多晶硅微機械構(gòu)件材料力學行為及微機械粘附問題研究

微泵作為微流體系統(tǒng)的“心臟”，是微流體輸送的動力源，也是微流體系統(tǒng)發(fā)展水平的重要標志。作為一種重要的微型執(zhí)行部件，微泵還可廣泛應用于藥物輸送、血液運輸、DNA合成、電子冷卻系統(tǒng)、微全分析系統(tǒng)、微型燃料電池、微型衛(wèi)星推進系統(tǒng)等領域，具有巨大的市場應用前景。

微泵的發(fā)展現(xiàn)狀

微泵根據(jù)其有無可動閥片分為有閥微泵和無閥微泵。典型的無閥微泵有收縮－擴張型微泵，以及基于流體性質(zhì)的非機械式微泵。有閥微泵的優(yōu)點是原理簡單，制造工藝成熟，易于控制，反向截止性能較好。

但缺點也很明顯：由于閥片的存在，微泵加工工藝要求高，結(jié)構(gòu)復雜，不利于集成以及微型化；閥片易疲勞，并且回流現(xiàn)象不可避免，微泵效率低；在藥物輸送、血液運輸?shù)阮I域應用中，閥門的存在會造成堵塞，且容易損傷細胞。

相比于有閥微泵，無閥微泵有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，易于加工和制備，可以制成平面結(jié)構(gòu)，或者直接和微流控芯片一體化加工，便于微泵的微型化、集成化；無閥微泵利用微流體的特性，可以連續(xù)輸送流體，能精確檢測和控制流量，在生物醫(yī)學方面應用廣泛。

因此，無閥微泵成為21世紀微流體系統(tǒng)微型化、集成化、控制精準化程度進一步提高的突破口，具有廣闊的應用前景。

微泵材料的選擇對微泵的設計制作、性能、成本以及應用都有顯著的影響。良好的微泵材料應該具有與操作環(huán)境良好兼容、制作工藝簡單、可大批量生產(chǎn)、疲勞壽命高等特點。

根據(jù)當今發(fā)表的微泵文獻，多數(shù)以硅半導體、玻璃為材料。隨著微泵技術(shù)的發(fā)展，聚合物材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、光刻膠、電致動聚合物材料( EAP)、離子導電聚合膠片( ICPF)、聚對二甲苯(Parylene) 、聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA)等也廣泛用來制作微泵，其中PDMS最為常見，電致動聚合物如離子聚合物金屬復合材料(IPMC)、介電彈性體(DE)、聚偏二氟乙烯( PVDF)等作為新型智能材料以其獨特的優(yōu)點成為國內(nèi)外研究的熱點。

以硅為材料的微泵工藝成熟，但加工制作復雜，成本較高，生物相容性差，在生物醫(yī)學領域的應用受到限制。而基于聚合物材料的微泵有種類多、可供選擇余地大、制作工藝簡單、易于集成、生物兼容性好、性能優(yōu)良、成本低等優(yōu)點，非常適合大批量生產(chǎn)，使一次性使用的醫(yī)學微泵成為可能。

首先是微泵腔體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。微泵腔體結(jié)構(gòu)會影響微泵的壓力、流量、流動損失系數(shù)以及流動穩(wěn)定性。多數(shù)微泵均為單腔體結(jié)構(gòu)，為了提高微泵的性能，研制多腔體結(jié)構(gòu)微泵已成為一種趨勢，目前主要集中在兩腔體的研究上。

多腔體微泵可減輕流體脈動性，提高輸送能力，并且壓力和流量穩(wěn)定，提高微泵效率。有實驗研究發(fā)現(xiàn)，兩腔串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其輸出壓力和流量分別是單腔的2倍和1.4倍，而且綜合性能較高；并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出壓力不變，但流量增加一倍，而且脈動小。

微流道是無閥微泵的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)制約著微泵性能，有必要對微流道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。有關(guān)學者提出了利用鋸齒形微流道代替?zhèn)鹘y(tǒng)擴張/收縮微流道，有效提高了微泵性能。鋸齒型微流道由于側(cè)面齒形角的存在，流動過程更易產(chǎn)生漩渦，使流道壓力損失降低，其最大流量和最大壓頭都得到提高。

