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微型泵的回顾摘要：在过去的25年多的时间里，我们已经看到泵送流体的微小尺寸装置发展上的进步。我们试图为微型泵的研究者提供一些参考，同时也为在这个领域之外的人因为特殊用途时识别微型泵提供一些信息。往复式移动的微型泵不论是在学术界还是在私人领域都已经是个广泛研究的课题，并已通过各种形式的驱动器、阀的结构形式、以及材质而生产制造。基于机械结构的非周期性移动的微型泵例如通过局部相位的变化已经显示出对一些特殊应用的适合性。电镀形式的微型泵已经展示了令人满意的微型尺寸，并在需要大流量高压力的应用方面有着很好的发展前景。基于电镀和电磁形式上的动力微泵也已经被发展。许多进步已经取得，但适合更重要场所应用的微型泵仍没有得到应用，这对未来的研究仍然存在一个广阔的领域。术语 振动薄膜面积 孔、细管、流道直径 动力粘度系数 电磁的通量密度 孔、细管、流道数量 电容 水力直径 泊松比 振动薄膜直径 功率 电场强度 应用的驱动器压力 弹性模量 压差 电荷 最大压差 介电常数 体积流量 压缩比 电荷密度 密度 热动效率 估计的热动效率 雷诺数 外形尺寸 电荷间距 静电力 斯德鲁哈尔数 自泵频率 应力 振动薄膜的共振频率 材料的屈服应力 工作频率 温度 电流密度 薄膜厚度 流速 可压缩性 电势差 振动容积 薄膜中心点位移1. 引言 从生物制药到太空探索及微电子冷却，微米级的流量，及在1立方厘米或以下在工程系统中日益应用。这种小流量经常需要在这些系统中泵送、控制或操纵。例如生物标本必须通过小的化验系统元件来移动，冷却液被迫通过微热量交换器。像这样微流体输送需要有时需要利用被动的机械机构来满足。最特别的是表面张力。对于其他的应用，大尺寸的泵，他们压力或真空腔及阀能提供充分的微流体输送能力。然而对于许多微流体系统，自控的主动泵，壳体的尺寸同泵送流体量是被要求的。在本文介绍中，我们考虑到几种简要的应用并获得一些关于微型泵的设计参数。 一些药剂代理商一直渴望微型泵的设计者。在所用第一批微型泵中，其中一项在八十年代早期由Jan Smits试图用于控制胰岛素的输送系统以维持糖尿病患者的血糖平衡而不用频繁的针头注射。微型泵也可用于分配分子到瘤或血液中。特定体积的流量可能需要微型泵来输送。但精确的计量是最重要的。对于植入体内的微型泵压力很重要，背压需要25kPa。可靠性、能量消耗、成本、生物适应性也是至关重要的。随着时间的推移，在这个领域的空缺已经被填补。例如，目前注射胰岛素的输送系统运用静压力储存仪器带有螺旋管驱动阀，尺寸上仅有50多立方厘米。许多研究者已经洞察到发展微型泵用于单相或二相微电装置的冷却。微电装置的冷却对流量有着很高的要求。例如Tuckerman 和 Pease有关精子在液态下芯片冷却的论文期望流量值是每分钟零点几毫升，最近的研究表明100W微型芯片的二相对流冷却需要的流量是10ml.min-1或更多一些。在微型吸热设备中更高的压力需要（100kPa或更高）以驱动更大流量的流体通过微型流道。在这种层状体系下，一种流道水力直径减小一个数量级需要增加两个数量级的压差以保证液体连续的平均流速。成本和功率消耗也是要着重考虑的，后者尤其对于移动单元。微型泵也许被直接加工到集成电路中以冷却瞬间热点，因此制作方法和即时响应特性也许尤为重要。对于气泡的不敏感性也是重要的，因为有气泡出现在里面对于微流动系统来说是有害的。更多的注意力近来已集中在这种微小结构系统在化学和生物分析上。化学化验系统的小型化能够减少所需样本和反应物的量使化验进行得更快并且少用手工操作。小型化有时获得更大的优势是得到便宜的随意的得到的培养基。