一种基于MEMS技术的压电微泵的研究

　　0　引　言

　　近年来,随着微机电系统(MEMS)的快速发展,基于硅结构的微流体控制系统由于其尺寸小、功耗低、控制精度高、响应速度快等特点,得到了科学家们的广泛青睐,已成为MEMS研究领域中的一个重要分支。微泵作为构成微流体系统的重要部件,受到了人们的普遍关注。由于微泵能精确控制流量,它在微量化学分析与检测、微量药品注射、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]。

　　同其他类型的微泵相比,压电微泵具有结构简单、体积小、重量轻、耗能低、无噪声、无电磁干扰等优点,而且,可以通过改变电压或频率来控制输出流量,因此,压电微泵具有相当广阔的应用前景。世界上许多国家的研究人员都在进行压电微泵的研制和开发现有的压电微泵[3~6]大多采用压电圆片作为驱动器,利用硅薄膜作为泵膜,这样的结构可能存在的问题是: (1)硅弹性模量大(190GPa),变形量小; (2)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,很多学者利用自停止腐蚀工艺制作厚度仅10μm的硅薄膜作为泵膜。这样的泵膜一方面加工成本高昂,另一方面极易破裂,从而使得微泵加工费用昂贵的同时,也难于获得较高的成品率。

　　本文利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)的厚膜作为泵膜成功解决了上述难题。与传统的硅泵膜相比, PDMS泵膜具有显著的优势。一方面PDMS薄膜的弹性模量仅为0. 75MPa,因而,在压电双晶片的驱动下,可以忽略其弹性模量的影响,即认为压电双晶片自由端的最大位移即为泵膜的最大位移。另外,由于可以制成几百微米的厚膜,再加上PDMS良好的延伸性,封装以及粘贴驱动器时都不易损坏,因此,大大降低了封装难度,提高了成品率和使用寿命,并且,降低了加工的成本。

　　1　结构与工作原理

　　1.1　压电微泵的结构

　　压电微泵的基本结构如图1所示,主要包括PDMS泵膜、主动阀(上片)、被动阀(下片)和压电双晶片驱动器。PDMS膜在压电双晶片的带动下可以周期性关闭和打开主动阀单元中的开口,从而构成一个主动阀。下片所包含的阀片结构可以在流体压力差的作用下周期性关闭和开启,因此,称之为被动阀。主动阀和被动阀单元的尺寸均为10mm×10mm.

　　1.2　压电微泵的工作原理

　　本文的压电微泵利用了主动阀和被动阀的组合来控制流体的流向,其工作原理如图2所示。当压电双晶片带动泵膜向上移动时,主动阀打开,同时,泵腔体积增大,腔内流体的压强减小,使得被动阀关闭,流体在压差的作用下经过主动阀口流入泵腔;而当压电双晶片带动泵膜向下移动时,泵膜将主动阀关闭,同时,使被动阀打开,流体从被动阀处流出,从而实现流体的单向驱动。