泵阀一体的极微型压电泵，可用于穿戴式血压检测

由于在医药学、微流控、IC电路冷却等领域具有广阔的应用前景，基于压电材料的压电微泵（Piezoelectric Micropump）得到了广泛的探索和发展。压电微泵凭借体积小、可集成性好、功耗低和噪声低等特点，已成为工业界和学术界的热门研究课题，此外，MEMS技术的不断发展也为压电微泵的多元化设计和微型化方案带来了新的思路和想法。

与此同时，近年来对于器件体积以及静音的高要求，高频无阀微泵的研究显得格外重要，有阀泵在控制流体运动方向方面虽具有很好的效果，其通过阀门可以实现较高的输出性能，但阀门的开启和关闭与压电振子的振动之间存在相位差，当器件工作在较高频率时，阀门的滞后现象会越来越严重，从而导致器件性能不稳定。因此，有阀泵仅适用于低频段(小于1 kHz)，此外，由于老化和疲劳的原因，阀门会逐渐失去功能，导致寿命相对较短，可靠性较差。无阀泵的结构比有阀泵简单，从工作原理上分为以下几种：一种是基于合成射流效应来操纵管壁的流动阻力差来实现定向流动；另一种是利用振子位移时上下腔室高度比的变化来引起上下腔室的压力差，产生流体的单向流动。无阀泵由于无摩擦磨损和粘滞效应，具有较长的耐用性和较高的可靠性,此外它们的工作频率甚至可以超过20 kHz(超声波频段)，超出人类听觉的上限，具有无噪声的优势，但在提高无阀泵的流量和压力负载能力方面，仍面临着诸多挑战。

据麦姆斯咨询报道，针对穿戴式/便携式血压检测对高流量输出大压力负载能力的微泵需求，近日，杭州电子科技大学联合浙江大学的研究人员组成的科研团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Analytical and Experimental Study of a Valveless Piezoelectric Micropump with High Flowrate and Pressure Load”的论文，通讯作者为轩伟鹏及骆季奎老师。该论文提出了一种位于超声波频段、具有大流量输出和高压力负载能力的泵阀一体的极微型压电泵。

图1 压电微泵周期运动变化情况

该压电微泵主要由带有出气口的上腔室、压电振子和带有进气口的下腔室组成，该器件的截面图如图2所示。压电振子的基底为不锈钢304，且其背部具有圆形凸台（50 μm厚），在其上粘附一层具有高压电系数的锆钛酸铅（PZT-4）。当给压电陶瓷施加电信号时，由于逆压电效应产生形变，同时带动弹性基板弯曲放大变形，从而改变压电振子上下腔体内的压力。进气口处设有极窄的狭缝（30 μm），该狭缝在压电振子的振动下，导致狭窄间隙内气体（图1中蓝色框）流速和压力的急速变化，并且产生高压力，该结构同时导致进气结构与出气结构的非对称性，实现流体的定向运动。

图2 压电微泵的横截面图

为了提升器件的输出性能，研究了器件主要结构参数对其输出性能的影响，从图3结果表明，其中电场强度对器件的性能影响最大，且器件产生的流量和振幅与电场强度（100-500 V/mm）呈线性关系，但由于压电材料在高场强下易发生电退极化现象，因此选择合适的最大场强显得至关重要。

图3 压电微泵的性能结构参数优化过程以及结果

最后，研究人员对压电微泵进行了更为全面的性能表征（图4），测试其在不同驱动电压幅值和频率下，器件的流量和振动幅度输出情况，接着，将实测数据与数值计算结果进行比较，两者结果高度吻合，并且在测试中，该器件在40 kPa压力负荷下，气体流量仍能保持正向输出，最大压力可超过40 kPa（300 mmHg）。

图4 压电微泵的性能表征测试

综上所述，该研究所提出的泵阀一体压电微泵，有望在微流控、IC芯片冷却、穿戴式/便携式设备的加压等多个领域开辟应用。据悉，华为Watch D智能手表、欧姆龙HeartGuide智能手表具有的血压测量功能，均采用了微泵技术。