基于薄膜的微泵工作原理，這種新式的微泵將微結(jié)構(gòu)引入到微泵體系內(nèi)，在外界振動源的驅(qū)動下微結(jié)構(gòu)可以發(fā)生運(yùn)動從而可以主動地定向驅(qū)動流體。作者從理論分析、模型仿真和實驗等多個角度分析了這種新的工作機(jī)制的可行性。基于COMSOL仿真，展現(xiàn)了微泵定向驅(qū)動流體的能力，證明了這種原理的理論可行性。同時研究了結(jié)構(gòu)效應(yīng)和尺寸效應(yīng)對微泵驅(qū)動性能的影響。最后采用3D打印工藝一體成型微泵，直接用于性能測試。從實驗上證明了基于振動微槳葉操縱微流體這一全新機(jī)制。這種可以運(yùn)動的微槳葉為操縱流體提供了更多的可能。

本文亮點
1、創(chuàng)新的將振動微結(jié)構(gòu)引入到微泵系統(tǒng)內(nèi)，微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對流體的直接驅(qū)動；
2、3D打印工藝引入到加工工藝中，實現(xiàn)了微泵的一次成型，極大的降低了產(chǎn)品的研發(fā)周期和制造時間。
3、采用微馬達(dá)作為直接的驅(qū)動源，可以在極低功耗和電壓下驅(qū)動微泵工作。

本文結(jié)論
1、通過COMSOL仿真，論證了定向驅(qū)動流體的能力。如圖1，V型槳葉可 以定向操縱流體前進(jìn)。
2、對3D打印的原型微泵進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2。測試結(jié)果表面微泵可以定向驅(qū)動流體以及槳葉結(jié)構(gòu)多微泵性能的影響。
3、利用高度攝影對微泵具體的工作過程進(jìn)行檢測，如圖3所示。觀察出不同區(qū)域流體的運(yùn)動軌跡以及結(jié)構(gòu)對流體的定向驅(qū)動效應(yīng)。

Fig.1 Simulation pictures of microfluid flowat different times in a cycle when f = 50 Hz and A = 100 μm: (a) t = 0 T; (b) t= 0.25 T; (c) t = 0.5 T; (d) t = 0.75 T; (e) t = 1 T; (f–j) Pressuredistribution corresponding to a–e state.

Fig.2 Flow rate testing result of the prototype pump with eight different paddlestructures.

背景簡介
微流體系統(tǒng)是指在微觀尺寸下控制、操作和檢測復(fù)雜流體的系統(tǒng)，是基于微電子、微機(jī)械、生物工程、納米技術(shù)發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科。微流體系統(tǒng)的功能實現(xiàn)依賴于它所集成的功能部件，如微泵、微閥、微混合器、微反應(yīng)器、微檢測器、微傳感器。而操作流體是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，這就依賴于微泵。因為微泵具有樣品損耗低、分析時間短、高流量和可集成制造的優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)分析/傳感、藥物傳輸、分子分離、微電子冷卻和動態(tài)環(huán)境檢測領(lǐng)域。

按照工作原理區(qū)分，可分為機(jī)械泵和非機(jī)械泵。機(jī)械泵往往是依賴可動部件來驅(qū)動流體，而非機(jī)械泵是依靠電動力、磁動力、靜電力、電熱這些非機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動力來驅(qū)動流體。機(jī)械泵可驅(qū)動任意種類的液體，但工作狀態(tài)不夠穩(wěn)定；非機(jī)械泵不需要活動部件，性能穩(wěn)定，具有較好的流速放大和方向轉(zhuǎn)換能力；當(dāng)電流經(jīng)過液體時，有些情況下會產(chǎn)生焦耳熱，易形成電極氣體；對溶液酸堿度和離子濃度有較高的依賴性，因而在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用受到限制，而且響應(yīng)慢。理想的可實際使用的微泵往往要求低能耗、易集成、易控制、驅(qū)動力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等特性。