無閥壓電泵驅動的集成式微混合器

王記波, 劉國君, 馬祥, 劉建芳, 姜楓

(吉林大學機械科學與工程學院, 130025, 長春)

無閥壓電泵驅動的集成式微混合器

王記波, 劉國君, 馬祥, 劉建芳, 姜楓

(吉林大學機械科學與工程學院, 130025, 長春)

設計了一種無閥壓電泵驅動的集成式微混合器,其中無閥壓電泵采用三棱柱阻變高度流道式結構。利用等效電路模型研究了無閥泵的流動特性,并應用Fluent軟件對無閥泵及Y型微流道進行了系統仿真分析,確定了無閥泵和Y型微流道的結構參數,并優選出了系統控制參數。在實驗室內制作了微混合器樣機,并進行了脈動和混合效果實驗,結果表明:當入口流量為0.7 mL/min、脈動頻率為100 Hz時,流道內脈動效果明顯,由此驗證了該微混合器具備良好的工作性能。此項研究可為無閥壓電泵在微流控領域的應用提供借鑒。

集成式微混合器;無閥壓電泵;等效電路模型

隨著微機電系統(MEMS)加工、制作和裝配工藝的日趨成熟,微流控系統朝著微型化、集成化和智能化的方向發展[1],在生物、化學、制藥[2]等領域具有廣泛的應用價值。微流控系統主要由微泵、微混合器、微閥等部件組成,作為微流控系統的重要組成部分,微混合器的研究和應用受到了國內外學者的廣泛關注。

根據有、無外加驅動源,微混合器分為主動式和被動式2種[3]。被動式微混合器主要依靠曲折流道結構來增強分子間的擴散運動,達到混合的目的,其主要結構有T-Y型[4]、SAR型[5]和3D型[6]等。被動式微混合器結構簡單、易加工,但混合效率相對較低;主動式微混合器主要通過超聲波[7]、電場[8]、磁場[9]等外加激勵來促進流體間的混合,因而更為高效可控。目前,主動式微混合器驅動裝置多以外加場能為設計思想,其原理、結構復雜,且成本相對較高,不利于發揮混合器的實際應用價值[10-12]。壓電微泵因其結構簡單、加工周期短、制作成本低等優點[13],在微流控領域應用廣泛,以壓電微泵為驅動源的微混合器更具有微型化、集成化的優勢。目前,壓電微泵多以有閥泵為主,其工作性能受閥片材料、制作精度及裝配水平限制,在活細胞輸送以及含顆粒流體運輸方面具有一定的局限性[14]。無閥泵由于不受單向閥限制,在多范圍介質的運輸和泵送過程中運送流暢,不易阻塞,已顯示出其在微流控專門領域的優勢。

本文設計了一種無閥壓電泵驅動的集成式微混合器。該混合器由變高度障礙式無閥壓電泵和Y型微混合流道組成,利用壓電微泵脈動微混合技術實現流體的快速精密輸送。通過仿真優化、樣機制作以及混合性能等實驗,驗證了該微混合器的工作性能。

1 壓電微泵驅動的脈動混合原理

脈動式微混合原理[15]如圖1所示。混合系統由壓電微泵驅動部分和Y型微流道混合部分組成,通過對壓電微泵輸入信號的幅值、頻率和相位差的調節,可實現2種溶液形成如層流、混沌對流、紊流等不同混合模式。當輸入信號相位差為180°時,形成2種溶液脈動式交替注入,改變流量、激勵信號頻率可以控制兩溶液交替層的厚度。這種方法操作簡單、效率高、混合效果良好,可提高微尺度下的流體混合效果。

圖1 脈動式微混合原理

2 無閥壓電泵的設計

微混合器的驅動源是無閥壓電微泵(以下簡稱無閥泵)。傳統的無閥泵依靠壓電振子振動產生動力源,通過擴張/收縮流道兩端不同的阻力差實現流體的單向輸送。根據國內外對無閥泵的研究成果可知:通過在泵腔內設計多種形狀的障礙[16-17],可以擾亂流體在泵腔內的平穩流動,增加阻力差,提高無閥泵的輸出性能;對進、出口流道進行變高度設計[18],可以增大進、出口流道的流速差。

