2023年12月1日发(作者：小米8全面参数)

微流体驱动与控制系统的研究进展

赵士明;赵静一;李文雷;王立亚;郭锐

【摘 要】随着微流控系统的应用越来越广泛,微米尺度和纳米尺度器件微通道内的

流动逐渐成为了研究的热点.重点阐述了微流控系统的驱动元件——微泵、控制元

件——微阀的研究现状,介绍了学者们研制的各种微泵、微阀的工作原理与结构特

点,指出了微流体驱动控制系统泄漏、结构复杂、成本偏高等问题依然存在,并对微

驱动控制的发展方向进行了展望.

【期刊名称】《制造技术与机床》

【年(卷),期】2018(000)007

【总页数】8页(P40-47)

【关键词】微流体;微通道;微泵;微阀

【作 者】赵士明;赵静一;李文雷;王立亚;郭锐

【作者单位】燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室,河北秦皇岛

066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),河北秦皇岛

066004;唐山工业职业技术学院机械工程系,河北唐山063299;燕山大学河北省重

型机械流体动力传输与控制实验室,河北秦皇岛066004;先进锻压成型技术与科学

教育部重点实验室(燕山大学),河北秦皇岛066004;燕山大学河北省重型机械流体动

力传输与控制实验室,河北秦皇岛066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实

验室(燕山大学),河北秦皇岛066004;燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制

实验室,河北秦皇岛066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),

河北秦皇岛066004;燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室,河北秦

皇岛066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),河北秦皇岛

066004

【正文语种】中 文

【中图分类】TH703

流体是物质的重要存在形式之一，流体的流动是自然界最基本的现象，通常把微米

尺度或接近微米尺度空间里的流动称为微流体。以层流或低雷诺数为主要特征的微

流体的操控简称为微流控。最近十几年迅速发展的微流控芯片是一种典型的微流控

技术的推广，因为微尺度的特征，可以把生物、化学、医学等领域涉及的生物、化

学等实验室的功能集成到一块几平方厘米的芯片上，因此也称为芯片实验室[1-3]。

微流控芯片可以操纵几十微米到几百微米的微小通道内部流体的流动，所控制的流

体体积可以小至10-9～10-18 L。微流控芯片主要以微管道网络为结构特征，被

广泛应用于分离分析、生物科学和生命医学研究等众多领域，是当前微全分析系统

领域发展的重点[4-6]。关于微流控芯片的研究有大量的文献报道，Nature杂志也

对微流控芯片做过题为“芯片实验室”专辑。微流控芯片的成功研制为人类研究微

尺度通道内的流动特性提供了重要基础，其在微纳机电系统(MEMS)、生物医疗、

组织工程、新材料、新能源、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、

微纳电子、生物芯片、光电子中都有应用。作为微流控芯片发展的核心部分，微流

体驱动与控制系统的研究具有巨大的社会意义和市场价值。本文针对目前微流控技

术发展中的驱动和控制系统使用的微通道、微型泵、微型阀的发展进行了分析、归

