姓名：刘菡萏
目 录
1、前言 3
2、微流体驱动中的流体力学问题 3
2.1 尺度效应 3
2.2 表面效应 4
3、微流体驱动和控制技术 5
3.1 压力驱动和控制 5
3.2 电渗（Electroosmosis）驱动和控制 6
3.3 电水力（Electrohydrodynamic，EHD）驱动和控制 8
3.4 表面张力的驱动和控制 10
3.5 热（气泡）驱动和控制 10
3.6 离心力驱动和控制 11
4、结束语 12
1、前言
随着微流体系统，尤其是生物芯片和缩微芯片实验室（Lab-on-a-chip）技术的发展，微米乃至纳米尺度构件中流体的驱动与控制技术越来越引起人们的注意。微流体系统是微电子机械系统（MEMS）的一个重要分支，是构成大多数微系统中感应元件和执行器件的主要组成部分，也是MEMS发展需要解决的关键技术之一。另一方面，微流体驱动与控制技术的发展也严重影响着微流体器件的进一步小型化和性能的改进，后者反过来也促进了微流体驱动与控制技术的发展。微流体驱动和控制技术的研究已逐渐成为MEMS研究的一个热点。
微流体的驱动与控制和宏观流体的驱动与控制有很大的不同，这主要是由于当尺度减小时，流体的流动特性发生了变化，这种流动特性的变化使得宏观流体驱动与控制技术在微流体中的简单移植往往不成功。微流体的驱动与控制技术更为复杂和多样化，不仅可能出现不同于宏观流动的规律，而且许多在宏观流动中被忽略的因素，将成为主要的影响因素。这里，有必要首先对微流体驱动中的流体力学问题做个简要的分析。
2、微流体驱动中的流体力学问题
在微尺度流动中，当特征尺度接近微米量级时，流体的流动特性，与宏观相比，发生了很大的变化，基于连续介质的一些宏观概念和规律就不再适用，粘性系数等概念也需重新讨论。由于尺度的微小，使原来的各种影响因素的相对重要性发生了变化，从而导致流动规律的变化。
2.1 尺度效应
尺度的减少使得微流体的流动发生了一些不同于宏观流动的变化。这种尺度效应主要表现在两个方面。一方面，当流动的特征尺度减少到微米时，支配流动的各种作用力的地位发生了变化，原来宏观流动中的主导作用力地位下降，而在宏观流动中居次要地位而通常被忽略的作用力的地位则上升而成为微流体流动的支配作用。这一点主要表现在体积力和表面力上。当流动的特征尺度小于毫米量级时，表面力的作用就超过了体积力。
另一方面，随着构件的特征尺度减少到微米乃至纳米量级，微流动中出现了一些经典连续介质模型目前无法解释的现象。液体微流动表观黏度与体积黏度不一致的现象就是其中的一个例子。一方面，微流体的流动特性与管道的材料和几何形状有关。例如玻璃圆截面管道和硅梯形管道的流动特性就不同，前者与无滑移边界条件的Navier-Stokes方程预测的结果吻合得很好，而后者则偏离了经典理论的预测。另一方面，微流体的流动行为与流体的微观组成有关，如极性和非极性液体微流动中表观黏度的表现就不同。与此相关的各种效应并没有包括在经典的Navier-Stokes理论中，但可能对微流动行为产生较大的影响，如分子旋转产生的微转动效应在处理聚合物或聚合物的悬浮微粒时就很重要。
以上这些现象的解释，还有待于实验技术的改进和新的理论模型的提出。
2.2 表面效应