Li等模仿魚的鰭片，在微流道側(cè)壁增加微翅片結(jié)構(gòu)，微泵流動效率提高了10% ，在100 V，3 kHz的驅(qū)動電壓下測試，微泵性能提高了35% 。浙江大學傅新等利用Micro-DPIV技術(shù)對無閥微泵進行流場檢測，探究了微泵的流動機理，為微泵性能檢測、流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供了實驗驗證和技術(shù)指導。

國內(nèi)外微泵的研究進展

按泵類有無運動部件分，可以分為機械式微泵和非機械式微泵。機械式微泵驅(qū)動力較大、響應速度快，是目前應用的主流，但因為有可動部件，結(jié)構(gòu)復雜，存在機械磨損和泄漏現(xiàn)象，不利于微型化、集成化發(fā)展。非機械式微泵將非機械能轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘黧w的動能，沒有運動部件，結(jié)構(gòu)簡單、流量連續(xù)穩(wěn)定，是目前研究的熱點。

1)壓電驅(qū)動微泵

壓電驅(qū)動微泵是基于壓電晶體的壓電特性驅(qū)動薄膜振動從而實現(xiàn)泵送流體的。常見的壓電材料有壓電片、PZT壓電堆、壓電薄膜。壓電驅(qū)動的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動力大、響應時間短、能耗低、效率高；其缺點是驅(qū)動電壓高、振幅小，自吸困難，限制了其應用范圍。

為解決微泵自吸困難、難以實現(xiàn)流速精確控制等問題，耿照新等研制了具有三明治結(jié)構(gòu)的氣液兩用壓電驅(qū)動微泵。國立臺灣大學H.K.Ma等研制了一種有閥壓電驅(qū)動微泵如圖所示，該泵的泵體通過高精度的數(shù)控機床加工而成，兩個閥門和泵膜均由PDMS薄膜制成，橫截面尺寸為28 mm×5 mm。

在50 V、100 Hz正弦交流電驅(qū)動電壓下，最大流量達到 72 mL /min，實驗證明這種微泵在筆記本電腦CPU冷卻系統(tǒng)中有良好的冷卻效果。微泵的性能主要受到單向閥、泵膜、壓電元件、泵室容積、驅(qū)動電壓和頻率的影響。

2) 靜電驅(qū)動微泵

靜電驅(qū)動是基于庫倫力的原理，在其中一個固定電極上加單一極性電壓，在另一個與泵膜相連的可動電極上加交變電壓，交替產(chǎn)生雙向形變，從而實現(xiàn)泵送功能。

靜電微泵具有低功耗、響應快、驅(qū)動頻率高等優(yōu)點; 但不足的是驅(qū)動電壓高，體積沖程小，而且還需在微泵加入防止電路短路的絕緣膜，加工工藝要求高。Machauf A等研制了在流體中加載電場的靜電微泵。

它利用了流體的高介電常數(shù)和低導電性，流體的介電常數(shù)越高，相同驅(qū)動電壓和尺寸下微泵的靜電力越大，因此即使兩電極之間的距離相對較大，通過提高流體介電常數(shù)也可以獲得足夠的驅(qū)動力，但這種微泵的缺點是只能用于導電流體。

當電極之間距離為63 μm，驅(qū)動電壓為50 V時，最大流量為1 μL/min。Astle等研制了一種應用于氣相色譜儀化學分析的多級靜電氣動微泵，在100 V、14 kHz的驅(qū)動電壓下，最大流量為3 mL/min，最大背壓為7 kPa，滿足了氣相色譜儀對流量和壓力的要求。

國內(nèi)對于靜電微泵的研究主要集中在理論分析和數(shù)值模擬上。例如，應濟等建模分析了靜電泵膜吸合與釋放現(xiàn)象，其分析結(jié)果為確定靜電微泵驅(qū)動電壓的上限值從而避免吸合提供了依據(jù)。

陳榮等建立了雙腔靜電振膜式微泵的理論分析模型，計算并討論了驅(qū)動電壓、振膜厚度、介電層厚度對微泵性能的影響，計算結(jié)果表明雙腔結(jié)構(gòu)微泵相比單腔結(jié)構(gòu)微泵性能上有明顯提高。這些理論分析都為靜電微泵的設計和制造提供了依據(jù)。

