1、引言
微流控系統並不是一個新鮮的領域，相對其他微系統來說，微流控發展的相對更早。隻不過一方面由於小型化難度過高，另一方面遠離消費類應用，專用性較強，因此關註度沒有那麼高。
微流控系統的應用還是比較多的，生物化學方面，在核酸檢測和疫苗研發過程中，液體的定向定量輸送貫穿整個化學分析、藥物輸送、分子識別等過程。又例如，在集成電路冷卻方面，晶體管工作時的發熱量巨大，液體微通道散熱冷卻技術依靠微流控實現液體的大流量高流速熱量傳遞。
作為微流控系統的核心器件，微泵的設計至關重要。本文主要針對通過泵體的收縮/擴張實現液體傳遞的微泵。微泵的致動方式很多，壓電、靜電、電磁、熱驅動等方式，但最終都是為瞭實現泵體的體積變化。驅動方式的不同，使微泵在結構設計上會有相應的變化，以適應不同的驅動方式。而對於壓電微泵來說，其扁平化的結構有利於微泵的小型化，也可以實現一些比較獨特的結構來提高微泵性能。
2、基本結構
壓電微泵的分類方式很多，本文將微泵以有閥和無閥分為兩類。由於在壓電微泵中，壓電致動結構沒有過於復雜的運動方式，因此文中沒有過多分析壓電結構的設計和激勵。
2.1 有閥微泵
這個閥（valve），是指微泵結構中起開關作用的可動部件，打開時微泵中的液體單向流動，關閉時阻止液體回流，所以也叫止回閥（check valve）。一個典型的有閥微泵，如圖2-1所示。液體從入液腔（inlet chamber）經過止回閥進入泵腔（pump chamber），再通過止回閥進入出液腔（outlet chamber），完成一次泵送（pumping）過程。
圖2-1 有閥壓電微泵的典型結構
本文中的有閥都是指被動閥，即止回閥的開關由微泵的壓電驅動結構通過液體流向來間接控制，而不是直接驅動閥。壓電驅動結構是典型的金屬/壓電材料/金屬的三明治結構，在激勵下壓電結構在垂直方向做往復運動。液體的泵進和泵出如圖2-2所示。
圖2-2 有閥微泵的工作過程。(a)泵進；(b)泵出
可以看出，有閥微泵的原理比較簡單，泵送過程非常清晰。由於止回閥的關閉效果，泵送液體的流量理論上就等於壓電結構使泵腔產生的體積變化大小。此外，止回閥的開啟壓力和閉合背壓，對應壓電結構上的激勵電壓，都是高度線性變化的。因此，有閥微泵在設計時，許多性能指標是可預測的，這有利於減小微泵設計和工作中的不確定性。
止回閥的缺點也是相對明顯的。
第一，機械疲勞，開關循環次數達到一定程度後，會出現明顯的疲勞效應，開啟和閉合的性能都逐漸下降。
第二，制造難度大，止回閥需要一定的彈性和硬度，這對材料和工藝都提出瞭要求。如果用矽等彈性系數大的材料制作，其打開移位較小，通過液體流量小；如果用PDMS之類相對較軟的材料制作，在晶圓級制造上會有工藝兼容性的問題難以解決，從而造成成本上升。
第三，有閥微泵還有其機械結構本身帶來的問題，例如被動閥自吸壓力不足，造成反向不能完全鎖住；例如黏度較大的液體不能順利的通過止回閥；例如止回閥本身的共振頻率和腔體共振頻率失配等問題。
2.2 無閥微泵
無閥微泵對液體的吸取和泵送主要是靠收縮管/擴張管的壓力損失差來實現的。簡單的說就是通過入液腔和出液腔的特殊結構來實現液體的單向泵送。無閥微泵的結構如圖2-3所示，可以看出，無閥微泵的壓電驅動部分和有閥微泵是相同的，而區別在於腔體結構。
圖2-3 無閥壓電微泵的典型結構