当尺度减小时，微流体器件的表面积/体积比大大增加，表面积与体积之比值可达百万倍之大，这更加强化和突出了表面力和其它表面效应的作用。例如：一特征长度是1m的机械，其表面积/体积比为1m-1；而一特征尺度为1μm的微流体器件，相应的比为106m-1。也就是说，微流体器件的表面积/体积比约为常规机械的上百万倍，这大大影响了质量、动量和能量在微流体器件表面的传输。很明显，表面效应将会在微小器件中起主要作用。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，表面张力甚至可以成为驱动微流体流动的一种机制等等。对这些表面效应的研究是微流体驱动和控制技术发展以及解释微流体流动现象迫切需要的。
随着尺度减小时，在宏观流动中常被忽略的一些表面力将出现一些新的现象，这些表面力包括液体的表面张力、粒子电离后产生的库仑力、分子极化产生的范德华力、空间位形力等。这些力都来源于分子间的相互作用力，从本质上说它们都是短程力（<1nm），但其积累效果可达0.1μm的长程。一般情况下，这些力可利用作用力的经验或半经验定律来计算。
3、微流体驱动和控制技术
目前，微流体的驱动和控制技术种类很多，采用的原理和形式不尽相同。如按原理来分，可分为压力驱动、电水力驱动、电渗驱动、热驱动、表面张力驱动、离心力驱动等；根据其有无可动部件可分为有阀型微泵和无阀型微泵的驱动和控制；其中每一种驱动和控制方式又有各种不同的操作形式。有阀型微泵往往基于机械驱动，原理简单，制造工艺成熟，易于控制，是目前应用的主流；无阀型微泵则常常利用流体在微尺度下的新特性，原理比较新颖，更适于微型化，具有更大的发展前景。
微流体的流动特性复杂、影响因素众多，而且有时几种方式是组合在一起的。上述条框式的分类只是近似的，不全面的，但为叙述方便，先根据有无可动部件进行简单分类，然后将按照原理分类对各种驱动和控制微流体的技术进行介绍。
3.1 压力驱动和控制
微流体的压力驱动和控制与宏观流体的原理相似，都是依靠入口、出口和腔体内部的相对压差驱动流体，利用机械阀实现流动控制。在这点上，微流体的压力驱动和控制可以看作宏观流动控制技术的一种移植。目前，利用压力驱动和控制微流体有两种方法。一种是利用外部的宏观泵或注射器与微流体管道耦合，通过前者的推动力驱动流体在微管道中流动，流体冲开管道中的阀门被释放出。这种方法简单、容易实现、成本低，而且已经商业化，但不易小型化是它的一个主要缺点。另一种微流体的压力驱动和控制方法是采用微机械技术制作的微泵来提供压力。
基于压力驱动和控制的微机械泵，一般为有阀型微泵，利用腔体容积的周期性变化和单向阀门进行工作的。根据驱动薄膜振动的方式不同，有阀微型泵可以分为压电驱动微泵、静电驱动微泵、热驱动微泵、双金属驱动微泵及电磁驱动微泵等。
所示为一种使用球型阀的压电片驱动微泵，它的特点是通过压力腔和内部流道的优化设计，来实现优化的流动状态。
尽管有阀型微泵的工作原理较简单，易于控制，制造工艺较成熟，但由于整个泵体中存在阀片等机械可动部件，必然受到加工工艺和加工精度的限制，不利于微型化的发展趋势，而且由于阀片的频繁开关，泵体的可靠性和使用寿命也不高。相比之下，无阀型微泵由于其结构相对简单、制造工艺要求不高，因而有着独特的发展优势。无阀型微泵通常利用了流体在微尺度下的新特点。以下介绍的微流体的驱动和控制都是无阀型微泵。
虽然微机械泵已经取得了很大发展，但离进入市场还有很长一段路要走。这一方面是由于微机械泵所能提供的压力非常有限，很难用于实际流体的驱动。而且微机械泵中包含微型可动部件，制作工艺复杂、价格昂贵；另一方面也是因为，一般微阀的性能相对较差，存在背压低、泄漏和死体积等诸多问题，而且微机械泵的启动注水问题仍然是一大难点。虽然随着技术的不断发展，这些问题都将逐步得到解决，而且微机械泵有几乎可以适用于任何流体的驱动的优点，但与目前其它的微流体驱动和控制方式相比，它仍处于竞争的劣势。
