微流体驱动与控制系统的研究进展北大核心

随着微流控系统的应用越来越广泛,微米尺度和纳米尺度器件微通道内的流动逐渐成为了研究的热点。重点阐述了微流控系统的驱动元件——微泵、控制元件——微阀的研究现状,介绍了学者们研制的各种微泵、微阀的工作原理与结构特点,指出了微流体驱动控制系统泄漏、结构复杂、成本偏高等问题依然存在,并对微驱动控制的发展方向进行了展望。     

基于CPLD的多通道蠕动微泵的驱动控制系统

本文介绍了一种基于CPLD的多通道气动聚二甲基硅氧烷（PDMS）蠕动微泵的驱动控制系统,包括CPLD外围电路及开关电路设计、电子三通阀驱动电路设计、控制方案确定和控制软件设计。同传统的基于电脑和PCI卡的控制系统相比,本文的控制系统体积小、功耗低、价格便宜,维护和升级都十分方便,有利于充分发挥微流控系统的优势,发展微型化和便携化的微泵。     

基于微流控技术的新型PDMS平面微阀

针对常规微阀结构较为复杂,存在着制作成本较高、难于加工和不易系统集成等问题,提出了一种设计简单的柔性阀片-阀塞结构的PDMS平面微阀的研究.微阀的制作采用了标准PDMS模塑法微细加工工艺.测试结果表明微阀工作性能良好,反向泄漏量可以减少到0.1 mL/min,而微阀的正/反向流量比可以达到41:1,满足了微流体控制系统对流量调节的要求,可广泛应用于各种微流控系统中.     

基于AMESim的新型PDMS微阀动态特性仿真研究

针对一种新型的可用于气动微流控芯片气压控制的电磁致动微阀的进一步研究和应用问题,在阐述了其结构和工作原理的基础上,利用AMESim软件建立了相应的动态仿真模型,对其流量、压力动态特性进行了分析,并且给出了该种微阀和传统气动电磁阀的流量、压力动态特性的对比分析结果.该种新型的电磁致动微阀由微流控芯片的上层PDMS平膜、具有微流道的下层PDMS厚膜和电磁致动器构成,电磁致动器通过安装在阀座上的玻璃片与PDMS微流控芯片实现了集成.而且,采用这种集成化的新型微阀的控制方式相较于传统采用气动电磁阀的控制方式,具有成本低、体积小、易于与微流控芯片集成等优点.研究结果表明,采用这种新型PDMS微阀对微流控芯片进行驱动和控制可以获得较好的动态特性,并且该研究对电磁致动微阀的进一步研究和应用提供了一定的理论指导.     

柔性微型阀对静电驱动振膜微泵压力性能的影响

将最小能量法与均匀压力载荷下圆薄膜大变形半解析解相结合,分析了静电驱动柔性微型阀对静电驱动振膜微泵压升性能的影响。微型阀容积的引入会导致静电驱动振膜微泵的压升出现一定程度的降低,但降低幅度远小于阀门容积对常规定排量泵的影响。微型阀的阀片以柔性薄膜为基片,因此所需的关阀电压远远低于微泵泵腔的驱动电压,从而使静电微泵和微型阀运行的可靠性得到了极大的提高。     

基于MEMS的压电微泵建模与优化

以压电驱动的无阀微泵为研究对象,根据扩张管/收缩管的压力损失系数和连续方程,建立了无阀微泵的理论模型。利用有限元分析软件,建立了无阀微泵有限元模型,进行了耦合场仿真分析。模拟并分析了不同边界条件下驱动电压、电压频率、泵膜厚度、压电薄膜厚度和压电材料对无阀微泵输出特性的影响。仿真结果显示,无阀微泵具有很好的整流特性,并且驱动电压越大,输出特性越好。在局部固定边界条件下,当压电薄膜上施加电场强度为500 V/mm的驱动电压时,存在最优的压电薄膜厚度,使得微泵的输出流量最大。研究结果为无阀微泵的优化设计提供了依据。     