無閥微泵的腔體結構叫做收縮管/擴張管，它是通過流體力學的原理設計的，本文不堆公式，這裡不再展開。從設計的角度來看，如圖2-4所示，A口的壓力損失系數為ξA，B口的壓力損失系數為ξB。當擴散角θ的角度小於5°時，ξA<ξB，泵送過程液體從A腔流向B腔。當擴散角θ的角度大於70°時，ξA>ξB，泵送過程液體從B腔流向A腔。當然，這個角度並不絕對，它和很多因素有關。
圖2-4 收縮管/擴張管示意
從泵送過程來看，以圖2-5為例，擴散角θ的角度小於5°。當腔體容積增大時，如圖2-5(a)所示，AB腔的液體同時進入泵腔。在相同的壓差下，A腔液體進入泵腔時，壓力損失系數較小，流速較快，流量較大；而B腔液體進入泵腔時，由於存在回流，流速較慢，流量較小。當腔體容積減小時，如圖2-5(b)所示，AB腔的液體同時排出泵腔，基於相同的原理和過程，液體從泵腔進入A腔的流量較小，進入B腔的流量較大。因此，一次完整泵送過程，液體從A腔到B腔定向輸送。
圖2-5 無閥微泵的泵送流程。(a) 入液；(b) 出液
典型的無閥微泵結構如圖2-6所示，無閥微泵的優勢在於結構簡單，可靠性高，易於制造。缺點是泵送過程有回流，相同泵腔體積變化量的情況下，泵送流量小於有閥微泵。但是，和優點相比，無閥微泵的缺點也就不那麼礙眼瞭，所以投入實際應用的微泵，無閥微泵占多數。
圖2-6 無閥微泵的工作過程。(a)泵進；(b)泵出
這裡簡單介紹一下雷諾數（Reynolds Number），這是一個表征流體運動情況的無量綱數。雷諾數Re由流體的特征流速v、流體密度ρ、黏性系數μ和特征長度DH來表征，DH在管道類流體中為管道截面直徑。
Re=frac{rho nu D_{H}}{mu } (式2-1)
雷諾數較小時，流體的運動受粘滯力影響較大，流體狀態稱為層流（Laminar Flow），其特點是流體分層明顯、各層流速穩定。雷諾數較大時，流體的運動受慣性力影響較大，流體狀態為湍流或紊流（Turbulent Flow），其特點是流體運動無序性明顯，通常流速也明顯增大。
在宏觀的流體運動情況中，層流和湍流的臨界數值在2100-4000范圍。在微觀尺度下，μm級的流體運動層流和湍流的臨界數值一般認為是100-200范圍，鑒於微觀情況的復雜性，臨界范圍的雷諾數對流體狀態影響很大，因此這一數值仍無定論。在一些工程應用的研究中，100以上的雷諾數很多被認為具有湍流的性質。對於MEMS微泵來說，較小的尺寸和較高的流速要求，一般在設計時，將微泵的流體狀態設計為湍流狀態。
2.3 壓電驅動結構
對於微泵這類微執行器來說，壓電驅動的優勢是響應快、驅動電壓低、輸出力矩大。此外，微泵的工作頻率較低，而壓電激勵和響應的線性度非常高，因此可以通過調節激勵頻率和激勵電壓幅值來控制微泵的流量。低頻頻率和低壓電壓的調節通過控制電路就可以完成，無需額外的外部電路或機械結構，這既有利於減小微系統的體積，又有利於降低成本。
壓電驅動的原理相對簡單，利用壓電材料的逆壓電效應，給壓電材料施加電壓激勵，材料會發生形變，從而帶動泵腔壁形變，使泵腔體積增大或減小。
在壓電微泵的驅動結構中，較多的采用單端固支梁（懸臂梁）、雙端固支梁、圓形或方形環繞固支結構，以上結構的振動模型都非常簡單，單端固支梁和雙端固支梁是基於棒的彎曲振動，圓形或方形結構是薄板的面外振動，如圖2-7所示。此外，在壓電微泵中，這些驅動結構基本都工作在一階振動模態，振動位移達到最大，並且具有較高的可靠性。
