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，已成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的熱門研究課題，此外，MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展也為壓電微泵的多元化設(shè)計和微型化方案帶來了新的思路和想法。

與此同時，近年來對于器件體積以及靜音的高要求，高頻無閥微泵的研究顯得格外重要，有閥泵在控制流體運動方向方面雖具有很好的效果，其通過閥門可以實現(xiàn)較高的輸出性能，但閥門的開啟和關(guān)閉與壓電振子的振動之間存在相位差，當器件工作在較高頻率時，閥門的滯后現(xiàn)象會越來越嚴重，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，閥門會逐漸失去功能，導(dǎo)致壽命相對較短，可靠性較差。無閥泵的結(jié)構(gòu)比有閥泵簡單，從工作原理上分為以下幾種：一種是基于合成射流效應(yīng)來操縱管壁的流動阻力差來實現(xiàn)定向流動；另一種是利用振子位移時上下腔室高度比的變化來引起上下腔室的壓力差，產(chǎn)生流體的單向流動。無閥泵由于無摩擦磨損和粘滯效應(yīng)，具有較長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20 kHz(超聲波頻段)，超出人類聽覺的上限，具有無噪聲的優(yōu)勢，但在提高無閥泵的流量和壓力負載能力方面，仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對穿戴式/便攜式血壓檢測對高流量輸出大壓力負載能力的微泵需求，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隊在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載能力的泵閥一體的極微型壓電泵。

圖1 壓電微泵周期運動變化情況

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（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）。當給壓電陶瓷施加電信號時，由于逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變，同時帶動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。進氣口處設(shè)有極窄的狹縫（30 μm），該狹縫在壓電振子的振動下，導(dǎo)致狹窄間隙內(nèi)氣體（圖1中藍色框）流速和壓力的急速變化，并且產(chǎn)生高壓力，該結(jié)構(gòu)同時導(dǎo)致進氣結(jié)構(gòu)與出氣結(jié)構(gòu)的非對稱性，實現(xiàn)流體的定向運動。

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)對其輸出性能的影響，從圖3結(jié)果表明，其中電場強度對器件的性能影響最大，且器件產(chǎn)生的流量和振幅與電場強度（100-500 V/mm）呈線性關(guān)系，但由于壓電材料在高場強下易發(fā)生電退極化現(xiàn)象，因此選擇合適的最大場強顯得至關(guān)重要。

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

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

圖4 壓電微泵的性能表征測試

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)備的加壓等多個領(lǐng)域開辟應(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量功能，均采用了微泵技術(shù)。