纳和总结，提出了发展过程中存在的问题，并对微流体驱动与控制系统的发展方向

进行了展望。

1 微通道技术的发展现状

微通道可以实现微尺度下包括多相介质的混合、分离、冷却、检测等，其在生物医

学领域，生物物理科学以及多孔介质性能等方面都有广泛应用[1，7]。微流控系统

中的关健技术，包括微通道结构的设计、微泵的驱动、微阀的控制，目前已成为了

国内外学者的研究热点。微流控芯片的微通道一般包括入口、主通道、辅助通道和

出口。当需要输入多相流体时，各相流体从不同的入口通道引入，到主通道汇集，

经过主通道处理后的各流体再由不同的出口通道流出。入口和出口部分可以设计成

“T”型[7]，“Y”型[8]，或扇骨型[9]。微通道可以使用不同的材料来制备，包括

玻璃[10-11]、硅[12]、高分子聚合物材料[13]等。

微流体芯片的制备有大量的报道，刘赵淼等[14]通过理论分析和数值模拟研究了圆

形和梯形截面微通道内的流动，研究表明：微通道中流动的摩擦系数随雷诺数的增

大逐渐减小；通道截面的当量直径会改变过渡状态存在的雷诺数范围；粗糙度会影

响湍流状态下流动的摩擦系数，相同雷诺数下，粗糙度值越大，摩擦系数越大。

Greene J P等[15]制备了一种导电塑料薄箔带用于微通道板的探测系统，并对微

通道板进行了探测，根据测试得到的3组数据显示基本上能满足测试要求。针对

制备微通道的材料不同，使用不同的加工方法。玻璃材料和硅主要用光蚀刻的方法，

加工方便，可以精准地控制微通道的大小、形状和位置，适合批量生产。纳米光刻

技术能制备出尺寸小于500 nm的微通道，但是光刻技术因为精度等原因难以用

于三维微孔网络的打印。最新的激光光刻3D打印技术打印精度达到1 nm。刘媛

媛等[16]使用3D打印技术打印了具有三维微孔网络的组织工程支架，并进行了试

验，试验结果表明，构建的组织工程支架力学性能能满足要求，支架具有良好的生

物相容性。

燕山大学赵静一团队[17-19]研究了基于3D打印的骨组织工程三维多孔支架其内

部微通道的流动特性,根据仿生学原理设计了骨组织工程多孔支架，利用有限元与

计算流体动力学理论定量地对骨支架微管道内细胞与营养液的流动进行研究，得出

了理想的体外培养骨支架管道是内部主管道呈锥形，微管与主管具有90°夹角的结

构，管道相交处设置过渡圆角的结构，这种结构能够使骨支架内部流场分布更合理，

有利于成骨细胞的生长，缩短患者的治疗时间。

2 微流体驱动技术研究现状

微流控系统的动力源于微泵，在生物医学领域里要精确地检测和控制流量，在液体

药物输送、细胞分离、微量化学分析等方面应用广泛。

关于微泵的研究报道出现于20世纪80年代初期，经过30多年的发展，在微泵

的设计、制造技术和微泵的微流体理论基础方面的研究取得了一定进展。微泵按照

有无运动部件分为机械式微泵和非机械式微泵。机械式微泵驱动力大、响应快应用

比较广泛，但也因其必须具有力学执行机构，结构复杂，也存在机械磨损和泄漏等

问题。机械式微泵主要分为压电驱动微泵、静电驱动微泵、热气驱动微泵、电磁驱

动微泵、形状记忆合金驱动微泵。

(1)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。

何秀华等[20]设计一种基于合成射流压电激励器的无阀微泵结构，研究了微泵的工

作原理，并根据微泵存在的自吸困难等，提出关键结构参数的确定方法。对选用的

合成射流激励器流场进行三维数值模拟，结果表明: 利用该方法得到微泵结构的最

佳泵腔高度为7 mm，最佳出口直径为1.78 mm。在零背压下，取雷诺数为225、