圖2-7 壓電驅動結構。(a) 雙端固支梁；(b) 方形薄板
因此，壓電驅動結構一般不需要復雜的結構和電極設計，根據微泵泵體的結構設計即可。微泵泵體的設計決定瞭液體的流動方向，而壓電驅動結構的振動方向可以與液體的流動方向同向，也可以是正交，如圖2-8所示。
圖2-8 振動方向與液體流向。(a) 同向；(b) 正交
這裡單獨說振動方向與液體流向的意義，是因為這和微泵的制造過程息息相關。目前壓電微泵雖然種類已然繁多，但能和MEMS工藝兼容，甚至晶圓級制造的壓電MEMS微泵依然非常少見。對於MEMS工藝來說，這兩種結構的入液口/出液口二維截面是相同，但在不同的工藝流程下，由於圖形化的方向不同，其三維形狀是有區別的，如圖2-9所示。對於矽基的結構來說，如果采用濕法刻蝕，則會形成圖2-9(a)中四面斜坡的泵送通道；如果是采用深矽刻蝕的方法，則通道的側壁是垂直的，如圖圖2-9(b)。
圖2-9 入液口/出液口不同工藝下的三維結構填充圖。(a) 四斜面的棱臺；(b) 兩側垂直的棱臺
當然，這不僅僅是工藝和形狀的差別，簡單的驗證下可以知道，這兩種驅動結構設計下的泵送流量和效率是有一定差異的，但就目前國內的壓電MEMS微泵設計和工藝能力來說，也確實沒有到要細究這個差異的程度，隻是在某些特殊泵體結構中，這可能會成為微泵性能的獨特改進點。
2.4 材料與性能
對於壓電微泵來說，其主體結構由泵體和壓電驅動結構組成。壓電部分主要由壓電材料和上下電極構成，壓電材料一般是PZT等具有較大的壓電系數的壓電材料，適合驅動大負載的運動。
泵體材料的選擇和微泵的制造方式關系較大。對於體微加工方法制造來說，采用單晶矽是最方便的，濕法和幹法刻蝕，矽矽鍵合等手段，是常用的MEMS器件制造方法。
對於單獨加工微泵的各個組件然後進行裝配的方法，材料的選擇范圍就非常大瞭，泵體采用矽、玻璃、塑料、金屬等都有，尤其是像PDMS等彈性系數相對較低的材料，適合作為有閥微泵的止回閥材料；而采用一些合金材料做泵體，既具有較高的結構強度，又可以做薄以獲得更大的形變，增大泵體體積的變化。
對於3D打印泵體結構，其材料則主要是ABS、PLA等塑料類，PMMA等有機玻璃類、陶瓷粉末類等3D打印的常用材料。
壓電微泵的核心性能是泵送流速（流量）以及流速的線性控制。微泵的結構設計決定瞭流速的大概范圍，結構決定瞭微泵的壓縮比、開啟電壓、輸出壓力。此外，液體黏度，無閥微泵的背壓，有閥微泵的自吸壓力等也是影響微泵性能的因素。而液體的表面張力對微流動的影響僅表現在流動的起始段。對於連續的流動，當管道壁表面完全被浸潤之後，表面張力對流動將不再具有影響。
微泵的工作頻率是由壓電驅動結構的頻率決定的，大多數微泵都工作在非諧振態。由於壓電響應的電壓線性度很高，工作在非諧振頻率有利於通過電壓對流速進行控制。工作在諧振頻率的微泵一般是固定流速的，即激勵的大小和頻率都不再變化。壓電驅動結構的頻率應該遠離泵腔本身的頻率，以免出現共振。
3、串聯型微泵
有閥和無閥微泵是壓電微泵的一個基本結構單元，為瞭達到或提高某一方面的性能，在實際應用中，微泵的設計往往更加復雜，因此出現瞭許多復合型的微泵結構。將單個微泵進行串聯或並聯，以提高性能，是一個主要的結構設計思路。
