微流控系統(tǒng)中壓電泵及其應(yīng)用的研究進展

齊振翔，接 勐，馬騰飛

（1.吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.吉林化工學(xué)院機電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022）

0 引言

1988年伯克利制造出第一臺微電機（60μm）標(biāo)志著微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）的正式誕生。經(jīng)過多年發(fā)展，MEMS技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于能源動力、信息通信、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。MEMS技術(shù)正開辟著一個全新的領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為國際上公認的戰(zhàn)略高科技和21 世紀最有前途的經(jīng)濟增長點之一[1]。微流控技術(shù)作為MEMS的一個重要分支也在不斷發(fā)展。微泵作為微流控系統(tǒng)的動力來源，可將其他形式能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動流體流動的機械能。微泵的性能往往代表了微流控系統(tǒng)的優(yōu)劣，常見用于精密流體驅(qū)動的微泵根據(jù)驅(qū)動方式主要分為熱氣驅(qū)動型[2]、靜電驅(qū)動型[3]、電磁驅(qū)動型[4]、壓電驅(qū)動型[5]和形狀記憶合金驅(qū)動型[6]。

壓電泵作為典型的精密流體運輸微泵的一種，其利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)為驅(qū)動流體運輸?shù)臋C械能。壓電泵將泵腔、閥、振子集成一體，與傳統(tǒng)泵相比，大大減少了由于不同部件在運動中造成的能量損耗。由于壓電泵有著結(jié)構(gòu)簡單、體積小、低能耗、無電磁干擾且不易受外界環(huán)境影響等優(yōu)點，在諸多領(lǐng)域已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)泵，具有重要研究意義和市場價值。本文對目前壓電泵的研究現(xiàn)狀進行總結(jié)，根據(jù)壓電泵的結(jié)構(gòu)、工作模式等方面進行分類、歸納、總結(jié)，提出壓電泵發(fā)展過程中存在的問題，并對其潛在的應(yīng)用前景進行探討。

1 壓電泵閥的結(jié)構(gòu)配置

壓電泵在工作過程中，流體經(jīng)流道通過閥門進入泵腔，不同形狀、不同類型的閥門直接影響壓電泵的工作性能。閥作為壓電泵重要結(jié)構(gòu)之一，可按照有無閥將壓電泵分為無閥壓電泵和有閥壓電泵。

1.1 無閥壓電泵

無閥壓電泵主要根據(jù)阻流體形狀結(jié)構(gòu)、進出管口尺寸形狀、腔體形狀控制正反向流阻差進行流體運輸。1993年Stemme 等[7]首次提出了無閥壓電泵的概念，其使用兩個錐形管作為擴散器/噴嘴來替代進出口閥，利用兩者在工作過程中的流量差進行流體運輸。此后無閥壓電泵成為熱門研究領(lǐng)域，進而演變出許多類型。

Xinxin Wang 等[8]提出了一種采用V 形入口與Y 形出口相結(jié)合的新型無閥壓電泵，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過對壓電振子的動態(tài)模擬分析，確定壓電振子的振動模態(tài)和最佳工作頻率，利用3D打印技術(shù)制作實驗樣機。通過實驗測試表明，該設(shè)計使無閥壓電泵的輸出流量和連續(xù)泵送能力得到明顯提升。在200 V、40 Hz 交流電驅(qū)動下，該泵的流量最大可達658.8μL/min。

圖1 “VY”形出入口無閥壓電泵

唐茗等[9]針對現(xiàn)有無閥壓電泵在生物醫(yī)療實驗中的缺點設(shè)計了一種流線型流管無閥壓電泵，具體結(jié)構(gòu)如圖2。其對無閥壓電泵的結(jié)構(gòu)和工作原理進行分析，通過軟件對具有不同β角的流線型流管無閥壓電泵模擬仿真，確定了影響壓電泵最佳輸出流量的關(guān)鍵因素，并進行實驗驗證。實驗表明：流線型流管與傳統(tǒng)錐型流管相比，對于流體運輸?shù)姆€(wěn)定性有明顯提高，流線型流管無閥壓電泵可改善無閥壓電泵在微生物運輸及醫(yī)療領(lǐng)域的流動不穩(wěn)定性。

圖2 流線型流管無閥壓電泵示意

1.2 有閥壓電泵

有閥壓電泵通常分別在壓電泵出入口處放置方向相反的單向閥，在工作過程中通過閥門的不斷開關(guān)實現(xiàn)流體運輸。根據(jù)閥的控制狀態(tài)又可分為被動截止閥壓電泵和主動閥壓電泵。

