基于NiTi形状记忆合金精密微泵的设计

　　0前言

　　由于微流量系统能精确检测和控制流量,在药物微量输送、燃料微量喷射、细胞分离、集成电子元件冷却以及微量化学分析等方面有着重要的应用前景,作为该系统核心部分的微泵、微阀成为近年来国内外学者的研究热点。

　　微泵的研究始于20世纪80年代初，自从Stanford大学的Wallmark和Smits之后,人们为此展开了大量研究工作。微泵可分为机械式微泵和非机械式微泵。机械式微泵靠活动部件来传输、控制流体,而非机械式微泵则是依靠物理化学反应提供动力源。

　　机械式微泵中主要研究的是往复膜片式(振动膜式)微泵,它是依靠驱动器使膜片变形,引起泵腔内压力变化,从而将流体定向输送。由于其结构简单,控制方便,所以现有微流体系统中使用的微泵多为振动膜式微泵。按振动膜驱动原理,振动膜微泵主要有压电驱动式、热驱动式、静电驱动式、电磁驱动式和形状记忆合金驱动式。

　　本文就是研究形状记忆合金驱动式微泵。形状记忆合金作为一种新型功能材料，它为形状记忆材料，具有形状记忆效应。近年来,形状记忆合金智能复合材料以其功密度、输出力和位移大而最具发展潜力。但在国内外特别是国内的研究又大都集中于材料的制备和特性等实验研究上。特别是对高精度微小泵及其关键技术的研究还显得很薄弱。

　　三种智能材料驱动器特性比较如表1所示。

　　在形状记忆合金(SMA)中，TiNi是迄今为止实用化程度最高的形状记忆合金材料，而且由于它具有良好的生物相容性。 SMA薄膜表面积与体积的比值极高，热传递迅速，使薄膜微驱动器能获得高的热响应频率;薄膜的电阻率高使驱动器适于用电流加热驱动;电加热时需要的驱动电压极低;由于SMA薄膜既是驱动材料，又是结构材料，兼有温度传感器与驱动元件两种功能，从而使这类微泵结构设计简单，不需要位移放大机构，易于微型化与集成。

　　2微阀的结构

　　有阀微泵的单向阀以往大多是采用悬臂梁膜片作为单向阀片控制液体的流向和流速的。这种阀往往响应慢，封闭效果不是太好，而且当频率增加时，往复开启的次数多了，膜片容易磨损，所以这种单向阀片的使用寿命比较低。本次研究采用的是一种新型单向阀，它是由弹簧-钢珠作为单向阀(如图1所示)，这种单向阀简单经济，密封良好易于装配，增大流量，减小摩擦，提高寿命。

　　3微泵的结构和驱动机理

　　NiTi形状记忆合金薄膜驱动微泵示意图如图2所示。它是由NiTi/Cu复合驱动膜，泵腔体以及钢珠-弹簧结构组成的出水阀和进水阀所构成。