基于MEMS的无阀泵研究进展

　　1　引言

　　微泵是MEMS研究领域的一个重要方向,作为微流体系统的驱动源,它是微流体系统发展水平的重要标志,根据其有无阀片可分为有阀型微泵和无阀型微泵。尽管有阀型微泵的工作原理比较简单,易于控制,制造工艺比较成熟,但由于整个泵体中存在阀片等机械可动部件,因此就必然受到加工工艺和加工准确度的限制,而且由于阀片的频繁开关,泵的可靠性和使用寿命都不高。相比之下,无阀型微泵通常利用流体在微尺度下的新特点,因此一般原理非常新颖。

　　收缩-扩张型微泵是比较典型的无阀型微泵,是近年研究的热点^[1] 。它以收缩和扩张的不同形状通道代替了单向阀,利用流道不对称所引起的压力损失的不对称性来实现流体的泵送,既可以泵送液体也可以泵送气体,而且结构简单,因而引起了人们的普遍重视^[2] 。

　　2　收缩/扩张型无阀泵的进展及研究现状

　　1992年,德国的Richter等人首次提出在微泵设计中采用无阀结构的设想^[3] ; 1993年,瑞典的E·Stemme等人成功地采用扩张管/收缩管结构制作了微泵^[4-5] ,泵体材料为铜,微泵尺寸只有几厘米,扩张口喷嘴的形状为锥形,如图1所示,扩张管和收缩管的倾角小于20°,以扩张管的方向为流动的正方向,可用来输送液体和气体。

　　1994年,德国的T·Gerlach研制了第一个硅基无阀微泵^[6] ,横向尺寸为1 cm,在<100>硅片上采用各向异性腐蚀法腐蚀形成棱锥形扩张口/喷嘴结构。1995年,T·Gerlach等人制作出了更小的无阀微泵^[7-9] (7 mm×7 mm×1 mm)。由于倾角较大,微泵以收缩管的方向为流动的正方向,与第一个扩张管/收缩管微泵的流动方向正好相反。Gerlach第一个提出了收缩管/扩张管的功能分析,如2所示。他们在〈100〉硅片上用各向异性方法腐蚀出锥形的收缩管/扩张管结构。各向异性方法腐蚀保证了收缩管/扩张管的半角为35·26°。最小口宽度从80μm变化到300μm,从单一的收缩管/扩张管实验中,他们提出临界雷诺数大致为15,在雷诺数达到100时,流动完全发展为湍流。由于他们发现收缩管/扩张管结构只是在雷诺数大致大于100的时候流动特性略微有些不同,因而他们进一步得出结论,收缩管/扩张管结构流动的单向性只是发生在流体处于湍流状态的时候。

　　1995年和1996年E·Stemme和Gerlach等人又提出了无阀微泵的集中参数的等效电路,开始对无阀微泵的结构设计进行优化^[10-11] ,同时A·Olsson等人开始尝试制造双腔的无阀微泵,如图3所示,两个泵腔为平行状态,均采用压电驱动,驱动相位相反。泵体采用铜制造而成,厚度为1 mm。在540 Hz的驱动频率下,流量可达16 mL/min,背压为1.7 m水柱。而后,Olsson等人又分别采用各向同性湿法腐蚀^[12] 和反应离子刻蚀[13]加工出以硅为主体结构的双腔微泵。