1.2.1 被動截止閥壓電泵

1988年，H Lintel[10]首次對單向閥壓電泵進行研究，提出了一種基于硅的微加工的壓電泵，在進出口通道處加入了兩個用于密封通道的被動截止硅閥。常見的被動閥主要有懸臂梁閥、平板閥、傘形閥和輪式止回閥等。

張力敏等[11]提出一種采用傘形橡膠閥作為止回閥的單腔大振子被動閥壓電泵。通過調(diào)制出與血液密度和黏稠度相似的甘油水溶液作為實驗介質(zhì)，模擬在不同工作狀態(tài)下的血液泵送實驗。經(jīng)實驗驗證：110 V 正弦交流電驅(qū)動下，該泵的最佳工作頻率為210 Hz，泵送量的峰值可達412.5 mL/min，同時也為壓電泵在黏稠性液體的精密輸送方面提供借鑒。

Yang Zhigang 等[12]設(shè)計了一種采用懸臂梁式止回閥設(shè)計高性能微型壓電泵，具有體積小、性能好、成本低等特點，可用于微電子冷卻、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。懸臂梁式止回閥的設(shè)計使壓電泵具有較好的自吸能力，保證壓電泵具有較高的輸出流量和輸出壓力。在50 Hz、180 V正弦電壓的實驗條件下，其泵送最大流量為4.5 mL/min，當(dāng)驅(qū)動頻率達到70 Hz時，其綜合性能更佳。

1.2.2 主動閥壓電泵

主動閥壓電泵采用能主動控制開閉狀態(tài)的主動閥替代被動截止閥壓電泵中的單向閥。Peng Yunhao 等[13]設(shè)計了一種具有主動壓電閥陣列的新型多通道硅基壓電泵，該泵由一個泵送裝置（由硅基泵腔及上方的圓形壓電執(zhí)行器組成器）和4 個均勻分布在泵送裝置周圍的圓形主動壓電閥陣列構(gòu)成，所有主動閥都通過流道與泵送裝置相連接，可以實現(xiàn)流體的雙向流動。通過控制各個主動閥的開閉狀態(tài)，可以實現(xiàn)從一個或多個主動閥吸入、排出流體，該設(shè)計具有6 種工作模式。通過對不同工作模式進行實驗驗證，結(jié)果表明當(dāng)工作模式為三進一出時，其輸出流量和輸出壓力達到最大。

Sun Yeming 等[14]提出了一種新型雙主動閥壓電泵，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。此設(shè)計中的主動閥由壓電振子、連桿和薄膜組成，出入口和泵腔處的壓電振子位移分別通過連桿傳遞至出入口薄膜和驅(qū)動薄膜，進而控制主動閥的開閉狀態(tài)和泵腔體積的變化。通過控制3 個壓電振子的工作次序，可實現(xiàn)對流體的精密輸送。與單向閥壓電泵相比，其應(yīng)用場景更為廣闊。

圖3 雙主動閥壓電泵結(jié)構(gòu)

1.3 無閥壓電泵與有閥壓電泵比較分析

有閥壓電泵相較于無閥壓電泵，其輸出性能更好，在液體制冷、燃料運輸、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣泛。但是受限于閥體材料特性，導(dǎo)致有閥壓電泵工作頻率較低，無法適用于一些特定高頻工作環(huán)境，容易出現(xiàn)疲勞磨損，并且閥門的開閉與壓電泵的工作頻率存在一定相位滯后，影響壓電泵的輸出性能。無閥壓電泵不存在閥這一運動部件，可用于運輸含有微粒的流體且工作頻率較高，但同時也因這一特性，存在著液體回流和效率低等問題，其輸出流量和輸出壓力往往較小。

