两种压电驱动自吸微泵的研制与性能比较

　　作为微流量系统核心部分的微泵,由于其能精确控制流量,在药物微量输送、燃料微量喷射、细胞分离、集成电子元件冷却、基因工程、微量化学分析以及微小型卫星的推进等方面有着重要的应用[1—3].有阀型微泵制造工艺和应用技术成熟,原理简单,易于控制,是目前应用的主流[4];无阀型微泵则常常利用流体在微尺下的新特性,原理比较新颖,更适于微型化,具有更大的发展前景.随着微电子机械系统(micro2electro2mechanical system,MEMS)加工技术的发展,微泵与微阀结构已有很多报道,其主要组成是周期性驱动器、泵膜、泵腔和两片截止阀片(或扩散管/纠缩管),大多数都是三层以上的结构[5—8],这样结构微泵可能存在的问题是:①初始容积/静体积较大、压缩比小、自吸困难、再现性不好及可靠性低;②流量特性受气泡的影响大,在入口处的气泡影响微泵的工作;③阀片易于磨损与疲劳,液体中的颗粒会黏附在阀片上,导致阀片不能很好工作;④封装困难,并且成品率很低.针对关于微泵的研究过程中出现的问题,本文设计了结构简单、易于加工且操作方便的集成式微泵,采用MEMS技术进行加工.

　　1　结构设计与工作原理

　　1.1　微泵结构

　　结合目前微泵存在的问题,设计出两种新型微泵,其结构如图1所示.芯片整体尺寸为9 mm×9 mm×1. 5 mm,其组成是泵膜(也是主动阀片和缓冲单元)、双晶压电梁驱动器、泵腔和进出样口,而对于第二种微泵中还有一被动止回微阀.关于各种形式的微阀有很多的研究,其大多数都是采用硅材料加工而成,阀片太厚开启压力会增大,而太薄在封装时容易被破坏,选用SU28胶(SU28photoresist)作为阀片材料可以解决上述出现的问题,即使阀片上黏附有很小的颗粒也不会影响阀片的工作.在过去的很多微泵中的泵膜都是采用硅和玻璃材料,由于其很大的杨氏模量,在很大力作用下,也很难有较大的挠度,进而泵腔体积变化很小,体积压缩比小,最终很难自吸.用PDMS作泵膜,其机械性能优良,泵膜在竖直方向上振动时可以有更大的位移,提高了体积压缩比,克服了微泵中的气泡容差问题,可以实现自吸,而且PDMS薄膜的加工工艺简单,具有较长的使用寿命,由于其良好的延伸性,粘贴、封装时都不易损坏,从而大大降低了封装难度,并提高了成品率,泵腔、阀座和进出口采用MEMS技术对硅片和玻璃加工而成,也可以采用注塑技术加工而成.

　　1.2　工作原理

　　这两种结构的微泵主要是利用弹性缓冲机制和变间隙机制相结合的原理.在标准状态下,泵膜(也是主动阀片)将中心处的直口堵住(如图1所示).当压电双晶片(PZT)上加一个直流电压时, PDMS将压紧进样口,液体不能流过;加反向直流电压时,进样口被打开,液体流过.当PZT上加方波交流信号时,中心处的阀口会在PZT的周期性振动下被PDMS周期性堵住与打开.对于图1(a),侧边的直口一直处于打开状态,而对于图1(b),侧边的直口处有一被动阀片,在泵腔内外压力差周期性的变化时,阀片会将其堵住和打开,可以提高微泵的背压和反向截流性能.由于PDMS在周期的驱动力下作周期性振动,使得泵腔体积作周期性变化,从而实现微泵的吸入与泵送的工作模式.当驱动频率不大时,由于PDMS在泵送时中部受到阀座的阻碍作用,将中心处的直口堵住,四周的PDMS与液体相互耦合作用[9],泵膜向下运动将液体泵出,其流向是从中心处的直口流入,从侧边的直口流出.