【MEMS器件】神奇的微泵——构成微流体系统的重要部件

文摘 2024-12-17 23:59 江苏

微泵是微流体系统的核心组件，其研究和开发具有重要意义。微泵虽小，但其背后所蕴含的科技力量和应用潜力却是无穷的。本文将带大家揭开微泵的奥秘，探索其背后的科学原理，看看到底有多神奇。

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一、微泵的分类与驱动方式

微泵指能够在微观尺度上实现液体输送的装置。根据其驱动方式的不同，微泵大致可以分为机械式微泵和非机械式微泵两大类。

机械式微泵

这类微泵通过机械部件的运动来实现液体的驱动。常见的机械式微泵包括压电微泵、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。其中，压电微泵以其结构简单、体积小、质量轻、耗能低、无噪声及无电磁干扰等优点，成为研究最为广泛的一种。

非机械式微泵

与机械式微泵不同，非机械式微泵利用热、化学、声、磁或电动力等物理效应来实现对液体的驱动。这类微泵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。非机械式微泵的研究目前正处于热点阶段，其独特的驱动机制为微泵的设计和应用提供了更多的可能性。

二、压电微泵的结构与工作原理剖析

在众多机械式微泵中，压电微泵以其独特的优势脱颖而出。下面，我们将以压电微泵为例，深入剖析其结构与工作原理。

压电微泵主要由压电双晶片、泵膜、泵腔、入口阀和出口阀等部件组成。其中，压电双晶片是驱动部件，泵膜用于改变泵腔的容积，而入口阀和出口阀则负责控制流体的流入和流出。

当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。这种变形进而驱动泵膜上下移动，从而改变泵腔的容积。当泵膜向上移动时，泵腔体积增大，腔内流体的压强减小。此时，入口阀打开，流体在压差的作用下流入泵腔；同时，出口阀关闭，防止流体倒流。相反，当泵膜向下移动时，泵腔内压强增大。此时，入口阀关闭，防止流体继续流入；同时，出口阀打开，流体在压差的作用下从出口流出。通过不断重复这一过程，压电微泵实现了流体介质的单向驱动。

下图所示的两个被动阀片单元是通过双面湿法腐蚀工艺制成的。这种工艺能够精确地控制阀片的形状和尺寸，从而确保微泵的正常工作。泵腔单元的制作过程同样复杂而精细：首先在硅片正面旋涂一层厚约100μm的PDMS泵膜并烘干；然后从背面利用湿法腐蚀技术将硅片减薄至约200μm；最后利用腐蚀技术将硅片刻穿，形成直径约6mm的圆孔作为泵腔。

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三、微泵的未来应用前景有多广泛？

微量化学分析与检测

在化学分析和检测领域，微泵能够精确控制试剂的加入量，从而提高分析的准确性和灵敏度。例如，在DNA测序过程中，微泵可以精确控制DNA样本和测序试剂的混合比例，从而确保测序结果的准确性。

微量流体配给

在药物输送、微反应器等领域，微泵能够实现对微量流体的精确配给。这种精确控制对于提高药物输送的效率和安全性具有重要意义。

打印机喷墨阵列

在喷墨打印机中，微泵负责将墨水输送到喷墨头。通过精确控制墨水的流量和压力，微泵可以确保打印质量的稳定性和一致性。

集成电子元件的冷却

随着电子元件的小型化和集成度的提高，散热问题日益突出。微泵可以作为一种高效的散热手段，将冷却液精确输送到需要冷却的部位，从而确保电子元件的正常工作。

燃料微量注射

在微型发动机和微型燃料电池中，微泵负责将燃料精确输送到燃烧室或电池内部。这种精确控制对于提高发动机的效率和燃料电池的续航能力具有重要意义。

然而，如何进一步提高微泵的流量精度和稳定性？如何降低微泵的制造成本和功耗？如何拓展微泵的应用领域？这些问题都需要在未来不断探索和创新的。一方面，可以探索新的驱动机制和材料，以提高微泵的性能和降低成本；另一方面，微泵的应用领域也将不断拓展，从传统的化学分析、药物输送等领域扩展到生物医疗、环境监测、航空航天等新兴领域。在生物医疗领域，微泵可以作为一种高效的给药手段，实现药物的精确输送和实时监测。在环境监测领域，微泵可以用于水质监测、空气污染监测等方面，为环境保护提供有力支持。在航空航天领域，微泵可以用于微型卫星的姿态控制和热控系统等方面，为航天器的稳定运行提供保障。

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