微流体课北大

1、微流体微流体( Micro Fluidics) 微流体器件微泵、微阀、微喷、微管道 Bio/Chemical MEMS TAS(Micro Total Analysis System）Lab on Chip Power MEMS微型化的尺寸效应作用领域作用领域作用项作用项尺寸律尺寸律几何几何表面积表面积/体积比（体积比（S/V） l1静电力静电力静电势能（静电势能（U） l3静电力（静电力（F） l2电磁力电磁力电磁力（电磁力（F） l4电学电学电阻（电阻（R） l1电阻功率损耗（电阻功率损耗（P） l1电场强度（电场强度（E） l2流体力学流体力学体积流量（体积流量（Q） l4单位长度的压降

2、单位长度的压降（P/L） l2热传导热传导热流（热流（Q） l2热传导时间（热传导时间（t） l2热对流热对流热流（热流（Q） l2微流动气体微流动气体 微流体（特征尺度微米量级）的流动特性与宏观相比微流体（特征尺度微米量级）的流动特性与宏观相比有很大不同：有很大不同：气体：微流动的特征尺度已经接近气体分子的平均自由程，气体：微流动的特征尺度已经接近气体分子的平均自由程，？经典可压缩性判断？经典可压缩性判断？流动状态的判断准则？流动状态的判断准则？无滑移边界条件的适用性？无滑移边界条件的适用性分子动力学等基于第一性原理的方法需要引入来验证常规分子动力学等基于第一性原理的方法需要引入来验证常规流

3、体力学在微尺度下的适用性。流体力学在微尺度下的适用性。 液体：不可压缩，无滑移边界依然适用。可是液体微流动液体：不可压缩，无滑移边界依然适用。可是液体微流动要比气体复杂的多，目前还缺乏第一性原理进行验证。要比气体复杂的多，目前还缺乏第一性原理进行验证。微管道中流体的实验出现了相互矛盾的结果。这些结果说微管道中流体的实验出现了相互矛盾的结果。这些结果说明微流体实验难度大，也表明微流体特性与管道的材料、明微流体实验难度大，也表明微流体特性与管道的材料、几何形状和微观组成有关。几何形状和微观组成有关。由于尺度效应由于尺度效应 、表面效应、表面效应 、和多场、和多场/ /多相耦合的影响，多相耦合的影响

4、，基于传统流体力学的宏观流体驱动与控制技术在微流体中基于传统流体力学的宏观流体驱动与控制技术在微流体中的简单移植往往效果不佳。的简单移植往往效果不佳。微流动液体微流动液体微泵 ( Micro Pump)通过一定的驱动方式，使流体从一端流向另一端，或使两端的出口间产生一定的背压。 根据工作方式分类：容积泵、旋转泵、蠕动泵、电液致动泵等 根据驱动方式分类：压电驱动泵、静电驱动泵、热致动泵、气动泵等微泵容积泵压电片压电驱动，双向流阻阀压电驱动微泵压电致动具有结构简单，响应时间短，致动力大，可控性好等优点。但是压电致动方式需要较高的驱动电压，对后续装配工艺要求高，因而其应用受到了一定的限制。 静电驱动

5、微泵静电致动方式响应时间快，可靠性好，使用寿命长，制作工艺比压电致动方式简单。但是需要较高的驱动电压，且行程小。 入口出口泵腔电极间距块电极玻璃玻璃硅热致动微泵热致动方式具有驱动电压幅值低，驱动力大，制作工艺简单等优点。但是，由于热气致动方式涉及多个能量转换和压力传递过程，因此泵的动态特性较为复杂，可控性差，而且由于受气体热特性的影响，泵的驱动频率很低。 双金属片加热电阻泵 腔硅硅阀 2阀 1出口入口双金属热致动微型泵 热气致动微型泵 入口出口外接气动装置金钛玻璃气动微型泵电磁致动微型泵微泵蠕动泵气泡蠕动泵，无可动部件能实现160 um/s 的速度和800Pa的压力电热蠕动泵蠕动膜加热电阻流道