假如微型泵能被广泛应用在中，兼容性也是必需的。监测单细胞也许需要流体流量控制在pl量级，即为每边10体积范围。微型芯片用于药物发现DNA，分离物种通过毛细现象。太空探测对于微型泵来说也是个令人兴奋的领域。小型低真空泵被需要用在质量分光计系统中在较轻的太空船中传输。这样的泵大概需要完成的真空压力约为0.1Pa，在那种条件下更高级别的真空泵将更有效果。小型的低真空泵在其他方面的应用也已发现。微推进是微型泵在太空的另一个潜在应用。被提议的离子推进系统推动1-5kg的微型太空船也许需要输送压缩气体流量为1ml.min-1，泵送更大气体量的气泵比液体泵更为普遍的需要，这些使太空探索的应用更有挑战性。权威人士推断微型泵有如此广泛的应用范围，而且自在20世纪80年代Smits的第一个微型泵发现以来已有200多篇文献发表报道关于新型微泵或者分析微泵的工作原理。精准的分类是必要而有意义的。在这篇回顾中，我们分类微型泵是他们产生流体流动和压力输出的方式方法。具体分类如表一所示。基本适用也是对传统泵的一种补充。泵主要分两大类：（1）容积泵，作用在工作流体上的压力是通过一个或更多个移动的边界。（2）动力泵，他是连续的以某种方式给工作流体增加能量，如增加动力（像离心泵）或直接增加压力（像电镀泵）。在往复泵中给流体增加动力随后也被外部流体的阻力转换成压力。许多往复泵都以一种周期式的方式工作，具体表现形式调整周期性流体的流动方法产生净余的流动。这种周期性容积泵进一步作用在泵中的是这种往复运动，像位移或薄膜片，基于旋转基础上的如齿轮或叶片。大多数被报道的微型泵是往复式容积泵，这些泵的运动面是个薄膜。有时被叫做薄膜泵。另外一些种类的容积泵是非周期性容积泵，这些泵的工作不固有的依靠边界压力的周期性运动。非周期性容积泵的典型特点是工作流体限制在有限的体积内；注射泵就是一个通常的例子。动力泵包括离心泵，在雷诺数较小的时候，他的工作效率低，被小型化的空间已到了极限。直接和流体接触产生压力和流动的电磁泵及声波微型泵也属于动力泵范畴。在图1中，一些已经报道的工作泵的种类已经被归类。在我们所使用的微型泵中，我们在微机电系统中仍坚持这个习惯，长度尺寸是100级或更小才称得上为微型。满足这样标注的泵才是微机械，他要随着工业技术的发展而发展，像注塑和精加工技术已被用于微型泵上。纳米级泵就需要长度级别为100nm或更小。在这篇回顾中我们仅介绍个别种类的微泵。我们讨论他们的重要特征、分析工作原理、描述典型例子、讨论应用范畴。比较各种微型泵的差异与不同。主要比较微型泵的最大流量，最大压差。我们在这里讨论的微型泵主要目的是为了应用，结构简单也是很重要，也考虑微型泵的包装尺寸（外形尺寸）。当外形尺寸没有报道是，我们以想像来估算，或从尺寸上进行推断。比较感兴趣的是最大流量和外形体积之间的比率。泵本身的固有频率。也讨论微型泵的泵容积泵动力泵往复式旋转式非周期式薄膜泵活塞泵离心泵混合泵声动泵/超声泵电磁水力泵电极渗透泵电极水力泵驱动形式：压电驱动，热动，静电驱动，气动阀的形式：拍打阀，固定几何形状，喷嘴，Tesla腔：单腔，多腔/串联（蠕动）多腔/并联气动、相变、热、电气化学、工作参数，驱动电压V和工作频率f等。消耗功率P和热效率也是重要的工作参数。但这些却很少有报道。我们也努力去收集这方面的数据。最有用的热效率定义是用泵的流量和背压来算得，我们也建议进一步报道反应泵整体消耗功率的值P（P包含电机或驱动原件消耗、电压变换、电力传输等等），在一些情况中，这种微型泵的的P和应详细报道。在一些论文中我们叙述微泵的功率是被明确报道的。如果没有报道但给出了、及P,我们用这些值来计算其热效率，假设流量和负载压力成线性函数关系，则估计热效率为0.25Qmax_pmax/P。