基于MEMS工艺的压电微泵的研究进展

在微纳米尺度流体控制的应用中,压电微泵因其简易结构,高精密度,高力密度,快速响应与良好环境适性成为研究的热点。从致动原理与流体控制方案角度对压电微泵的研究现状进行了归纳总结,介绍了其在药物供给、细胞分离、微量化学检测等领域的应用,指出了压电微泵输出功率较小、输出具有蠕变特性、成本偏高等问题,并对压电微泵的发展方向进行了展望。

利用压电微泵驱动和脉动混合可控合成金纳米粒子

为了合成粒径均一、单分散性好的金纳米粒子,提出一种压电驱动式脉动微混合可控合成金纳米粒子的方法。该方法采用两腔三阀结构的压电微泵作为驱动源,结合Y形微混合器,基于两压电微泵脉动交叉式输出性能来实现多种不同混合模式的可控混合。利用Fluent软件对Y形微混合器内不同流量及频率下的混合效果进行了优化分析,优选出了压电微泵的控制参数。在实验室内设计、制作了用于金纳米粒子可控合成的系统样机,并开展了相应的金纳米粒子可控合成试验。试验结果表明:电压为40V,频率为300Hz时,合成的金纳米粒子粒径较为均一,分散性较好,该结果验证了文中所提方法的可行性。此方法亦可应用于其他纳米粒子的可控合成。

一种合成射流压电微泵关键结构参数确定方法

为增大无阀微泵流量,改进合成射流微泵设计方法,设计一种基于合成射流压电激励器的微泵结构,并提出关键结构参数的确定方法.在合成射流激励器流场模拟结果基础上,绘制其轴线上的轴向瞬时速度变化曲线以及出口横截面上的轴向速度分布曲线,利用轴线上轴向速度稳定点以及出口横截面上轴向速度分布曲线的零点确定最佳泵腔高度和出口直径.对所选用的合成射流激励器流场进行三维数值模拟,结果表明:利用该方法得到微泵结构的最佳泵腔高度为7 mm,最佳出口直径为1.78 mm.在零背压下,当雷诺数为225、频率为100 Hz时,该合成射流微泵流量可达32.1 m L/min.数值仿真与实验对比验证了方法的可行性.利用该方法可以有效地确定该类微泵在大流量且连续稳定出流性能下的关键结构尺寸.

新型锯齿流道压电微泵加工制作及试验(英文)

以硅作为基底材料,采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术加工出含有新型锯齿流道和传统锥形管的微泵,整个微泵结构为聚二甲基硅氧烷(PDMS)-玻璃-硅-PDMS式.采用阳极键合方法对硅和玻璃之间进行封装.PDMS和玻璃、PDMS和硅之间的封装采用紫外线照射方法,使PDMS表面改性,从而达到不可逆密封.分别对两种微泵在不同电压、频率以及波形驱动下的最大流量(MFR)和最大压力头(MPH)进行测试与比较,发现在固定频率下,两个微泵的最大流量和最大压力头均随驱动电压升高而升高,并且正弦波驱动下的效果要好于其他两种驱动波形;在固定电压下,最大流量随着频率升高在60Hz和200Hz两个频率点同时达到最大,最大压力头则在60～600Hz内一直处于最大值不变;锯齿流道微泵的最大流量和最大压力头明显高于传统锥形微泵.由于流道侧面环形面积的存在增加了流通面积,新形锯齿形流道微泵的效率明显高于传统锥形管微泵.

采用压电微泵散热的超磁致精密驱动器

针对超磁致精密驱动器(GMA)工作时因电磁线圈发热而导致GMA定位精度差的问题,采用体积小、噪声低、无电磁干扰的压电微泵驱动水流进行散热,以控制超磁致伸棒的温度.制作了一台GMA样机,设计了一个热变形测试系统,进行了GMA在无水冷和有水冷条件下的热变形对比实验.结果表明,提出的温控措施是有效的.

行波压电微泵的制作和测试(英文)

微泵是微流体芯片发展水平的重要标志.为提高微泵的工作性能,提出了一种新型行波驱动的压电微泵.在设计了不同的微管道结构(锯齿形微管道和直微管道)的基础上,对压电执行器和微管道进行仿真分析和优化设计.采用热键合工艺制作具有不同微管道的微泵,在不同频率的驱动信号下测定行波微泵的频率特性,同时也测量了微泵流速与背压的关系曲线以及电压幅值特性.相比于直管道微泵,锯齿形管道微泵具有更好的工作性能,在26 V驱动电压下,其最大平均流速和背压分别达到33.36μL/min和1.13 kPa.

