review on microflow devices and systems
yin zhizhong et al
a review on the developing in microflow devices and systems is introduced.
keywords:mems,microfluidics,microsensor,micropump,microvalve,microchannel
1 前言
微机电系统(micro electro mechanical systems，缩写为mems)一般是指以集成电路等工艺批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器及信号处理和控制电路等于一体的装置。1959年，著名物理学家richard feynman提出了微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世，其后又有一些微型机构开发成功，如微型齿轮、气动涡轮等。但直到80年代，随着微电子工业、材料及控制等技术的发展成熟，微机电系统才具备了发展的技术基础［1］。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60～120μm的硅微型静电电机，引起人们的极大关注。十几年来mems有了飞速的发展，并被认为有光明的发展前景［2，3］。
mems具有尺寸小、重量轻、响应快、精度高、性能好和成本低等特点，使其在工业、信息处理和通讯、国防、航空航天、航海、医学和生物工程、农业和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景，日本有人甚至把其称为“机械复兴(mechanical renaissance)”［4］。
微流动系统作为微机电系统的一个重要分支，近年来取得了很大的进展。微流动系统是由微型泵、微型阀、微型传感器等微型流动元件组成的，可进行微量流体的压力、流量和方向控制及成分分析的微电子机械系统。作为微机电系统的一个较大分支，微流动系统同样具有集成化和大批量生产的特点，同时由于尺寸微小，可减小流动系统中的无效体积，降低能耗和试样用量，而且响应快，因此有着广泛的应用前景；如液体和气体流量配给、化学分析、微型注射和药物传送、集成电路的微冷却、微小型卫星的推进等。下面分别介绍微流动系统的各部分概况。
2 微型流量传感器
理论上说，凡是能通过理论或实验的方法得出与流量有关的物理量，都能用于流量测量。微型流量传感器具有体积小、对流场干扰小、易于集成及可批量生产等点。
2.1 压阻式微型流量传感器
图1所示是v.gass等研制的基于流体动力测量的微型流量传感器［5］，作用在悬臂梁端的力与流量成近线性关系。
图1 悬臂梁式微型流量传感器
图2 基于温度变化的微型流量传感器
压阻式微型流量传感器的特点是制作工艺相对简单，响应快，但一般受温度的影响比较大。
2.2 基于温度变化的微型流量传感器
图2是一典型的基于温度变化的微型流量传感器的示意图［6］。加热电阻h加热后，由于流体的流动，使得其上游温度(t1)低于下游温度(t2)，两者的温差包含了流量信息［7］。
文献［8］对微型流量传感器作了系统的介绍。
3 微型泵
微型泵作为一个重要的微流动执行器件，是微流动系统发展水平的重要标志。迄今所发表的微型泵根据其有无可动阀片可分为有阀微型泵和无阀微型泵。
3.1 有阀微型泵
有阀微型泵主要是基于不同致动原理的往复式薄膜泵。往复式薄膜泵的基本结构如图3所示［9］。各种泵的区别在于对薄膜的驱动方式不同［10］，有静电、压电、电磁、热、气动和形状记忆合金等。图4和图5分别是静电和压电驱动微型泵。
图3 往复式薄膜泵基本结构
图4 静电驱动微型泵
图5 压电驱动微型泵
3.2 无阀微型泵
带有可动阀片的有阀微型泵的结构一般比较复杂，在工艺实现和集成上有一定困难。无阀微型泵的特点是结构及制作工艺简单，泵送原理新颖。图6是一种无阀扩压管微型泵，它是利用流体流过收缩管和扩压管的阻力不同来输送流体的，但这类泵的反向止流性能较差［11，12］，图7是一种微型电液动力泵，其原理是通过诱导液体中的电荷运动产生动量，带动流体运劝［13］。此外，还有其它形式的微型泵［14～18］。
图6 扩压管式无阀泵
图7 电液动无阀泵
文献［19］、［20］对微型泵的流动情况进行了分析。
4 微型阀
4.1 微型被动单向阀
微型被动单向阀主要与微泵一起应用，迄今已有许多不同结构、不同材料的被动阀制作成功，如图8所示［10］。开启压力、工作压力、额定流量及正反流量比是评价被动阀的重要指标。
4.2 微型主动阀
微型主动阀可单独用于气、液体的微流量、压力的控制。微型主动阀结构是被动阀和致动器的结合。用于微泵中的致动原理也可用于主动阀。
图8 被动单向阀
5 微型通道
自从tuckermann发现微通道优异的对流换热性能以来［24］，人们对其进行了多方面的研究，但得到的结论却不尽一致，甚至相反［25～28］。
6 典型微流动系统
现阶段微流动系统的集成尚处在探索阶段。图9是几种流量配给和控制系统［10］。图10是血液ph值监测系统［21］。此外还有一些化学分析系统［22、23］。
图9 流量配给及控制系统
7 结语
微型流体机械的出现为此领域的工作者提供了一个新的研究方向，同时也提出了新的挑战。随着尺寸的减小，各种力量对比要发生变化，这使得微尺度领域的许多物理现象与宏观世界有很大差别。在微尺度领域，与特征尺寸的高次方成正比的惯性力、电磁力等的相对作用减小，而与尺寸的低次方成正比的粘性力、弹性力、热应力、表面张力、静电力等的作用相对增大。随着尺寸的减小，表面积相对于体积或质量之比相对增大，或者说，研究对象中处在表面上的分子相对于内部分子所占的比重增大；而表面是对象与外界发生联系的界面，因此对象与外界的相互作用相对增强。所有这些对微流体机械的驱动机制的选择及其性能等都有重要影响，有待于进一步研究。
作者简介：尹执中，男，27岁，博士生，1997年开始从事微流动系统的研究，对热驱动微型泵和微型阀的性能进行了较系统的理论和实验研究。通讯地址：100084北京市清华大学工程力学系。
尹执中（清华大学）
胡桅林（清华大学）
过增元（清华大学）
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