作为这篇文章的补充，读者也许希望知道一些其他关于微泵技术的介绍，可查阅如下文献4951、 27, 28, 52, 53 、5458、5963。容积泵or in parallel2.2.1往复式容积泵大多数报道的微型泵都是往复式微型泵，这种泵的工作面或边界面产生的压力以周期性的方式直接作用在流体上。在许多较大的泵上活塞是移动的边界面，但传统的密封活塞结构并没有用于微泵中。在大多数往复式位移微泵中，作用在移动表面上的力由可变形的板代替，他是泵的薄膜，周边固定。一般泵的薄膜材料包括硅、玻璃、和塑料（压电泵泵的薄膜材料是铜板或无锈钢板）。图2介绍了薄膜泵的结构和工作过程，基本组成是泵腔（由泵的薄膜固定在一边形成）、一个驱动器和两个被动截止阀，一个在出口，一个在进口。一般由图2显示的微型泵由四层材料构成。已被报道的微型泵很少由两层材料构成，许多都由七层材料构成。在工作中，作用在泵薄膜上的驱动器交替增大和减小泵腔的容积，流体在吸程时流进泵腔，在排程时流出泵腔。进出口的截止阀调节流进流出。由Harald van Lintel制作的微型泵采用压电片作为驱动器，外型尺寸4立方厘米，性能为在120V驱动电压下，工作频率1Hz，Qmax = 8 l. min1 and _pmax = 10 kPa 。许多形式的微型泵已被报道，一些关键的结构参数和性能测试在表一中。大部分都是单腔泵，多腔串联和并联的形式很少。驱动形式多种多样，压电驱动、静电驱动、热动和气动等等。各种振动阀或其他一些移动机构也被发展。通过应用特定的几何结构来调整流体的惯性达到输出的目的也被介绍。接下来就进行一下讨论。2.1.1往复式位移微型泵工作模型的建立 往复式容积泵的工作会涉及到多种情况的力学知识，包括机电形式的力，固体力学、流体力学。因为这种复杂性，精确的、易处理的、广泛应用的往复式位移微型泵的分析模型还没有得到。初级的处理模型是提供工作方面的一些情况。有限元分析对研究其工作也是一门很好的工具。商业上ANSYS and ALGOR软件也被应用分析微泵薄膜在驱动器作用力下的响应状况。各种数字的和半解析的方法也被用在分析其流体流动的研究中。商业软件适合分析的有CFDRC, Coventor, FEMLAB and ANSYS FLOTRAN 为了说明泵的工作特性，我们提供了一种简单分析假设类似静态流动，阀是理想状态工作。雷诺数是Re = UDh/, 斯德鲁哈尔数Sr = fDh/U,分析中假设雷诺数及雷诺数与斯德鲁哈尔数乘积很小。 泵产生的压力和流量依赖与：1）冲程的体积变化量，或在循环中泵腔最大体积与最小体积差。2）泵腔的初始容积V0，或者说是在循环中的最小容积在进口阀和出口阀之间。3）泵的工作频率f。4）阀的性能。5）工作流体的性能。对于理想阀（ and )）和不可压缩流体，由质量守恒得到流量与泵腔容积变化量和工作频率f有关。依赖于泵驱动器的性能，比如说一些压电驱动器本来就是作为位移驱动器来用的，而有一些是作为压力驱动器来用的。对于位移源驱动器来说，薄膜的位移大小被薄膜的机械失效限制的。而对于压力源驱动器，薄膜的硬度和动态响应限制着和f，无论那种情况，泵薄膜的机械性能分析都是有益的。假如对于一个微型泵来说，他的薄膜直径为，厚度均匀为，周边夹紧固定，单位面积上受到的均匀驱动力为。薄膜的中心位移为： （1）（对于我们用的压电片薄膜指的是铜片）和为薄膜材料的弹性模量和泊松比，薄膜中的最大应力为 （2）薄膜在空气中的一阶振幅（没有受到来自流体压力情况）为 （3）为薄膜材料的密度，方程（1）和（2）能用来估算薄膜向上振动产生的绝对振动体积变形量，不论驱动器是什么形式。方程（1）能决定（在静态下工作没用流体产生的压差）类似于压力源驱动器往复式容积泵。