6、微泵电液泵泵体陶瓷载体接线点管道电液致动泵，电场驱动极化液体流动 微阀（Micro Valve）对流体的流动进行开关控制的器件。 微阀分类 主动阀、被动单向阀、被动截流阀微阀热致动阀多晶硅CrSiO2SiO2Cr硅硅硅硅金属层加热膜形状记忆合金阀 双金属热致动阀 形状记忆合金和双金属热驱动的优点是驱动力和行程大，较易集成，缺点是响应速度慢。 微阀电磁驱动阀导管线圈铁镍合金硅永磁体金线圈氮化绝缘层多晶硅出口入口优点是流体的可控压力及流量范围大，但结构比较复杂，尤其是外加磁场不利于工艺实现。 微阀静电驱动阀硅硅玻璃绝缘层静电致动微型阀的功耗小，但是需要高驱动电压，绝缘问题比较突出。 微阀静电驱动阀

7、静电致动3通阀 微阀疏水阀利用表面张力的阀微阀疏水阀在硅和玻璃管道表面生长在硅和玻璃管道表面生长OTS自自组装分子膜使硅和玻璃表面呈疏组装分子膜使硅和玻璃表面呈疏水性，从而制作出疏水阀水性，从而制作出疏水阀微喷（Micro jet）通过一定的驱动，使流体从腔中喷出。 根据应用分类： 喷墨打印头、药喷、微冷却器、注样器微喷微喷喷墨打印头喷墨打印头热气泡驱动，准LIGA工艺制作微喷微喷喷墨打印头喷墨打印头热气泡驱动，频率达 30 kHz，分辨率达600 dpi微喷微喷喷墨打印头喷墨打印头微喷微喷喷墨打印头喷墨打印头与电路集成的体硅工艺微喷微喷微喷喷墨打印头喷墨打印头微喷微喷给药雾化器给药雾化器液体

8、入口液体腔喷孔面频率发生器换能器驱动电路功率电源压电换能器图1 压电驱动微喷结构简图喷孔数：512，孔径：5umPower MEMS 微推进器 微发动机 发电机 微型燃料电池微推进器推进器工作原理及分类r高压气体通过喷管加速化学推进器：双组元双组元、单组元单组元、固体固体电热推进器：电阻电热电阻电热、电弧电热、电弧电热冷气推进器r电场加速离子离子推进器胶体推进器汽化腔喷管电阻电热式微推进器GlueWireWaterVaporSiliconTi (Heating resistor and internal wire)Hole forwire bondingNozzleTopwaferBottom

9、waferCavity for heat insulationInletBondingpadsChamberHeating resistorInternalleads通过电阻加热，把工质汽化，产生高温高压气体从喷口喷出。 (a) (a) 下硅片下硅片 (b) (b) 上硅片上硅片 工作中的微推进器工作中的微推进器电阻电热微推进器芯片美国喷气推进实验室(JPL)展示的电阻电热式微推进器样机（液体气化方式）。其性能目标为：比冲75125s，推力0.5mN，功率 5W，效率50%，质量为几克，大小为1cm2。电阻电热式微推进器（电阻电热式微推进器（JPLJPL）电阻电热式微推进器（电阻电热式微推进器

10、（MITMIT）电阻电热式微推进器（清华）电阻电热式微推进器（清华） Si 玻璃 金 微胶体推进器I在高压电场作用下，带电胶体被从微管中吸出，并在电场中加速后从喷口喷出。利用体硅工艺，湿法腐蚀和ICP制作。加工结果微胶体推进器IIFluid pathway etched through silicon substrateM e t a l electrodeS i l i c o n dioxideinsulatorNozzle exit 英国南安普顿大学研制的胶体推进器z 组成组成: 由5到6片芯片叠在一起，内有混合燃烧室、喷口喷管、两个泵和两个阀、以及冷却管道的多器件集成系统。用液态氧和乙醇作燃料。z 性能性能：能产生15N的推力，推力重量比达 1500：1，是大火箭推进器的