本文設計的無閥泵采用三棱柱障礙式泵腔和變高度流道,可提高無閥泵的性能,結構如圖2所示。

(a)無閥泵剖面示意圖

(b)無閥泵俯視結構圖圖2 三棱柱障礙變高度流道式無閥泵結構示意圖

2.1 無閥泵的工作原理

由于三棱柱障礙的存在,無閥泵泵腔兩側的流道均被分為3個擴張口結構,相當于對擴張口流道進行串并聯設計,其工作機理分為吸入和泵出2個部分。

吸入模式:壓電振子向上彎曲振動,使泵腔體積增大,泵腔內壓力降低,流體經兩側流道進入泵腔;由于兩側流道高度不同,左側入口處體積較大,所以當泵腔壓力降低時,入口處內外壓強差增大,使流體從左側入口處進入泵腔的流速增大;同時,左側入口阻力經過障礙分流作用進一步減小,使流量增加,而右側流道阻力進一步增大,使流速減小,進入的流量也相對減小。

泵出模式:當壓電振子向下彎曲振動時,泵腔在內外壓力差作用下從兩端泵出流體;左側流量減小、流速降低,右側流出流量增加、流速提高,因此在一定程度上增加了兩側流道進出口的阻力差,提高了無閥泵的流量。

2.2 無閥泵的流動特性分析

為了簡單有效地模擬無閥壓電泵的流動特性,根據電液類比原理,將無閥泵的流固耦合模型轉化為等效電路模型,分析其流動特性。

2.2.1 電液類比原理 根據電液類比原理建立如下類比關系:電壓U類比壓強P,電流I類比流量Q。將無閥泵的各部件分別等效成電路元件,組成完整電路。

在流體運動中,流體受流道阻力以及自身黏性力作用,出現能量損失和壓降。類比電路中的電阻作用,定義流阻

(1)

式中:ξ為局部壓力損失系數;Sd為流道截面積;ρ為流體密度;q為流道的體積流量。

流體由于運動慣性的存在,在流道中會產生流體質量的加、減速。類比電感作用,定義流感

(2)

式中:l為流道長度。

在壓力作用下,流道內的液體會受到壓力作用出現變形,進而出現變形的反作用力,即流容。類比電容作用,定義流容

(3)

式中:V為流體體積;K為流體彈性模量。

2.2.2 無閥泵等效電路模型的建立 無閥泵及壓電振子的相關參數如下:壓電振子彈性模量E=190 GPa;泊松比ν=0.33;等效系數γ=0.297;壓電振子厚度hp=0.4 mm;壓電振子半徑rp=7.5 mm;水的彈性模量K=2.2 GPa;泵腔半徑rc=7.5 mm;泵腔深度hc=0.15 mm。根據上述參數建立無閥泵的等效電路模型,組成完整電路。

(1)壓電振子等效電路模型。根據類比方程,可以得到壓電振子的電感方程

(4)

式中:meff=γ(msub+mact),其中msub為銅基片質量,mact為壓電陶瓷質量。

壓電振子的電容方程為

(5)

式中:Sp為振子表面積;k為等效彈簧系數

壓電振子的等效電路模型如圖3a所示。

(a)壓電振子等效電路 (b)無閥泵泵腔等效電路

(c)錐形障礙流道等效電路 (d)進出口等效電路

(e)無閥泵等效電路圖3 等效電路模型

(2)泵腔等效電路模型。泵腔的流感方程為

(6)

泵腔的流容方程為

(7)

式中:hc為泵腔深度;Sc為泵腔橫截面積;K為流體彈性模量(2.2 GPa)。

無閥泵泵腔的等效電路模型如圖3b所示。

(3)錐形障礙流道的等效電路模型。錐形流道的進、出口流阻不同,因此它具有流感、流阻,但不具有流容。利用二極管控制電流的正反方向來模擬無閥泵吸入和泵出的流動狀態,等效電路模型圖如圖3c所示。

(4)進出口等效電路模型。無閥泵的進、出口為內嵌障礙式擴張-收縮口,具有流阻和流感,可用方程表示為

(8)

進、出口等效電路模型如圖3d所示。

將上述無閥泵各部件的等效電路模型組合成整體無閥泵等效電路模型,如圖3e所示。

由無閥泵的等效電路模型可知:當無閥泵處于泵出模式時,進、出口流阻R5、R6及錐形障礙流道流阻R1、R3和流感L3、L5將直接影響電路的干路電流(對應無閥泵流量)。由此可知,進、出口和錐形流道的結構參數將直接影響無閥泵的出口流量。在本文的設計中,無閥泵的進、出口采用變高度設計,而錐形障礙流道受三棱柱障礙角θ和最小間距w的影響,其中最小間距w指障礙最寬處到錐形邊的距離,如圖4所示。