而方程（3）习惯用来决定工作频率假设静态响应是成立的。动态效果和微型泵是否工作在薄膜共振频率附近有关，这种动态工作结果还与阀的特性及其他外在条件有关。带有驱动器和阀的的往复式容积泵微型泵产生的最大压差是最终由驱动力和阀的特性决定。在工作情况下工作压力比背压大并且阀的工作特性接近理想状态，工作流体的压缩比限制压力产生，带有理想阀的往复式微型泵理论上产生的最大压差为 （4）式中为容积变化量与腔体固有容积的比值，因为与压缩比有关，因此微型泵在输送液体比气体获得更大的压力。对与均匀的有较低压缩性的工作流体由决定，也是设计者设计泵的判定依据。但实际工作时也许有气泡产生，这在一定时使压缩性增大减小，虽然可以采用一些方法来减少气泡达到泵腔，但是易受气泡干扰仍然是往复位移微型泵的很大难题。如果气泡不可避免，那么就必须压缩比足够大泵才能够提供流体输出。R和L用三个相似但压缩比不同的微型泵来研究和气泡允许量之间的关系，一个泵的时发现泵水是很有效的，但当一个8的气泡进入泵腔时工作停止了。一个泵的，当连续两个气泡进入泵腔时工作停止。一个，则始终有气泡进入泵腔。其他最近的论文也讨论了微型泵压力的产生如文献【82，83】。2.1.2腔体结构大多数介绍的往复泵都是单腔泵，如图2所示。Smits介绍的微泵，给出了一种不同的腔体结构。如图3所示。在这种结构中流体串联的经过琢刻的流道。流道由入口的第一个泵腔到出口的第第三个泵腔。压电驱动器驱动各自腔体的薄膜片，彼此相位差是120度使流体流出泵腔。以这种方式工作需要泵无阀以调整流动。无阀多腔体串联泵在工作方式上和大一些的蠕动泵比较相似，因此有时也被叫做蠕动泵。他的泵在美国已取得专利，在100伏特工作电压，15赫兹工作频率下，最大输出压力和流量分别为600Pa和100。在1990年，Shoji报道了一种双腔串联微型泵，不同于Smits的设计，这种泵需要截止阀。然而这种串联泵的有效工作频率比单腔泵高很多，Shoji的微型泵是由压电驱动的，其结构是由硅和玻璃加工而成的。它的尺寸是最大流量18，最大输出压力10.7kPa,工作电压和工作频率分别为100伏特和25赫兹。Shoji也报道了双腔并联泵，这种形式的泵目的是减小周期性驱动时使泵产生的振动。一种这种形式的并联微型泵在100伏特电压50赫兹频率下的最大流量42，最大输出压力没有报道。多腔体结构被认识到使泵的性能提高了，但却增加了结构的复杂性和尺寸的加大。一项最近的研究表明双腔体的结构当带有固定的几何型阀体时效果尤其的好。2.1.3材料和加工技术2.1.4薄膜的几何形状2.1.5驱动器图6给出了驱动器。6a和6b说明了侧向和轴向结构的压电驱动器。压电陶瓷上的最大驱动电压和压电材料的极化极限，决定着压电的最大自由应变。PZT-5H一种高性能的压电陶瓷，（应变一般是极化方向）（应变平行于极化方向）。这种压电体能被10kV或更高的电场在1kHz频率下驱动。压电体的机电转换效率为10%-30%之间。用压电体驱动微型泵可追溯到上世纪七十年代喷墨打印头放的时候，如图7所示。一个压电驱动器缩小泵腔，产生小墨滴由喷嘴喷出。在膨胀的过程中，真空使流体由供应处流入腔内，而排放器口的表面张力压差阻止空气进入腔内。应用这种方式，表面张力和毛细管压力形成固有截止阀而不需要固体移动部分。在1974年IBM公司因这项设计申请了美国专利。 在这种压电式喷薄打印头中，腔体驱动应用了压电片的横向应变。由图6a显示，压电片的一面固定在腔的薄膜上，而另一面不受限制。压电片沿着轴向被极化，每一面形成了电极，用一个轴向电场通过压电片，在压电片上就产生了横向和轴向响应，和就是压电应力系数。