负压驱动蠕动微型泵的研究进展

2013年第41卷第 9期 流 体 机 械 33文章编号： 1005—0329(2013)09—0033—04负压驱动蠕动微型泵的研究进展崔建国(重庆理工大学，重庆 400054)摘 要： 基于负压驱动原理研制了一种结构简单的蠕动微型泵。微型泵由3层聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料，构成气路层、驱动薄膜层和流路层，其全部结构均采用激光器加工制作而成，并通过表面等离子体氧化处理技术实现了各PDMS层之间的键合封装。该微型泵具有流速高、回流低、气泡耐受能力强，以及不伤害传送介质的特点。尤为重要的是，连接负压源的气路层通过 PDMS薄膜能有效去除流路中的气泡，这是处理复杂流体样品时所期望的。通过对比前期微型泵的气路通道的流阻、常闭微阀的个数、负压压力和驱动频率等各项参数，获得了其性能参数。在50kPa负压和30Hz驱动频率的条件下，获得的最佳流速为500p．IVmin，这一流速参数可与正压气动型蠕动泵的流动性能相媲美。

关键词： 微型泵；微流体；负压驱动；蠕动中图分类号： TH137．51；TP271 文献标识码 ：A doi：10．3969／j．issn．1005—0329．2013．09．008Research Progress of a Peristaltic M icropump D~ven by Pneumatic PressureCUI Jian·guo(Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)Abstract： Based on vacuum-driven principle，a simple peristaltic micropump is developed．The micropump fabricated by lasermicromachining and plasma bonding of three p01ydimethy1sil0xane(PDMS)layers，includes a pneumatic channel layer，actuationmembrane layer，and mierofluidic channel layer．The vacuum-driven pefistMtic micropump ofers high pumping rates，low back—flow，appreciable tolerance to air bubbles，and minimal destruction to fluid contents．In addition，the pneumatic network withnegative pressure provides a means to efectively remove air bubbles present in the micmflow through the gas—permeable PDMSmembrane，which can be highly desired in handling complex fluidic samples．Experimental characterization of the previous mi-cropump performance has been conducted by controlling the resistance of the pneumatic network，the number of normally closedvalves，the vacuum pressure，and the frequency of pressure pulses．A maximal flow rate of 6OO l~L／min has been optimized atthe pulsed vacuum frequency of 30 Hz with a vacuum pressure of 50 kPa．which is comparable to that of compressed air—actuatedperistaltic micropump.

Key words： mieropump；microfluid；vacuum driven；peristaltic1 引言微流体技术在医学、生物学、化学等众多方面都具有非常广泛的应用 。微型泵是微流控系统中必不可少的关键部分，它能够将液体精确可靠地从储存室传送到目标腔室，非常适合于对微收稿 日期 ： 2013—03—14 修稿日期： 2013—05—30基金项目： 重庆市 自然科学基金项 目(cstc201ljjAIO018)量液体进行混合、泵送和分配 ，6 J。近年来，微型泵的研究取得了快速的进展 ．8 J。本文中，笔者对前期研制的负压驱动蠕动微型泵开展进一步的优化研究 ]。本负压驱动蠕动微型泵具有不同于其他微型泵的高气泡耐受能力和不伤害传送介质能力，这两者是负压驱动方式的独特之处，尤其FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013是在处理复杂的流体介质时(如血液和尿液)，更显得尤为突出。因为该微型泵采用的是负压驱动方式，故可与利用负压进行接口密封的微流控系统相兼容，便于集成其它微流控器件，实现复杂的功能和重复使用。同时，负压驱动方式可以降低对系统封装强度的要求。微型泵系统包括 3层PDMS微结构(气路层、驱动薄膜层和流路层)，可通过激光加工器直接制作。另外，本微型泵还具有体积小、可弯曲和透明便于观察的特点。本微型泵工作的关键之处在于驱动薄膜的顺序弹性形变，该顺序形变方向决定着被泵送液体的流向。

驱动薄膜的顺序形变是通过一个电磁阀控制负压源的打开与关闭，在气路通道中周期性传递负压力波来实现。经过进一步的测试和性能优化研究，本微型泵在 30Hz驱动频率和50kPa的负压压力条件下，获得的最大流速可达 600 L／min，完全可以与正向压缩空气式的微型泵性能相媲美 。

2 设计与操作原理微型泵由气路层(上层)、驱动薄膜层(中间层)、流路层(底层)3层功能层组成，如图1所示。

微图 1 微型泵的三维结构示意在气路层中，3个各 自独立的气体驱动腔室由气路通道顺序连通，并有一气体补偿气路连接于第一个气体驱动腔室。通过控制气路通道的流阻和负压压力的大小，驱动薄膜的顺序形变动作能够得到较好的调整和优化。同时，在脉冲式负压力波的关闭周期内，补偿气路通道可保证驱动腔室顺序获得外界气体补偿，保证驱动薄膜能够顺序回到其原始位置。气路通道中的脉冲式负压力波是由一个电磁阀在信号发生器的控制下，周期性的打开和关闭连接真空泵的管道来产生的。

脉冲式气体负压力波通过气路通道在驱动腔室间传播，这迫使弹性薄膜发生顺序变形和恢复形变，进而驱动流路中的液体流动，实现微型泵的蠕动驱动动作。流路层包括流路通道和3个扩散孔形状的微阀腔室。此外，本微型泵的驱动薄膜恢复其原始形状时的弹性力较小(弹性形变恢复)，不会损伤传送介质，如血液、尿液等。

