微流体控制系统

微电子机械系统 （ M i c r o - E l e c - t r o - M e c h a n i c a l S y s t em , 简称M EM S ） 技术历经十几年的发展, 已经成为一种微型化的平台技术。微流体器件和系统是M EM S主要分支之一, 是M EM S中市场潜力的一部分, 有着广泛的军民两用前景, 因而受到各国政府、科研单位和企业界的高度重视。目前包括微流体生物芯片在内的微流体器件和系统已经或即将进入市场, 有着巨大市场价值。

据调查, 微流体控制系统的*占整个M EM S系统市场的4 0 %, 2 0 0 0年市场规模达到9 0亿美元以上。微流体控制技术, 是指在特征尺度为微米到纳米量级的结构 （微管道、微腔等） 中对微量流体进行移动、存储和操作的一项新兴技术, 实现如定位、定量注样、泵、阀等功能。微流体的控制与宏观流体有很大不同, 这主要是因为随尺度的减小, 流动特性发生了变化。一方面, 当流动的特征尺度减小到微米时, 支配流动的各种作用力的相对地位发生了变化。如表面力的作用增大而相应的体积力的作用减小。生物学研究表明, 在低于1 m m时,表面力的作用要大于体积力。此外, 微器件的表面积- 体积比是常规机械的上百万倍, 表面效应将会在微流体器件中起主导作用, 这大大影响了质量、动量和能量的传输。例如, 由于表面积/ 体积比大, 微管道流体的辐射和对流传热速率大大提高; 液体相对固体表面的润湿性会严重影响微流体的流动。另一方面, 微流动中出现了一些经典连续介质模型无法解释的现象。液体微流动中表观粘度与体积粘度的不一致就是其中的一个例子。这种流动特性的变化决定了宏观流体的控制技术在微流体中的简单移植往往不成功或者效果不好。当前, 微技术的种类很多, 有基于压力、电水力、电渗流、热、表面张力、离心力和声波等各种机制的; 微机械泵和阀就是一种有代表性的基于压力的微技术。基于电渗流和电水力学原理的微技术分别适用于电解质和电介质溶液, 它们都利用电场与流体的相互作用来控制流动, 具有控制灵活和的特点。其中电渗流在生物芯片中, 得到了广泛的应用。利用固体和液体的相对润湿性或表面张力的变化控制流体运动是一种很有前景的微流动控制方法, 这是由于表面张力在微流动中是主要作用力。早在1 0 0多年前, 意大利物理学家C a r l o M a r a n g o n i 就对由于流体组成变化或温度梯度造成的表面张力的变化及随之产生的液体流动的现象进行了研究。随着M EM S技术和现代物理和化学的发展, 人们逐渐有能力在微米乃至纳米尺度修正材料的表面特性, 给这种依靠表面张力变化控制流动的现象赋予了新的生命。

近几年, 在S C I E N C E和N A T U R E等刊物上相继发表了若干篇相关的研究论文。如利用在固体基底形成表面润湿图案、通过改变液体成分在液体中形成表面张力梯度、利用电毛细力等都是基于表面张力效应的技术。还有很多基于其他原理的微方法, 如热和离心力驱动 （前者是喷墨打印机中喷墨的主要原理） 。由于具有可动部件的微流体器件 （如微机械泵和阀） 工艺成本高、可靠性差, 因此开发无可动部件、简单灵活的微技术是目前的一种发展趋势。如基于离心力、电水力、电渗流和表面张力的微方法就属于这一类技术。微流体器件和系统种类很多, 在环境、生物医疗和空间等领域都有着广泛的应用。如生物芯片可用于疾病诊断、基因分析、药物筛选等, 微型推进器可用于微型卫星的姿态调整。这些应用将给相关的各个领域带来一场革命, 乃至改变我们的生活观念。

微系统zui有潜力的应用领域是在微分析领域。如基于微系统的生物芯片, 它将常规检测中需要众多仪器设备才能完成的注样、分离、反应、检测等步骤全部集成到了一块芯片上, 从而简化了操作, 降低了检测成本, 缩短了检测时间, 提高了检测精度。原定于2 0 0 5年完成的人类基因组计划, 在今年3月就已经全部完成, 就是在很大程度上得益于9 6根阵列毛细管电泳技术的成熟和应用。

