单片机电磁铁式微流体驱动控制系统设计(2)
时间:2017-04-14 12:40 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
1.1 微流体驱动控制技术 微米乃至纳米尺度构件中流体的驱动和控制是微电子机械系统(MEMS)中经常要遇到的问题，也是MEMS发展需要解决的关键技术之一。它在微型传感器、微型致动器等微流体器件、微生物化学分析以及各种涉及微流体输运的场合中均有着广泛的应用。而近几年生物芯片技术的进步和“Lab-on-a-chip”概念的提出更是迫切要求实现微量流体的自动、精确的驱动和控制，另一方面，微流体驱动与控制技术的发展也严重影响着微流体器件的进一步小型化和性能的改进，后者反过来也促进了微流体驱动与控制技术的发展,微流体驱动和控制技术的研究已逐渐成为MEMS研究的一个热点[5]。 目前，微流体的驱动和控制技术种类很多，采用的原理和形式不尽相同。如按原理来分，可分为压力驱动、电水力驱动、电渗驱动、热驱动、表面张力驱动、离心力驱动等；如按有无可动部件分，又可分为有阀和无阀的驱动和控制；其中每一种驱动和控制方式又有各种不同的操作形式.微流体的流动特性复杂、影响因素众多，而且有时几种方式是组合在一起的，上述条框式的分类只是近似的，不全面的。下面我们将大致按照原理分类对各种驱动和控制微流体的技术进行介绍。 （1）压力驱动-控制 微流体压力驱动控制与宏观流体的原理相似，都是依靠入口、出口和腔体内部的相对压差驱动流体，利用机械阀实现流动控制。 目前，利用压力驱动控制微流体有两种方法:一种是利用外部的宏观泵或注射器与微流道藕合，通过前者的推动力驱动流体在微流道中流动，流体冲开流道中的阀门被释放出。这种方法简单、容易实现、成本低，而且己经商业化，但不易小型化是它的一个主要缺点；另一种方法与前者唯一不同是采用微机械技术制作的微机械泵提供压力。但是，微机械泵所能提供的压力非常有限[6]，很难用于实际流体的驱动控制，而且微机械泵中包含微型可动部件，制作工艺复杂、造价昂贵。目前与其他微流体驱动-控制方式相比，它仍处于竞争劣势。 （2）电水力驱动-控制 电水力驱动控制与电渗流驱动控制都是由电场和液体中电荷的相互作用来产生驱动力的，但电水力驱动-控制需要在流体中或液体-固体界面诱导产生自由电荷，通过电场与自由电荷的相互作用来驱动控制液体，它一般适用于电导率极低的液体，而电渗驱动主要依赖于材料与液体本身产生的双电层与电场的相互作用来驱动液体，一般适用于电解质溶液。事实上，电水力驱动-控制方式在宏观器件中，被广泛用于绝缘流体的驱动和地下输油管道中油的冷却等领域。在微流体驱动控制中，电水力驱动-控制方式所需的驱动电压从原来宏观器件中的几万伏降低到几百甚至几十伏就可以获得满意的驱动效果。但是，电水力驱动-控制方式也有较大的局限性，就是仅限于电导率极低(10-12-10-6s/m)的液体，适用范围较小。 (3) 电渗驱动-控制 利用电渗流产生泵和阀的动作驱动-控制液体在微流道中流动，是一类较成熟的方法。在微流体系统，尤其是在生物和电泳芯片中，得到了广泛的应用，是目前最成功的微流体驱动-控制方式之一。电渗现象是一种宏观现象，它是指在电场作用下，流道中或固相多孔物质内，液体沿固体表面移动的现象。电渗流产生的前提是与电解液接触的流道壁上有不动的表面电荷。这种表面电荷来自于离子化基或是液体中被强力吸附在表面的电荷。在表面电荷的静电吸附和分子扩散的作用下，溶液中的抗衡离子就会在固液界面上形成双电层，而流道中央液体中的净电荷则几乎为零。双电层由紧密层和扩散层组成，其中紧密层的厚度约为1-2个离子的厚度。当在流道两端加适当的电压时，在电场的作用下，固液两相就会在紧密层和扩散层之间的滑动面上发生相对运动。由于离子的溶剂化作用或豁滞力的作用，当形成扩散层的离子发生迁移时，这些离子就会携带着液体一同移动，因此形成了电渗流。 (责任编辑：qin) |