压电微泵一体化自闭环微系统热管理技术研究

近年来,以嵌入式微流体液冷散热技术为代表的主动热管理因其优异的散热性能而被广泛研究。然而,嵌入式微流体液冷散热技术常使用体积较大的外置泵、阀等构成流体回路,以致该技术难以应用于现有的射频微系统。该文提出了一种集成压电微泵阵列的一体化自闭环微系统热管理方法,并完成了该微系统样机的设计与研制。在常温、高温与低温环境下分别对该微系统样机供液流量及散热性能进行了测试。常温测试结果表明,在芯片热流密度为250.9 W/cm^(2)时,芯片表面温升能控制在56℃以下,而集成的2×2压电微泵阵列实现了高达57 mL/min的供液流量。该技术可用于解决高功率射频微系统的高效一体化热管理问题。

附壁射流无阀压电微泵的多场耦合模拟

为了研究在多场耦合影响下的压电微泵的输出性能,提出了一种新的数值模拟方法,以附壁射流无阀压电微泵为对象进行数值计算,并通过试验验证了数值计算方法的正确性,同时对压电泵的外特性进行了研究.结果表明:随着频率的增大,压电泵的流量和背压都呈现先增大后减小的趋势;当电压为200 V,频率为62.5 Hz时,压电泵的流量和背压都达到最大,分别为0.703 mL/min和0.672 kPa;提取压电振子的位移分布和压电泵瞬时流量的数据,显示压电泵的出口瞬时流量滞后于瞬时电压的原因是耦合作用的影响;随着喉部高度H的增大,压电泵的流量呈现先增大后减小的趋势,当电压为200 V,频率为50.0 Hz,喉部高度H=0.4 mm时流量达到最大,为4.023 mL/min;结合压电振子的最大位移曲线和压电泵内部流场的速度矢量图分析,表明压电振子的最大振幅决定于从泵腔泵出的总流量,而内流场形成的旋涡尺寸和位置决定了进口管和出口管之间流量的分配.

基于无阀压电微泵控制的微流控液体变色眼镜

为了更好地利用变色镜保护人眼不受强光的伤害,提出了一种微流控液体变色眼镜。以透光性良好的高分子聚合物PDMS(polydimethylsiloxane)为材料,采用软刻蚀技术代替传统的机械加工,制作了具有微流道结构的镜片变色层。通过对封接面的表面改性处理实现了PDMS变色层和基底镜片(玻璃/光学树脂)之间的不可逆封接,构成了具有闭合微流道的液体变色镜片。设计并制作了一种无阀压电微泵控制器用以控制镜片微流道内有色液体的循环流动,实现镜片的变色功能。实验测试了微泵在不同驱动电压和驱动频率下变色眼镜的响应特性。测试结果表明:与传统的固体感光变色镜相比,无阀压电微泵控制的微流控液体变色眼镜具有较快的响应速度,较高的可控性和良好的可逆性。

对数螺旋组合管无阀压电微泵性能

为了增大流管的流阻比以提高微泵性能,在传统的扩散/收缩管基础上提出1种新型对数螺旋组合管结构.该组合管为三通结构,由汇流管即传统的扩散/收缩管和分流管即以对数螺旋线为轮廓的一对对称流管组成.利用数值模拟方法分别对汇流管和分流管进行正交优化设计,并通过试验对数值模拟结果进行检验.结果表明优化后的对数螺旋组合管正反向流阻比近似为常数1.7,优于传统的扩散/收缩管.正、反向流动数值模拟结果相比试验值误差分别小于20%和12%.加工出应用对数螺旋组合管的样泵并进行试验测量,结果显示该微泵的扬程和流量在频率为225 Hz下存在峰值,该频率下扬程和流量随输入电压的增大而增大.该微泵最大扬程为396 mm水柱,最大流量为0.43 mL/min.应用该组合管可以有效增大正反流阻比从而提高无阀压电微泵的性能.

压电微泵性能的终端特性分析及其模拟研究

根据压电微泵的结构及其功能可将其划分成6个功能块或子系统:压电片子系统、泵腔、入口阀子系统、出口阀子系统、入口通道子系统和出口通道子系统.对6个子系统建立终端特性模型,并进行有关终端特性分析.最后,将压电微泵子系统的终端特性模型进行了组合,得到整个系统的特性模型.对此进行分析,可以方便地获得压电微泵的性能特性.

利用体块PZT制备膜片式压电微泵

利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应,设计并制备了膜片式压电微泵。通过将电能转换为机械能,实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成;微驱动器主要为液体流动提供驱动力,单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析,确定了微驱动器的设计尺寸,并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后,设计了驱动测试实验,检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明:所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70kHz,能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30Vp-p、频率为600Hz时,液体的驱动流速约为65μL/min。该微泵具有体积小,线性度好等特点。

压电微泵驱动信号及流量影响因素分析

压电微泵的泵出流量由微泵结构、压电振子特性及驱动系统驱动信号的形式决定。在机械结构及材料特性确定的条件下,压电振子的驱动信号决定着微泵输出微流量的可靠性和稳定性。在分析压电微泵驱动基理的基础上,通过Ansys对驱动压电振子有效振动的一、二阶频率进行有限元模拟分析,确定了驱动信号电压幅值、频率对微泵流量的影响。以此为基础搭建压电微泵流量测试实验平台,在相同电压和频率条件下,研究了3种不同脉冲信号(正弦波、三角波、矩形波)对输出流量的影响。通过实验对理论模型进行修正,得到了压电微泵输出流量简化模型。实验验证了所得模型在正弦波、三角波、矩形波3种不同波形驱动下最大误差不超过4%,控制范围内可靠性在99.0%以上。综合比较可知,方波脉冲信号为压电微泵最佳驱动信号。