3.2 电渗（Electroosmosis）驱动和控制
利用电渗流产生泵和阀的动作驱动流体在微管道中流动，是一类较成熟的方法。在微流体系统，尤其是在生物和电泳芯片中，得到了广泛的应用，是目前最成功的微流体驱动和控制方法之一。
电渗现象是一种宏观现象，它是指在电场作用下，管道中或固相多孔物质内，液体沿固体表面移动的现象。图2为电渗流形成的原理图。电渗流产生的前提是在与电解液接触的管壁上有不动的表面电荷。这种表面电荷来自于离子化基或者液体中被强力吸附在表面的电荷。在表面电荷的静电吸附和分子扩散的作用下，溶液中的抗衡离子就会在固液界面上形成双电层，而管道中央液体中的静电荷则几乎为零。双电层由紧密层和扩散层组成，其中紧密层的厚度约为1～2个离子的厚度。当在管道两端施加适当的电压时，在电场作用下，固液两相就会在紧密层和扩散层之间的滑动面上发生相对运动。由于离子的溶剂化作用或黏滞力的作用，当形成扩散层的离子发生迁移时，这些离子就会携带着液体一同移动，因此形成了电渗流。液体随扩散层中的离子移动，从开始到形成稳定的速度轮廓，所需的时间很短，数值计算的结果表明，这一时间大约为100μs~1ms。在这段时间之后，电渗流的流速轮廓是一个平面，就像一个瓶塞。电渗流在管道中匀速流动，不存在径向的流速梯度。这一点与压差引起的抛物线型的流速轮廓不同，两者的对比见图3。
电渗流的大小受到溶液的性质的影响，与溶液中的表面活性剂和有机添加剂有关。在溶液和管道性质一定的情况下，电渗流的速度与电场强度成正比。一般在生物芯片中要产生合适的电渗流速需要施加几千到上万伏的高电压。同时，利用电压的切换，可以在微管道的交叉口控制电渗流流动的方向，实现阀的功能；优化管道的几何，可以在管道的不同部分产生不同的流速。
电渗驱动与控制方法简单、无可动部件、容易在微管道中应用。该方法虽然没有机械阀，却可以通过电压的切换实现阀的动作，所以被广泛应用在微生化分析领域，是目前较成熟和效率较高的微流体驱动技术。但电渗驱动和控制技术也存在一些缺点。首先，电渗流对管壁材料和被驱动流体的物理化学性质敏感，因此它只适用于一定范围的流体和管壁材料。其次，产生电渗流所需要的高压电源会带来安全、功耗和所占空间大的问题，这不利于系统的微小型化；电渗流的实现要求流体在管道中保持连续性，这使得当管道中存在气泡时该驱动方法不再有效，这就需要加倍小心地防止管道中产生气泡。最后，电渗流尽管适于驱动和控制狭窄管道（<100μm）中的微量液体，但由于焦耳热问题，它却不能高速（>1μl/s）驱动更宽管道中的流体，而这一能力在许多的微流体应用中是必要的。
3.3 电水力（Electrohydrodynamic，EHD）驱动和控制
电水力驱动与电渗驱动都是由电场和流体中电荷的相互作用来产生驱动力的。但电水力驱动需要在流体中或流体 - 固体界面诱导产生自由电荷，通过自由电荷的运动而产生动量，带动流体运动，它一般适用于导电率极低的液体。而电渗驱动主要依赖于材料与液体本身产生的双电层与电场的相互作用来驱动流体，它适用于电解质溶液。