2 壓電泵腔體的結(jié)構(gòu)配置

壓電泵根據(jù)腔體數(shù)量的不同可分為單腔體壓電泵和多腔體壓電泵。

2.1 單腔體壓電泵

單腔體壓電泵由于只有一個腔體，結(jié)構(gòu)較為簡單，便于生產(chǎn)制造，這種設(shè)計被廣泛采用。孫曉鋒等[15]提出了一種新型軸向流出的單腔體有閥壓電泵，根據(jù)軸流泵原理，通過控制進出口閥在泵體上的安裝位置，使流體在泵送過程中形成軸向流入流出。其分別對氣體和液體兩種介質(zhì)進行泵送實驗，結(jié)果顯示：在高頻工作條件下，軸向出流設(shè)計明顯提高了壓電泵的輸出流量和輸出壓力。鄭煒等[16]將對介質(zhì)起截止作用的單向閥直接粘結(jié)在帶有小孔的壓電振子上，制作的單腔體壓電泵明顯減少了工作過程中因閥的開閉造成的能量損耗。在40 V、1 000 Hz 的驅(qū)動條件下，該泵對于氣體介質(zhì)的輸出流量為720 mL/min，工作特性有明顯提高。

2.2 多腔體壓電泵

為了提升壓電泵的工作性能，前人在單腔體壓電泵的基礎(chǔ)上進行研究，發(fā)現(xiàn)通過增加壓電泵的腔體數(shù)量可以提高其輸出流量和輸出壓力。彭太江等[17]為了改善單腔體壓電泵的自吸性差、氣泡滯留等缺點，設(shè)計了一種雙腔體壓電泵，并進行腔體結(jié)構(gòu)（串、并聯(lián)）和驅(qū)動方式對比實驗。實驗結(jié)果表明腔體串、并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)均能提升壓電泵的工作性能，且腔體串聯(lián)方式對泵的工作效率提升更大，在200 V、152 Hz 時，輸出流量最大為1 150 mL/min。陳亮等[18]設(shè)計了一種四腔體層疊型并聯(lián)有閥壓電泵，層疊型設(shè)計在提升壓電泵輸出能力的同時也有效減少了因腔體數(shù)量增加而導(dǎo)致的泵體體積增加。通過驅(qū)動不同數(shù)量的振子輸送氣體、液體兩種介質(zhì)的實驗表明：振子數(shù)量增加可以有效提升壓電泵的輸出性能，但不會成等倍增長。

2.3 單腔體壓電泵和多腔體壓電泵比較分析

單腔體壓電泵結(jié)構(gòu)較為簡單，設(shè)計更加靈活，在精密流體運輸領(lǐng)域最為常見，但其輸出能力有限。雖然可以通過提高壓電泵的驅(qū)動電壓和頻率來提升輸出流量和壓力，但可能會因電壓過高導(dǎo)致壓電元件的相關(guān)特性發(fā)生改變，造成元件損壞。多腔體壓電泵的工作特性相較于單腔體壓電泵有明顯提升，腔體數(shù)量的增加導(dǎo)致其機械結(jié)構(gòu)和控制過程會更為復(fù)雜，且其工作過程中的流體脈動現(xiàn)象會更嚴重。

3 壓電振子的結(jié)構(gòu)配置

壓電振子作為壓電泵的驅(qū)動元件，可根據(jù)壓電振子的結(jié)構(gòu)將其分為壓電片型和壓電疊堆型。

3.1 壓電片型壓電泵

壓電片型壓電泵的驅(qū)動元件多為薄片型壓電振子。李明等[19]提出了一種PDMS 壓電微泵，用固態(tài)聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料制作壓電泵泵腔，壓電振子采用圓形單晶片壓電振子。實驗表明，該泵對不同黏稠度的流體都具有良好的輸送性能，可用于化學(xué)反應(yīng)溶液的精密輸送。Dong Jingshi 等[20]采用圓形壓電振子作為泵動力來源，制作了一種止回閥與壓電振子相結(jié)合的單振子壓電泵。對止回閥進行理論進行分析，探究影響止回閥開度的主導(dǎo)因素。該泵在60 V，320 Hz 條件下輸出流量達到最大為2 034.7 mL/min，當(dāng)頻率下降到140 Hz 時，其輸出壓力達到最大值為0.82 kPa。

