微振動(dòng)流的發(fā)展泵采用MEMS技術(shù)

1、微振動(dòng)流的發(fā)展泵采用MEMS技術(shù)摘要：在本論文中，我們提出了一種微振動(dòng)流量泵（微VB），這是一種新型的微型泵。微VFP構(gòu)造上使用主動(dòng)式振動(dòng)閥，由固定在墻壁上的一個(gè)微通道和下游的狹縫孔的懸臂狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。狹縫孔被設(shè)計(jì)成周圍的振動(dòng)閥的流動(dòng)不對(duì)稱形，并且有效地產(chǎn)生一個(gè)凈流的一個(gè)方向。與此同時(shí)，閥作品作為一個(gè)致動(dòng)器以誘導(dǎo)液體流在微通道。由于閥是由柔性材料，其包括磁性顆粒，它是由從微VFP外改變磁場(chǎng)操縱。這種設(shè)計(jì)使微的VFP外部操作不存在任何電氣或機(jī)械的連接。此外，微VFP，它體現(xiàn)了與一個(gè)腔室泵送自由設(shè)計(jì)性，使其便于在小空間實(shí)現(xiàn)。為了證明其基本泵送性能，原型微VFP在制作在微通道240微米×50

2、0微米的一個(gè)橫截面采用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，機(jī)閥的振動(dòng)特性使用高速攝像進(jìn)行了調(diào)查。泵的性能在5到25赫茲的范圍內(nèi)的各種致動(dòng)的頻率，通過測(cè)量靜水壓頭和流率進(jìn)行評(píng)價(jià)。所提出的微VFP設(shè)計(jì)表現(xiàn)出驅(qū)動(dòng)頻率性能的提高并且具有3.8±0.4 Pa的最大關(guān)閉壓力和在25赫茲內(nèi)，0.38±0.02微升/分鐘的最大流量。此外，為了闡明的詳細(xì)泵送過程中，圍繞振動(dòng)閥的流動(dòng)特性，通過分析基于微米分辨率的粒子圖像測(cè)速（微PIV）的速度場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)查。流體靜壓測(cè)量的有效性通過比較體積流速與從微PIV數(shù)據(jù)估計(jì)證實(shí)。本研究揭示了開發(fā)微VFP的基本性能。關(guān)鍵詞：微泵，振動(dòng)流泵，閥，微機(jī)電系統(tǒng)，微PIV1. 介紹許

3、多技術(shù)用于微型生化分析系統(tǒng)，被稱為微型全分析系統(tǒng)（曼茨等人1990）或芯片實(shí)驗(yàn)（Stone等人，2004年），這些已經(jīng)開發(fā)了近十年。在這些系統(tǒng)中，流體輸送，混合，生化反應(yīng)，分離和檢測(cè)使用少量樣本流體和試劑都是自動(dòng)進(jìn)行的。通過微通道導(dǎo)致反應(yīng)的均勻性的限制效應(yīng)。因此，這些系統(tǒng)具有許多有利的特征，例如減小的分析時(shí)間，總成本，和患者的疼痛。為了可靠和完全自動(dòng)化的系統(tǒng)的發(fā)展，各種微型泵是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)用于開發(fā)在高壓下輸送流體通過橫截面非常小的微通道，水頭損失，已經(jīng)提出了（彼得2005）。先前的微型泵可大致分為兩大類：機(jī)械泵和非機(jī)械泵。第一類通常實(shí)現(xiàn)通過使用止回閥，振蕩膜或渦輪增壓的工作流體抽（面包車門楣

4、等，1988）。第二類通過另一種形式的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能增加動(dòng)力流體。屬于這一類的典型泵是微型泵電流體動(dòng)力（巴特等，1990），電滲微型泵（Liu和1992達(dá)斯古普塔），和磁流體泵（張和Lee，2000）。然而，大多數(shù)當(dāng)前的微型泵不滿足在一個(gè)芯片上的實(shí)驗(yàn)室的要求，如在每分鐘或更少微升的范圍內(nèi)的小流量的精確控制，因?yàn)楸疚⑿捅玫某叽缦鄬?duì)較大的，或者因?yàn)槿狈Ψ€(wěn)定的泵送機(jī)構(gòu)。振動(dòng)流量泵（VFP），目前是一個(gè)宏觀的泵，首次由橋本龍?zhí)傻热颂岢隽恕?（1994）。其中的VFP的工作原理是通過振動(dòng)在其一側(cè)的閥管的液體柱以提供動(dòng)能。VFP有許多有利的功能，如簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)泵送性能，自吸式，和可控性。因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)在機(jī)械