圖4 三棱柱障礙結構示意圖

2.3 無閥泵結構參數的優化

為分析無閥泵的結構參數對泵性能的影響,利用流體仿真軟件對三維泵體內的流場狀態進行模擬仿真及參數優化,對障礙角θ、最小間距w及流道高度比rh進行仿真優化設計。

2.3.1 仿真模型的建立

(a)障礙角的影響 (b)最小間距的影響 (c)流道高度比的影響圖5 無閥泵結構參數影響出口流量的仿真結果

(1)網格劃分。基于擴張-收縮口無閥壓電泵的結構,根據初始結構參數,通過Gambit建立三維泵體模型。網格劃分主要分為3部分:出入口;擴張-收縮流道;壓電振子及三維泵體。其中,對出入口和壓電振子進行四邊形面網格劃分,對擴張-收縮流道進行分塊體網格劃分,對三維泵體進行六角形體結構化網格劃分,最小網格尺寸為0.01 mm。

(2)Fluent仿真設置。錐形管式無閥泵的內部流場受壓電振子及錐形流道的影響,內部流動狀態屬于非定常流動,故求解器采用瞬態模擬;根據雷諾數確定流動模型采用層流模型;泵腔內的工作介質設為水;出入口設為壓力出入口,壓力初始值為0。

壓電振子在信號激勵下產生振動。對壓電振子進行靜力學仿真,選擇固定支承方式,振子直徑為15 mm,采用動網格模塊,利用udf程序給壓電振子加載位移變量,使振子產生彎曲振動,對流體產生驅動作用。

(3)判定標準。無閥泵以方波為驅動波形,故在仿真分析中,以1個周期內的最高出口流量為判定標準,用于考察和優化無閥泵的主要結構參數。

2.3.2 三棱柱障礙角對泵流量的影響 微流體通過錐形障礙流道時,受三棱柱障礙的影響,流體出現能量損失和壓降,在等效電路模型中視為流阻作用。障礙角θ、最小間距w等參數在電路模型中直接影響流阻大小,進而影響無閥泵的性能。

為探究障礙角θ對無閥泵性能的影響并優選出最佳θ值,設定無閥泵工作電壓為70 V,工作頻率為200 Hz,θ分別為9°、11°、13°、15°、17°、19°,考察θ值對泵出口流量的影響。出口流量仿真結果如圖5a所示,從中可以看出,隨著θ值的增加,無閥泵的出口流量先增大后減小,當θ=15°時,出口流量達到最大值,即無閥泵性能最佳,故選擇障礙角θ為15°。

2.3.3 最小間距對泵流量的影響 最小間距w直接影響進出口處的阻力差,對無閥泵的性能影響顯著。設定θ為15°,工作參數與2.3.2小節中的相同,對w分別為0.1、0.12、0.14、0.16、0.18 mm的無閥泵進行仿真分析,以考察w對無閥泵性能的影響,得到的出口流量仿真結果如圖5b所示。分析可知,w越小則流量越大,當w為0.1 mm時,無閥泵的出口流量較大,但因加工精度的限制,無閥泵在后期需要用直徑為0.1 mm的錐形刀具加工流道,因此最終選擇w為0.14 mm。

2.3.4 流道高度比對泵流量的影響 區別于傳統的無閥壓電泵,上述新型壓電泵的擴張-收縮口流道是變高度設計。為探究變高度設計對無閥泵性能的影響,設定θ為15°,w為0.14 mm,考察無閥泵頻率在100～300 Hz時流道高度比rh對無閥泵性能的影響,出口流量仿真結果如圖5c所示。

通過分析流道高度比-出口流量仿真曲線可知:隨著高度比的增加,無閥泵出口流量呈增加趨勢;當流道高度比為5、脈動頻率為270 Hz時,無閥泵的性能最佳,此時出口流量為0.87 mL/min。因此,確定流道高度比為5。

3 微混合流道結構參數的確定

本文提出的微混合器以無閥泵為驅動源,對兩相溶液進行脈動泵送,并在Y型混合流道中進行主動混合,Y型微流道寬度和入口流道夾角將直接影響混合效果。

采用“混合度”對混合效果進行表征,主要考察混合流道截面處流體的分布均勻性。混合度σ的計算公式如下

(9)

