微流體課北大

1、微流體微流體( Micro Fluidics) 微流體器件微泵、微閥、微噴、微管道 Bio/Chemical MEMS TAS(Micro Total Analysis System）Lab on Chip Power MEMS微型化的尺寸效應作用領域作用領域作用項作用項尺寸律尺寸律幾何幾何表面積表面積/體積比（體積比（S/V） l1靜電力靜電力靜電勢能（靜電勢能（U） l3靜電力（靜電力（F） l2電磁力電磁力電磁力（電磁力（F） l4電學電學電阻（電阻（R） l1電阻功率損耗（電阻功率損耗（P） l1電場強度（電場強度（E） l2流體力學流體力學體積流量（體積流量（Q） l4單位長度的壓降

2、單位長度的壓降（P/L） l2熱傳導熱傳導熱流（熱流（Q） l2熱傳導時間（熱傳導時間（t） l2熱對流熱對流熱流（熱流（Q） l2微流動氣體微流動氣體 微流體（特征尺度微米量級）的流動特性與宏觀相比微流體（特征尺度微米量級）的流動特性與宏觀相比有很大不同：有很大不同：氣體：微流動的特征尺度已經接近氣體分子的平均自由程，氣體：微流動的特征尺度已經接近氣體分子的平均自由程，？經典可壓縮性判斷？經典可壓縮性判斷？流動狀態(tài)的判斷準則？流動狀態(tài)的判斷準則？無滑移邊界條件的適用性？無滑移邊界條件的適用性分子動力學等基于第一性原理的方法需要引入來驗證常規(guī)分子動力學等基于第一性原理的方法需要引入來驗證常規(guī)流

3、體力學在微尺度下的適用性。流體力學在微尺度下的適用性。 液體：不可壓縮，無滑移邊界依然適用?？墒且后w微流動液體：不可壓縮，無滑移邊界依然適用?？墒且后w微流動要比氣體復雜的多，目前還缺乏第一性原理進行驗證。要比氣體復雜的多，目前還缺乏第一性原理進行驗證。微管道中流體的實驗出現(xiàn)了相互矛盾的結果。這些結果說微管道中流體的實驗出現(xiàn)了相互矛盾的結果。這些結果說明微流體實驗難度大，也表明微流體特性與管道的材料、明微流體實驗難度大，也表明微流體特性與管道的材料、幾何形狀和微觀組成有關。幾何形狀和微觀組成有關。由于尺度效應由于尺度效應 、表面效應、表面效應 、和多場、和多場/ /多相耦合的影響，多相耦合的影響

4、，基于傳統(tǒng)流體力學的宏觀流體驅動與控制技術在微流體中基于傳統(tǒng)流體力學的宏觀流體驅動與控制技術在微流體中的簡單移植往往效果不佳。的簡單移植往往效果不佳。微流動液體微流動液體微泵 ( Micro Pump)通過一定的驅動方式，使流體從一端流向另一端，或使兩端的出口間產生一定的背壓。 根據(jù)工作方式分類：容積泵、旋轉泵、蠕動泵、電液致動泵等 根據(jù)驅動方式分類：壓電驅動泵、靜電驅動泵、熱致動泵、氣動泵等微泵容積泵壓電片壓電驅動，雙向流阻閥壓電驅動微泵壓電致動具有結構簡單，響應時間短，致動力大，可控性好等優(yōu)點。但是壓電致動方式需要較高的驅動電壓，對后續(xù)裝配工藝要求高，因而其應用受到了一定的限制。 靜電驅動

5、微泵靜電致動方式響應時間快，可靠性好，使用壽命長，制作工藝比壓電致動方式簡單。但是需要較高的驅動電壓，且行程小。 入口出口泵腔電極間距塊電極玻璃玻璃硅熱致動微泵熱致動方式具有驅動電壓幅值低，驅動力大，制作工藝簡單等優(yōu)點。但是，由于熱氣致動方式涉及多個能量轉換和壓力傳遞過程，因此泵的動態(tài)特性較為復雜，可控性差，而且由于受氣體熱特性的影響，泵的驅動頻率很低。 雙金屬片加熱電阻泵 腔硅硅閥 2閥 1出口入口雙金屬熱致動微型泵 熱氣致動微型泵 入口出口外接氣動裝置金鈦玻璃氣動微型泵電磁致動微型泵微泵蠕動泵氣泡蠕動泵，無可動部件能實現(xiàn)160 um/s 的速度和800Pa的壓力電熱蠕動泵蠕動膜加熱電阻流道