面向航天医学应用的体液预处理仪研制

本文基于微流控技术研制了面向航天医学应用的体液预处理芯片及仪器,以便对航天员体液进行医学检测。体液预处理芯片集成了驱动液体和控制流路的微泵微阀,通过控制微泵微阀可实现从进样、不同功能的预处理到输出样品整个过程的自动操作。此外在常规样品预处理功能的基础上,还集成了排气泡功能,使预处理芯片能够在太空微重力环境下对有气泡的体液进行体液预处理。预处理仪集微泵微阀驱动机构和芯片液面位置检测机构于一体,能够实现多种体液预处理模式,且与芯片间无需任何管路及电连接,方便芯片更换。利用有限元仿真软件对预处理仪进行了航天环境下的各项力学分析,包括模态分析、加速度过载分析、正弦扫描分析及随机振动分析,得到了预处理仪机械结构在不同载荷条件下的应力分布,结果显示最大应力值为57.37 MPa,经过校核得知满足航天环境强度要求。最后,基于制作的排气混合预处理芯片进行了预处理实验,结果表明芯片的排气和混合效果良好。     

利用体块PZT制备膜片式压电微泵

利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应,设计并制备了膜片式压电微泵。通过将电能转换为机械能,实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成;微驱动器主要为液体流动提供驱动力,单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析,确定了微驱动器的设计尺寸,并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后,设计了驱动测试实验,检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明:所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70kHz,能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30Vp-p、频率为600Hz时,液体的驱动流速约为65μL/min。该微泵具有体积小,线性度好等特点。     

变量泵源阀控系统的理论与试验研究

利用线性化的方法对变量泵源下的阀控系统进行了建模，得出了其传递函数。还对变量泵源下的阀控系统进行了试验研究。试验结果表明，理论模型和实际系统是基本吻合的。     

采用无阀微泵的微调焦系统特性研究

该文提出了一种由一组无阀压电微泵、调焦透镜、储液容器、位移传感器、电源和控制器等组成的微流控调焦透镜系统,介绍了该系统的结构及工作原理,建立了无阀压电微泵及系统的动态数学模型,并利用Matlab/Simulink软件,分别对单泵工作和双泵工作两种工作模式下系统的动态特性进行了仿真研究,给出了仿真结果并进行了分析。     

液滴微流控系统的研究现状及其应用

液滴微流控系统,以液滴为微小单元开展液滴形成及运动控制研究,目前,主要的研究方向有液滴形成、液滴合并、液滴分离及液滴融合等。其中,液滴形成和液滴合并两者关系密切,而液滴分离与液滴融合是液滴研究中两个相对的问题。以单个液滴为单位,在微流道中可以完成不同物质的化学反应、医疗药物的配置等。医学研究中,基于液滴的微流控系统可以实现医学成像、生物分子合成,基于液滴开发的微流控芯片能够用于药物开发过程中的样品检测,筛选出最佳的药物样品。该文介绍了液滴形成的方式及运动控制方法,总结了基于液滴的微流控系统在交叉学科中的发展方向和应用,综述了国内外在液滴微流控系统领域的研究现状。     

影响微流体混合的因素及微混合器

由于微流控系统在生物工程、微电子机械系统等领域中有着广泛的应用前景,微通道中流体的流动、传质、传热等已成为微电子机械系统研究的前沿热点.本文分析了小Reynolds数下影响流体混合的因素,综述了目前各类主动式微混合器和被动式微混合器,为微流控系统的设计乃至于微机电系统的设计提供了基础.     

