微流体控制系统的研究与发展

微流体控制系统的研究与发展

1微流体控制系统自20世纪80年代以来，微电工程系统（ss）逐渐从实验室进入工业应用阶段。为此，自然资源和科学研究部制定了中国微电工程系统发展的八个主要研究方向：微规模效应、微加工技术、微机械材料和微组件、微传感器、微机械测量技术、微流管理系统和微系统的整合和控制。其中，微型流量控制器（hgs）是这项研究的重要内容，在推动中国微流技术和微流量系统发展方面发挥着重要作用。基于微结构的微流体控制系统是微型泵、微型阀、微传感器、混合器和微流道等微流体功能器件的集成体。可实现微流量流体(微升到纳升)的传感、输送、控制和检测分析,可进行微量流体的压力、流量和流动方向的控制、成分分析以及多种试样的混合。微量流体控制系统的研究涉及基础器件、设计制造技术、实验和理论研究,侧重于宏微尺度效应和机、电、热、生化和其它领域的耦合理论。包括微流量控制器件、微流量控制电路、其它辅助器件(如流体通道、颗粒过滤网、流体限流器、入口和喷嘴、分离器、混合器等)。其功能的实现主要体现在微流量传感器、微泵、微阀等功能器件的性能上。这种微型化、自动化、集成化的微流体控制系统由于尺寸微小、减小流动系统中的无效体积、降低能耗和试剂用量、响应快、效率高、能批量生产等特点,近年来取得了很大的进展,在军事、医疗保健、环境控制、化学分析和生物工程等领域具有广阔的应用前景,主要体现在微量化学分析与检测(微全分析系统,μTAS)、微量液体或气体配给、医疗诊断、打印机喷墨阵列、IC芯片的散热与冷却、微型部件的润滑等。目前对微阀、微型泵、微推进器、微流量传感器和微管道等微流体传动与控制系统的研究已成为MEMS研究热点之一。其发展趋势是把微传感器、微泵、微阀和微电路集成为完整的微型系统或微型仪器,已吸引了微机械、微电子、化学和生物领域的众多专家进行研究。2微流管理系统的组成2.1微控制器和微机械传感器微流体的精确测量是微流体控制系统中的重要内容。其微流量传感器测量精度可达μL~mL/min级、甚至nL/min级。目前国内外研究的微流量传感器依据工作原理可分为热式(包括热传导式和热飞行时间式)、机械式和谐振式三种。荷兰Twente大学的RobLegtenBerg等人利用薄膜技术和微机械加工技术制作了一对具有相对V型槽的谐振器芯片和顶盖芯片,利用低温玻璃键合技术将二者键合在一起,形成质量流量传感器。1993年V.Gass等研制基于流体动力测量的压阻式微型流量传感器。1994年ElwenspoekM等人研制基于温度变化的微型流量传感器。中国科学院熊斌等人1996年制作了基于硅微机械加工技术悬桥式微流量传感器;清华大学1999年设计了阀片式微流量传感器(芯片尺寸为3.5mm×3.5mm,在10~200mL/min的气体流量下,线性度优于5%);2003年第四十九研究所张滨华等基于可变面积原理研制了微流量传感器;2004年大连理工大学席文柱等研制了测量范围在10~800μL/min的硅基热流式微流量传感器;2005年中科院长春光学精密机械与物理研究所贾宏光等发明了柔性平板波压差式微流量传感器,并取得了发明专利。2.2微泵的发展历程微型泵是微流体系统中的主要执行器件,是以定向移液为目的的小型液体驱动器。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。是具有测定体积排量和限制流量的功能器件,是表征微流体系统发展水平的重要标志,是微流体控制系统中最重要的驱动部件。根据工作方式可分为容积泵、旋转泵、蠕动泵、电液致动泵等;根据驱动方式可分为压电驱动泵、静电驱动泵、热驱动泵、电磁驱动泵、双金属驱动泵、形状记忆合金驱动泵、光驱动泵、气动泵等;根据驱动原理可分为薄膜驱动泵、电液动力泵(EHD)、磁液动力泵(MHD)、行波传递液体泵、凝胶驱动泵等;按流体出入口状态(有无可动阀片)可分为有阀泵和无阀泵。微型泵最早始于1980年Stanford大学Smits和Wallmark所对电压薄膜驱动的微型蠕动泵的研究。荷兰TWENTE大学20世纪80年代末研制出6V/2W电热膜片泵,日本东北大学研制出压电驱动薄膜泵,德国FRAUNHOFER研究所研制出静电驱动的薄膜泵,美国MINNESOTA大学和BOSTON大学分别推出了静电驱动和气动驱动的微泵,英国SOUTHAMPTON大学研制了形状记忆合金驱动薄膜泵和厚膜压电泵。1988年VanLintel等将压电薄膜驱动的微型往复位移泵成功应用于胰岛素的注射中。