5、和化學(xué)工程的各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中VFP已經(jīng)得到極大的重視，。此外，VFP已被認(rèn)為是一個(gè)合適的機(jī)構(gòu)，用于人造器官左心室中的的輔助裝置（LVAD）（Yambe等人，2003; Kawano等人，2001; Shintaku等人2010）。因?yàn)閂FP可以穩(wěn)定地用不同頻率產(chǎn)生振蕩流。小型化的VFP，其實(shí)是毫米級(jí)泵，由河野等人提出。并提出用作一個(gè)增壓泵在臨床應(yīng)用中的外部分流導(dǎo)管（Kawano等人，2003; Kato等人，2003）。但是，應(yīng)用VFP的微流體系統(tǒng)需要進(jìn)一步的小型化。另外，在本研究中，我們已經(jīng)開發(fā)出一種微VFP制成由微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)（Shintaku等人，2007，2008; Inao

6、ka等人2011），為了使VFP應(yīng)用于微型全分析系統(tǒng)的芯片上的應(yīng)用或?qū)嶒?yàn)室。在對(duì)比宏觀尺度的VFP的管振動(dòng)，我們采用了微VFP閥門的振動(dòng)。該變形，振動(dòng)薄板閥代替管，其一側(cè)固定到通道壁，有助于在尺寸和功率消耗的顯著降低。這種新穎的泵主要由一個(gè)振動(dòng)閥制成聚二甲基硅氧烷（PDMS），其中包括磁性粒子從泵外面操縱閥門的發(fā)展的實(shí)現(xiàn)。該泵送性能通過測(cè)量在各種驅(qū)動(dòng)頻率下產(chǎn)生的靜水壓頭的影響。此外，在微VFP的流體動(dòng)力學(xué)通過基于微米分辨率的粒子圖像測(cè)速（微PIV）的非接觸流觀測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。微VFP可精確控制流率在0.07±0.02的范圍內(nèi)，以0.38±0.02微升/分鐘的速度。因此，微VFP

7、在少量流體的精確控制的應(yīng)用中，例如單分子研究中使用有用（Perkins等人，1995; Nagahiro等人2007;花笑等人2008;土井等人2010） 。最大壓力是3.8±0.4帕，通過微縮放通道輸送液體，這是足夠高的。這里所獲得的結(jié)果是提供在微VFP的泵送性能的基本理解。2. 微VFP結(jié)構(gòu) 圖1a是微VFP的示意圖和泵送操作的概念。微VFP由一個(gè)懸臂狀振動(dòng)閥和下游的狹縫孔組成。上游和下游之間的閥門的不對(duì)稱振動(dòng)的結(jié)果，并且由于狹縫孔和閥的組合成非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，微VFP通過向工作提供動(dòng)能產(chǎn)生單向流動(dòng)的微通道液。由于閥是由柔性材料制成，例如，PDMS，包括磁性粒子，微VFP可以從外部只通

8、過改變閥的附近的磁場(chǎng)操作。因此，需要沒有電或機(jī)械的連接。此外，與基于與一個(gè)膜片的一室中的常規(guī)微型泵相比（面包車門楣等，1988），微VFP包含微通道是相對(duì)較小的。a. 微VFP的抽水示意圖。b.周圍的振動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)的尺寸，c.示意振動(dòng)閥使用外側(cè)永久磁鐵動(dòng)作示意圖 圖1b顯示立體插圖的微VFP和結(jié)構(gòu)尺寸。需要注意的是流動(dòng)方向是相反的，在圖1a中為了說明的振動(dòng)閥和所述微通道的橫截面的細(xì)節(jié)。該閥被設(shè)計(jì)為一個(gè)懸臂狀結(jié)構(gòu)，固定在微通道的壁上。該閥是一個(gè)相對(duì)高的縱橫比結(jié)構(gòu)，厚度為40m，寬度為200m，高度為490m，以使閥門具有足夠的彈性，使其振動(dòng)。該閥位于微通道的中心，其寬度為240m，深度為500m，