3) 熱氣驅(qū)動微泵

熱氣驅(qū)動基本原理是利用加熱產(chǎn)生的氣體膨脹力為驅(qū)動力。熱氣驅(qū)動微泵的驅(qū)動器一般由加熱器、泵膜和密閉壓力室組成。通過加熱冷卻壓力室的氣體產(chǎn)生膨脹和收縮動作，推動泵膜運動。

熱氣驅(qū)動微泵提供的驅(qū)動力較大，可在較低的驅(qū)動電壓下獲得較大的膜片變形，并且熱驅(qū)動器容易集成在泵體中，微泵整體體積較小; 但是由于冷卻較慢，微泵響應慢，驅(qū)動頻率低，一般為幾赫茲，而且功耗較大。

Ok Chan Jeong等研制了一種蠕動式結(jié)構(gòu)的熱氣驅(qū)動PDMS微泵，可以應用于血液輸送系統(tǒng)。該泵具有三個致動器，兩個泵腔，在0.3 Hz的輸入頻率下最大流量可達到0.48 μL/s，此時的背壓為 7 cmH2O。

Seung等研制了一種應用于生物芯片的PDMS熱驅(qū)動微泵，如圖所示，該泵由三層PDMS片和一層加熱電阻玻璃片組成，利用PDMS模塑法加工出泵腔、微閥、流體通道等微結(jié)構(gòu)。

加熱電阻與微泵泵體采用分離式封裝方法，加熱電阻可重復使用，降低了微泵的成本。經(jīng)過試驗，在0.1 Hz，占空比為0.33的驅(qū)動電壓下，該微泵的驅(qū)動性能達到最佳，最大流量達到50 μL/min。

4) 電磁驅(qū)動微泵

電磁驅(qū)動微泵的原理是將永磁鐵貼在泵膜上，利用線圈產(chǎn)生的交變磁場，使得永磁體帶動泵膜往復運動，達到泵送流體的目的。電磁驅(qū)動的優(yōu)點是輸入電壓低、泵膜變形大、頻率調(diào)節(jié)方便、響應快，并且可以遠程控制。缺點是能耗高、電磁材料微加工困難、由于線圈存在難以微型化。

Yamahata等研制了一種球閥型PDMS電磁驅(qū)動微泵。該泵用噴砂技術(shù)加工出玻璃基板，利用熔融燒結(jié)技術(shù)集成多層微流控芯片。將永磁鐵嵌入PDMS薄膜制作泵膜，可產(chǎn)生較大的體積沖程，提高了微泵抗氣泡和自吸能力。當驅(qū)動電流為 100 mA，驅(qū)動頻率為30 Hz時，得到最大輸出流量為5 mL/min，最大背壓為28 kPa。

Chao ZHI等研制了的一種無閥電磁驅(qū)動微泵結(jié)構(gòu)，微泵尺寸為20 mm×20 mm。通過旋涂方法制作了PDMS薄膜，將多層NdFeB/Ta永磁鐵薄膜(TFPM)與PDMS泵膜粘結(jié)在一起，利用激光加工技術(shù)加工出了泵腔、微流道等微結(jié)構(gòu)。經(jīng)測試，方波信號相比正弦信號可獲得更高的流量，在7.5 V、15 Hz的方波電壓驅(qū)動下，最大流量達到130 μL/min。

5) 形狀記憶合金驅(qū)動微泵

形狀記憶合金驅(qū)動(SMA)是利用合金隨溫度變化發(fā)生相變的特性，來提供驅(qū)動力。它的形狀記憶功能通過馬氏體相變的可逆性來體現(xiàn)。常見的記憶合金有鈦鎳合金、金銅合金、銦鈦合金、銅鋅合金等，其中鈦鎳合金最常見。

這種微泵的優(yōu)點是驅(qū)動力大，泵膜變形大，缺點是泵膜的變形較難控制、響應慢、驅(qū)動頻率低(一般在100 Hz以下)、效率低。Xu等研制了形狀記憶合金薄膜驅(qū)動微泵。該微泵以硅為材料，采用硅微加工工藝、金－硅共晶鍵合等技術(shù)制成。

