一种医用微型同心压电薄膜泵

　　微机电系统(MEMS)是20世纪末兴起并得到迅猛发展的军民两用交叉性的高技术领域。微型泵是该领域中重要的执行器件。自从1980年斯坦福大学的Smits和Wallmark研制出蠕动式微机械泵^[1]以来,各种基于不同工作原理、加工工艺和不同致动方式的微型泵层出不穷[2]。其中的压电薄膜微型泵具有结构简单,体积小,可控性好,无电磁干扰等优点,因而在流体的微量配给、药物的微量注射、集成电路的冷却及微小卫星的推进等领域有着广阔的应用前景,但离产业化还有一定的差距。微泵产业化的出路在于综合性能的提高和成本的降低。

　　以往的被动有阀微泵有以下的不足:

　　(1)一般有两个及两个以上的单向阀并联,其结构和制作工艺复杂,阀和阀间易连通,因此限制了微泵的初始体积V0的缩小。

　　(2)微泵在入口缺乏抵抗冲击的能力,在出口和入口压力变化的情况下没有互锁保护的功能。

　　(3)微泵的研制开发大部分采用半导体微细加工技术和工艺,其设计、制造周期漫长,设备专用化强,由此产生了物耗大,改进迟钝,发展缓慢,效率低下等弊病[3]。

　　本文提出了一种同心式双向被动阀结构的微型泵。该微泵的特点是:

　　(1)简化了微泵的结构和制作工艺,克服了两阀间易连通的缺点;减少了V₀,增大了对微泵性能起关键作用的压缩比ε^[4],因此微泵具有良好的自吸和容错性能。

　　(2)双向阀结构使微泵在出口和入口具有抵抗冲击的功能和互锁的保护功能。

　　(3)相比半导体工艺和LIGA技术,以高分子聚合物为基体,超精密机械加工的工艺方法缩短了设计、制造周期,减小了物耗,大幅度降低了微型泵的制作成本,提高了成品率。高性能、低成本的特点使得新型微泵更接近商品化。

　　1　新型微泵的结构设计和工艺

　　如图1所示,微泵采用同心式的夹层结构。阀座和阀室部件为超精密微细车削、研磨和微钻孔技术加工出的有机玻璃(PMMA),二者在装配时由定位孔和辅助夹具精确定位。聚酯材料阀膜厚8μm,中间有直径?·2 mm的通孔。阀座、阀室和阀膜以厚50μm的专用固体胶膜在室温、无尘的环境下粘结。该工艺克服了传统胶粘结工艺操作复杂、胶层厚度和均匀度难以控制及成功率低的缺点。复合型压电致动器由圆片状压电陶瓷经环氧树脂粘结到黄铜片上制成。为使压电致动器达到绝缘、防振碎、防水和防腐蚀的要求,本文首次应用了聚对二甲基苯覆膜技术。聚酯细管道内径为?·5 mm。整体尺寸为?0 mm×5 mm。

　　为使压电致动器达到最佳的致动效果,根据已有的优化设计理论[5]对致动器的尺寸进行了优化。