在微流体控制系统中, 经常会遇到两种或多种流体按不同比例混合的情况, 其精度是整个生化反应成败的关键。有效地控制微流体混合对生物分析、化学分析的速度和效率都具有很大的意义^{[1, 2, 3]}。微流体混合器根据其工作方式可以分为主动混合器和被动混合器两种。主动混合器主要是依靠外加在流体上的一些主动控制来干扰流场以加强分子的扩散和质量的传输, 从而实现流体的混合^{[4, 5, 6]}。被动混合器主要是采取复杂、特殊的几何形状使流体产生横向或无序流动, 从而达到流体混合的目的。主动式混合器的优点是易于控制, 缺点是除混合装置外还需要额外的能量及其产生部件, 制作复杂。被动式混合器需较长的混合通道, 且混合过程不可控^[7]。

压电泵是把驱动元件、传动元件和执行元件三者融为一体的流体泵, 所以它比传统的流体泵体积小, 并且消除了运动部件可能产生的压力损失、磨损以及疲劳破坏, 简化了泵的结构。由于压电泵具有体积小、结构简单、无电磁干扰、工作噪音小、易于加工、便于微型化等诸多优点, 目前已经应用于微流体混合器中, 作为微流体混合器的动力元件, 提供流体流动的动能, 控制流体按比例输出并在微通道内混合。但在目前研究的使用压电泵的微流体混合器中, 压电泵的数量取决于需要混合的流体的种类, 不利于实现微流体混合器的小型化^{[8, 9, 10, 11]}。

综上, 本文提出利用一个单腔体压电泵实现两种微流体的混合, 设计了一种新型的双入口压电泵, 实现两种微流体的主动混合, 并对双入口压电泵的输出性能进行了理论分析和试验研究。

对于单腔体压电泵, 每一个振动周期内, 理论上由出口排出的最大输出流量等于单位时间内泵腔体积变化量的总和, 于是有:

Q0=ΔV×f(1)

式中: Q0为理论最大输出流量; ΔV为每一个振动周期内泵腔体积的变化量; f为压电振子的振动频率。

单腔体压电泵入口的输入流量等于入口处流体的流速与过流面积的乘积, 于是有:

Qin=v×D(2)

式中: Qin为入口处的最大输入流量; v为压电泵入口处流体的流速; D为过流面积。

压电泵将静止的流体吸入泵腔中, 根据伯努利方程, 可以得到:

P大气+ρgh=P入口+12ρv2+ρgH(3)

P入口=P大气-P泵腔(4)

式中: P大气为大气压力; ρ为流体的密度; g为重力加速度; h为流体的初始高度; P入口为压电泵入口处的压力; H为泵腔入口处的高度; P泵腔为压电泵的泵腔压力。

于是可以得到, 压电泵入口处流体的流速 v的表达式为:

v=2P泵腔-ρgΔhρ(5)

式中: Δh为泵腔高度与流体初始位置的高度差。

当压电泵处于吸水状态时, 泵腔体积增大, 此时泵腔内的压力减小, 设泵腔初始容积为 V,根据理想气体状态方程可知:

P大气×V=P泵腔×V+ΔV(6)

P泵腔=VV+ΔV×P大气(7)

由此可得:

Qin=2P大气×VV+ΔV-ρgΔhρ×D(8)

当 Qin< Q0时, 单腔体压电泵入口处的输入流量小于单位时间内泵腔体积的变化量, 因此压电泵的输出流量等于入口处的输入流量, 单腔体压电泵的性能没有得到完全发挥; 当 Qin≥Q0时, 单腔体压电泵入口处的输入流量可以满足单位时间内泵腔体积的变化量的需求, 因此压电泵的输出流量等于理论最大输出流量, 达到流量的最大值。

由以上分析可知, 为了保证单腔体压电泵的流量特性, 入口截面积 D要满足:

D≥ΔV×f×ρ2P大气×VV+ΔV-ρgΔh(9)

单入口单腔体压电泵的入口截面积受入口单向阀的尺寸限制, 不满足式(9)的要求, 无法进一步增大。双入口压电泵通过增加入口的个数, 来增大入口截面积, 能够满足式(9)的要求, 因此双入口压电泵可以提升单腔体压电泵的输出流量, 提高单腔体压电泵的输出性能。

制作了双入口压电泵的样机并进行了试验测试, 图5为双入口压电泵的样机。双入口压电泵的外形尺寸设计为70 mm× 70 mm× 30 mm, 出/入口管道直径均为5 mm, 采用一片圆形双晶片压电振子驱动, 压电陶瓷直径为50 mm, 厚度为0.2 mm, 铜基板直径为55 mm, 厚度为0.2 mm, 泵腔高度为0.7 mm。搭建了双入口压电泵的性能测试系统, 测试过程中, 采用正弦电压信号, 驱动电压为120 V, 试验介质为纯净水。分别测试了双入口压电泵在零背压下的最大输出流量以及零输出流量时的最大输出压力。按照同样的方法测试了以往设计的单入口单腔体压电泵的最大输出流量及输出压力, 并与本文设计的双入口压电泵的输出流量及输出压力进行对比分析。