1993年瑞典斯德哥尔摩Chalmers大学的StemmeG等提出了适用于液体和气体,用扩散器和喷嘴单元代替了薄膜式微泵的止回阀,消除了薄膜泵的颗粒问题。1995年Zengerle等提出了可以前向和逆向两个方向驱动流体的微机械泵。1996年,德国的Stehr等提出了VAMP(valveandmicropump)装置:既可作主动微阀也可当作两个方向工作的微泵使用。1999年荷兰TWENTE大学和美国JOHNSHOPKINS大学分别推出了无可动部件、只适用于导电介质的基于电化学原理驱动的微泵和研热汽泡驱动微泵。清华大学周兆英教授等研制了100μL/min的静电驱动微泵和几十μL/min的双金属热驱动微泵;中科院冶金研究所开发了微型气动涡轮和微泵阀;程光明在日本山形大学留学期间参与研制了无阀压电泵(外形尺寸70mm×70mm×20mm、流量15mL/min)。谢海波等研制出带有收缩和扩张进出口的无阀型微泵,并进行了流场的动态仿真和实验研究;王沫然等研制出相变型热驱动微泵,并进行了理论分析和实验研究;2004年阚君武等制作双压电振子驱动的两腔三阀串联压电泵;2005年吉林大学杨树臣等设计制作了整机采用迭片式结构、单向阀采用悬臂梁式薄片阀的新结构微型压电泵(样机)。2.3纳米纤维和微阀微型阀是对流体的流动进行开关控制的元件,一般位于系统入口节点和通道节点的前端。可以采用外部电气驱动、内部热电控制或者简单的翻板结构。硅基微型阀因具有尺寸小、能耗低、响应快、加工简便、控制精度高等特点,已成为微流体控制系统中的研究热点之一。微型阀可分为主动阀、被动单向阀、被动截流阀等。主动阀可单独用于微量气、液体的控制,被动阀往往需与微型泵结合使用。日本日立制作所开发了静电驱动的大变形膜片阀(阀口尺寸仅为45μm×45μm、可控制60Pa、10mL/min的气流);美国ICSENSORS公司研制了双金属片热驱动阀(开口量4μm、可控制0.2MPa、85mL/min的气流);德国FRAUNHOFER研究所采用桥形结构制作热驱动阀(阀口尺寸360μm×360μm、可控制7000mL/min的液体);日本表面和界面研究所开发了气动控制的三通阀(可控制15μL/min的液体);1990年,T.Ohnstein等人研制静电致动微型常开气体阀,HalJerman研制双金属致动常开气体微型阀;XingYang等人研制热气致动气液常开微型阀;2000年,米智楠等人设计了形状记忆合金阀。2004年中科院力学所崔海航等研制了PDMS薄膜型微阀。近几年微阀正朝阵列化的方向发展,例如瑞士机械系统研究所开发大热气制动膜片式微阀阵列,其密度已达300个/cm2的水平。2.4利用微流体机械的运作利用现代微制造技术制成的毫米至微米级的微混合器,是在硅晶片和薄塑料片上制作成百上千个微通道,使流体分成数千股细微流束并迅速混合的微型流体机械,可在极短的时间内实现不同流体的混合。是微流体控制系统的一个重要组成部分。美国加州工艺研究所开发了气动数控混流器(主通道尺寸100μm×10μm,可实现2μL/min流体的混合操作)。2005年中国科技大学孙长敬等设计了充分混合两微量流体仅需0.15s的压电驱动微流体混合器。同年浙江大学刘素芬等设计了三维结构的SOR微型静态混合器。2.5机械独立性原则集流腔是微流体系统的基本组成之一。流畅地连接各器件的同时,保持各独立器件的机械独立性。其功能类似电子学中的电路板。微流体系统就是由传感器、反应器和电子器件在集流腔中交联耦合集成而形成的。2.6微流场出的主要系统组成,主要是利用自随着对高精度微流体控制系统的需求日益增加、微流体器件研究的日益完善,微流量闭环控制系统逐渐成为MEMS中的研究热点之一。其工作基本原理为:通过系统中的传感器对流体状态进行检测,再将分析处理后的检测信号反馈给执行器进行动作,达到精确控制流体流量的目的。系统中的各器件按组合方式的不同,可分为组合式(Hybrid)和单片集成式(Monolithic)两大类。荷兰Lammerink等研制了基于混合电路板的氨水集成分析系统,即为单片集成式;新加坡的Zuo等采用特殊的单芯片三维微加工技术,设计了集成微流动系统;瑞典的Gass等将压力片驱动的微泵与压阻传感器集成后,也形成了微流动控制系统。简单地说,微流体器件是用半导体集成技术制作新型固体元件或芯片实验室(Lab-on-a-chip),芯片实验室是将样品制备、生化反应、分离检测的整个过程集约化形成微型分析系统,以完成不同的生物或化学反应过程,是生物芯片技术发展的最终目标。