频率为100 Hz时，微泵流量可达32.1 mL/min。该微泵结构及工作原理，如图1

所示。

耿照新等[21]设计了具有三明治结构和两被动阀的压电驱动微泵，并对气体微泵与

液体微泵的工作原理、结构特点等分析，设计了气液两用微泵，并进行了实验研究。

通过实验，气、液体的最大流量分别达到53.6 mL/min和1.280 mL/min。

等[22]研制了一种新结构的压电驱动微泵,如图2所示。该微泵使用高档数

控机床加工而成，两个阀口和泵膜都采用PDMS材料制造，横截面积为28

mm×5 mm。在50 V电压、100 Hz正弦交流电驱动电压下，最大稳定流量达到

72 mL/min，微泵结构更加紧凑，减少了泄漏，增加了通流能力，散热性好。

Pierre-Henri Cazorla等[23]使用硅和PZT薄膜材料制作了应用于MEMS的低压

压电驱动微泵。该微泵可以使用液体及气体介质，并且不需要外部驱动。通过实验，

在24 V电压、1 Hz正弦交流电驱动电压下，薄膜向上产生5.6 μm的偏差，使用

水作为介质，得到3.5 mL/min的最大流量，微泵的阀门可承受3 200 Pa，其优

势在于将压电驱动的微泵驱动电压大幅降低，这项技术可用于降低电力驱动装置的

功率损耗和减小植入装置的尺寸。

(2)静电驱动微泵

静电微泵是利用平行板电容器两个极板之间的静电力为驱动力，驱动力使弹性泵薄

膜发生振动，引起泵腔的压力波动，完成吸排流体的功能。Astle A A等[24]研制

了一种用于气相色谱仪化学分析的多级静电气动微泵，在电压100 V，14 kHz的

驱动电压下，最大流量为3 mL/min，最大背压为7 kPa，可以满足气象色谱仪对

流量和压力的要求。

国内主要是从理论分析和仿真方面对静电微泵进行研究。董金新等[25]应用任意拉

格朗日—欧拉(ALE)描述建立了无阀微泵的静电—结构—流体全耦合三维模型，并

进行了数值仿真研究，研究表明：泵腔内流体的动态特性与泵膜的运动关系密切；

用雷诺方程描述泵腔内流体动力学特性具有可行性；对微泵的3D全耦合仿真，能

够获得驱动电信号与流体流量、泵送压力等输出变量三者之间的关系，有利于实现

静电驱动微泵结构优化。张彧等[26]用最小能量法和均匀压力载荷下的圆薄膜大变

形半解析解相结合的方法，改进了静电驱动柔性振膜微泵的理论分析模型。并通过

理论分析和仿真研究得出了用双腔结构，减小介电层厚度、减小腔体深度、缩小腔

体半径，有利于静电驱动柔性振膜型微泵性能的提高。

(3)电磁驱动微泵

根据电磁驱动的工作原理，且磁场可以不依靠媒介而存在，因此电磁驱动可以用在

比较大的空间范围。电磁驱动微泵的原理就是将永磁体贴在泵膜上，通电后线圈内

部产生交变磁场，使永磁体带动泵膜往复运动，从而完成泵送。Yamahata C等

[27]研制了一种基于PDMS材料的球阀型电磁驱动微泵。该微泵采用喷砂技术加

工了玻璃基板，利用烧结技术制备了多层微流控芯片。将永磁体插入PDMS薄膜

合成薄膜，体积冲程较大，在泵的自吸能力和抗气泡特性都有很大提升。取驱动电

流为100 mA，驱动频率为30 Hz时，可得最大输出流量5 mL/min，最大背压

28 kPa。

(4)热气驱动微泵

热气驱动微泵是利用加热和冷却压力室内的气体，使气体产生膨胀和收缩，推动泵

膜的周期性振动，从而完成泵送。热气驱动微泵驱动力大，使用较低的驱动电压可

以产生比较大的泵膜的变形，但是加热冷却速度较慢，驱动效率低，功耗大。Ha

S M等[28]研制了一种应用于生物芯片的PDMS热驱动微泵，该微泵由三层

PDMS片和一层加热电阻玻璃片组成，利用PDMS模塑法加工出泵腔、微阀、流

