微流控反馈控制系统三大元件——微泵

微泵简介

以微型泵为动力源的微流控系统是全系统的核心部件，在微流体传输过程中起到关键作用，在微流控芯片中应用广泛。

按照微泵本身是否含有可移动的机械部件，微泵可分为机械泵和非机械泵两大类。

机械微泵多靠机械部件动作输送并控制微流体，非机械微泵主要靠各种物理作用或者将一定的非机械能转化为微流体动能来实现对微流体进行驱动。

机械泵可根据机械能作用于流体的原理进一步分类。在此体系下，机械泵可分为两大类：活塞泵和动力泵。

在活塞泵中，通过对任意所需数量的封闭式含流体容积的一个或多个可移动边界施加力，周期性地增加能量，从而直接增加压力，达到使流体通过止回阀或端口进入排出管路所需的力。

在动力泵中，机械能不断增加，以提高机器内的流体速度。

非机械泵通过将另一种非机械能形式转化为动能，为流体增加动量。机械泵主要用于尺寸相对较大、流量较高的大型泵和微型泵，而非机械泵则在微观领域具有优势。

由于微通道中的粘滞力会随着微型化而以二阶方式增加，因此机械泵无法提供足够的动力来克服微通道中的高粘滞力。

机械泵

电磁泵

电磁泵其工作原理是利用电磁铁产生的磁场来控制液体流动。电磁泵通常由电磁铁、阀门和管道组成。当电流通过电磁铁时，产生的磁场将使得阀门打开，液体被吸入泵内；当电流停止时，阀门关闭，液体被推送出去。

优点：

由于没有机械运动部件，因此磨损较小，维护成本低；

电磁力驱动使得流体流动的方向很容易改变；

最大的优点就是由于没有机械密封件，因此电磁泵不存在泄漏问题。

缺点：

相较其他类型的微泵电磁泵成本更高；

工作效率不算出色，很难实现大规模工业化及商业化应用。

蠕动泵

蠕动泵是一种利用蠕动原理进行工作的泵，也被称为软管泵。通过压缩软管（也称为蠕动管）来推动液体。

蠕动泵的工作原理是通过在软管周围施加压力，使液体在管内移动。这通常通过一个或多个旋转的滚轮或压力辊来实现，它们压迫软管，推动液体前进。

优点：

容易组装，不限制流体的输送体积，可以大流量泵送。

缺点：

与电磁泵正相反，蠕动微泵最严重的问题是泄漏，软管是蠕动泵的关键部件，需要定期更换以避免磨损和泄漏；

出口和入口之间的微小压差就会导致非驱动状态下的回流。

气动泵

气动泵是一种利用气体压力来驱动的泵，常用于输送液体、液体混合物或悬浮颗粒。气动泵利用压缩空气或气体的能量来推动液体，通常由一个气动马达、液体入口、出口和控制阀组成。

当气体压力施加在气动马达上时，产生的动力使得液体被抽入泵内并通过管道输送至所需位置。

优点：

气动泵可以提供较高的压力，输出效率高，流量波动小。

缺点：

最明显的缺点就是工作过程中产生较大的噪音；

压缩过的气体能量耗完之后就需要再次充能，因此无法实现连续供样。

离心泵

离心泵的工作原理很简单，利用离心力将液体从入口吸进泵的中心部分并沿着泵轮旋转，由出口排出。

优点：

体积小、操作简单；可以提供稳定的力驱动流体均匀流动；使用寿命长。

缺点：

需要外部力驱动，不具备自吸能力；启动前需要先将泵体和管道中的液体充满，否则会出现气缚现象；不适用于高粘度流体。

注射泵

注射泵是一种用于精确控制液体流量的设备，通常用于医疗和实验室领域。注射泵采用电机推动（或拉动）注射器中的运动活塞以实现流体驱动。

优点：

操作简单，可以设置注入速率和时间；

提供的流量相较其他泵类型更为稳定，流量脉冲小。

缺点：

输送体积有限，无法满足大流量需求，应用场景限于实验室场所。

非机械泵

电渗泵

电渗泵是一种利用电场效应推动液体流动的微型泵，常用于微流体控制和实验室芯片中。它们通过应用电场使液体在微通道中移动，而不需要机械部件。

电渗泵的工作原理是利用带电液体在电场中移动的现象，即电渗流，从而推动液体流动。

优点：

不需要机械部件来推动液体，加工工艺简单，容易实现微型化和集成化；

相比于传统泵，电渗泵不会出现泵头阻塞的问题，性能更为可靠。

毛细驱动泵

通过化学或物理方法改变固体表面结构润湿性，使微通道两侧基底形成亲水区或疏水区，利用毛细管管道中的毛细管作用来实现液体的输送。

优点：

无需外部驱动力，利用自身结构驱动流体；

结构简单，工艺成本低，易于制造和集成到微型系统中。

缺点：

无法保证泵送流量的准确性和驱动力，可控性差。

重力驱动泵

重力驱动泵是一种利用重力作为主要驱动力推动液体的泵，利用入口和出口液位之间的高度差来产生压力，这种高度差在微通道内产生流体静压差和压力梯度导致流体流动。

优点：

无需外部驱动力，操作简单，无复杂结构，生产成本低；

缺点：

受驱动原理限制，适用于特定场景，无法微型化；

结构及使用场景使得重力驱动泵无法产生稳定的驱动力。

热气泡式微泵

通常由微型加热元件和微型流体通道组成。加热元件加热流体，产生热气泡，热气泡的膨胀会推动液体在微通道中流动。

优点：

无机械驱动部件，结构简单，易于生产，可靠性高，可集成化；

缺点：

缺乏稳定性，泵送脉动大，工作时对周围环境温度有所影响。