9、長(zhǎng)度為5.3毫米。閥和壁之間的小間隙被設(shè)計(jì)為10微米的端部和20m的兩側(cè)。狹縫孔被設(shè)計(jì)為50m從間隙為50m的閥的下游。原理圖驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)閥使用外面的永磁（PM）在圖1c顯示。PM的運(yùn)動(dòng)在閥的附近改變了磁場(chǎng)。該閥變形時(shí)上游采取了新的位置，當(dāng)PM的邊緣位于在閥的上游側(cè)從而產(chǎn)生吸引力。由于磁場(chǎng)的振蕩圍繞新的振動(dòng)中心閥門振動(dòng)是依據(jù)PM的。因此，PM的振動(dòng)導(dǎo)致周期性不對(duì)稱閥的振動(dòng)。3制作圖2顯示了制作過程的示意圖。我們開發(fā)了一個(gè)優(yōu)化的工藝條件對(duì)SU-8的模具，如表1所述，實(shí)現(xiàn)了微VFP的相對(duì)高縱橫比結(jié)構(gòu)。SU-8模具有兩層，厚度在10至500微米之間，為了制造閥門頂端和微通道壁之間的間隙。制造處理順序如

10、下，兩層SU-8的模具制造方法：a.硅基板 b.鋁薄膜沉積用射頻磁控濺射，c.旋涂一個(gè)SU-8間隙一層10微米厚的圖案，d.SU-8的發(fā)展，e.蝕刻鋁薄膜的調(diào)整，f.500微米厚的SU-8層的旋轉(zhuǎn)涂層和圖案化，g.SU-8的發(fā)展，h.PDMS澆到SU-8模具上，在PDMS的入口和出口上沖孔（a）甲硅晶片切成方形基板，兩側(cè)都是3cm。 (b) 鋁薄膜通過射頻磁控濺射被沉積在襯底上，以便于隨后的對(duì)準(zhǔn)過程。 (c) 有10微米厚的層的SU-8（SU-83005的MicroChem，USA）中的混合物用旋轉(zhuǎn)器涂布在Al表面上，并由標(biāo)準(zhǔn)的UV光刻在閥的頂端和微通道壁之間形成縫隙形成圖案。 (d) SU-

11、8的發(fā)展 (e) 除了間隙和十字標(biāo)記的區(qū)域中，鋁薄膜通過濕法進(jìn)行蝕刻。在10微米厚的SU-8層在此過程中用作十字標(biāo)記在對(duì)準(zhǔn)的作用，因?yàn)樵谶@個(gè)過程中Al的顏色與硅基板不同。然后在表面涂覆有粘合促進(jìn)劑（Omnicoat，的MicroChem，USA）。 (f) 一個(gè)500微米厚的SU-8（SU-82150，的MicroChem，USA）的上方形成用旋轉(zhuǎn)器在基片和圖形化，以形成模具的結(jié)構(gòu)。 (g) SU-8的發(fā)展 (h) SU-8模具用于形成PDMS進(jìn)入微VFP的結(jié)構(gòu)。對(duì)SU-8的模具的表面上進(jìn)行預(yù)處理具有阻擋涂層（阻擋涂層第6號(hào)，Shin-Etsu化學(xué)有限公司，日本）中，為了提高除去從模具中的PD

12、MS。用一種液體的PDMS（Sylgard®184，DOWCORNING，美國(guó)）中的混合以10的體積濃度的固化劑和進(jìn)行脫氣的真空之前被澆鑄在模具中。 此外，我們制備的液體硅橡膠，包括氧化鐵的直徑1微米（四氧化三鐵，高純度化學(xué)株式會(huì)社制）的磁性粒子。在液體PDMS中顆粒的體積濃度為25。我們手動(dòng)放置一滴液體PDMS包括磁性顆粒進(jìn)入孔為振動(dòng)閥在模具的制造。液體PDMS無磁性顆粒，然后澆鑄在模具的整個(gè)區(qū)域。與PDMS然后將模具放置在熱板上在65下45分鐘以固化。 (i) 將固化的PDMS被從模具中取出，并兩個(gè)孔直徑為1.0毫米的打孔作為流入口和微通道的端部的流出口，如圖所示。 2I。微VF