随着纳米技术的发展和微米/ 纳米技术结合的日益深入, 纳米技术也将在微流体领域发挥重要作用。新出现的“纳流体”研究方向, 将在生物和医药方面的单细胞分析、蛋白和肽分析等领域起到积极的推动作用。清华大学微米纳米技术研究中心历经十几年的发展, 在国内系统、全面地开展了微流体系统的研究, 建立了从设计、工艺制造、分析的微流体平台。成功研制了微机械泵、微型阀、微推进器、微流体分析芯片等一系列具有和国内*水平的微器件和系统。下面我们结合我们的研究对微流体系统的各个方面进行一个较为全面的介绍。

微型泵：微型泵和微型阀的研究是一个综合性的集成研究课题, 涉及到的技术学科有机械动力学、弹性力学、材料力学、微流体力学、热力学、电子学、电磁学等等, 其关键技术包括微型制造技术, 测试技术, 微装配及控制技术等。清华大学微型泵研究课题组从微机械动力学角度出发, 解决了致动、工艺、测试、建模等一系列关键技术问题, 为M EM S的整体发展和微系统的研究和应用提供了坚实的技术基础。微型泵、阀是一类典型的微执行器, 有广泛的军民两用价值。微泵、阀是微小型卫星的微推进器中用于工质控制和供给*的关键部件, 其控制量、控制精度以及体积、功耗等综合性能直接关系到微型推进器的性能指标; 在生化和医疗应用中, 缓慢*可用于注射胰岛素; 微型泵、阀的另外一个典型的潜在应用对象是智能型单兵作战系统, 通过气体、压力、温度等传感部件, 单兵作战中心控制单元可以获取到士兵当前的生存环境参数, 进而可以控制微型泵、阀执行相应的操作进行温度压力控制、对有毒环境的中和。

喷墨打印机：目前, 基于M EM S微型喷已成为M EM S领域的一种典型器件, 并占有颇为重要的一席之地。它的应用涉及科学仪器、工业控制以及生物医疗等多个领域, 目前主要的应用方向有: 喷墨打印、芯片冷却、气流控制以及微型推进系统, 应用于药物雾化供给的微喷研究也正在兴起。而已进入实用化的产品就是喷墨打印机的喷墨打印头, 现今已形成年值数十亿美元的市场, 而且还在不断扩大。医用雾化给药微喷作为一种重要的非注射给药途径的医用雾化给药方式, 以其具有其他施药方法无与比拟的优点, 无论是其应用范围还是其相关技术都得到了快速发展, 在医疗应用领域起着越来越重要的作用。但是由于传统雾化给药使用氟利昂作为压力源, 此外, 当前雾化给药系统的雾化粒子直径和初速度较大, 粒子直径分布不够集中, 使得雾化给药的药物剂量利用率太低,造成药物大量浪费, 而且由于粒径分散, 使得药物粒子不能抵达正确给药部位, 带来许多无法预计的副作用。这些问题给医用雾化给药的未来发展带来挑战。

根据微型机电系统 （ M EM S ） *的低成本、大批量、高精度微加工等技术特点以及基于M EM S喷墨打印机的成功产业化, 清华大学微米纳米技术研究中心研制开发了可用于医用雾化给药的新型阵列微喷。该阵列微型喷的喷孔面上有利用微机械加工工艺刻蚀的直径数微米、喷孔数为6 0 0的微喷孔阵列。喷头的芯片尺寸为1 4 m m ×1 4 m m ×1 . 2 mm , 封装后的整个微喷形状及大小与电动牙刷相当。其工作原理: 在驱动器作用下形成的压力波将药物液体从微喷孔阵列的小孔处挤出形成雾化液滴从而达到雾化给药目的。这种雾化给药微喷使用方便, 便于随身携带, 而且成本低、容易实现批量生产, 产业化前景很好。

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