变速泵控挤压机挤压针定位系统的分析及仿真研究

用变转速泵控制液压执行器是目前电液控制技术中一种新的控制方式。该文在分析挤压机挤压针位置跟踪控制过程的基础上，提出用变转速泵控系统代替现有的阀控系统以达到节能的目的。给出了采用变转速泵按闭式回路控制挤压针位置的原理，建立了系统的数学模型，对比阀控系统，进行了计算机数字仿真研究。     

基于伺服泵控液压动力单元的注塑机节能研究

传统的注塑机采用阀控系统或者泵控系统,但是阀控系统有溢流损失,泵控系统响应较慢。基于伺服泵控液压动力单元的新型注塑机可以通过伺服电机动态调节定量泵转速,实现输出压力和流量与所需压力和流量相匹配,从而达到节能的目的。通过对传统注塑机液压系统动力单元的改造,研究新型注塑机的运行性能,分析其节能机理与效果,并与传统注塑机进行对比实验,进一步验证了基于伺服泵控液压动力单元的新型注塑机的优良节能特性。     

泵阀并联进出口独立系统特性

为结合阀控系统响应快和泵控系统能效高的优点,并减少传统四边联动阀带来的节流损失,提出一种泵阀并联进出口独立控制系统方案,应用于某6 t液压挖掘机动臂及斗杆系统。建立多学科联合仿真模型,设计泵阀协同驱动控制策略,研究了阀控单元与泵控单元输出功率比对系统特性的影响,并应用泵控单元消除了多执行器载荷差异带来的节流损失,对比分析传统进出口独立控制系统与所提系统的运行特性和能耗特性。仿真结果表明,增大阀控单元输出功率占比,可提高系统动态响应;增大泵控单元输出功率占比,可有效减少系统能耗。与传统进出口独立控制系统相比,该系统可减小节流损失90%,降低系统能耗41%,并改善重载执行器响应滞后现象。     

雷达天线车电液比例泵控系统设计及试验研究

比例泵控技术具有压力和流量自动控制的功能,能够很好地满足雷达液压系统不同压力等级,不同流量等级的需求,并且压力损失小,易于实现节能.为了将该技术应用到雷达液压系统中,设计并搭建了一套电液比例泵控试验系统,并与阀控系统进行了对比试验研究,试验结果表明,所设计的比例泵控系统较阀控系统具有节能和可控性好的优点.     

动态被动阀微泵的设计优化和制造

研究的动态被动阀微泵是一种基于微机械技术的振膜型无阀微泵。相对于有阀微泵而言，有更高的工作频率和可靠性，结构简单，加工制造的成本比较低，更容易满足实际应用中的各种要求。讨论了动态被动阀的工作机理，结合流体力学的基本理论与动态被动阀微泵的特点，采用有限单元方法以及相关工具软件ANSYS/FLOTRAN，对整个动态被动阀微泵模型进行了计算、求解和模拟，并根据计算结果及加工工艺特点对其结构进行优化。用基于集成电路制造技术的微细加工工艺分别对动态被动阀微泵的各组成部分进行加工，并组装成完整的动态被动阀微泵。     

采用步进电机的微流控芯片气压驱动系统压力特性研究

针对目前气动微流控芯片控制系统微型化集成化的需求,提出了一种采用步进电机的微流控芯片气压驱动系统,通过控制器信号驱动步进电机,使PDMS流道产生了形变从而改变了阀口开度,实现了气体容腔的压力控制,对微阀的流量和气体容腔的压力进行了分析,采用Simulink搭建非线性模块,建立了系统的仿真模型,对系统的压力特性进行了仿真,得到了在不同的步进电机阶跃信号作用下的气压驱动系统压力的动态响应特性,并搭建了试验平台进行了验证。结果表明:试验结果与仿真结果基本吻合,该系统能够较快地响应于气压容器,阀口开度越大,气体容器的压力上升越快,稳定压力越高。     

微流控芯片发展与展望

介绍了微控分析系统的一般特点,发展历史和近期的研究进展,分别讨论了微流控分析系统中有关流控系统,芯片材料,检测系统,集成化系统,分离系统,试样引入和前处理系统等研究领域的发展趋势,并对微流控分析系统的应用前景做出了展望。     

气动电磁微阀的仿真研究

提出一种可用于气动微流控芯片气压控制的电磁致动微阀,阐述了微阀的工作原理与结构,利用Fluent软件嵌入UDF函数对几种不同阀口开度下流场分布特性进行了仿真分析,给出了不同阀口开度下流场速度、阀口前后压力变化以及微阀的出口流量特性分析结果。