正弦波激励过程中无阀压电微泵流量的研究

摘 要：介绍了无阀压电微泵的概念和微泵的研究背景，指出无阀压电微泵是通过在压电陶瓷驱动器上通入规律性变化的电流来使其产生规律性振动从而产生连续流动的微泵，针对无阀压电微泵的特性，设计了一种PDMS-玻璃-PDMS的无阀压电微泵结构。通过实验数据分析结果可知：在同一电压下，无阀压电微泵的流量随频率的增加而呈抛物型形状，在频率为300 Hz的情形下达到最大流量；无论电压如何变化，无阀压电微泵的流量随频率的变化规律明显；在其他条件相同的情况下，无阀压电微泵的流量和电压之间存在一定的关系。 关键词：微泵；微电子机械系统；MEMS；聚二甲基硅氧烷；PDMS；流量测试；频率 微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）是近年来迅速发展的一门学科，在化工应用、医疗事业、生物科学工程和机械工程等领域都有着很大的发展前途。微泵作为重要的执行原件，如今已经成为MEMS学科的研究热点。无阀压电微泵是通过在压电陶瓷驱动器上通入规律性变化的电流来使其产生规律性振动，从而产生连续流动的微泵。笔者主要研究讨论基于MEMS技术的无阀压电微泵在正弦波驱动信号激励过程中流量的变化[1]。 1 微泵的研究背景 微泵是利用流体力学原理将电能、热能、机械能等转化成流体动能的一种新型流体传输部件，是MEMS中重要的执行器件。近年来，微泵研究已经成为热门，涌现出各种各样的微泵。按照其结构，可以将微泵分为机械式微泵和非机械式微泵两种；按照其泵内有无配流阀门部件，又可以将微泵分为有阀微泵和无阀微泵两种。机械式微泵的主流是振动膜式微泵，主要是依靠驱动元件的振动来带动泵腔膜发生形变，引起泵腔室内容积的变化，继而引起压力的变化，形成驱动力，从而实现液体的定向输送。根据驱动方式的差异，机械式微泵可分为压电驱动式、静电驱动式、热驱动式、双金属驱动式、电磁式驱动式、形状记忆合金式等多种多样的微泵。 微泵的研究始于20世纪80年代初，美国学者SMITS Jan于1980年最早研究出蠕动式微泵，主要用于胰岛素注射，从而减轻和缓解了糖尿病病人的病痛。随后，研究人员展开了大量相关工作。1999年，清华大学研制成功的电磁驱动微泵，阀体由4层结构组成，经湿法腐蚀工艺加工而成，最底层为封装用的玻璃以及进液口和出液口，最佳驱动频率为125 Hz，但其动态响应较慢且结构尺寸较大。2005年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所提出一种以聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）作为驱动膜的无阀微泵结构