3.2 壓電疊堆型壓電泵

壓電疊堆型壓電泵的驅(qū)動元件是由大量壓電陶瓷薄片通過特殊工藝進行加工形成不同的壓電疊堆?？紫楸萚21]提出一種利用迭片式結(jié)構(gòu)的壓電疊堆進行驅(qū)動的試劑分配泵，采用透明、易于加工的有機玻璃作為泵的外殼和泵體，便于實時觀察泵的工作情況。110 V 電壓下，該泵的最佳工作頻率為20 Hz，其輸出流量的重復(fù)精度為77.42μL，可以實現(xiàn)試劑的精密分配。Pan Qiaosheng[22]等設(shè)計了一種新型壓電螺紋桿泵，由壓電驅(qū)動系統(tǒng)和螺紋桿泵組成，具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。驅(qū)動系統(tǒng)由2 組垂直放置的壓電振子和1 個環(huán)形鉸鏈組成，每個壓電振子包含了4 個位移放大器和4 個壓電疊堆。壓電疊堆的振動位移經(jīng)位移放大器放大，通過環(huán)形鉸鏈帶動螺紋泵進行周期運動。螺紋桿泵上的螺桿與螺紋管之間留有間隙，與兩端的進出口形成運輸流體的流道。這種新型設(shè)計可實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)與泵體的分離，在600 V 峰峰值驅(qū)動電壓下，最大背壓可以達到5.3 kPa，輸出流量可達71.4 mL/min。

圖4 壓電螺紋桿泵結(jié)構(gòu)

3.3 壓電片型壓電泵與壓電疊堆型壓電泵比較分析

壓電片型壓電泵由于壓電振子的低耐壓、承載能力弱等條件限制，工作電壓和輸出壓力較低，無法應(yīng)用在高壓條件下的流體運輸，但其結(jié)構(gòu)簡單，體積小。壓電疊堆型壓電泵雖然能滿足用于高壓場合，但壓電疊堆位移較小，通常采用位移放大機構(gòu)進行放大。這種額外的機械結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致壓電泵的體積較大，無法應(yīng)用于集成化、微型化領(lǐng)域。

4 壓電泵的工作方式

根據(jù)壓電泵的工作方式，又可將其劃分為壓電諧振泵和非諧振壓電泵。

4.1 壓電諧振泵

壓電諧振泵是根據(jù)諧振原理，使壓電振子工作在諧振狀態(tài)下，增大振子的振動幅度，提升輸出性能。Wu Yue 等[23]提出了一種用于輸送氣體介質(zhì)的新型壓電諧振泵，采用圓形壓電振子進行驅(qū)動，通過對位移放大機構(gòu)進行創(chuàng)新型設(shè)計，使該諧振泵的驅(qū)動能力有了很大提高，最大氣體輸出流量達到1 685 mL/min。李勝杰等[24]對壓電諧振泵的結(jié)構(gòu)進行有限元建模、分析仿真結(jié)果，確定了進水閥直徑和激勵頻率與壓電泵的輸出特性之間的關(guān)系。通過制作實驗樣機進行驗證，發(fā)現(xiàn)不同直徑的進水閥對應(yīng)的最佳工作頻率不同，為壓電諧振泵在實際應(yīng)用中的進水閥直徑大小和工作頻率的選擇提供了指導(dǎo)。

4.2 壓電非諧振泵

Song Chen 等[25]提出了一種分離式液壓驅(qū)動壓電給藥泵，該泵由液壓驅(qū)動器和無閥泵組成。液壓驅(qū)動器采用壓電振子作為驅(qū)動元件，通過液體將動力傳遞給柔性薄膜，無閥泵由另一層柔性薄膜控制，兩者在工作過程中緊密貼合。實驗表明，該泵的最佳工作頻率取決于柔性膜的厚度，最佳輸出流量取決于無閥泵的泵腔高度。該泵的設(shè)計結(jié)合液壓驅(qū)動和壓電驅(qū)動的優(yōu)點，輸出更加穩(wěn)定，裝配更加簡單。

4.3 壓電諧振泵與壓電非諧振泵的比較分析

相較于壓電諧振泵，壓電非諧振泵的工作電壓與頻率較低，并且其壓電振子的形變往往受限于固定方式，無法獲得較大的體積變化，輸出流量和輸出壓力較小。壓電諧振泵利用了諧振原理，使由壓電振子在諧振狀態(tài)引起的泵腔體積變化更大，其輸出流量和輸出壓力更大，可用于高頻高壓領(lǐng)域。

5 壓電泵的優(yōu)化研究

壓電泵在工作過程中由于自身特性、制造工藝、材料等條件限制對輸出特性會產(chǎn)生一定影響，國內(nèi)外學(xué)者為提升壓電泵的輸出特性，從各方面進行研究，如理論分析、流量檢測、抑制空化、抑制回流等。

