《NPE》新篇预告：基于3D打印的桨叶驱动流体并应用于微泵

来源：纳米技术与精密工程

内容概要
针对传统的机械位移式微泵驱动电压高、功耗大、位移小等缺陷，上海交通大学微米/纳米加工国家重点实验室丁桂甫教授课题组唐智勇等提出了一种基于振动微桨叶的主动式微泵工作机制。不同于传统的基于薄膜的微泵工作原理，这种新式的微泵将微结构引入到微泵体系内，在外界振动源的驱动下微结构可以发生运动从而可以主动地定向驱动流体。作者从理论分析、模型仿真和实验等多个角度分析了这种新的工作机制的可行性。基于COMSOL仿真，展现了微泵定向驱动流体的能力，证明了这种原理的理论可行性。同时研究了结构效应和尺寸效应对微泵驱动性能的影响。最后采用3D打印工艺一体成型微泵，直接用于性能测试。从实验上证明了基于振动微桨叶操纵微流体这一全新机制。这种可以运动的微桨叶为操纵流体提供了更多的可能。

本文亮点
1、创新的将振动微结构引入到微泵系统内，微结构实现了对流体的直接驱动；
2、3D打印工艺引入到加工工艺中，实现了微泵的一次成型，极大的降低了产品的研发周期和制造时间。
3、采用微马达作为直接的驱动源，可以在极低功耗和电压下驱动微泵工作。

本文结论
1、通过COMSOL仿真，论证了定向驱动流体的能力。如图1，V型桨叶可 以定向操纵流体前进。
2、对3D打印的原型微泵进行测试，测试结果如图2。测试结果表面微泵可以定向驱动流体以及桨叶结构多微泵性能的影响。
3、利用高度摄影对微泵具体的工作过程进行检测，如图3所示。观察出不同区域流体的运动轨迹以及结构对流体的定向驱动效应。

Fig.1 Simulation pictures of microfluid flowat different times in a cycle when f = 50 Hz and A = 100 μm: (a) t = 0 T; (b) t= 0.25 T; (c) t = 0.5 T; (d) t = 0.75 T; (e) t = 1 T; (f–j) Pressuredistribution corresponding to a–e state.

Fig.2 Flow rate testing result of the prototype pump with eight different paddlestructures.

背景简介
微流体系统是指在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的系统，是基于微电子、微机械、生物工程、纳米技术发展起来的一门交叉学科。微流体系统的功能实现依赖于它所集成的功能部件，如微泵、微阀、微混合器、微反应器、微检测器、微传感器。而操作流体是整个系统的基础和关键，这就依赖于微泵。因为微泵具有样品损耗低、分析时间短、高流量和可集成制造的优势，已广泛应用于生物化学分析/传感、药物传输、分子分离、微电子冷却和动态环境检测领域。

按照工作原理区分，可分为机械泵和非机械泵。机械泵往往是依赖可动部件来驱动流体，而非机械泵是依靠电动力、磁动力、静电力、电热这些非机械能转化为动力来驱动流体。机械泵可驱动任意种类的液体，但工作状态不够稳定；非机械泵不需要活动部件，性能稳定，具有较好的流速放大和方向转换能力；当电流经过液体时，有些情况下会产生焦耳热，易形成电极气体；对溶液酸碱度和离子浓度有较高的依赖性，因而在生物医学方面的应用受到限制，而且响应慢。理想的可实际使用的微泵往往要求低能耗、易集成、易控制、驱动力强、性能稳定等特性。