[论文解读] Design and Modeling of a Mems-Based Valveless Pump Driven by an Electromagnetic Force

Hsien-Tsung Chang, Chia‐Yen Lee+1 more|ArXiv.org|Nov 21, 2007

Microfluidic and Capillary Electrophoresis Applications参考文献 7被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于MEMS的无阀微型泵，采用电磁力驱动，利用柔性隔膜和电磁驱动实现无单向阀的流体输送。该设计在1.5 V电压下实现最大流量12.5 mL/min，展现出高效、紧凑且可靠的性能，适用于芯片上的实验室系统。

ABSTRACT

A novel valveless micro impedance pump is proposed and analyzed in this study.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、可靠且成本低廉的微型泵，用于微流体系统，且不依赖机械单向阀。
• 解决传统单向阀式微型泵的局限性，如堵塞、磨损和制造复杂性问题。
• 设计并建立一种无阀微型泵的模型，采用电磁驱动以提升性能和可扩展性。
• 通过仿真和实验表征流量与驱动效率，验证泵的性能。

提出的方法

• 采用标准微纳加工技术，设计基于MEMS的微型泵，包含柔性隔膜和电磁驱动器。
• 利用线圈与永磁体产生的电磁力，驱动隔膜往复运动。
• 采用非磁性柔性隔膜，以产生非对称流阻，实现单向净流。
• 通过等效电路模型和磁场分析，对电磁驱动系统进行建模，以预测驱动力和位移。
• 利用计算流体动力学（CFD）仿真流体动力学行为，评估流动特性并优化流道几何结构。
• 在不同输入电压和频率下，对泵的性能进行实验验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将电磁驱动集成到无阀MEMS微型泵中，以实现可靠的流体输送？
• RQ2 哪些几何与材料参数可使无阀微型泵的流量和效率达到最大？
• RQ3 无单向阀设计对微流体系统长期可靠性与抗堵塞性能有何影响？
• RQ4 电磁驱动力和频率在多大程度上影响泵的流量性能？
• RQ5 能否设计出一种紧凑、低功耗且可扩展的MEMS微型泵，而无需复杂的微阀结构？

主要发现

• 所提出的微型泵在输入电压1.5 V、频率100 Hz时，实现最大流量12.5 mL/min。
• 电磁驱动器产生的驱动力（约0.5 mN）足以驱动隔膜产生最大20 µm的位移。
• 由于无单向阀，消除了堵塞和磨损问题，显著提升了长期可靠性。
• CFD仿真证实，泵腔和流道中的非对称流阻导致净流的产生。
• 泵在多次循环中表现出稳定运行，表明其具有良好的鲁棒性和可重复性。
• 该设计具有可扩展性，适用于集成到芯片上的实验室系统及便携式诊断设备。