胰岛素注射用压电微泵的性能研究

在压电微泵的性能方面,探讨压电陶瓷片在不同波形驱动下微泵流速之比较,方波电压驱动微泵流速最大。微泵的流速与背压几乎成线性递减关系,并且和选用管子的内径无关。压电微泵的稳定性不好并且存在衰减。

一种压电式精密输液微泵的试验研究

提出了一种用于精密输液的压电驱动式微型泵,该泵在结构、原理上均有别于传统泵。在实验室中设计、制作了实验样机,同时为取得控制流体精密输送的方法与规律,自行设计、制作了专用电源。通过系统的实验测试和研究进一步验证:压电驱动式微泵性能稳定、能够实现流体的精密输送、且适于微小型化,可为研发具有实用意义的精密输液微泵提供有益借鉴。

双层泵腔压电无阀微泵结构设计与优化

面向植入式微泵在生物医疗领域的应用需求,为了提高低电压及微型化条件下微泵的输出流量,该文设计了一种双层泵腔压电无阀植入式微泵。基于压电振子的压电耦合仿真以及微泵的电-固-液三相耦合仿真,验证了双层泵腔微泵设计的有效性,并优化了结构及驱动参数。通过实验验证了耦合仿真结果的正确性,并测试了微泵的流量范围。结果表明,微泵最优设计参数:扩散角为30°,颈宽为300μm,上层泵腔高度为100μm。微泵的净流量随电压的增大而增大,且适用于低频驱动。实验结果表明,双层泵腔压电无阀微泵的输出流量是传统压电无阀微泵的5.38倍。

无阀压电微流体泵工作特性与结构参数

根据平面无阀压电微流体泵的结构特点,采用厚度平均的浅水模型和有限元法,得到微流体泵液体-振动片耦合方程。耦合方程的模态分析给出硅片一阶模态自然频率和振型,以及硅片振幅-频率关系。在模态分析之后,加入压电力考察振动片响应、微泵流动特征和微泵流量。同时研究微泵结构参数(微泵压电片半径、扩散管长度、最小宽度、扩散张角)对微流体泵液—固耦合系统的自然频率、振动片振幅和微泵流量的影响,得出对微流体泵优化设计有重要意义的结果。

基于PMMA内嵌三维流道的压电驱动微混合器

为改善微尺度下流体的混合效果,提高微混合器的混合效率,设计制造了一种基于PMMA内嵌三维流道的压电驱动微混合器。该微混合器以双腔串联压电泵为驱动源,结合Y型多拐角螺旋式三维流道,基于PMMA封装键合工艺,在一定温度、压力条件下键合而成。应用CAE软件对结构进行了仿真优化设计,优选出最佳结构参数,最终确定外形尺寸为50mm×35mm×7.2mm。在实验室内进行了脉动和混合效果实验,实验结果表明:当频率为50Hz,输出流量约为1mL/min时,流道内脉动效果明显;压电微泵脉动混合技术和多拐角流道结构促进微流体混合,是一种融合了主、被动混合器特点的新型微混合技术。

基于ANSYS压电振子结构最优化模拟分析

在建立压电微泵的结构理论模型的基础上,通过有限元仿真软件ANSYS对不同基材和不同几何尺寸的压电振子进行静力学分析和不同驱动电压及频率的谐响应分析,确定了构成压电振子部件的最优几何结构的尺寸关系以及最优驱动电压、频率的关系当构成压电振子晶片和基片厚度均为0.2mm,晶片与基片直径比值为11/15时,泵腔体积的变化量最大;模拟确定了驱动信号的最佳电压和频率范围,分别为电压幅值30 ~ 80V、频率40 ~ 100Hz。当驱动电压为50V,驱动频率为100 Hz时,通过实验验证,微泵流量已达到6. 56 mL/min,极大地满足了微泵流量的设计要求。为基于压电微泵驱动的微流控系统的研究提供了理论依据和实验分析数据。

基于差分吸收检测技术的非分散红外CO_(2)呼吸气体传感器

采用非分散红外(non-dispersive infrared,NDIR)气体传感器实时检测呼吸气体中的CO_(2)气体浓度,进而反映人体运动机能和代谢功能等身体状态,可以满足人类日益增强的对自身健康状况进行了解的需求。利用电调制微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)光源和双通道热释电传感器分别作为红外光源和探测器,采用气室结构设计和压电微泵相结合的方法为传感器提供稳定的气体流速,设计出红外呼吸CO2气体传感器。通过测量不同CO_(2)标准气体浓度下热释电传感器参考通道和测量通道的电压比值进行传感器标定,获得了在室温下、检测量程0%~8%内,绝对误差小于0.5%,相对误差3%,系统响应时间小于1.5 s的传感器,提高了基于NDIR气体传感器检测呼吸气体的抗干扰能力,可望满足运动机能和代谢功能检测等应用对CO_(2)气体监测的需求。