微机电系统(MEMS)是20世纪末兴起并得到迅猛发展的军民两用交叉性的高技术领域。微型泵是该领域中重要的执行器件。自从1980年斯坦福大学的Smits和Wallmark研制出蠕动式微机械泵[1]以来,各种基于不同工作原理、加工工艺和不同致动方式的微型泵层出不穷[2]。其中的压电薄膜微型泵具有结构简单,体积小,可控性好,无电磁干扰等优点,因而在流体的微量配给、药物的微量注射、集成电路的冷却及微小卫星的推进等领域有着广阔的应用前景,但离产业化还有一定的差距。微泵产业化的出路在于综合性能的提高和成本的降低。
以往的被动有阀微泵有以下的不足:
(1)一般有两个及两个以上的单向阀并联,其结构和制作工艺复杂,阀和阀间易连通,因此限制了微泵的初始体积V0的缩小。
(2)微泵在入口缺乏抵抗冲击的能力,在出口和入口压力变化的情况下没有互锁保护的功能。
(3)微泵的研制开发大部分采用半导体微细加工技术和工艺,其设计、制造周期漫长,设备专用化强,由此产生了物耗大,改进迟钝,发展缓慢,效率低下等弊病[3]。
本文提出了一种同心式双向被动阀结构的微型泵。该微泵的特点是:
(1)简化了微泵的结构和制作工艺,克服了两阀间易连通的缺点;减少了V0,增大了对微泵性能起关键作用的压缩比ε[4],因此微泵具有良好的自吸和容错性能。
(2)双向阀结构使微泵在出口和入口具有抵抗冲击的功能和互锁的保护功能。
(3)相比半导体工艺和LIGA技术,以高分子聚合物为基体,超精密机械加工的工艺方法缩短了设计、制造周期,减小了物耗,大幅度降低了微型泵的制作成本,提高了成品率。高性能、低成本的特点使得新型微泵更接近商品化。
1 新型微泵的结构设计和工艺
如图1所示,微泵采用同心式的夹层结构。阀座和阀室部件为超精密微细车削、研磨和微钻孔技术加工出的有机玻璃(PMMA),二者在装配时由定位孔和辅助夹具精确定位。聚酯材料阀膜厚8μm,中间有直径?·2 mm的通孔。阀座、阀室和阀膜以厚50μm的专用固体胶膜在室温、无尘的环境下粘结。该工艺克服了传统胶粘结工艺操作复杂、胶层厚度和均匀度难以控制及成功率低的缺点。复合型压电致动器由圆片状压电陶瓷经环氧树脂粘结到黄铜片上制成。为使压电致动器达到绝缘、防振碎、防水和防腐蚀的要求,本文首次应用了聚对二甲基苯覆膜技术。聚酯细管道内径为?·5 mm。整体尺寸为?0 mm×5 mm。
为使压电致动器达到最佳的致动效果,根据已有的优化设计理论[5]对致动器的尺寸进行了优化。
若黄铜片直径d1=20 mm,则其厚度t1=d1×0·02=0·4 mm;压电陶瓷片的厚度t2≥t1×0·4=0·16 mm,取为0·2 mm,直径d2=15 mm;胶层厚度t3≤0·3×t1=0·12 mm。
工作周期中泵腔体积变化量ΔV可得到一个近似值[6],即
式中 d为压电陶瓷片的直径;h为复合压电振子的厚度;U为所加的电压。
微阀结构设计的关键要素是当阀门常闭时,在不同外界环境下,均要达到很低的流量泄漏率。为此,阀座凸台以及阀室环形台与阀膜相接触部分的平面度要达到亚微米甚至纳米量级,才可在预紧力的作用下挤压密封。但是相互接触平面的平面度要研磨至纳米量级很难,较好的办法是在阀座平面上制作出稍高于平面的凸形台,使阀膜与阀座保持环面接触以增加阀膜的预紧力减少阀的泄漏。
根据德国M·Richter等微型泵鲁棒性设计理论[4],微泵要具有自吸的功能,则其压缩比应满足
ε=ΔV/V0>0·075 (2)
式中 ΔV是工作时泵腔体积的变化量;V是微泵静态时泵腔内部的体积称为初始体积。
本文中微泵初始体积理论值V0=2·63μL,因此理论上只要所加电压信号U>17 V微泵就可自启动注水,即自吸。
2 新型微泵的工作原理
如图2(a)所示,压电致动器在所加电压信号和周围约束的共同作用下产生向上的弯曲变形,泵腔内部的体积增大、压强减小,产生压强差。阀膜在压差的作用下产生变形使得入口阀打开,同时出口阀关闭。工作介质在压差的作用下由入口经凸台和阀膜间的缝隙以及阀膜的通孔进入泵内。如图2(b)所示,电压信号为零时,压电致动器将在弹性力的作用下恢复到初始状态,泵腔内压强增大。如果泵内压强大于出口压强,则阀膜在压强差的作用下产生向下的变形,使得入口阀关闭,同时出口阀打开。工作介质在压差的作用下由泵腔经环形台和阀膜间的缝隙泵出。