体通道等微结构。加热电阻与微泵泵体采用分离式封装方法，加热电阻可重复使用，

降低了微泵的成本。经过试验，在0.1 Hz，占空比为0.33的驱动电压下，该微泵

的驱动性能达到最佳，最大流量达到50 μL/min。

(5)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。

形状记忆合金的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[29]。这种微泵的优点是驱动力大，缺点

是薄膜的变形难控制、响应慢、驱动频率低。Shuxiang Guo等[30]研制了一种利

用基于NiTi形状记忆合金驱动的蠕动微泵，该微泵结构由12根记忆合金弹簧，4

根橡胶软管，3对挤压杆，2个单向阀组成。微泵的设计采用蠕动式结构，使用了

三组记忆合金驱动器协调控制，来驱动微流体的流动。实验结果表明，通过改变驱

动电压的大小和频率，可以获得 400～3 200 μL/min的流量，如图3所示。

3 微流体控制系统研究现状

微型阀简称微阀，其在微流控芯片、生物医疗、电子工业等领域有广泛的应用，也

是微流体驱动控制中的核心部件。微阀的种类很多，凡是能控制微通道闭合和开启

状态的部件都能作为微尺度流动中的微型阀使用的都是微阀。因为主要用于处理微

小通道内的流动，微阀体积非常小，用于流量小、压力低的场合。微阀一般与微泵

结合完成所需要阀的功能。微阀具有如下特征：低泄漏、低功耗、响应速度快、线

性范围宽、适应面广等。微阀按驱动方式分为主动型微阀和被动型微阀两大类。

3.1 主动型微阀

3.1.1 机械驱动方式

(1)磁力驱动微阀

Bae B等[31]设计了一种永磁体附着在微机械膜和外部螺线管线圈压力调节微阀,

该微阀用于青光眼的治疗，临床试验使用此微阀的医疗机械为青光眼患者植入药物

提供了方便。Ahn团队[32]制作了加入集成磁性感应器的微阀，该微阀由集成磁

性感应器、电镀的镍铁合金膜的硅膜及阀座组成。磁性感应器的磁通量推动硅膜与

镍铁合金结合，硅膜脱离阀座，阀口开启，流体从出口流出。李松晶等[33]提出一

种可用于气动微流控芯片气压控制的电磁致动微阀，并对微阀的工作原理与结构进

行了分析，建立了流场的数学模型，利用Fluent进行了流场的仿真，结果得出电

磁微阀出口流量与入-出口压差、阀口开度成正比例关系。

(2)压电驱动微阀

压电现象是指晶体在电场作用下产生机械压力或拉长的能力。由于压电作用能够产

生极大的弯曲力和小的位移，因此压电驱动的微阀被广泛应用 [34-35]。Wu X等

[36]提出一种压电驱动和液压放大的轴向聚合物微型阀，如图4所示。微阀使用立

体光刻技术制备，具有三层压电层。使用不可压缩弹性体作为可靠的液体介质，驱

动过程中产生较大阻塞力，微阀能保持稳定状态。微阀用于气动触觉感知装置中，

其工作压力高达90 kPa，切换速度在1～200 Hz。在150 V时，阀的最大行程为

37 μm。在94.4 kPa压差下，微阀的流量和开启电压分别为785 mL/min和150

V。在气动触觉感知装置中的成功应用，为这类微阀在其他微机电系统中推广提供

借鉴。

张蕊华等[37]对压电微阀的驱动电源进行了研究，根据压电陶瓷的工作原理，电源

的稳定影响微阀控制精度。张蕊华为驱动电源加入了稳压电路设计并改进了放大电

路，试验结果表明，改进后的电压输入输出线性特性良好，实际高压输出与理论输

出线性拟合误差最大仅为84 mV，且在高压输出时其纹波特性很小，输出信号纹

波误差仅为10 mV，提高了压电驱动微流量阀的控制精度。

(3)热驱动微阀