串聯型微泵是將兩個微泵首尾相連，中間共用一個收縮管/擴張管，形成兩級泵送結構，簡單示意如圖3-1所示。串聯型微泵的每一個泵腔都有獨立的壓電驅動結構，兩個泵腔的驅動信號是反相的，以提高泵送時入液腔和出液腔的總壓差，從而提高泵送流速。
圖3-1 串聯微泵示意
對於壓電微泵來說，串聯的方法非常簡單，以圖3-1為基礎，在兩個泵體頂部加上壓電驅動結構，就形成瞭一個簡單的串聯型無閥微泵。
3.1 單驅動串聯微泵
在實際的設計中，肯定沒有直接串聯那麼簡單。首先要明確，微泵的串聯和並聯，與微泵有閥還是無閥，沒有關系。結構上可以完全兼容，隻是制造上某些結構的有閥微泵實現起來比較困難。
圖3-2 單驅動串聯微泵。(a)無閥微泵；(b)有閥微泵
單驅動是指兩個串聯的微泵，共同一個壓電驅動結構，在圖中也可以看出，共用的壓電驅動結構。壓電驅動下，一級腔體體積增大時，液體進入一級腔體，同時二級腔體積減小，液體泵出；一級腔體積減小時，液體泵入二級腔，二級腔體積增大，液體泵入。
這個過程可以看出，單驅動串聯微泵實質上是增大的瞭壓縮比，更簡單地說就是在泵出的同時提前為出液腔準備瞭一部分液體。因此，這種結構的效率依然受到壓電結構和泵腔本身的限制，流速的提升並不大。
3.2 雙驅動串聯微泵
另一種構型的串聯型無閥微泵，如圖3-3(a)所示，它的本質依然是兩組腔體串聯，共用中間一個收縮管/擴張管，但它們有獨立的壓電驅動結構。兩個腔體的結構是完全相同的，這意味著它們的制造工藝是相同的。收縮管/擴張管僅有一層結構，這也降低瞭對工藝的要求。
有閥微泵的串聯形式如圖3-3(b)所示，可以看到，串聯有閥微泵的流體路徑和泵送過程，和串聯型無閥微泵是相同的，區別僅在於有閥的部分結構。
圖3-3 雙驅動串聯微泵。(a)無閥微泵；(b)有閥微泵
雙驅動，甚至是多驅動的微泵，由於每一個泵腔都有獨立的壓電驅動結構，設計上壓電驅動結構可以有更大的設計空間和面積，這直接提高瞭驅動能力，增大壓縮比。另一方面，圖3-3中的結構，壓電結構設計在表面，在工藝上也相對容易實現，封裝的壓力也小一些。
此外，振動方向與液體流向也與微泵有閥還是無閥沒有關系。雙驅動串聯微泵在振動方向與液體流向同向或正交，也是可以通過結構設計來完成的，如圖3-4所示。
圖3-4 雙驅動串聯微泵，流向與驅動正交
串聯型壓電微泵由於存在兩級泵送，提高瞭入液腔和出液腔之間的總壓差，因此可以提高微泵的泵送流速，進而提高單次泵送的總流量。並且，以圖3-3(a)所示的串聯型無閥微泵來說，串聯後器件體積增大的並不多，工藝過程也沒有明顯變復雜。因此，相比於單腔微泵，串聯型壓電微泵在性能有明顯的提升，同時沒有給該系統引入其他復雜的負面影響因素。
串聯型壓電微泵的缺點也相對明顯，由於兩級腔體的驅動信號是反相的，因此對驅動電路的要求相對較高。此外，由於兩級腔體不獨立，因此在泵送時依然具有間歇性。盡管串聯結構提高瞭單次泵送的流量，但泵入過程的時間依然是完全浪費掉的，因此串聯型結構的壓電微泵整體傳輸效率並不高。
4、並聯型微泵
串聯型壓電微泵提高瞭單次泵送的流量，但並沒有解決一半時間隻泵入，一半時間隻泵出的問題。並聯型微泵就可以解決這個問題。如圖4-1所示，並聯型微泵是兩個一級腔體，在同一組壓電驅動結構的驅動下工作。