式中:φi為各節點的溶質體積分數;φ∞為理想均勻混合系的溶質體積分數;N為節點數。

混合度的值為0～1,即當σ=0時,2種溶液未混合;當σ=1時,2種溶液完全混合。

圖6 不同微流道寬度時的混合度仿真結果

3.1 微混合流道寬度的確定

為探究微流道寬度對混合效果的影響,設定2條入口流道的夾角為90°,無閥泵的工作頻率為100 Hz,入口流量為0.7 mL/min,考察微流道寬度W(0.1～0.6 mm)對混合效果的影響,仿真和計算結果如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知:隨著微流道寬度的增大,混合度呈現先增大后減小的趨勢,當流道寬度為0.2 mm時,混合度達到最大值0.86。因此,選擇微流道寬度為0.2 mm。

圖7 混合度與微流道寬度的關系曲線

3.2 微混合流道入口角度的確定

入口流道夾角(α)是影響混合效果的另一個重要參數。設定微流道寬度為0.2 mm,其他參數與3.1節中的相同,考察入口流道夾角(分別設為30°、60°、90°、120°、150°和180°)對混合效果的影響,仿真和計算結果如圖8、圖9所示。

圖8 不同入口流道夾角時的混合度仿真結果

圖9 混合度與入口流道夾角的關系曲線

由圖8、圖9可知,隨著入口流道夾角的增大,混合度值先增大后減小,當α=90°時混合度達到最大值,約為0.93。因此,選擇入口夾角為90°。

4 微混合器工作參數的確定

對于脈動式微混合系統,在確定結構參數后,脈動頻率和溶液入口流量是直接影響混合效果的重要參數。

4.1 最佳脈動頻率的確定

為獲得最佳脈動頻率,設定無閥泵的入口流量為0.7 mL/min,脈動頻率分別為25、50、100、150、200和250 Hz,對混合效果進行仿真分析,結果如圖10所示。

由圖10可知:當頻率為25 Hz時,流道中并無脈動現象;在50 Hz時,溶液已出現脈動,但效果不明顯;在100 Hz時,流道中“月牙”清晰,脈動效果明顯,具備脈動混合基本特征;在150 Hz時,溶液的脈動效果已開始減弱;在250 Hz時,混合溶液出現分層現象。分析上述結果可知:當入口流量為0.7 mL/min時,脈動頻率取100 Hz混合效果最佳。

4.2 最佳入口流量的確定

設定無閥泵的脈動頻率為100 Hz,考察入口流量對混合效果的影響,仿真結果如圖11所示。由圖中可以看出:當入口流量為0.4 mL/min時,溶液分層現象明顯;當入口流量為0.5 mL/min時,微流道內開始出現脈動現象;當入口流量為0.7 mL/min時,脈動效果最為明顯,混合效果最佳;當入口流量為0.8 mL/min時,流體的脈動效果開始減弱。因此,當頻率為100 Hz時,入口流量取0.7 mL/min脈動效果最佳。

5 微混合器樣機制作

微混合器樣機制作主要包括PMMA陽模制作、PDMS芯片制作、無閥壓電泵裝配和石英玻璃板封裝鍵合等過程,具體工藝流程如圖12所示。

圖11 不同入口流量時Y型流道混合效果的仿真結果

圖12 微混合器工藝制作流程

微混合器的裝配圖及樣機照片如圖13所示,最終獲得的微混合器樣機的整機尺寸為50 mm×50 mm×8 mm。

(a)微混合器裝配圖

(b)微混合器樣機照片圖13 微混合器裝配圖及樣機照片

6 實驗測試

對自行設計、制作的集成式微混合器進行了脈動及混合效果實驗,以測試該混合器的性能。

6.1 微混合器脈動效果實驗

實驗方案:分別配制10 mL紅、藍墨水作為實驗試劑;用去離子水進行玻璃儀器的清洗并烘干備用;搭建實驗平臺(見圖14),合理調整儀器位置及角度;利用MSH-600信號發生器調節無閥壓電泵輸出流量為0.7 mL/min,兩相相位差為180°,根據無閥壓電泵的不同工作頻率進行實驗;利用高倍放大鏡觀察實驗結果,使用成像設備完成最后的圖像處理。

