PZT压电薄膜无阀微泵的制备工艺及实验研究

    压电泵是近年来发展起来的新型流体泵,是一种利用逆压电效应的新型驱动器。与传统流体泵相比,压电泵具有许多优点[1],在微机电系统和微流量控制方面有广阔的应用前景。自Van Lintel[2]等人于1988年将振动膜引入MEMS之后,振动膜微泵到了广泛的关注和发展。传统的硅泵膜^[3]由于硅的弹性模量较高(190 GPa),竖直方向上的位移只能达十几个微米,泵膜竖直方向上的位移严重受限。同时,硅泵膜加工成本高且极易破裂,从而使微泵加工费用高,难以获得较高的成品率。与传统的硅泵膜相比,聚二甲基硅氧烷(PDMS)泵膜具有显著的优势[4-5]。本文利用水热合成法自制压电薄膜振子作为微泵驱动部件,PDMS作弹性泵膜,采用收缩管/扩张管结构,通过微加工工艺制备了结构简单,体积小,质量小,制作工艺简单的振膜式压电微泵。该微泵具有流量稳定,驱动电压较低,性能稳定可靠,易控制的特点,可满足微流体系统的使用要求。

    1　结构及工作原理

    1.1　微泵的结构

    压电微泵的基本结构如图1所示。在PDMS泵膜上放置一压电片,通过压电材料的逆压电效应使之振动,PDMS泵膜周期性振动提供微泵工作的动力源,使泵腔内的压力发生周期性变化,从而实现流体的输送。

    1.2　压电微泵的工作原理

    图2为无阀微泵工作原理图。在压电片的驱动下,泵膜发生周期性振动。当泵膜向上运动时,泵腔扩张,出口和入口的流体同时进入泵腔,但由于微扩散作用,出口端的阻力较大,导致入口端流入腔体中的流体较多(Supply模式);当泵膜向下运动时,泵腔缩小,流体从两端同时流出腔体,与向上运动时相反,这时入口端的阻力较大,从而出口处流出的流体较多(Pump模式)。整体表现为流体的单向流动。

    2　微泵的制备过程

    微泵制作过程主要包括微泵泵体的制作和PDMS泵膜的浇注成型两部分,其加工工艺过程如图3所示。

    2.1　微泵泵体的制作

    微泵泵体的材料采用SG4009型匀胶铬板玻璃,其玻璃表层有金属Cr和光刻胶AZ1805,等级为Sm级。在0.508 m×1.27 m面积内,表面不平度为2.8μm。玻璃表面的Cr和光刻胶S-1805厚度分别为(145±15) nm和(570±25) nm。商品化匀胶铬板玻璃的使用,减少了对掩蔽层溅射或蒸镀设备的需求,降低了制作成本并缩短了制作周期。

    光刻掩膜板采用胶片打印法,即通过CAD软件将设计好的微通道结构图转化为图像文件后,用高分辨率的打印机将图像打印到透明胶片上快速制备掩模的方法。该法极大地缩短了制作时间,降低了制作成本。