因此就带动泵腔薄膜产生横向应力，如果压电片可压缩，压电片就弯向泵腔一边，如果伸长，弯曲就远离泵腔。在一些微型泵中，压电片双向驱动以增大冲程。许多微型泵应用平行方向极化的压电片（由决定的）来工作的也已经被报道。图6b。在这种结构中，压电片的两面都被束缚，一面是个刚性支撑，另一面是泵的薄膜。把一轴向电场加在压电片上使他产生轴向应变使泵的薄膜偏移，膨胀和收缩泵腔。这种微型泵在90伏特电压30赫兹工作频率下，最大输出流量和输出压力分别为18和6.4KPa.许多报道压电驱动的往复式容积泵工作在很高频率，利用压电驱动器快速响应的特性。一项报道的两腔泵工作频率在3kHz,最大流量是2.3ml/min。图6（c）阐述的是典型的热气驱动的原理图。 （热动驱动的原理：）在热气驱动中拥有两个腔，（其中在一个腔中被加热膨胀而起到驱动作用的流体为第二流体，另一个腔中被驱动流动的流体为第一流体）在一个腔中装有被加热的驱动流体，加热工作流体引起它膨胀，使泵的薄膜产生偏移，使被驱动的流体由出口排出。当加热器不工作时，薄膜松弛，吸入被驱动液体。热动驱动器的响应速度是由热转换到驱动流体的速率决定的，因此工作频率较低。静电力驱动被广泛应用在微电机驱动装置中。静电力驱动的工作原理：在驱动器中有一对平行板，一个平板和薄膜相连，当加上交流电时平板间形成交变电场，电场间的交变力随交变电压的变化而变化，而使薄膜膨胀或压缩，驱动流体流进或流出。气动驱动的工作原理：这种泵需要额外的气体供应装置，高速的阀。（查看参考文献142）2.1.6阀进出口的截止阀对容积泵的性能是很关键的。微型阀已经在近来被总结过。对截止阀来讲他的优良指数包括这几方面：通过微型阀时的压降比，最大的打开压力，加工的容易度和可靠性。大多数阀都是被动开启的机械振动结构。往复式位移微型泵的阀由van Lintel等报道的，结构是由柔性的、圆形的薄膜中心有一个开口，四周被较硬的ring mesa包围。许多其他报道的微型泵也有类似的阀。这种振动阀基于悬臂梁结构是很容易加工并被广泛应用。几种微型泵的截止阀带有圆盘结构。一种带有平板结构的微型阀也已经被报到。对于高频泵来说阀的动态响应特性是重要的，并且流动能够反向在上述的阀的机械响应过程中。几篇近来发表的文章讨论被动振动阀机械响应问题。球形截止阀也已经被报道。主动阀开启和关闭由驱动力，提供驱动力的装置是昂贵的并且工作是复杂的。主动阀有带有双金属的、静电的、热动的、压电的及其他形式也已经被报道。通过微型泵的流体流动能够被调整通，这种调整是通过进出口流道的几何形状产生的杠杆流体的动态效应而完成的。带有流体调整通道的泵取代了传统的阀，被叫做有固定几何形状或非移动阀，有时也被称作无阀泵。由Stemme and Stemme在1993年报道的黄铜微型泵在进出口通道有几何形状的喷嘴，叫做固定几何形状阀。在这些结构中流体的分开是在流动方向上引起压降产生的。一种带有4mm长喷嘴，喷嘴的直径最小处为230微米，最大处为600微米，泵水的最大流量可达4.4毫米每分钟，最大压力20.6kPa，驱动频率和电压分别为110Hz和20V。另一种无阀泵带有3mm长的喷嘴，喷嘴的最大和最小值经分别为530微米和1.1毫米。在工作频率为310赫兹下的最大输出流量和压力分别为15.5ml.min-1和4.9kPa.Olsson报道了一种带有平面喷嘴的微小黄铜泵。这种泵带有两个泵腔，产生的最大流量和压力分别为16 ml.min-1及100 kPa.无阀泵对于驱动有悬浮颗粒的流体或阀的材质容易损坏或堵塞是有优势的。泰斯拉型固定几何形状的阀其他传统的阀被用于微型泵中也已经被报道。Liu 等报道是用一种水凝胶的膨胀限制流道打开或关闭实现通道中液体流动。Matsumoto报道的是在进出口通过温度的变化来改变