圖14 微混合器脈動實驗平臺

實驗結果如圖15所示。當無閥泵的工作頻率為50 Hz時,2種溶液雖無分層現象,但脈動效果并不明顯;當工作頻率為100 Hz時,流道內的“月牙”清晰可見,脈動效果明顯;當工作頻率增加至150 Hz時,脈動效果出現減弱現象;當工作頻率為200 Hz時,流道內的脈動效果明顯減弱,2種溶液呈現波浪形流動。流道內兩相溶液的混合情況與仿真結果較為一致,說明一定的輸出流量對應一定的最佳脈動頻率值,同時說明該微混合器在最佳工作參數時表現出了良好的混合性能。

(a)f=50 Hz (b)f=100 Hz

(c)f=150 Hz (d)f=200 Hz圖15 脈動混合效果實驗結果

6.2 微混合器混合效果實驗

實驗方案:實驗所用玻璃儀器均用去離子水沖洗干凈,烘干備用,并用無水乙醇對無閥壓電泵進行灌泵處理;配備10 mL體積分數1%的綠色熒光微球乳濁液作為一相,另一相為去離子水;用MSH-600信號發生器為無閥泵輸入頻率為100 Hz、相位差為180°的電信號,利用無閥壓電泵將兩相溶液以0.7 mL/min的流量脈動注入;利用倒置熒光顯微鏡觀察流道內熒光粒子的運動及混合狀態,并使用PC主機完成最后的成像及灰度值處理。

利用出口截面的灰度值檢測兩相溶液的混合情況,若灰度值在截面處明暗相間或者均勻分布,則表明2種溶液均勻混合。圖16a為混合流道入口處的熒光粒子運動情況,可以看出此時入口處兩相溶液處于脈動混合狀態;圖16b為流道出口處的熒光粒子運動情況,此時熒光粒子均勻充滿混合流道,且流動平穩;圖16c為出口處的粒子灰度值分布圖,受流道壁面附著熒光粒子的影響,流道兩邊灰度值呈現下降趨勢,而出口截面中間部分的灰度值在100上下且波動很小,曲線較為平穩,表明熒光粒子混合良好。

(a)入口處粒子混合情況 (b)出口處粒子混合情況

(c)出口處粒子灰度值分布圖圖16 熒光粒子混合情況

7 結 論

本文提出了一種采用三棱柱障礙變高度流道式結構的無閥壓電泵驅動集成式微混合器。對無閥壓電泵的結構參數進行了優化分析,對微混合流道的結構和控制參數進行了進一步優化,設計制作了樣機,并進行了相應的脈動和混合效果實驗,得出以下結論:

(1)該新型無閥壓電泵通過設置三棱柱障礙以及進行進、出口流道變高度設計,可提高無閥壓電泵的性能,同時,微混合器的良好性能可拓展無閥壓電泵在微流控領域的應用。

(2)利用等效電路模型,將無閥壓電泵的流固耦合關系轉換成電路模型來分析無閥壓電泵的流動特性,是一種更為簡單有效的研究方式。

(3)對于脈動微混合系統,通過調節控制參數可以實現多種混合模式。

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AnIntegratedMicro-MixerDrivenbyValvelessPiezoelectricPump

WANG Jibo, LIU Guojun, MA Xiang, LIU Jianfang, JIANG Feng

(College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China)

An integrated micro-mixer driven by a valveless piezoelectric pump was designed. The valveless piezoelectric pump has triangular prismatic obstacles and variable channel heights at inlet and outlet. Based on the equivalent circuit model, the flow characteristics of the valveless pump were studied, and system simulations of the pump and the Y-type micro-channel were performed by the software Fluent. The corresponding structural parameters and control parameters of the pump and Y-type micro-channel were optimized and determined. A prototype of micro-mixer was built, and experiments on the pulsating and mixing effects were carried out in laboratory. Test results show that when the frequency is 100 Hz and the output flow rate is about 0.7 mL/min, the pulsation effect is obvious in the flow channel, which verifies the good working performance of the micro-mixer. This study may provide a reference for further application of valveless piezoelectric pump in microfluidics.

integrated micro-mixer; valveless piezoelectric pump; equivalent circuit model

2017-07-01。 作者簡介: 王記波(1992—),男,碩士生;劉國君(通信作者),男,教授。 基金項目: 國家自然科學基金資助項目(51375207);吉林省自然科學基金資助項目(20170101136JC)。

時間: 2017-10-20

網絡出版地址: http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20171020.1622.004.html

10.7652/xjtuxb201801014

TH384

A

0253-987X(2018)01-0092-08

(編輯 葛趙青)