5.1 理論分析

HUANG Jun 等[26]對無閥壓電泵的流場特性進行三維有限元分析，揭示了壓電泵的速度流線模型，對壓電泵總流阻力的差異進行解釋。采用簡化數(shù)值計算方法對壓電泵出口流量進行計算，并對壓電泵流場進行詳細分析。有限元計算結(jié)果與實驗結(jié)果誤差僅為5.5%，驗證了有限元方法的有效性。為新型壓電泵設(shè)計優(yōu)化提供一定參考。在模型建立方面，Amos Ullmann 等[27]通過對壓電泵的理論分析，設(shè)計了單腔體和雙腔體壓電泵的性能模型，該模型可設(shè)定頻率、壓電振子振幅、噴嘴損失系數(shù)和噴嘴直徑的流動壓力特性，可為壓電泵相關(guān)元件的設(shè)計提供參考。該模型模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)相比較，具有高度一致性。D Accoto 等[28]根據(jù)壓電單晶體致動器和球型止回閥的幾何和機械特性，建立了相關(guān)模型，預(yù)測其性能和工作頻率之間的關(guān)系。經(jīng)過實驗驗證，模型的預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果一致，該模型在微流體裝置的設(shè)計過程中非常實用。Ranjitsinha R.Gidde等[29]采用COSMOL多重物理學(xué)對壓電泵不同元件的幾何尺寸與流量之間的關(guān)系進行探究，確定所提出微泵的最佳設(shè)計參數(shù)，有效提升了微泵的輸出性能。

5.2 流量檢測

對壓電泵輸出流量檢測的精準度在一定程度上也會影響壓電泵的輸出性能。流量檢測可分為間接式流量檢測和直接流量檢測。間接流量檢測可借用流量傳感器對輸出流量進行檢測，直接檢測利用壓電振子自身的正壓電效應(yīng)進行檢測。Christoph Jenke[30]等通過對差壓流量傳感器和熱式流量傳感器的工作原理進行分析，提出一種通過比較位移體積進行單沖程流量脈動校準的方法，可將輸出流量降至納升或?qū)⑵滢D(zhuǎn)變?yōu)樵趎L/min至μL/min范圍內(nèi)的可變平均流量。孫業(yè)明等[31]從壓電泵結(jié)構(gòu)入手，采用雙壓電晶片振子，將執(zhí)行元件與傳感元件集于一體，并設(shè)計傳感信號采樣裝置，如圖5 所示。通過對傳感壓電片的電信號與壓電泵輸出流量之間的關(guān)系進行探究，建立了用于流量預(yù)測的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。實驗結(jié)果表明，所提出的模型的預(yù)測值與實際測量值誤差極小，該流量自測方法準確性較高。Zhang等[32]通過分析分段電極的方法，提出了一種用于具有雙壓電晶體片的壓電泵的流量自檢測方法。該新型設(shè)計通過將壓電振子的電極劃分為驅(qū)動單元和檢測單元，可同時利用正、逆壓電效應(yīng)以達到流體的輸送和流量自測。經(jīng)測試表明作為檢測單元的壓電振子的檢測電壓與流量之間存在較好的線性關(guān)系，該泵可實現(xiàn)流量自檢測功能。

圖5 傳感信號采樣裝置

5.3 抑制空化

壓電泵的壓電振子在高頻振動下必然會導(dǎo)致泵腔內(nèi)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，泵腔內(nèi)部產(chǎn)生氣泡滯留，會對壓電泵的工作性能產(chǎn)生實際影響。目前，研究人員為了減少空化現(xiàn)象的出現(xiàn)已經(jīng)做出相關(guān)研究。Borut 等[33]通過模擬實驗探究壓電泵在不同驅(qū)動信號下的輸出流量以及PDMS 薄膜各處的壓力，進行空化對性能影響的對比。同等條件下，激勵信號為鋸齒波時，壓電泵的輸出性能最低，空化現(xiàn)象會使采用正弦波激勵信號驅(qū)動的壓電泵的輸出性能降低約33%，但正弦波仍是最佳激勵信號。陳松等[34]通過設(shè)置不同腔體高度，進行氣泡滯留實驗，發(fā)現(xiàn)選取合適的泵腔高度可以有效減少腔體內(nèi)部的氣泡滯留現(xiàn)象。Yang Ye等[35]提出通過增加進水閥數(shù)量以抑制微型泵中的氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生。實驗數(shù)據(jù)表明，采用6個入口閥和2個出口閥設(shè)計的壓電泵輸出流量可達到采用4個入口閥4個出口閥泵設(shè)計的4 倍，且可以有效地抑制氣穴的產(chǎn)生，提高微泵效率。