13、P由PDMS通過氧等離子體結(jié)合制成密封用1毫米厚的玻璃基板（松浪硝子工業(yè)。，Ltd。，日本）。粘接工藝從PDMS的表面上的等離子處理，并在26.3 Pa的壓力在玻璃基板和100W的30秒的動(dòng)力開始。所述PDMS和玻璃基板，然后立即安裝并烘烤的熱板上在70下30分鐘。 圖3示出了周圍的振動(dòng)閥所得的PDMS結(jié)構(gòu)的SEM圖像。使用上述的優(yōu)化過程參數(shù)，我們成功地實(shí)現(xiàn)了相對(duì)較高的縱橫比結(jié)構(gòu)的制造。這種結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)高泵的性能由于柔性閥運(yùn)動(dòng)和大振幅，這增加提供給液體的動(dòng)能的控制性。閥和狹縫孔被證實(shí)具有均勻的形狀。SEM圖像還表明，該結(jié)構(gòu)在整個(gè)圖案垂直側(cè)壁，閥和側(cè)壁之間的間隙，結(jié)果為約23±4微

14、米。4實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)裝置用于驅(qū)動(dòng)微VFP和用于泵送性能的測(cè)定示于圖4。PM具有0.31T的磁場(chǎng)強(qiáng)度的PM固定于安裝在電磁致動(dòng)器（ET-132-2，LABWORKS Inc.的一種高精度的機(jī)械滑板（EPF7M，THK有限公司，日本）的軸，USA）和水平振動(dòng)。電壓為電磁致動(dòng)器是正弦和由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生（WF1945B，NF公司，日本）與放大器（HAS4014，NF公司，日本）。PM的振幅保持在8毫米的恒定值，同時(shí)致動(dòng)的頻率被改變?yōu)?至25赫茲。微VFP被固定到一個(gè)高精度階段來控制三維位置相對(duì)于PM的振動(dòng)和PM的中心位置的軸線沿微通道設(shè)置。在玻璃基板和PM之間的垂直距離為0.3毫米，這是通過實(shí)驗(yàn)確定，

15、以最大限度地提高閥的振動(dòng)。從使用顯微鏡觀察，可以確認(rèn)，所述微通道由于閥運(yùn)動(dòng)的變形微VFP的操作期間可忽略不計(jì)。流出口與所述微通道的入口被分別連接到1.14毫米的內(nèi)徑為靜水測(cè)量容器通過兩個(gè)管連接：215毫米長(zhǎng)的聚四氟乙烯管中的0.46毫米和240毫米長(zhǎng)的靈活的內(nèi)徑管為1毫米的內(nèi)徑。 實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖：1微VFP，2永久磁鐵，3電磁致動(dòng)器，4熒光立體顯微鏡，5 EMCCD相機(jī)，6光源，7高精度階段，8水庫(kù)，9 CCD照相機(jī)，10計(jì)算機(jī)，11函數(shù)發(fā)生器，12放大器，和13機(jī)械滑板 盡管微VFP的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，預(yù)先實(shí)驗(yàn)用自來水顯示，該閥粘在狹縫孔的壁是PDMS的性質(zhì)的關(guān)鍵問題。為了解決這個(gè)問題，乙醇，具有

16、較低的表面張力，被選為一個(gè)工作流體以降低界面能。密度的乙醇786公斤/立方米，在24情況下。因此，振動(dòng)閥的平滑周期運(yùn)動(dòng)成功地實(shí)現(xiàn)。在以后的工作中，粘附問題可以通過修改閥，例如，邊緣被從直修飾以彎曲的形狀就可以解決問題，從而降低了閥和微通道的側(cè)壁之間的接觸面積，并且使微VFP適用于各種工作流體。此外，一個(gè)特定的表面處理（Tan等人2010）是有用的，以保持PDMS表面的親水性，這將使我們能夠使用水作為工作流體。在儲(chǔ)層的氣 - 液界面的運(yùn)動(dòng)使用CCD照相機(jī)（WAT-231S2，WATEC有限公司，日本）觀察，并通過內(nèi)部軟件，追蹤水平氣 - 液界面在實(shí)際分析時(shí)間。接口的跟蹤是通過計(jì)算互相關(guān)函數(shù)為跨越