6、微泵電液泵泵體陶瓷載體接線點管道電液致動泵，電場驅動極化液體流動 微閥（Micro Valve）對流體的流動進行開關控制的器件。 微閥分類 主動閥、被動單向閥、被動截流閥微閥熱致動閥多晶硅CrSiO2SiO2Cr硅硅硅硅金屬層加熱膜形狀記憶合金閥 雙金屬熱致動閥 形狀記憶合金和雙金屬熱驅動的優(yōu)點是驅動力和行程大，較易集成，缺點是響應速度慢。 微閥電磁驅動閥導管線圈鐵鎳合金硅永磁體金線圈氮化絕緣層多晶硅出口入口優(yōu)點是流體的可控壓力及流量范圍大，但結構比較復雜，尤其是外加磁場不利于工藝實現(xiàn)。 微閥靜電驅動閥硅硅玻璃絕緣層靜電致動微型閥的功耗小，但是需要高驅動電壓，絕緣問題比較突出。 微閥靜電驅動閥

7、靜電致動3通閥 微閥疏水閥利用表面張力的閥微閥疏水閥在硅和玻璃管道表面生長在硅和玻璃管道表面生長OTS自自組裝分子膜使硅和玻璃表面呈疏組裝分子膜使硅和玻璃表面呈疏水性，從而制作出疏水閥水性，從而制作出疏水閥微噴（Micro jet）通過一定的驅動，使流體從腔中噴出。 根據(jù)應用分類： 噴墨打印頭、藥噴、微冷卻器、注樣器微噴微噴噴墨打印頭噴墨打印頭熱氣泡驅動，準LIGA工藝制作微噴微噴噴墨打印頭噴墨打印頭熱氣泡驅動，頻率達 30 kHz，分辨率達600 dpi微噴微噴噴墨打印頭噴墨打印頭微噴微噴噴墨打印頭噴墨打印頭與電路集成的體硅工藝微噴微噴微噴噴墨打印頭噴墨打印頭微噴微噴給藥霧化器給藥霧化器液體

8、入口液體腔噴孔面頻率發(fā)生器換能器驅動電路功率電源壓電換能器圖1 壓電驅動微噴結構簡圖噴孔數(shù)：512，孔徑：5umPower MEMS 微推進器 微發(fā)動機 發(fā)電機 微型燃料電池微推進器推進器工作原理及分類r高壓氣體通過噴管加速化學推進器：雙組元雙組元、單組元單組元、固體固體電熱推進器：電阻電熱電阻電熱、電弧電熱、電弧電熱冷氣推進器r電場加速離子離子推進器膠體推進器汽化腔噴管電阻電熱式微推進器GlueWireWaterVaporSiliconTi (Heating resistor and internal wire)Hole forwire bondingNozzleTopwaferBottom

9、waferCavity for heat insulationInletBondingpadsChamberHeating resistorInternalleads通過電阻加熱，把工質汽化，產生高溫高壓氣體從噴口噴出。 (a) (a) 下硅片下硅片 (b) (b) 上硅片上硅片 工作中的微推進器工作中的微推進器電阻電熱微推進器芯片美國噴氣推進實驗室(JPL)展示的電阻電熱式微推進器樣機（液體氣化方式）。其性能目標為：比沖75125s，推力0.5mN，功率 5W，效率50%，質量為幾克，大小為1cm2。電阻電熱式微推進器（電阻電熱式微推進器（JPLJPL）電阻電熱式微推進器（電阻電熱式微推進器

10、（MITMIT）電阻電熱式微推進器（清華）電阻電熱式微推進器（清華） Si 玻璃 金 微膠體推進器I在高壓電場作用下，帶電膠體被從微管中吸出，并在電場中加速后從噴口噴出。利用體硅工藝，濕法腐蝕和ICP制作。加工結果微膠體推進器IIFluid pathway etched through silicon substrateM e t a l electrodeS i l i c o n dioxideinsulatorNozzle exit 英國南安普頓大學研制的膠體推進器z 組成組成: 由5到6片芯片疊在一起，內有混合燃燒室、噴口噴管、兩個泵和兩個閥、以及冷卻管道的多器件集成系統(tǒng)。用液態(tài)氧和乙醇作燃料。z 性能性能：能產生15N的推力，推力重量比達 1500：1，是大火箭推進器的