电水力驱动按其驱动电压类型可分为两种，一种是在平行电极间施加直流电压驱动的EHD注射泵，另一种是在电极阵列上施加不同相位行波电压的EHD诱导泵。图4显示了EHD诱导泵的原理结构，它的驱动力主要由在流体 - 流体或流体 – 固体界面上诱导的自由电荷产生的。如图4所示，两种材料的介电常数或导电率不同，在电极阵列上施加电压就可以在材料界面诱导自由电荷产生。但由于电力是垂直作用在界面层的，所以直流电场或静态交流电场并不能产生驱动力。如果在电极阵列上施加一个电势行波，下面的材料界面就会产生与之同步运动的诱导电荷。由于材料的电荷松弛会使自由电荷的运动滞后于电势行波的运动，这样所导致的电势行波与被诱导电荷之间的位移就会产生一个作用在界面上的电表面应力，从而驱动流体流动。
另一种EHD驱动技术（即EHD注射泵）的驱动力为作用在流体离子上的库仑力。如图5所示。
在微流体的驱动中，EHD驱动技术所需要的驱动电压从几百到几十伏就可以获得满意的驱动效果，而且随着对泵的几何的进一步优化，EHD驱动技术还有很大的提高驱动效果的潜力。但EHD驱动技术有一个较大的局限性，就是对液体的导电特性有特殊要求，仅限制于那些导电率极低（10－12～10－6s/m）的液体的驱动，例如酒精、丙酮、硅油等，往往还需要在液体中注入离子，其应用受到很大限制。不过，如果EHD驱动技术和电渗驱动技术互为补充地使用，二者可以相得益彰。
3.4 表面张力的驱动和控制
从原理上讲，如果能够在固-液表面产生某种特定的表面张力梯度，就可以驱使液体在特定的方向流动。一般产生这种表面张力梯度的方法有两类。一类方法是通过改变固体支持面的润湿性。当把液滴滴在具有表面张力梯度的表面的疏水端时，由于液滴边沿相反两面的接触角不同，造成两边的表面张力不平衡。两边的表面张力差可以驱动液滴向亲水端运动，见图6。利用该方法，可以使得1~2μl的水滴再150的斜坡上以1~2mm/s的速度进行“爬山”运动。由此我们可以想到，如果能够在管道中产生特定的表面张力梯度的表面，就可以使微流体无需任何外部作用而自发运动。
该方法可以用于微化学反应器以及用来进行复杂流体的微化学分析和用于对蛋白与细胞进行分类的微流体系统的制作，其成本低廉和工艺简单的优点将使它具有诱人的应用前景。
另一类产生表面张力梯度的方法是通过改变液体的成分或温度梯度实现的。利用电化学方法控制溶液中的表面活化分子的浓度在液体中产生表面张力梯度，从而驱动和控制液体或液体中的微粒的运动，甚至可以在没有任何限制的表面上产生液体的定向流动。
表面张力的变化可以驱动流体流动这一现象虽然很早就被人所认识，但利用它主动进行微流体控制与驱动还是最近的事。上述研究也只是处于实验室研究阶段，要用于具体的微流体系统还有很多技术问题需要解决。但由于认识到这种驱动技术诱人的应用潜力和表面效应在微流动中举足轻重的作用，我们相信，随着对表面现象的深入理解，会有更多的基于表面张力的驱动和控制技术出现。
3.5 热（气泡）驱动和控制
热驱动微泵是利用流体的热特性，例如热胀冷缩或者相变来驱动工作流体。图6所示微利用流体受热相变来实现泵送的新型微泵。通过对微细管内液体进行循环周期性加热，利用流体周期性的相变可以使流体沿热源移动的方向泵送。其原理是加热液体使其产生表面张力梯度的变化来驱动流体，它是属于热驱动和控制的一种，并可参照表面张力驱动和控制的介绍。
这里主要介绍一种特殊的热驱动和控制技术。
这种技术的操作过程一般是，通过给液体加热，使液体中产生气泡，气泡随温度的增加而膨胀，从而驱动和控制液体。HP公司的热喷墨打印机中的墨的喷射，就是采用这种驱动方法。但这是液体只有一个开口（喷嘴）的腔体中的情况。当液体中的气泡随温度的增加而膨胀时，液体自然会直接从开口喷出。而当液体在两端开口的管道中时，这种方法就不能实现液体的单向驱动。采用多气泡不对称加热方式进行驱动的模式，其中一个气泡可以起到阀的作用。