17、接口的亮度分布來實(shí)現(xiàn)的。少量的紅色墨水被添加到工作流體以提高跟蹤處理。這種測(cè)量的空間分辨率是8.3微米，由于本攝像系統(tǒng)的分辨率。在微VFP流場(chǎng)是使用聚苯乙烯熒光發(fā)色粒子直徑為1.0微米（F8823，Invitrogen公司，美國(guó)），其為1.0×10-3的體積濃度與乙醇混合可視化。熒光發(fā)色粒子的流動(dòng)用熒光立體顯微鏡（SZX7，奧林巴斯公司，日本），其具有相對(duì)大的工作距離與標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡觀察比較。由于閥的動(dòng)作發(fā)生從玻璃一側(cè)，我們觀察到從PDMS側(cè)的流動(dòng)。然而，由于硅橡膠具有低的透明性與玻璃相比，為了獲得清晰的圖像為微PIV分析我們使用EMCCD照相機(jī)（IXON，安道爾，美國(guó)），與普通的CCD

18、攝像機(jī)相比，其具有高靈敏度。本文所述的所有實(shí)驗(yàn)在24±2的室溫下和60±10的相對(duì)濕度中進(jìn)行。 靜水壓頭測(cè)量的原理示于圖五：.儲(chǔ)層的截面積是1.02×10-6平方微米，與1.2×10-7平方米微通道的相比這是足夠?qū)挼?，以減少在水庫(kù)與時(shí)間自主的壓力的作用。使用乙醇作為在本研究工作中的流體，以便容易填充微通道。然而，乙醇容易蒸發(fā)，即使沒有操作微VFP，都存在接口下降。出于這個(gè)原因，我們引入假定：兩個(gè)氣 - 液界面在儲(chǔ)層的蒸發(fā)速率是相同的。因此，在靜水頭H由微VFP生成簡(jiǎn)單地從在兩個(gè)儲(chǔ)存器之間的液體界面的高度的差得到。這種方法是有效的，通過一個(gè)事實(shí)，即通過H的

19、增加觀察到，并通過操作微VFP證實(shí)。在H = 0的條件下測(cè)量啟動(dòng)，和當(dāng)泵開始驅(qū)動(dòng)H的變化被測(cè)量為從時(shí)間的經(jīng)過時(shí)間t的函數(shù)。后負(fù)荷壓力由gH，其中g(shù)是重力加速度計(jì)算。 為微PIV分析，在使用EMCCD照相機(jī)110幀每秒的幀率512×160像素的數(shù)字圖像被捕獲。初步觀察，在微通道中的流動(dòng)被認(rèn)為是對(duì)稱相對(duì)于x軸，但是圍繞閥的立體感。基于單向流，這是時(shí)間平均的抽吸作用，可能是由于三維速度分布。然而，在本研究中，作為第一步，我們?cè)u(píng)估基于在x-y平面的二維流場(chǎng)的泵送性能。我們使用體積照明并通過將聚焦在微通道的中間平面拍攝的圖像。根據(jù)由Meinhart等人給出的公式場(chǎng)的測(cè)量深度估計(jì)為64微米在z方

20、向上。 （2000）。 5結(jié)果與討論 5.1閥門振動(dòng) 閥的振動(dòng)特性通過在熒光立體顯微鏡代替EMCCD攝像機(jī)安裝一個(gè)高速照相機(jī)（FASTCAM APX RS，Photron，日本），進(jìn)行了調(diào)查。我們可以采取連續(xù)照片通過物鏡的現(xiàn)象和觀察角使用高速攝像機(jī)精確地調(diào)節(jié)。圖6a，B示出了在F =10赫茲的頻率的氣門運(yùn)動(dòng)的順序假想插圖和照片表示的側(cè)視圖和頂視圖，根據(jù)PM的運(yùn)動(dòng)所述閥被致動(dòng)。閥移到大致平行于微通道的側(cè)壁，雖然有時(shí)在閥接觸側(cè)壁，例如，T =80毫秒在圖6b中，由于在閥和側(cè)壁之間的小間隙。閥頂端和狹縫孔的左邊緣之間的距離L被測(cè)量以表征所述氣門運(yùn)動(dòng)。需要注意的是在閥中深色是由于磁性顆粒。暗區(qū)域不對(duì)應(yīng)