5.4 抑制流體脈動

由于壓電泵的自身特性會導(dǎo)致其在工作過程中存在流體脈動問題，輸出性能受到一定程度的削弱。吳宣等[36]為了消除壓電泵工作時產(chǎn)生的流體脈動問題，采用PDMS 薄膜與微通道的組合設(shè)計，制作了一種被動式流體濾波器。經(jīng)實驗驗證，該設(shè)計可以有效減少流體脈動，裝置的濾波效果隨著薄膜半徑的提高顯著增加。Lin Lin 等[37]分析了驅(qū)動信號為方波時波形與輸出特性的關(guān)系，對方波信號進行優(yōu)化修正，并設(shè)計了一種新型流體濾波器，兩者結(jié)合可以有效消除壓電泵在微流體運輸時存在的流體脈動。Paul J Morris 等[38]通過建立一種柔性微通道的等效電路模型，對脈動流量穩(wěn)定問題進行探究，該模型的預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果高度吻合，誤差僅為2.5%，對流體脈動有明顯改善，明顯提升微泵的工作特性。

6 壓電泵的應(yīng)用

6.1 生物醫(yī)療

由于壓電微泵具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和高精度，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。K Srinivasa Rao 等[39]設(shè)計了一種集成微針式的壓電微泵。該設(shè)計將電極、壓電片、PDMS（聚二甲基硅氧烷）膜和通道構(gòu)造在玻璃基板上，并對微針進行優(yōu)化設(shè)計，以克服皮膚阻力，提高流速。輸入電壓為10 V、驅(qū)動頻率為300 Hz 的條件下，其遞送速率為4.67 mL/min，在醫(yī)療領(lǐng)域中經(jīng)皮控制藥物遞送方面具有良好應(yīng)用前景。H K Ma 等[40]采取分體式的創(chuàng)新型設(shè)計，將壓電雙晶片致動器與可分離泵腔相結(jié)合，制作了一種可分離式壓電泵。該設(shè)計泵腔可采用一次性泵腔，泵腔表面覆蓋有PET 隔膜，圓形壓電致動器與一次性泵腔通過圓柱型結(jié)構(gòu)相連接。一次性泵腔的設(shè)計，可有效避免泵腔在不同流體運輸過程中的重復(fù)使用所引起的交叉污染問題，使壓電泵成為生物流體運輸?shù)睦硐脒x擇。

6.2 燃料運輸

燃料電池是可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的小型化電池，主要是內(nèi)部的燃料與氧氣進行反應(yīng)，壓電泵可以作為化學(xué)燃料運輸?shù)挠行Чぞ?。J H Park 等[41]設(shè)計了一種適用于為DMFC（直接甲醇燃料）系統(tǒng)提供液體燃料的微型壓電泵，其實物設(shè)計見圖6。微型泵主要由一個驅(qū)動單元、一個入口止回閥和一個出口處的小直徑管道元件組成。驅(qū)動單元采用多層壓電致動器構(gòu)成，其位移通過共振機構(gòu)進行放大，利用流體慣性效應(yīng)使液體在出口處狹窄管道快速流動以替代出口截止閥。經(jīng)實驗測試，該泵最大流量為62 mm3/s，最大泵送壓力可達14 kPa。

圖6 壓電泵實物

6.3 液體冷卻

高密度集成化已經(jīng)成為微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢，由于該類設(shè)備在工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，散熱問題是微電子熱量管理中的一個重要問題。液冷系統(tǒng)具有較大散熱效率的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的冷卻，如臺式電腦和筆記本電腦。壓電泵體積小、結(jié)構(gòu)簡單、能耗低等特點非常適用于對功率、體積等有一定限制的電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)。衛(wèi)鈴佼等[42]設(shè)計一種由雙腔體串聯(lián)進行液體驅(qū)動的閉式水冷回路傳熱系統(tǒng)。壓電泵最低工作充液率為0.895，在此基礎(chǔ)上充液率越大，該系統(tǒng)傳熱性能越強，環(huán)路熱阻小于0.2 ℃/W，系統(tǒng)內(nèi)部存在的氣體對于系統(tǒng)的工作效率影響越小。陳松等[43]設(shè)計一種組合式壓電驅(qū)動芯片水冷系統(tǒng)，實驗結(jié)果通過改變泵的工作方式以及工作數(shù)量可獲得芯片水冷系統(tǒng)不同冷卻效果，為計算機芯片散熱系統(tǒng)的設(shè)計提供一條新途徑。

