压电双晶片驱动的压电微泵的研究

    微流体控制系统因其尺寸小,功耗低,控制精度高,响应速度快等特点而受到人们的广泛青睐,已成为MEMS研究领域中的一个重要分支。微泵是构成微流体系统的重要部件。由于微泵能精确控制流量,它在微量化学分析与检测、微量流体配给、打印机喷墨阵列、集成电子元件的冷却、燃料微量注射等领域有着广阔的应用前景^[1]。机械式微泵的驱动方式很多,其中包括压电微泵、静电微泵、电磁微泵、热气动微泵、形状记忆合金微泵及双金属微泵等。非机械式微泵是目前的一个研究热点,它利用热、化学、声、磁或电动力来实现对液体的驱动,包括电渗流体驱动微泵、电液致动微泵、磁流体动力泵、重力驱动微泵及表面张力微泵等。同其他驱动方式的微泵相比,压电微泵具有结构简单,体积小,质量轻,耗能低,无噪声及无电磁干扰等优点,且可通过施加不同电压或频率来控制输出流量,因此,压电微泵具有广阔的应用前景。已有许多国家的研究人员在进行压电微泵的研制和开发^[2]。目前,压电微泵^[3–6]大多采用压电圆片作为驱动器,硅薄膜作为泵膜,这样的结构的硅弹性模量大(190 GPa),变形量小;且压电圆片的形变量小,驱动力有限。因此,为了获得较大的压缩比进而提高微泵的性能,很多学者利用硅自停止腐蚀工艺制作厚度仅10μm的硅薄膜作为泵膜,但硅泵膜的加工成本高,且极易破裂,从而使得微泵的加工费用昂贵同时难于获得较高的成品率。

    1　压电微泵的结构与工作原理

    本文作者利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)的厚膜作泵膜,与传统的硅泵膜相比,PDMS泵膜具有的以下优点:

    (1) PDMS薄膜弹性模量为0.75 MPa,因而在压电双晶片的驱动下,可忽略其弹性模量的影响,认为压电双晶片自由端的最大位移即为泵膜的最大位移。

    (2)另外由于可制成几百微米的厚膜,且PDMS良好的延伸性,封装及粘贴驱动器时都不易损坏,因此降低了封装难度,提高了成品率和使用寿命,且降低了加工成本。

    图1为压电微泵的基本结构。向压电双晶片施加方波信号时,压电双晶片在电场的作用下发生周期性弯曲变形,进而驱动PDMS泵膜改变腔体的容积。当压电双晶片带动泵膜向上移动时,泵腔体积增大,腔内流体的压强减小,使入口阀打开,同时出口阀关闭,流体在压差的作用下流入泵腔;相反,当压电双晶片带动泵膜向下移动时,泵腔内压强增大,使入口阀关闭,同时出口阀打开,流体在压差的作用下从出口流出,由此实现流体介质的单向驱动。

    图1中所示的两个被动阀片单元是通过双面湿法腐蚀工艺制成。泵腔单元的制作:首先在硅片正面旋涂一层厚约100μm的PDMS膜并烘干,然后从背面利用湿法腐蚀技术将硅片减薄至约200μm,最后利用刻蚀技术将硅片刻穿形成直径约? mm的圆孔作为泵腔。