通過對NiTi條施加一定頻率的交變電流，泵膜在NiTi條的相變應力下產(chǎn)生往復振動，而實現(xiàn)流體泵送。當驅(qū)動頻率為50～60 Hz時，可以獲得340 μL/min的最大流量。

Shuxiang Guo等研制了一種利用記憶合金驅(qū)動的蠕動式微泵，總體尺寸為45 mm×30 mm×30 mm。微泵設計采用蠕動式結(jié)構(gòu)，將三組記憶合金驅(qū)動器協(xié)調(diào)控制，驅(qū)動流體流動。實驗表明，通過改變驅(qū)動電壓的大小和頻率，可以獲得400～3200 μL/min范圍內(nèi)的流量。

6) 電致動聚合物驅(qū)動微泵

在外部驅(qū)動電壓的作用下，能產(chǎn)生一定形狀和尺寸變形的聚合物被稱為電致動聚合物(EAP)。EAP是一種新型智能材料，目前應用于微泵的電致動聚合物主要有介電彈性體(DE)、離子聚合物金屬復合材料(IPMC)和導電型聚合物聚吡咯(Polypyrrole)。電致動聚合物在電場的作用下可產(chǎn)生大幅變形，遠大于現(xiàn)有的壓電材料，可以大幅提高泵送能力。

西安交通大學提出了由介電彈性體驅(qū)動的無閥微泵并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在3100 V、5 Hz的驅(qū)動電壓下可獲得最大500 μL/min的流量。但這種微泵的驅(qū)動電壓很高，DE材料的性能也不夠穩(wěn)定，還需要進一步的研究。Kean C.Aw等設計制作了一種IPMC驅(qū)動無閥微泵。IPMC的性能會隨時間變化，因此采用在線迭代反饋技術(shù)(IFT)控制IPMC的彎曲變形，以獲得恒定的流量。

在2.5 V、0.1Hz 的驅(qū)動電壓下，可獲得最大流量為130 μL/min。Yoshitaka Naka等研制了一種基于導電型聚合物聚吡咯(Polypyrrole)驅(qū)動微泵，如圖所示。該泵具有兩個導電聚合物致動器，通過對兩個致動器施加相位差為180°的驅(qū)動電壓，控制致動器產(chǎn)生開合運動，實現(xiàn)流體連續(xù)輸送。這種微泵可以實現(xiàn)2～84 μL/min范圍內(nèi)的流量輸送。該泵的優(yōu)點是驅(qū)動電壓低、能耗低、無回流現(xiàn)象，而且可以輸送400倍于水的高黏度流體。

離子導電聚合膠片( ICPF)是一種在較低電壓下就可以產(chǎn)生較大變形的聚合物材料，Wei.W等研制了一種ICPF驅(qū)動PDMS微泵。該泵的特點是ICPF致動器被密封的腔體包裹，PDMS泵膜在ICPF致動器變形力和該過程產(chǎn)生的熱驅(qū)動力的共同作用下往復運動，從而實現(xiàn)泵送功能。該泵在5 V，2 Hz的驅(qū)動電壓下，占空比為0.4時達到最大流量202 μL/min。

1) 電液動力微泵

電液動力(EHD)微泵基本原理是利用流體中帶電離子在電場作用下的遷移，從而帶動整個流體遷移流動的目的。這種微泵的優(yōu)點是無閥無活動部件、結(jié)構(gòu)簡單、對微加工工藝要求不高、成本低；但這種微泵對流體的介電性質(zhì)有特殊要求，只能用于絕緣液體或?qū)щ娐蕵O低的液體，如乙醇、丙酮、異丙醇等，限制了其應用。

按驅(qū)動電壓類型可分為兩種，一種是平行電極間施加直流電壓的EHD泵，另一種是在電極陣列上施加不同相位行波電壓的EHD泵。Chen等利用聚合物材料聚對二甲苯(Parylene)為基底研制了一種低功耗的電液動力微泵，該泵采用鋸齒狀電極，電極之間距離為20 μm，微泵尺寸為5 mm×7 mm×80 μm。

以異丙醇為介質(zhì)，經(jīng)測試，該微泵在30 V驅(qū)動電壓下，微泵背壓為490 Pa; 在20 V驅(qū)動電壓下，微泵流速達到190 mm/min。該泵的優(yōu)點是機械強度高、與IC工藝兼容性好，而且有良好的生物相容性。缺點是輸送高介電常數(shù)和低粘度流體才能獲得較大的流量。

