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微泵的分类以及优缺点分析

微泵作为微流控系统的“心脏”,是微流体输送的动力源,也是微流控系统发展水平的重要标志。作为一种重要的微型执行部件,微泵可广泛应用于药物输送、血液运输、DNA合成、电子冷却系统、微全分析系统、微型燃料电池、微型卫星推进系统等领域,具有巨大的市场应用前景。


按有无运动部件,微泵可以分为机械式和非机械式。机械式微泵驱动力较大、响应速度快,是目前应用的主流,但因为有可动部件,结构复杂,存在机械磨损和泄漏现象,不利于微型化、集成化发展。非机械式微泵将非机械能转变为微流体的动能,没有运动部件,结构简单、流量连续稳定,是目前研究的热点。


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机械式微泵的分类


压电驱动微泵

压电驱动微泵是基于压电晶体的压电特性驱动薄膜振动从而实现泵送流体的。常见的压电材料有压电片、PZT压电堆、压电薄膜。压电驱动的优点是结构简单、驱动力大、响应时间短、能耗低、效率高;其缺点是驱动电压高、振幅小,自吸困难,限制了其应用范围。


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静电驱动微泵

静电驱动是基于库伦力的原理,在其中一个固定电极上加单一极性电压,在另一个与泵膜相连的可动电极上加交变电压,交替产生双向形变,从而实现泵送功能。静电微泵具有低功耗、响应快、驱动频率高等优点; 但不足的是驱动电压高,体积冲程小,而且还需在微泵加入防止电路短路的绝缘膜,加工工艺要求高。



热气驱动微泵

热气驱动原理类似于蠕动型气动微泵,主要通过气体加热膨胀导致弹性薄膜形变实现微流体的驱动。热气驱动微泵的驱动器一般由加热器、泵膜和密闭压力室组成。通过加热冷却压力室的气体产生膨胀和收缩动作,推动泵膜运动。热气驱动微泵提供的驱动力较大,可在较低的驱动电压下获得较大的膜片变形,并且热驱动器容易集成在泵体中,微泵整体体积较小; 但是由于冷却较慢,微泵响应慢,驱动频率低,一般为几赫兹,而且功耗较大。


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电磁驱动微泵

电磁驱动微泵的原理是将永磁铁贴在泵膜上,利用线圈产生的交变磁场,使得永磁体带动泵膜往复运动,达到泵送流体的目的。电磁驱动的优点是输入电压低、泵膜变形大、频率调节方便、响应快,并且可以远程控制。缺点是能耗高、电磁材料微加工困难、由于线圈存在难以微型化。




形状记忆合金驱动微泵

形状记忆合金驱动(SMA)是利用合金随温度变化发生相变的特性,来提供驱动力。它的形状记忆功能通过马氏体相变的可逆性来体现。常见的记忆合金有钛镍合金、金铜合金、铟钛合金、铜锌合金等,其中钛镍合金最常见。这种微泵的优点是驱动力大,泵膜变形大,缺点是泵膜的变形较难控制、响应慢、驱动频率低(一般在100 Hz以下)、效率低。


电致动聚合物驱动微泵

在外部驱动电压的作用下,能产生一定形状和尺寸变形的聚合物被称为电致动聚合物(EAP)。EAP是一种新型智能材料,目前应用于微泵的电致动聚合物主要有介电弹性体(DE)、离子聚合物金属复合材料(IPMC)和导电型聚合物聚吡咯(Polypyrrole)。电致动聚合物在电场的作用下可产生大幅变形,远大于现有的压电材料,可以大幅提高泵送能力。




非机械式微泵的分类


电液动力微泵

电液动力(EHD)微泵基本原理是利用流体中带电离子在电场作用下的迁移,从而带动整个流体迁移流动的目的。这种微泵的优点是无阀无活动部件、结构简单、对微加工工艺要求不高、成本低;但这种微泵对流体的介电性质有特殊要求,只能用于绝缘液体或导电率极低的液体,如乙醇、丙酮、异丙醇等,限制了其应用。




电渗驱动微泵

电渗驱动(EO)微泵是指外加电场使微通道壁面带有固定电荷,利用其产生的电渗现象驱动液体。按驱动方式分主要有直流电渗泵和交流电渗泵两种。直流电渗泵需要超高电压,一般要几千伏; 而交流电渗泵驱动电压低,可以有效抑制电解反应。这种微泵的优点是结构简单、流动稳定、易于控制、背压高; 缺点是驱动电压高、流量小、外界影响因素多,而且仅适用于电解质溶液。


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磁流体动力微泵

磁流体动力微泵(MHD)是利用磁场和电场施加于导电流体的洛伦磁力作为微泵的驱动力,一般驱动电导率在1 S/cm数量级的导电液体。驱动电压可以采用直流电和交流电两种方式。MHD微泵结构简单,成本低,驱动电压低,流动稳定且可双向控制;但只适用于导电率较高的流体。



电浸润式微泵

电浸润式微泵利用表面张力来驱动流体运动。微尺度下,表面张力是一种主要作用力,而金属液体的表面张力会因电压改变而变化,在充满电解液的管道中施加电压金属液滴就可以沿着管道运动,推动流体运动。这类微泵具有功耗低、响应快、表面电化学不活泼等优点。



文章来源:《微泵的研究现状与发展》作者:许忠斌   杨世鹏   刘国林   阮晓东  许忠斌   杨世鹏   刘国林   阮晓东







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