21、于所述閥陰影，而是與眾多的磁性粒子，其中該區(qū)域結(jié)構(gòu)的更精確的控制是因?yàn)樵诜浅Ｐ〉膶挾葹镺（100）微米的相當(dāng)困難的區(qū)域。請(qǐng)注意，液體PDMS包括磁性顆粒在制造過程中被安裝在閥的。施加在閥上的力是從衍生于在閥的磁性粒子。因此，磁性顆粒的分布是決定作為對(duì)閥是如何變形的一個(gè)重要因素。由于懸臂的變形有關(guān)，流固耦合問題，我們需要發(fā)展一個(gè)方法來精確地控制在我們今后的工作分配。圖6c給出了距離L為t的函數(shù)。該圖清楚地表明，閥的振動(dòng)是周期性的。距離的非正弦變化可能是在閥和側(cè)壁之間的接觸的原因。振動(dòng)的頻率f的依賴性是使用距離的峰 - 峰振幅A考察，如圖所示。 6D。結(jié)果表明，振幅A似乎是在本研究中的頻率范圍內(nèi)保

22、持恒定。因此，振動(dòng)閥的諧振頻率不是在這里所使用的頻率范圍。注意，調(diào)查進(jìn)行在使用電磁致動(dòng)器的永久磁鐵的致動(dòng)的限制出在驅(qū)動(dòng)頻率低于25赫茲。 A順序和虛插圖表示在f =10赫茲的氣門運(yùn)動(dòng)的側(cè)視圖，B順序照片顯示作為時(shí)間的函數(shù)的閥的運(yùn)動(dòng)在f =10赫茲，C閥尖距離L從狹縫孔的頂視圖T和D閥門振幅A在不同的頻率F。需要注意的是黑色區(qū)域b中對(duì)應(yīng)于與幾個(gè)磁性粒子，不是閥陰影5.2圍繞閥流動(dòng)地帶圖7a示出根據(jù)F =10Hz的驅(qū)動(dòng)頻率由微PIV分析獲得的瞬時(shí)速度場(chǎng)。當(dāng)PM接近閥，閥從它的原始位置發(fā)生變形，由于在閥的磁場(chǎng)的磁性粒子的吸引力。位置由磁力和彈性力和流體動(dòng)力載荷的總和之間的力平衡決定。通過振動(dòng)PM閥門

23、振動(dòng)圍繞新的平衡點(diǎn)。在t=0.0毫秒，閥門坐落在X =-400微米的新位置，然后開始向下游移動(dòng)。在t =0.050.0毫秒，而閥尖朝上游端運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體主要在相同的方向上的氣門運(yùn)動(dòng)，回流被誘導(dǎo)。在t=50.0-100毫秒，液體流入下游。當(dāng)閥處于接近狹縫孔和移動(dòng)下游側(cè)，例如，T =80.77毫秒在圖7a中，一對(duì)尖渦流在閥的周圍被觀察到。流量是大致對(duì)稱的微通道的中心線由于與O的低雷諾數(shù)（0.01）。這些漩渦被認(rèn)為通過閥和微通道的壁之間的間隙來誘導(dǎo)由液體的泄漏。當(dāng)閥下游移動(dòng)，閥和狹縫孔之間的空間減小。在這個(gè)階段，大部分在空間中的液體的通過狹縫孔推向下游。但是，部分液體通過間隙泄漏，導(dǎo)致一對(duì)尖漩渦的產(chǎn)生

24、。雖然這種流動(dòng)是有趣的用于增強(qiáng)液體混合在微通道（Lambert和蘭格2010），一個(gè)詳細(xì)的分析將在以后的研究中進(jìn)行的。圖7b示出了在微通道中的實(shí)驗(yàn)路徑線，通過微PIV結(jié)果的數(shù)據(jù)處理而得到。閥的下游流動(dòng)完全是二維的。然而，上游，也很難從任一微PIV結(jié)果或結(jié)果為路徑線獲取有用的信息，由于流動(dòng)在上游的三維性質(zhì)。通過微PIV分析在f =10赫茲和b實(shí)驗(yàn)路徑線，在微通道中的頻率而獲得的瞬時(shí)速度場(chǎng)a瞬時(shí)速度場(chǎng)通過微PIV分析在頻率f = 10赫茲和b通道中的實(shí)驗(yàn)路線氣門運(yùn)動(dòng)和液體流之間的關(guān)系被證明通過使用從流程開始的地方：148微米x700微米的采樣區(qū)域，獲得的空間平均速度時(shí)，在x =148微米得到充分的