热驱动微阀主要分为热气驱动微阀、双金属驱动微阀、形状记忆合金驱动微阀。热

驱动微阀结构简单，能提供较大的驱动力，但是也存在效率低，响应速度慢的缺点

[32-33]。

①热气驱动微阀 热气驱动的微阀原理是液体体积的热膨胀引起膜的偏摆。Takao

H等[38]研制了一种使用弹性薄膜热气驱动微阀，使用PDMS材料。经测试，该

微阀具有位移量大、密封好的优点。在30 kPa时测试，泄漏量小于1 μL/min。

当入口压力为20 kPa时，微阀关闭所需功率为30 mW，微阀开启需要85 mW，

开启压力偏高。微阀的粘性阻力较大，反应时间长。Potkay J A等[39]研制了一

种低功耗混合型热气驱动微阀，该微阀致动器使用了静电控制和集成阀板位置传感

技术，这种组合式的致动器安装在单一结构上，使致动器所需能耗低。微阀大小为

7.5 mm×10.3 mm×1.5 mm，开启后流速为8 mL/min，在115 kPa时，泄漏量

为 2.2×10-3 mL/min。在250 mW时，致动时间为430 ms，阀关闭需要功率为

90 mW。该微阀采用了热气动和静电控制，降低了功率损耗，并减少了泄漏量。

②双金属微阀 双金属驱动的原理是两种金属在相同温差下膨胀或收缩的量不同产

生内应力，使双金属片发生形变。Jerman H等[40]设计了一种具有8 μm厚的硅

膜和5 μm厚的铝层的双金属驱动微阀。输入压力为7～350 kPa时，微阀的流量

控制在0～150 mL/min，实现了正比例控制。经测试，充入氮气压力在34.5 kPa

时，阀反向泄漏量为30 μL/min。

③形状记忆合金微阀 形状记忆合金(shape memory alloys)，能在加热升温后消

除在较低温度下发生的变形，恢复其变形前形状的合金材料，因为其特性目前应用

广泛。Piccini M E等[41]用直径75 μm的镍钛诺金属线和硅胶研制了一种常闭式

微阀，该微阀经测试最高可以承受68.9 kPa的压力。通过输入压力脉冲控制微阀

的开启关闭，当脉冲功率为213 mW 时，反应时间为2.5 s，平均流速为28.4

μL/min。当压力为20.7kPa时，流速为33 μL/min。杜敏等[42]研制了一种基于

形状记忆合金驱动的常闭型微阀。该微阀由弹性沟道层和形状记忆合金桥两部分组

成，制造采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)的软光刻工艺实现，之后采用印刷电路板

(PCB)上的形状记忆合金丝焊接组装搭建驱动结构。利用形状记忆合金微丝在相变

过程中产生的拉力，打开微阀结构。测试得出微阀开启压力为约4 000 Pa，开启

时间0.6 s，关闭时间0.1 s。当电流在0.14～0.30 A内，可得到6.7～75.2

μL/min的流量调节范围，呈现线性规律。形状记忆合金微阀，具有较高输出功率，

能很好控制压差和流速。

④双稳态微阀 主动型微阀最大的缺点是需持续消耗功率来保持微阀的工作状态，

使用双稳态微阀可以避免这一缺点。Böhm S等[43]设计了一种双稳态微阀。微阀

的双稳态致动器，由NeFeB永久磁铁、800匝螺线管线圈用软磁路和弹簧偏置电

枢组成，致动器最大行程达到200 μm。当正电流作用到线圈上，电枢铁芯的夹持

力下降，而弹簧力推动电枢向下关闭微阀。相反，负电流脉冲可以开启微阀。杨博

淙等[44]设计了一种热气致动双稳态微阀，对该微阀的响应时间进行了仿真和实验

研究。对热气致动微型阀的开阀响应时间进行数值计算，结果显示加热膜片的厚度

分别为8 μm和25 μm时，后者比前者的开阀响应时间增长了近一倍，分别为