7 展望

壓電泵作為微流控系統(tǒng)中微泵的一個重要分支，隨著MEMS 技術(shù)的飛速發(fā)展，也取得一定研究成果。由于材料和加工技術(shù)的限制，壓電泵在微流體運輸中所存在氣泡滯留、流量脈動、液體回流等缺點仍無法完全消除，影響控釋精度，限制了壓電泵的商業(yè)化進程。未來壓電泵研究發(fā)展將有以下幾個方向：

（1）集成化與微型化。MEMS 可以將微執(zhí)行器、微型構(gòu)件和電力電子器件集成于一體，達到微機械與電路的集成化設(shè)計。將微流控系統(tǒng)中的壓電泵、微流道、驅(qū)動電源進行集成化設(shè)計，使設(shè)備的集成度更高，體積更小，這種設(shè)計會成為一種趨勢。

（2）新型材料的應(yīng)用與研發(fā)。除了壓電材料外，現(xiàn)在還提出了具有粘彈性、磁滯伸縮、電流變、磁流變等多功能的新概念材料。并且同種材料在宏觀尺寸與微觀尺寸條件下，其物理化學(xué)特性有很大差異。對用于制造壓電泵相關(guān)結(jié)構(gòu)的新型材料的選擇，需要從微機械應(yīng)用的角度進行理論分析與實驗研究，對相關(guān)材料的研究會成為研究熱點。

（3）壓電泵內(nèi)部微流體流動模型與理論的探索。微流體技術(shù)的發(fā)展的精量級已達到微米、納米等級別，傳統(tǒng)的流體流動模型已經(jīng)不適用微尺寸流體運輸研究，需要在微觀狀態(tài)下，對流體在壓電泵內(nèi)部流動的模型進行建立，研究微尺寸效應(yīng)下壓電泵的內(nèi)部流動機理，提高壓電泵對微尺寸流體的輸送性能。

（4）壓電泵泵送高黏度流體介質(zhì)的應(yīng)用研究。目前，壓電泵泵送介質(zhì)的研究對象主要是水、空氣等低黏度流體，對于高黏度流體的泵送特性研究較少。高黏度流體泵送特性的研究也將成為未來一個重要研究方向，有望拓展出一個新的壓電泵應(yīng)用領(lǐng)域。

（5）微流控系統(tǒng)中新型有源壓電泵設(shè)計及控釋精度提升的研究。壓電泵雖然是微流控系統(tǒng)動力源的有力選擇，但是由于流體脈動、相位滯后等問題，其控釋精度存在一定限制。新型壓電泵設(shè)計，如主動閥壓電泵，相較于無閥壓電泵與被動閥壓電泵，流量脈動與相位滯后的問題得到很大改善。如何設(shè)計新型有源壓電泵，實現(xiàn)壓電泵在微流控系統(tǒng)中的高精度及高性能輸出，也將是一個熱門研究領(lǐng)域。

8 結(jié)束語

本文對目前壓電泵的各類研究進行總結(jié)，并根據(jù)研究熱點將壓電泵從自身結(jié)構(gòu)、工作特性進行分類歸納。根據(jù)閥的設(shè)計可分為有閥壓電泵和無閥壓電泵。有閥壓電泵相比于無閥壓電泵的輸出流量與輸出壓力都有所提升，但由于閥特性限制，存在嚴重的相位滯后。根據(jù)泵腔結(jié)構(gòu)可以將壓電泵分為多腔體壓電泵和單腔體壓電泵。雖然腔體數(shù)量的提升可以提升輸出特性，但是也造成其結(jié)構(gòu)設(shè)計與操作較為復(fù)雜，制作成本高。從壓電振子結(jié)構(gòu)方面進行分類可以分為壓電片型壓電泵和壓電疊堆泵。壓電疊堆泵較于壓電片型壓電泵，雖然更適用于高壓環(huán)境，但是需要借助機械結(jié)構(gòu)對壓電疊堆的小位移進行放大，導(dǎo)致其頻率較低，無法發(fā)揮壓電元件的高性能。本文還針對壓電泵的性能優(yōu)化與應(yīng)用領(lǐng)域進行分類、歸納總結(jié)，并對其潛在發(fā)展進行展望。