25、發(fā)展，如圖8中所示7A。圖8顯示了閥尖速度和液體流動(dòng)的平均速度之間的定性比較。需要注意的是，閥運(yùn)動(dòng)和速度場(chǎng)分別從不同的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行獲得的。然而，在水平軸的時(shí)間t是從泵啟動(dòng)時(shí)至以后經(jīng)過的時(shí)間相匹配。該圖表明，該液體流的速度按照閥運(yùn)動(dòng)變化。雖然完全立體氣門運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單地特征在于所述閥頭的速度，閥運(yùn)動(dòng)和平均流速處于相同的相。從數(shù)量上看，然而，有一個(gè)順序在閥運(yùn)動(dòng)和平均速度之間大小的差異。這可能是由于這樣的事實(shí)，所述液體通過該間隙泄漏降低了凈流量。三維流量測(cè)量應(yīng)該在未來進(jìn)行，以定量評(píng)價(jià)流動(dòng)現(xiàn)象，并使泵的效率詳細(xì)化。在采樣區(qū)148MX700M的平均速度之間的關(guān)系和閥頭速5.3泵送性能圖9表示H作為時(shí)間在不同驅(qū)動(dòng)頻

26、率的函數(shù)。結(jié)果表明，各個(gè)H隨時(shí)間增加并接近一定值。這種現(xiàn)象可以通過下面的說明來理解。微VFP操作前，施加在入口和出口的壓力是平衡的，沒有凈流在微通道產(chǎn)生。微VFP在t =0秒時(shí)開始進(jìn)行操作，上游容器中的液體傳送至下游。被輸送的液體提高了靜水壓頭作用于流出口和在流動(dòng)入口減小的頭部。因此，第一，微VFP的操作下高度隨時(shí)間增加。此外，結(jié)果表明H取決于驅(qū)動(dòng)頻率。dh/ dt的值與流量Qdh/ dt=2Q/ S有關(guān)。其中，S是容器的橫截面的面積。因此，該數(shù)據(jù)也被解釋為，泵起動(dòng)時(shí)Q是最高的，即，零頭的條件下，Q隨時(shí)間降低，因?yàn)殪o水壓頭的增加。在穩(wěn)定狀態(tài)下，即T>200秒，在上游容器中的液體不再傳送，

27、這意味著沒有凈流在微通道。這種情況下，必須對(duì)應(yīng)于泵的關(guān)閉狀態(tài)在不同驅(qū)動(dòng)頻率f下，靜液頭H作為時(shí)間函數(shù)的變化在不同驅(qū)動(dòng)頻率f下，靜液頭H作為時(shí)間函數(shù)的變化。使用圖中所示的數(shù)據(jù)。如圖9所示，微VFP的泵送性能在兩種極限情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)：t=0秒和穩(wěn)定狀態(tài)。H在穩(wěn)定狀態(tài)的值被用來計(jì)算截止壓力P s，這是由微VFP在驅(qū)動(dòng)頻率達(dá)到的最高壓力。圖10表現(xiàn)p S和F之間的關(guān)系。該圖顯示是p S增加與在大約1-4帕的范圍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)頻率f。將零頭條件下的最高為Q MAX表示在圖11，結(jié)果表明為Q MAX隨驅(qū)動(dòng)頻率而增加。此外，我們將Q MAX與從微PIV數(shù)據(jù)的估計(jì)流量進(jìn)行比較在0秒噸4.75 S，其中圖9中H在這個(gè)