11.4 ms和20.2 ms。通过实验测量了微阀的开阀、开阀升压等响应时间参数，与

计算值吻合较好。这说明了在实验较为困难时，用仿真计算的方法也具有一定意义。

3.1.2 非机械驱动方式

(1)电化学微阀

电化学微阀在生物、化学领域的微系统中应用较为广泛。其基本原理是依靠电解产

生的气体驱动膜片变形来开启或关闭阀口。Hamberg M W等[45]设计了一种电

化学微阀，电压1.6 V，电流50 mA时，能在短时产生200 kPa的压力，使薄膜

产生30～70 μm位移。Suzuki H和Yoneyama R[46]研制了一种微流控芯片，

芯片使用氢气泡驱动的电化学微阀作为止回阀。由工作电极的电位控制氢气泡的膨

胀和收缩。使用电化学微阀比其他类型的微阀临界压力低大约3 kPa。这种电化学

微阀有序的开启和关闭，可很好地控制微通道内两种不同的溶液，在几秒钟内依次

通过微通道。

(2)相变微阀

①石蜡微阀 石蜡通常是白色、无味的蜡状固体，加热溶解温度较低，融化温度在

约在47 ℃～64 ℃。石蜡的相变特性好，在相变微阀中应用具有重要意义。石蜡

由固态转变为液态，体积增加10%～30%，石蜡固相和液相的变化保证了石蜡可

以作为薄膜的推进物，也可作为可融化的塞子[47]。Liu R H等[48]研制的热驱动

微阀，使用石蜡作为一次性阀门材料。DNA聚合酶链式反应微装置包括石蜡微阀，

在热循环过程中能把样品溶液密封在微装置的反应腔内。通过实验测试，当微阀处

于关闭状态，可以保持零泄漏；当压力达到276 kPa，流道壁和石蜡界面上出现

了泄漏。该阀反应时间约20 s，增加凝固通道宽度和缩短凝固区与加热区的距离

可以有效缩短微阀反应时间。

②水凝胶微阀 水凝胶微阀的原理是水凝胶物质受到环境、温度等变化产生的可逆

的体积膨胀与缩小。水凝胶微阀的基本原理是水凝胶物质可随环境的变化而产生可

逆的体积变化。多种物理或化学刺激甚至微小数量级的环境参数的改变，均可导致

水凝胶的体积变化[49]。Wang J等[50]研制了一种基于热效应的水凝胶微阀，微

阀应用于微流控系统。当温度达到32 ℃时发生相变，微阀的关闭时间约4.5 s，

开启时间与水凝胶的长度成正比。当压力低于200 kPa时，微阀无泄漏，响应时

间6 s。

③溶胶-凝胶微阀 嵌段共聚物溶胶-凝胶状态转换致动的微阀用于PCR扩增实验

[51]。嵌段共聚物溶胶-凝胶致动的微阀能提供高达138 kPa的压力以保证PCR实

验的顺利进行。Yoon D S等[52]利用甲基纤维素的可逆溶胶-凝胶转换的特性制造

了一种凝胶微阀，阀的每个微通道中都装入了一个微温度传感器和微加热器。加热

温度从30 ℃加热到60 ℃之间过程中凝胶从透明状变为浑浊状。为保证微阀正常

工作，加热通道温度应保持60 ℃左右，流动通道温度应低于35 ℃。流速大于5

mL/min时，微阀可以稳定工作。压力为20.7 kPa时，微阀无泄漏。

3.2 被动型微阀

被动型微阀在微流控系统中主要作止回阀，根据是否包括机械移动部件，被动型微

阀分为机械可动部件微阀和不含机械可动部件微阀。机械可动部件微阀大多与微泵

配合完成所需的功能，微阀只能顺着压力方向打开，类似二极管的特性[47]。

3.2.1 薄膜式微阀

薄膜型止回阀可以使用各种高分子材料制作，如聚对二甲苯[53]、光刻胶[54]、聚

酰亚胺[55]、硅[56-57]、聚酯薄膜[58]。Hu M等[57]利用SOI硅片材料构建了

硅薄膜厚度为90 μm的微阀，如图5所示。该微阀结构包括一个六边形孔、一个

六边形薄膜和三个柔性系绳，当正向压力为65.5 kPa时，阀的最大流速为35.6