图5

Fig.5

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	图5 双入口压电泵的实物图Fig.5 Photograph of dual-entrance Piezoelectric Pump

两种压电泵的输出流量随驱动频率的变化规律如图6所示。从图6可以看出:两种压电泵的输出流量都随频率的变化而发生明显的变化, 且变化趋势相同, 主要是由于单向截止阀的影响。但双入口压电泵的输出流量在各个频率点上都要高于单入口压电泵的输出流量。单入口压电泵和双入口压电泵在驱动频率为70 Hz时, 输出流量均达到最大值, 双入口压电泵的最大输出流量为270.8 mL/min, 单入口压电泵的最大输出流量为193.4 mL/min。从试验结果可以得出, 双入口压电泵通过增加单腔体压电泵入口的个数, 增大了压电泵入口的截面积, 提高了单腔体压电泵的输出流量。

图6

Fig.6

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	图6 两种压电泵的输出流量-驱动频率关系曲线Fig.6 Output flow rate-frequency curves of the two pumps

两种压电泵的输出压力随驱动频率的变化规律如图7所示。从图7可以看出, 两种压电泵的输出压力在低频段随频率变化较快。双入口压电泵在频率为100 Hz时, 输出压力达到最大值14.12 kPa, 单入口压电泵在80 Hz时, 输出压力达到最大值12.2 kPa。因为单入口压电泵从入口吸入的输入流量小于泵腔体积的变化量, 压电振子在每一个振动周期内不能吸入充足的流体, 那么在向上弯曲变形时, 先要将泵腔内多余的气体排出, 再将泵腔内的流体排出, 导致压力下降。对于双入口压电泵, 由于入口数量的增加, 入口截面积增加, 压电振子在每一个振动周期内吸入泵腔内的流体增加。在每一个泵水行程中, 泵腔内充满流体, 当压电振子向上弯曲变形时, 泵腔内的流体受到挤压, 由于流体不可压缩, 输出压力得到提高。

图7

Fig.7

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	图7 两种压电泵的输出压力-驱动频率关系曲线Fig.7 Output pressure-frequency curves of the two pumps

通过试验可以得出, 双入口压电泵通过增加单腔体压电泵入口的个数, 增大了入口截面积, 提高了单腔体压电泵的输出性能, 与前面理论分析的结论一致。

利用制作的双入口压电泵样机, 进行了双入口压电泵的流体混合试验。使双入口压电泵的两个入口分别吸入两种不同颜色的流体, 以此来观察双入口压电泵的流体混合效果。图8为驱动频率为60 Hz时, 双入口压电泵的流体混合试验结果。从图8可以看出:双入口压电泵的两个入口分别吸入了两种流体, 且泵腔内交界面清晰, 并没有在泵腔内发生混合, 而是在出口处进行了混合。

图8

Fig.8

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	图8 双入口压电泵的流体混合结果Fig.8 Micro fluid mixing status

进一步测试了双入口压电泵在不同驱动频率下各入口的吸入量占泵出量的百分比, 如图9所示。从图9可以看出, 双入口压电泵在不同频率下两个入口的吸入量占泵出量的百分比是变化的。

图9

Fig.9

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	图9 不同驱动频率下各入口吸入量占泵出量的百分比Fig.9 Percentage of the output flow rate for the intake of each entrance when the frequency was different

分析双入口压电泵的流体混合试验结果可以得出, 使用双入口压电泵能够实现两种流体的混合, 且两种流体在双入口压电泵的出口处发生混合。通过控制双入口压电泵的驱动频率, 可以利用双入口压电泵实现对两种流体的变量混合。其主要原因有以下两点:①双入口压电泵的泵腔内, 流体处于层流状态, 因此两种不同流体的交界面清晰, 在泵腔内不发生混合, 在出口处混合; ②在不同频率下, 双入口压电泵的两个入口处流体的流速不同, 导致两个入口的吸入量不同, 且随着驱动频率的变化而发生变化。

提出了一种新型的双入口压电泵。通过对单腔体压电泵的分析, 得出单腔体压电泵的输出流量与入口截面积有关, 入口截面积存在一个最佳值, 使单腔体压电泵的输出流量达到理论最大输出流量。双入口压电泵通过增加入口的个数, 使入口截面积达到了最佳值, 从而提高了单腔体压电泵的输出流量。双入口压电泵的最大输出流量为270.8 mL/min, 比单入口压电泵提高了77.4 mL/min; 双入口压电泵的最大输出压力为14.12 kPa, 比单入口压电泵提高了1.92 kPa。使用双入口压电泵可以实现两种流体的混合, 但两种流体并不是在双入口压电泵的泵腔内混合, 而是在出口处混合。双入口压电泵两个入口的吸入量占泵出量的百分比随着压电泵的驱动频率的变化而变化, 通过控制双入口压电泵的驱动频率, 可以实现对两种流体的变量混合。