並聯型微泵的兩個微泵具有獨立的腔體和入液/出液路徑，但共用同一組壓電驅動結構，這就形成瞭一個微泵在泵入時，另一個微泵必然在泵出的情況，這就實現瞭泵送過程的無間斷，且連續穩定。如果將圖4-1中左右兩側的公用入液管和出液管去掉，那麼就形成瞭兩個完全獨立的一級微泵。
圖4-1 並聯型微泵示意
4.1 單驅動並聯微泵
典型的並聯型壓電微泵如圖4-2所示。這個結構非常簡單，上下各一個微泵，各自有單獨的入液口和出液口，壓電驅動結構設置在中間，工作時驅動兩側微泵。無論有閥微泵還是無閥微泵，工作時一個泵腔壓縮，另一個泵腔必然擴張。從驅動過程中也可以看出，圖4-2中的微泵在驅動上是不獨立的，單個泵腔的泵送也是不連續的。
圖4-2 並聯微泵，雙腔獨立，驅動非獨立。(a)無閥微泵；(b)有閥微泵
如果不需要兩個泵腔各自獨立工作，那麼把圖4-2中兩個微泵的入液口相連，出液口相連，形成如圖4-3中的並聯微泵結構。該結構就隻有一個入液口和一個出液口，而單一的壓電驅動結構，也使得該結構的並聯微泵在工作時，必然也是一個泵腔壓縮，另一個泵腔必然擴張。因此，始終有一個微泵在泵入，也始終有一個微泵在泵出，整個並聯微泵的泵送過程是不間斷的。該並聯微泵結構解決瞭連續泵送的問題，並且隻有一組壓電驅動結構，但整體結構相對復雜。
圖4-3 並聯微泵，雙腔合並，驅動非獨立。(a)無閥微泵；(b)有閥微泵
4.2 雙驅動並聯微泵
並聯微泵的雙驅動結構如圖4-4所示，除瞭共用入液腔和出液腔以外，其他結構均是獨立的。這裡也可以看出雙驅動結構並聯微泵的特點，這是兩個泵腔的真獨立的結構，兩組壓電驅動結構即使停掉一組，另一組也可以完成泵送工作。此外，由於獨立控制，雙驅動結構並聯微泵既可以間歇泵送，也可以連續泵送。
從工藝的角度來看，和串聯雙驅動類似，並聯型的雙驅動結構也有類似的優點。特別是考慮批量化制造的時候，例如圖4-4(a)中的結構，一些並聯式的微泵可以設計成非常對稱的結構，具有晶圓級制造和晶圓級鍵合的潛力。
圖4-4 並聯微泵，雙腔合並，驅動獨立。(a)無閥微泵；(b)有閥微泵
從文獻來看，雙腔的並聯微泵可以使微泵的流速提高30%到60%左右，總的來說，在同等條件下，並聯微泵的效率是高於串聯微泵的，而且並聯型的微泵更加易於通過鍵合的方法進行晶圓級制造。
5 小結
本文主要是將諸多文獻中的各種壓電微泵的共通點篩選提煉出來，最終選擇瞭有閥/無閥，串聯/並聯，單驅動/多驅動這幾個點進行拆解，化繁為簡，以指導設計。由於本文是對各種微泵類型進行的總結，因此不涉及某種具體的微泵結構，對器件結構的剖析相對抽象。
在實際應用中，由於結構、工藝、封裝等因素的影響，壓電微泵的構型往往十分復雜，例如也有一些入液口采用無閥，出液口有閥之類的設計。另一方面，目前MEMS壓電微泵的研究進展還比較緩慢，極少看到有通過晶圓級MEMS工藝完成制造的壓電微泵。大部分報道中的微泵還是采用MEMS工藝、機械加工、3D打印等方法相結合，制造出微泵的各個配件，再通過人工或半自動封裝完成裝配。因此，精密的微泵成本也極高。
最後，本文中的所有圖，都是我的同事一筆一畫CAD出來的，所有的文字，都是筆者一個一個碼出來的，請尊重原創。由於MEMS系統涉及多學科交叉，加之筆者水平、視野、經驗有限，行文難免有謬誤，還請同行多指教，勿杠勿噴，先謝過啦。
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