可对微量流体(包括液体和气体)进行复杂、精确的操作。3微流体技术器件由于可应用于生物化学分析系统和化学芯片实验室,微流体激起了科学家们极大的兴趣。传统上,控制微型管道中的液体流动需要复杂的泵、阀门或模式表面。据报道,在2006年1月出版的《自然-材料学》上,LukeLee和同事展示了一种用金纳米颗粒控制微流体的方法:为了控制液体流动的方向,用低能激光加热纳米颗粒,使周围的流体蒸发。蒸气在位于流体前端的气-流界面间迅速凝固,并与原来的流体结合在一起,从而让液体流动。Lee等表明,这种技术可用于活细胞在微流体管道中的传输或混合两种液体,也可应用于生物化学分析中的大型集成微流体线路等。微流体分析芯片可用于计算机数控热压机,通过微细加工技术将微阀、微泵、微管道、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等功能元件集成在芯片材料(基片)上成为μTAS。可以预计,微流体器件可在计算机芯片以及半导体激光器的冷却、航空航天、光通讯、医疗、农林、材料、环保、化工、安全检查、药物制备等方面均会有重要的应用。微流体技术将在短时间内形成一个独立和强大的高科技产业。4微流体技术将成为新的经济增长点目前,对于致命病原体的检测还只能在专门的实验室并且要耗时数日甚至数周才能完成,每年全世界在诊断测试方面耗资约200亿美元。2004年的一期美国期刊商2.0(Business2.0)介绍了题为“七大新技术将改变一切”,其中阐述了微流体技术的应用可以使疾病检测技术走向大众,人们可以用病原体检测仪自己动手检测体液中是否存在特定的病原体(如艾滋病、SARS或禽流感病毒等)。并且第一种微流体诊断测试仪已经在市场上销售。美国AkonniBiosystem公司已经能够提供微流体结核菌检测技术,正在开发微流体SARS检测仪,预计2006左右可以投放市场。Akonni公司的首席执行官查理斯预言“现在必须由专业技术人员操作的病原体检测将来几乎人人都能做”。用于航空航天领域微流量控制系统中的微小型阀,需要具有耐高压、低泄漏、高频响和高控制精度等综合性能。我国已设计出可控高压力微流体的常闭微小型阀满足该系统需要。实验室微流体芯片技术将在分析化学、生物医学、诊断及药物学领域中得到广泛应用,如临床血细胞分析、蛋白质分析、核酸分析、药物分析和小分子分析等;用于稀有细胞的筛选、信息核糖核酸的提取和纯化、基因测序、蛋白质结晶、药物检测等;应用于分子生物学的分子检测技术、活体检测、高通量荧光DNA序列技术等;用于DNA、RNA的分析检测、化学和生物试剂、环境污染的监测及药物的合成与筛选等。现在已经有微加热器、微型泵、微型阀、微流量控制器、微电极、电子化学和电子发光探测器等组成的芯片实验室问世,并出现了将生化反应、样品制备、检测和分析等部分集成的芯片。随着实验室芯片技术的快速多元化的发展,其应用将成为新的经济增长点。在军事上,将采用MEMS技术使生物和化学领域结合,集成生物流体微处理器,将诊断、快速检测和药物注射治疗集成在一个手表一样的芯片戴在战士的手上,可以实时监测进入战斗状态的军队。使用以MEMS为基础的微流体技术,可在生化分析与合成中,执行几百项以流体为基础的处理过程。如作战人员使用的便携式系统,可自动的检测各种化学和生物危险,同时减少了探测时间和虚警;微型机械反应器能够在不用运输、立即投放的地方,安全的生产少量有害的化学物质;精确测量、分析、分发生物和化学流体,允许在战场重建和管理药品。美国国家基金会已肯定微流体技术潜在的应用价值,已下拨204万美元给罗德岛州大学用于研究。近5年内,罗德岛州大学将与德国不伦瑞克科技大学合作进行相关项目的研究。5关于微流体技术的基础理论研究我国在微流体领域的研究工作起步于20世纪90年代中期,当时受研究基础、经费、技术人员及手段等条件限制,主要是以仿真设计为主并结合实验研究。另外,微流体装置及微流体系统的研究,不仅涉及到电子和精密机械学科专业,还需流体控制技术的科研人员的参与,必须是多学科交叉研究,才能从本质上揭示微流体系统的工作机理。因此微流体技术的发展,尚有大量的基础理论研究工作要做。中科院院士田昭武和甘子钊等专家2004年11月1日在北大微流和纳米技术研究中心召开的学术研讨会上呼吁要关注、重视目前在微米尺度内发展微流体技术、重视微流体技术的研究,而且国家863计划已将微流体装置和微流体系统的研究列为重大专项课题。虽然目前生物芯片技术研究发展迅速,但在集成化微流体