mL/min，当反向压力为600 kPa时，泄漏速度为0.01 μL/min，在常温下置于空

气中，阀的共振频率为17.7 kHz。

3.2.2 悬臂梁式微阀

悬臂梁微型阀结构简单，易于加工，在微型薄膜泵中应用广泛。Li B等[59]利用原

位UV-LIGA工艺，以硅和镍为主要材料研制了一种由80个微阀组成微阀阵列。

微阀阵列可以满足最大流速大于10 mL/s，承载高压大于10 MPa，可以在高频

10 kHz以上工作。阚君武等[60]根据流体力学理论，建立了液体内悬臂梁阀片的

动力学模型，给出了阀片基频的计算方法，对阀片结构参数进行了分析、研究了阀

片与阀座间隙对液体内阀片基频的影响规律。研究发现，液体对悬臂梁阀的动态特

性影响较大，液体的附加质量和附加阻尼都大幅度增加，致使液体中阀片基频降低。

3.2.3 毛细管微阀

毛细管微阀能被主动力和被动力驱动，毛细管微阀有电毛细管微阀、热毛细管微阀、

被动毛细管微阀[50]。电毛细管效应被称为电润湿。电润湿是一种微流体现象，它

已经广泛地被用作各种流体及电光设备的驱动机制。Ahn C H等[61]将一种集成

的、具有突变微通道的无源微阀用于微流控芯片，该芯片用于临床的即时检验。该

微流控系统由具有被动阀的多组微通道组成。当液体流过疏水微通道截面突然改变

的区域时，产生的损失使压力下降。杜新等[62]研制了一种用于毛细驱动流的通孔

形毛细管被动阀，建立了被动阀的物理模型，分析了实际加工通孔时带来的扩张角

对毛细管被动阀性能的影响，并推导出相应的成立条件。指出被动阀的有效性与液

体对壁面的动态接触角、前进接触角和通孔的扩张角有关。结果表明，当来流通道

大于4 mm时，微阀有效性不受来流和通孔扩张角大小影响，降低了对通孔的加

工要求。去离子水实验表明，当来流毛细数高达4.0×10-3，高度为20 μm时微

阀仍能有效工作。

4 结语

由于MEMS技术的快速发展，微流控领域也越来越受到人们的重视，随着不断涌

现新结构、新方法和新材料，使作为微流控驱动与控制的核心部件的微泵与微阀性

能上得到了较大提高。新技术的应用，减小了微泵、微阀的泄漏速率、功率损耗、

死区面积，提高了反向泄漏压力、响应速度、生物相容性，也相对降低了成本。但

是微流体驱动控制系统的泄漏、结构复杂、成本偏高等问题依然存在，造成了微流

控芯片的商业化程度不高，目前主要应用于生物化学分析、新药研制、微型燃料电

池和医疗等领域，微泵与微阀作为驱动与控制系统的核心部分，其研究有以下几个

方向：

(1)工艺与制造水平的提高。微加工属于精细化加工，微加工技术的发展，直接影

响到微驱动控制器件的性能，近几年出现的激光蚀刻、快速成型技术、微注塑成型

尺度效应下需要建立完善的微泵、微阀的准确的理论模型，并根据构建的典型结构，

用数值模拟方法与实验结合，研究微泵、微阀的内部流动机理，确定最优方案，以

便于微器件加工制造，降低成本，提高效率。

(4)新材料的键和技术。材料的性能对微流控器件产生了巨大影响，微泵的管道、

腔体结构，微阀的薄膜、腔体结构等使用不同的材料制作，参数的选择也不同。在

微流控驱动控制器件中，各种材料(高分子聚合物和硅等)共同使用的键和技术，如

硅片键和技术、真空热压键合、紫外线支持键合、超声键合等技术，将会成为微驱

动与控制系统的研究热点。

参考文献

【相关文献】

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[2] 林炳承,秦建华.图解微流控芯片实验室[M].北京：科学出版社,2008.

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