28、時(shí)間段似乎隨時(shí)間線性增加。Q MAX在采樣區(qū)的另一估計(jì)是通過由時(shí)間平均的速度乘以所述微通道的橫截面面積進(jìn)行。這種比較似乎有相對(duì)良好的支持度，它支持的正確的假設(shè)，從兩個(gè)接口的蒸發(fā)量相同，并從兩個(gè)儲(chǔ)存器之間的差簡(jiǎn)單地獲得在液體界面的高度，再由微VFP生成使得H有有效性。微PIV的流量比從靜水壓頭測(cè)量獲得的略高。這是因?yàn)槲IV的流量?jī)H使用于在z方向上，微通道的中間平面中得到的速度不考慮在三維流場(chǎng)?；谠趫D中的數(shù)據(jù)。圖10和11中，微VFP在較高驅(qū)動(dòng)頻率下可以實(shí)現(xiàn)更好的泵送性能。該泵的效果有望繼續(xù)提高超出本文所使用的驅(qū)動(dòng)頻率。在未來，我們想探討驅(qū)動(dòng)頻率的影響和泵送性能的閥中的振動(dòng)幅度。在穩(wěn)定狀態(tài)下，

29、關(guān)閉壓力P對(duì)各驅(qū)動(dòng)頻率f下的壓力值各頻率時(shí)在零水頭條件下，最大流量Q的最大值使用微細(xì)的VFP，最大截止壓力P S和流率Q分別獲得3.8±0.4帕和6.38×10-12±3.8×10月13日立方米/秒（0.38±0.02微升/分鐘），在25赫茲的驅(qū)動(dòng)頻率。相比，這些以前提出的微型泵的這些值都比較小。然而，從每平面面積的流速的觀點(diǎn)來看（Iverson和2008 Garimella），它被計(jì)算為3.17±0.17微升/（最小平方毫米），值相當(dāng)大，而且是在相同的范圍內(nèi)的常規(guī)隔膜泵（ Yoon等，2007）。這意味著，微型VFP可以產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)

30、高的流速因?yàn)樗捏w積小。此外，由于微VFP可以精確地控制僅通過改變驅(qū)動(dòng)頻率的液體流以相對(duì)低的流速范圍，微VFP可用于新興生物應(yīng)用，例如單分子分析（Perkins等人。 1995;土井等人2011;上原等人2011），葡萄糖監(jiān)測(cè)（謝和贊恩2007; Shintaku等人2009），和基于細(xì)胞的測(cè)定（Wu等人，2008年），其中，這些應(yīng)用要求的產(chǎn)生。流從O（0.01）微升/分鐘，以O(shè)（1）l/ min的供的很長(zhǎng)一段時(shí)間。此外，微VFP本文開發(fā)表現(xiàn)出泵送性能超過100小時(shí)的累積工作時(shí)間，這意味著微VFP的可行性實(shí)際應(yīng)用沒有退化。6結(jié)論在本研究中，我們開發(fā)了一種新的微型泵稱為微VFP。微VFP的主要優(yōu)

31、點(diǎn)是，僅通過改變振動(dòng)閥的附近磁場(chǎng)，不存在任何電氣或機(jī)械的連接在外部進(jìn)行的操作。此外，微VFP是小到可以摻入因?yàn)殚y的構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，進(jìn)入相對(duì)狹小的空間，在微通道狹縫孔。微VFP的性能通過靜水壓頭測(cè)量與周圍基于微PIV閥二維流場(chǎng)分析下驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)查從5到25赫茲。結(jié)果提供的性能的基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)總結(jié)如下：1. 一種新型的微型泵，稱為微VFP，已經(jīng)研制成功。為了證明微VFP的適用性，原型用紫外線光刻和成型在微通道為240微米×500微米的橫截面制成。2.結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)頻率增加該泵送性能提高。最大關(guān)閉壓力和流速分別為3.8±0.4帕和0.38±0.02微升/分鐘，驅(qū)動(dòng)頻率分別在2

32、5赫茲. 3.靜水壓頭測(cè)量通過獲得兩個(gè)儲(chǔ)存器之間的氣 - 液界面的依賴于時(shí)間的高度差進(jìn)行。從靜水壓頭測(cè)量，并從微PIV結(jié)果獲得的流速分別吻合良好.測(cè)量方法的有效性從實(shí)際應(yīng)用的觀點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行了確認(rèn)。 Open Access本文署名許可知識(shí)共享，允許在任何媒體上使用，提供的原始作者（S）和源記是可信任的。 ReferencesBart SF, Tavrow LS, Mehregany M, Lang JH (1990) Microfabricated electrohydrodynamic pumps. Sens Actuators A Phys 21(13):193197. doi:10.1016

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