图2(a)说明的是驱动薄膜的一系列顺序弯曲变形，将液体吸人流路中；图2(b)说明的是驱动薄膜一系列的顺序恢复原始形状，推动液体向前流动。驱动薄膜的变形顺序决定着驱动液体的流动方向。在负压力波的通断控制下，驱动薄膜的每次弯曲变形和恢复原始形状，都能产生一个约气体驱动腔室大小的液体容积变化。在本微型泵中，因为常闭微阀的存在，能够更好的驱动液体单向流动和限制液体反流。本微型泵在弯曲形变周期和恢复原始形状周期，均能产生2．5个驱动腔室的液体容积改变，故在一个完整的驱动周期内，一共可以产生 5个驱动腔室容积的改变量。

(a) (b)图2 驱动薄膜的一系列吸液和推动液体前进的形变过程3 微型泵性能参数为了优化微 型泵 的性能，根据前期 的模型L6 J，对如下参数开展了相关优化研究：气路通道流阻(连通气路和补偿气路)，常闭微阀个数，微型泵驱动频率和负压气压压力。根据以上参数，负压驱动微型泵的试验特征参数包括：流速、背压、气泡去除速率。表 1所示为微型泵的各个零部件的几何尺寸参数。

表 1 微型泵的各个零部件的几何尺寸参数项 目 长度(mm) 宽度(mm) J 高(mm)气路连接通道 2．2～8．2 O．07 0．025气路补偿通道 l3．0—34．0 0．07 0．025驱动腔室 2．5 1．5 0．3流路通道 l0．0 0．5 0．3常闭微阀 1．2 1．5 0．3驱动薄膜 12．O 6．4 O．2整体尺寸 12．O 6．4 1．4
36 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013导致驱动薄膜需要更长的时问恢复到与微阀底座相接触的位置(即微阀关闭状态)。最佳泵送频率出现在 30—35Hz范围，然后流速开始随着驱动频率的增加而减小。本微型泵的最大流速 600txlMmin，出现在 30Hz驱动频率和 50kPa的负压驱动压力条件下，该流速完全可以与压缩空气驱动式的蠕动微型泵相媲美。

3．4 背压除了流速外，用来评价微型泵性能的另一个重要参数就是背压(即克服流阻的能力)。微型泵背压的大小可以通过测量其输入输出接口间的液柱高度差来获得。图7给出了不同驱动频率和不同负压压力时(20kPa，35kPa，50kPa，65kPa)的背压情况。如图7所示，在不同的驱动压力下，背压的测量结果曲线与流速的测量结果曲线与图6形状近似。然而，背压最大值对应的频率略低于流速最大值对应的频率点。这里产生的频率差异，可能是由背压测量时液体管道内的流体静压力所引起的，它导致了微阀关闭所需的时间略有延长。对应于稀释的彩色墨水在 25Hz驱动频率时得到最大背压约为0．79kPa。

旨0．5粒O 25 50频率(Hz)图7 不l司驱动压力下的背压变化曲线3．5 气泡兼容能力本负压驱动蠕动式微型泵借助其驱动机理，还展示了显著的气泡去除能力，这对于手持式流体样品处理系统(血液、尿液)是非常有益的。根据文献检索，这一点并未在其他类似微型泵中有所报道。气泡在生物学、医学介质中广泛存在，如果处理不当将会在微流体操作中引起非常严重的后果，如阻塞流体通道、降低流速、影响反应结果等。利用PDMS驱动薄膜的透气性特点，负压驱动蠕动微型泵借助负压气路层提供了一种有效去除流路中气泡的方法。基于这一特点，在65kPa恒定负压压力下，笔者测试了微型泵对于不同尺寸大小气泡的去除性能能力，如图8所示。

500厘 300100气泡直径(mm)图 8 不同直径大小气泡的去除性能能力基于当前本负压驱动微型泵的流路通道的几何参数，直径(按气泡体积大小折算为球形)介于0．5—0．9mm范围内的气泡能够较容易地被驱动腔室所捕获和去除。通过气路层施加的负压压力，流路中的气泡可透过 PDMS薄膜最终从流路中被去除掉，基于气泡的不同尺寸大小，其去除时间与其直径大小呈近似线性关系。这是由于介质扩散率与其表面积成正比相关，所以气泡体积去除率也正比与气泡体积和接触表面积的大小。

4 结语本文主要论述了具有常闭微阀的负压驱动蠕动微型泵的研究进展。整个微型泵由三层 PDMS微结构组成，包括气路层、驱动薄膜层和流路层，所有结构均采用激光加工技术制作。对于蠕动模式，通过气路通道传输的周期性负气压波，能够迫使驱动薄膜发生顺序形变，进而实现微型泵的液体泵送功能。周期性负压力波是由一个电磁阀控制负压源的通断来实现的。为了进一步优化微型泵的性能，开展了微型泵各种参数的测试对比，其中包括气路通道的流阻大小、常闭微阀的个数、驱动频率、负压气压大小等。由获得的试验结果可知，微型泵的流速可通过脉冲负压驱动频率和负压气压 大小进行控制。在 30Hz驱 动频率 和50kPa负压压力时，获得了微型泵的最大流速 600I．zL／min，这一流速完全可以与压缩空气驱动方式相媲美。本微型泵具有流速高、回流低、气泡去除能力强，以及不伤害传送介质的特点，这使得该泵能够应用于各种生物学和医学场合，如定点诊断、细胞培养、体液检查、药物开发等。

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2l(6)。065034.