理论上微泵具有抵抗外部冲击和互锁功能。在微泵不工作的情况下,当入口受到冲击时,阀膜迅速关闭出口阀;出口受到冲击时,阀膜迅速关闭入口阀,这样在外界冲击的作用下微泵不会产生泄漏造成误输注。即使在工作状态,与传统的两被动阀微型泵不同的是,无论微泵的入口压力增加还是出口压力增加都不会使微泵的流量增加。因此微泵具有很高的可靠性,该特点符合胰岛素等烈性药物只允许少输注不允许多输注的要求。
3 微型泵的综合性能测试
图3是质量为3 g的微型泵,体积为20 mm×5 mm。微泵性能测试的内容涉及到微压力、微流量和微泵的互锁保护功能等。微压力的测量采用Honeywell的26PC压力传感器和精密压力表,液体微流量的测量采用称重法和微量移液管法,气体流量的测量采用排水法。
图4为工作介质为水、频率50 Hz、25°C时电压与流量的关系。由图可知,微泵的流量随电压的增加而增加,15~40 V变化较平缓,40~100 V呈较好的线性,微泵在此范围内工作可以通过调节电压的大小来准确的控制流量。
图5是以空气为工作介质、频率50 Hz、25°C时电压与流量的关系。由图可知,微泵的流量随电压的增加而增加,但变化趋势与水介质有所不同。这是由工作介质的性质和泵腔内部压差的变化规律不同引起的。微泵的气体流量依然可以通过调节电压来控制。
图6是工作介质为水、电压有效值100 V时电压信号频率与流量的关系。由图可看出,微泵的流量特性受工作频率的影响很大。工作频率为0~20Hz低于阀的响应频率时,微泵的流量随频率的增加而增加;在20 Hz时流量达最大即最佳工作状态;工作频率大于20 Hz时,随着频率的增加微泵的双向阀不能及时响应,在单个周期内泄漏逐渐增加,流量逐渐降低。
图7是工作介质为水、10 Hz和20 Hz有效值100 V时背压能力的测量。由图可看出,持续的入口压力不会使微泵的流量增加。不工作的情况下,当入口或出口受到冲击载荷压力时,经观察出口或入口没有工作介质流出,证实了微泵抵抗冲击载荷的功能和互锁保护的功能。
图8是工作介质为水、50 Hz有效值100 V时背压能力的测量。当工作介质为水、加载频率50Hz、有效值100 V的正弦脉冲信号,零背压时的最大流量为1·76 mL/min,零流量时的背压能力为5·5 kPa;工作介质为空气时,相同条件下的流量为9·38 mL/min,背压为2·5 kPa。
4 结论
设计了一种同心双向阀结构微型压电薄膜泵,该结构有效的减少了微泵的初始体积增大了压缩比,简化了制作工艺,克服了传统被动阀微泵两个单向阀间容易串通的缺点,同时具有互锁的保护功能。
经过实验研究,同心双向阀结构的微型压电薄膜泵不论液体还是气体作为工作介质都具有良好的流量特性和较高的可靠性,满足微量烈性药物输注的要求。
优良的综合性能、低廉的成本使得该类微泵在微量化学反应分析系统、生物医疗微量药剂控制系统及太空微型推进系统等领域有着广阔的应用前景。
参考文献:
[1] 王沫然,李志信·基于MEMS的微泵研究进展[J]·传感器技术, 2002,21(6):59261·
[2] SMITS J G·Pizeoelectric micropump with three valvesworking peristaltically [J]·Sensors and Actuators A ,1990,21223(1):2032206·
[3] 罗庆生,韩宝玲·我国微型机械的发展方向和创新途径[J]·机械,2000,27(4): 46248·
[4] RICHTER M, LINNEMANN R, WOIAS P·Robustdesign of gas and liquid micropumps [J]·Sensors andActuators (A), 1998,68(123):4802486·
[5] LI Shi2feng, CHEN Shao2chen·Analytical analysis ofa circular PZT actuator for valueless micropumps [J]·Sensors and Actuators(A),2003,104(2):1512161·
[6] SEBASTIANBohm, WOUTEROlthuis, BERGVELDPiet·A plastic micropump constructed with conven2tional techNIques and materials [J]·Sensors and Actu2ators, 1999,77(3):2232228·
本文作者：刘 收 姚立强 王益红 陈志同
