面向植入式微泵在生物医疗领域的应用需求，为了提高低电压及微型化条件下微泵的输出流量，该文设计了一种双层泵腔压电无阀植入式微泵。基于压电振子的压电耦合仿真以及微泵的电-固-液三相耦合仿真，验证了双层泵腔微泵设计的有效性，并优化了结构及驱动参数。通过实验验证了耦合仿真结果的正确性,并测试了微泵的流量范围。结果表明，微泵最优设计参数：扩散角为30°，颈宽为300 μm，上层泵腔高度为100 μm。微泵的净流量随电压的增大而增大，且适用于低频驱动。实验结果表明，双层泵腔压电无阀微泵的输出流量是传统压电无阀微泵的5.38倍。

近年来, 以嵌入式微流体液冷散热技术为代表的主动热管理因其优异的散热性能而被广泛研究。然而, 嵌入式微流体液冷散热技术常使用体积较大的外置泵、阀等构成流体回路, 以致该技术难以应用于现有的射频微系统。该文提出了一种集成压电微泵阵列的一体化自闭环微系统热管理方法, 并完成了该微系统样机的设计与研制。在常温、高温与低温环境下分别对该微系统样机供液流量及散热性能进行了测试。常温测试结果表明, 在芯片热流密度为250.9 W/cm2时, 芯片表面温升能控制在56 ℃以下, 而集成的2×2压电微泵阵列实现了高达57 mL/min的供液流量。该技术可用于解决高功率射频微系统的高效一体化热管理问题。

利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应, 设计并制备了膜片式压电微泵。 通过将电能转换为机械能, 实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成; 微驱动器主要为液体流动提供驱动力, 单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析, 确定了微驱动器的设计尺寸, 并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后, 设计了驱动测试实验, 检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明: 所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70 kHz, 能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30 Vp-p、频率为600 Hz时, 液体的驱动流速约为65 μL/min。该微泵具有体积小, 线性度好等特点。

为了合成粒径均一、单分散性好的金纳米粒子, 提出一种压电驱动式脉动微混合可控合成金纳米粒子的方法。该方法采用两腔三阀结构的压电微泵作为驱动源, 结合Y形微混合器, 基于两压电微泵脉动交叉式输出性能来实现多种不同混合模式的可控混合。利用Fluent软件对Y形微混合器内不同流量及频率下的混合效果进行了优化分析, 优选出了压电微泵的控制参数。在实验室内设计、制作了用于金纳米粒子可控合成的系统样机, 并开展了相应的金纳米粒子可控合成试验。试验结果表明: 电压为40 V, 频率为300 Hz时, 合成的金纳米粒子粒径较为均一, 分散性较好, 该结果验证了文中所提方法的可行性。此方法亦可应用于其他纳米粒子的可控合成。

针对传统微泵结构复杂、制备困难等不足，提出了一种新型的基于激光冲击波力学效应的微泵驱动方法，使用该方法设计的微泵结构简单、易于制造、成本低，有利于微型化及与微机电系统（MEMS）集成。通过研究激光冲击波的力学模型，设计了无阀型微泵，并计算出其耦合模态。验证了该驱动方法的可行性；通过流固耦合仿真研究了激光的频率、占空比、功率密度、光斑直径等参数对微泵流量的影响，并进一步分析了流量的稳定性。研究结果表明，功率密度和光斑直径是影响流量的主要因素，占空比为0.6时微泵流量最大，微泵稳定工作后各脉冲流量相差不超过5%。

基于MEMS加工技术的电液动力微泵在微流体冷却系统和解决高热流器件的冷却问题中占有重要地位。电液动力微泵的核心部分是通过MEMS加工工艺制作的由成对的发射极和集电极组成的微电极。在电极对间的强电场作用下,电介质流体中的离子、极子以及微粒同电场相互作用来驱动流体流动。本文系统地讨论了微电极在设计和制作中需要关注的问题:电极材料的选择方针,多种形状的电极设计和两种电极加工工艺—电镀法和剥离法的对比。实验结果表明:贵金属有更好的抗电化腐蚀能力;同普通平行电极结构相比,带有尖锐结构的电极更能提高微泵的性能;相比电镀法,剥离法能更好地提高电极的制作质量。

介绍了一种新型电子冷却系统—离子拖曳电液动力微泵,运用MEMS技术在硅片上加工了离子拖曳微泵并进行了测试,微泵由一组平面电极组成,电极的宽度为40μm,发射极和集电极之间的间距为50μm,共有90对电极对,每组电极对之间的距离为100μm.微泵静压力实验以HFE7100和无水乙醇作工作流体,通过施加直流电压来驱动工作流体,当输入电压为200 V时,微泵可以得到250 Pa的静压力.实验结果表明:微泵的静压力与施加的输入电压成二次方关系,同微流道的高度成反比.实验发现工作介质的物性参数也是决定泵性能的一个重要因素,选择合适的流体可以提高整个微泵冷却系统的性能.研究还表明,微泵的性能与工作寿命和实验环境的洁净度以及工作流体提纯密切相关.

提出了一种用于精密输液的压电驱动式微型泵,该泵在结构、原理上均有别于传统泵.在实验室中设计、制作了实验样机,同时为取得控制流体精密输送的方法与规律,自行设计、制作了专用电源.通过系统的实验测试和研究进一步验证:压电驱动式微泵性能稳定、能够实现流体的精密输送、且适于微小型化,可为研发具有实用意义的精密输液微泵提供有益借鉴.

提出了用于研究微机械往复无阀泵动态特性的二自由度振动力学模型,并进行了分析与实验验证.在模型中增加考虑泵腔内气泡因素,并将泵腔内、外液体质量的影响分开考虑;得出振幅随频率、泵腔内外液体质量比变化的曲线;发现其幅频曲线一般呈双峰特性,泵腔内外液体质量比值对曲线特征、谐振频率、振幅均有显著影响.通过实验验证了分析结果.由此得出以提高泵压为目的的微泵优化设计策略:适当增大膜片质量、选择合理的泵腔内外液体质量比值.采用硅深刻蚀、硅-玻璃膜片键合等工艺制作出微机械往复无阀泵,其尺寸为20 mm×20 mm×0.65 mm,实现最大泵压为1.52 kPa,对应最大流量为35×10-6 L/min.