《NPE》新篇預告：基于3D打印的槳葉驅動流體并應用于微泵

來源：納米技術與精密工程

內容概要
針對傳統(tǒng)的機械位移式微泵驅動電壓高、功耗大、位移小等缺陷，上海交通大學微米/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構引入到微泵體系內，在外界振動源的驅動下微結構可以發(fā)生運動從而可以主動地定向驅動流體。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制的可行性。基于COMSOL仿真，展現了微泵定向驅動流體的能力，證明了這種原理的理論可行性。同時研究了結構效應和尺寸效應對微泵驅動性能的影響。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制。這種可以運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)新的將振動微結構引入到微泵系統(tǒng)內，微結構實現了對流體的直接驅動；
2、3D打印工藝引入到加工工藝中，實現了微泵的一次成型，極大的降低了產品的研發(fā)周期和制造時間。
3、采用微馬達作為直接的驅動源，可以在極低功耗和電壓下驅動微泵工作。

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

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、操作和檢測復雜流體的系統(tǒng)，是基于微電子、微機械、生物工程、納米技術發(fā)展起來的一門交叉學科。微流體系統(tǒng)的功能實現依賴于它所集成的功能部件，如微泵、微閥、微混合器、微反應器、微檢測器、微傳感器。而操作流體是整個系統(tǒng)的基礎和關鍵，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，已廣泛應用于生物化學分析/傳感、藥物傳輸、分子分離、微電子冷卻和動態(tài)環(huán)境檢測領域。

按照工作原理區(qū)分，可分為機械泵和非機械泵。機械泵往往是依賴可動部件來驅動流體，而非機械泵是依靠電動力、磁動力、靜電力、電熱這些非機械能轉化為動力來驅動流體。機械泵可驅動任意種類的液體，但工作狀態(tài)不夠穩(wěn)定；非機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換能力；當電流經過液體時，有些情況下會產生焦耳熱，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)學方面的應用受到限制，而且響應慢。理想的可實際使用的微泵往往要求低能耗、易集成、易控制、驅動力強、性能穩(wěn)定等特性。