Daisuke Wakui等提出了網(wǎng)格型碳作為電極制作的電液動力微泵。三維網(wǎng)格碳電極由SU－8膠在高溫下分解制成，采用芯片封裝技術(shù)和低溫SU－8鍵合工藝將電極集成在微流控芯片上。以電子氟化液為流體，在 500 V的驅(qū)動電壓下，最大壓力和最大流量分別達到23 Pa和400 nL/min。

2) 電滲驅(qū)動微泵

電滲驅(qū)動(EO)微泵是指外加電場使微通道壁面帶有固定電荷，利用其產(chǎn)生的電滲現(xiàn)象驅(qū)動液體。按驅(qū)動方式分主要有直流電滲泵和交流電滲泵兩種。直流電滲泵需要超高電壓，一般要幾千伏; 而交流電滲泵驅(qū)動電壓低，可以有效抑制電解反應。

這種微泵的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、流動穩(wěn)定、易于控制、背壓高; 缺點是驅(qū)動電壓高、流量小、外界影響因素多，而且僅適用于電解質(zhì)溶液。Chen等設計了一種平面電滲驅(qū)動微泵，該泵采用顯微光刻和濕法腐蝕工藝在玻璃基板上加工而成，使用電導率為4×10-4 S/m的去離子水為介質(zhì)，當施加電壓為1 kV 時，微泵最大流量為15 μL/min，最大背壓為33 kPa。

M.Mehdipour等提出了一種行波驅(qū)動交流電滲微泵，該微泵利用表面微細加工技術(shù)制作而成，通過在電極上沉積硅氮化物絕緣層，防止在電極邊緣產(chǎn)生高電場，造成電解液電解。以乙醇為介質(zhì)，當施加2 V、10 kHz的交流電時，微泵最大流速為2.39 mm/s。

3) 磁流體動力微泵

磁流體動力微泵(MHD)是利用磁場和電場施加于導電流體的洛倫磁力作為微泵的驅(qū)動力，一般驅(qū)動電導率在1 S/cm數(shù)量級的導電液體。驅(qū)動電壓可以采用直流電和交流電兩種方式。MHD微泵結(jié)構(gòu)簡單，成本低，驅(qū)動電壓低，流動穩(wěn)定且可雙向控制；但只適用于導電率較高的流體。

Homsy等制作了一種應用于核磁共振微流控芯片的磁流體動力微泵。當磁場強度為7 T時，19 V的直流電壓可以獲得1.5 μL/min的最大流量，功率只有38 mW。一般的直流電壓MHD微泵由于高電流密度造成電解液電解，產(chǎn)生氣泡而限制了流量，為此Nguyen等研制了一種大流量直流電壓磁流體動力微泵。

該泵通過加工條狀電極通道阻止氣泡聚集，減弱了氣泡對流量的影響。當驅(qū)動電壓為5 V，電流密度5000 A/m2時，可以得到最大流量為325 μL/min。

4) 電浸潤式微泵

電浸潤式微泵利用表面張力來驅(qū)動流體運動。微尺度下，表面張力是一種主要作用力，而金屬液體的表面張力會因電壓改變而變化，在充滿電解液的管道中施加電壓金屬液滴就可以沿著管道運動，推動流體運動。

這類微泵具有功耗低、響應快、表面電化學不活潑等優(yōu)點。Yun等研制了一種連續(xù)電浸潤式微泵，微泵由三層粘結(jié)在一起的晶片組成，用SU－8膠形成封閉空間將電解質(zhì)溶液和水銀滴封閉在一起，利用水銀滴往復運動產(chǎn)生壓力差驅(qū)動硅膠膜運動。當驅(qū)動電壓為2.3V，驅(qū)動頻率為25Hz時，可以獲得最大流量為70 μL/min，最大壓力為800 Pa，而消耗功率僅為170 μW。

總結(jié)與展望

隨著MEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，微泵技術(shù)取得了長足進步。雖然微泵有著廣泛的應用前景，但由于其商業(yè)化程度還不高，微泵的發(fā)展存在以下挑戰(zhàn)：

本文轉(zhuǎn)自：國家納米科學中心

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