由于在醫(yī)藥學(xué)、微流控、IC電路冷卻等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，基于壓電材料的壓電微泵（Piezoelectric Micropump）得到了廣泛的探索和發(fā)展。壓電微泵憑借體積小、可集成性好、功耗低和噪聲低等特點(diǎn)，已成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的熱門(mén)研究課題，此外，MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展也為壓電微泵的多元化設(shè)計(jì)和微型化方案帶來(lái)了新的思路和想法。

與此同時(shí)，近年來(lái)對(duì)于器件體積以及靜音的高要求，高頻無(wú)閥微泵的研究顯得格外重要，有閥泵在控制流體運(yùn)動(dòng)方向方面雖具有很好的效果，其通過(guò)閥門(mén)可以實(shí)現(xiàn)較高的輸出性能，但閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉與壓電振子的振動(dòng)之間存在相位差，當(dāng)器件工作在較高頻率時(shí)，閥門(mén)的滯后現(xiàn)象會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致器件性能不穩(wěn)定。因此，有閥泵僅適用于低頻段(小于1 kHz)，此外，由于老化和疲勞的原因，閥門(mén)會(huì)逐漸失去功能，導(dǎo)致壽命相對(duì)較短，可靠性較差。無(wú)閥泵的結(jié)構(gòu)比有閥泵簡(jiǎn)單，從工作原理上分為以下幾種：一種是基于合成射流效應(yīng)來(lái)操縱管壁的流動(dòng)阻力差來(lái)實(shí)現(xiàn)定向流動(dòng)；另一種是利用振子位移時(shí)上下腔室高度比的變化來(lái)引起上下腔室的壓力差，產(chǎn)生流體的單向流動(dòng)。無(wú)閥泵由于無(wú)摩擦磨損和粘滯效應(yīng)，具有較長(zhǎng)的耐用性和較高的可靠性,此外它們的工作頻率甚至可以超過(guò)20 kHz(超聲波頻段)，超出人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)的上限，具有無(wú)噪聲的優(yōu)勢(shì)，但在提高無(wú)閥泵的流量和壓力負(fù)載能力方面，仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)穿戴式/便攜式血壓檢測(cè)對(duì)高流量輸出大壓力負(fù)載能力的微泵需求，近日，杭州電子科技大學(xué)聯(lián)合浙江大學(xué)的研究人員組成的科研團(tuán)隊(duì)在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了題為“Analytical and Experimental Study of a Valveless Piezoelectric Micropump with High Flowrate and Pressure Load”的論文，通訊作者為軒偉鵬及駱季奎老師。該論文提出了一種位于超聲波頻段、具有大流量輸出和高壓力負(fù)載能力的泵閥一體的極微型壓電泵。

圖1 壓電微泵周期運(yùn)動(dòng)變化情況

該壓電微泵主要由帶有出氣口的上腔室、壓電振子和帶有進(jìn)氣口的下腔室組成，該器件的截面圖如圖2所示。壓電振子的基底為不銹鋼304，且其背部具有圓形凸臺(tái)（50 μm厚），在其上粘附一層具有高壓電系數(shù)的鋯鈦酸鉛（PZT-4）。當(dāng)給壓電陶瓷施加電信號(hào)時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變，同時(shí)帶動(dòng)彈性基板彎曲放大變形，從而改變壓電振子上下腔體內(nèi)的壓力。進(jìn)氣口處設(shè)有極窄的狹縫（30 μm），該狹縫在壓電振子的振動(dòng)下，導(dǎo)致狹窄間隙內(nèi)氣體（圖1中藍(lán)色框）流速和壓力的急速變化，并且產(chǎn)生高壓力，該結(jié)構(gòu)同時(shí)導(dǎo)致進(jìn)氣結(jié)構(gòu)與出氣結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)流體的定向運(yùn)動(dòng)。

圖2 壓電微泵的橫截面圖

為了提升器件的輸出性能，研究了器件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其輸出性能的影響，從圖3結(jié)果表明，其中電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)器件的性能影響最大，且器件產(chǎn)生的流量和振幅與電場(chǎng)強(qiáng)度（100-500 V/mm）呈線性關(guān)系，但由于壓電材料在高場(chǎng)強(qiáng)下易發(fā)生電退極化現(xiàn)象，因此選擇合適的最大場(chǎng)強(qiáng)顯得至關(guān)重要。

圖3 壓電微泵的性能結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過(guò)程以及結(jié)果

最后，研究人員對(duì)壓電微泵進(jìn)行了更為全面的性能表征（圖4），測(cè)試其在不同驅(qū)動(dòng)電壓幅值和頻率下，器件的流量和振動(dòng)幅度輸出情況，接著，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，兩者結(jié)果高度吻合，并且在測(cè)試中，該器件在40 kPa壓力負(fù)荷下，氣體流量仍能保持正向輸出，最大壓力可超過(guò)40 kPa（300 mmHg）。

圖4 壓電微泵的性能表征測(cè)試

綜上所述，該研究所提出的泵閥一體壓電微泵，有望在微流控、IC芯片冷卻、穿戴式/便攜式設(shè)備的加壓等多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)辟應(yīng)用。據(jù)悉，華為Watch D智能手表、歐姆龍HeartGuide智能手表具有的血壓測(cè)量功能，均采用了微泵技術(shù)。