这种利用气泡加热控制和驱动微流体的方法，所需加热电压小，没有可动部件，实现简单，而且易于将控制电路和流体管道集成为一体，是一种比较理想的控制方式，但目前达到的驱动速度较小，还需要进一步的改进。
3.6 离心力驱动和控制
采用光刻和模塑成型的方法在塑料圆盘上制作微管道网络，流体被装载在靠近圆盘中心的供液池中，当圆盘由马达带动旋转时，流体就在离心力的作用下沿着微管道网络向远离圆心的方向运动。流体流速的大小可以通过调节马达转速来控制。而且，通过控制转速，管道在盘片上的分布和几何构型可以实现流体的混合和被动阀的功能。
基于离心力进行微流体驱动有很多优点：首先，该驱动技术只需要一个普通的马达，功率消耗低，要求空间小；其次，该驱动技术对液体的物理化学性质不敏感，可以用于驱动血液、尿液以及一些有机溶剂等生物流体，而且它不仅可以驱动液体，也可以驱动气体，因而适用范围广；再者，该驱动技术适用于驱动不同尺寸范围的管道中的流体，最后，离心力驱动技术可获得的流速范围大，调节方便，就目前的发展水平来说，离心力驱动可以得到5nl/s~0.1ml/s范围内的流速，要比其它几种驱动技术流速的调节范围都大。而且只要通过改变马达的转速就可以调节流速的大小，所以调节很方便。在这些方面，微流体的离心力驱动技术要优于其它几种驱动技术，但在控制的灵活性以及应用等方面，它还存在很多问题，仍然需要进一步发展完善。
微流体的驱动和控制方法很多，而且正在不断的发展中。由于篇幅所限，这里不可能将所有内容都包含在内，只能将以上几种最有代表性的微流体驱动和控制技术介绍给大家。在表1中，对各种微流体的驱动和控制方式进行了比较。微流体的其它类型的驱动和控制方法，在这里就不一一介绍了。
表1 微流体驱动方式比较
驱动和控制机制 有无微机械可动部件？ 能否实现阀的功能？ 流速 功率源 适用流体范围 发展阶段
压力（薄膜微机械泵） 有 能 0~1ml/min 通用 成熟
电渗 无 能 10nl/s~0.1μl/s 上千伏电压 电解质并依赖于溶液的PH值与离子强度 接近成熟
EHD（注射泵） 无 能 0~14ml/min 几十到几百伏电压 导电率极低的流体 研发阶段
表面张力（电化学） 无 能 2.5mm/s 几百毫伏电压 否 原理阶段
热（气泡） 无 能 0.5nl/min 几十伏电压 通用 研发阶段
离心力 无 能 5nl/s~0.1ml/s 马达 通用 研发阶段
4、结束语
随着微电子机械系统的不断发展，微流体的驱动和控制技术的重要性越来越引起人们的注意。在微流体驱动和控制技术的研究中，微机械工艺技术往往决定着驱动和控制的性能，所以开展相应微机械工艺技术的研究对于微流体的驱动和控制是十分重要的。另一方面，微流体的流动特性复杂，而且影响因素众多，尤为重要的一点是，由于流动尺度的减小，在宏观流动中许多被忽略的效应，例如表面效应，在微流体的流动中往往成为流体流动的主要影响因素。这些特点使得微流体的驱动和控制方式与宏观流动控制方式十分不同，而且形式更为多样。在微流体的驱动和控制的研究中，注意到微流体的上述特点，开展相应的微流体流动特性的研究，深入理解驱动的机理，不仅对于发现新的驱动机制，而且对于已有的驱动和控制方式性能的提高，都是十分必要的。我们相信，随着微机械工艺技术的不断进步和微流体流动机理的深入研究，新的、性能更好的微流体的驱动和控制方式会不断出现在我们面前。作为微流体系统的关键技术，微流体驱动和控制技术的进步将会大大促进微流体系统（如微全分析系统，μTAS）的发展。
