微泵作為微流體系統的“心臟”，是微流體輸送的動力源，也是微流體系統發展水平的重要標志。作為一種重要的微型執行部件，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、微全分析系統、微型燃料電池、微型衛星推進系統等領域，具有巨大的市場應用前景。

微泵的發展現狀

微泵根據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，以及基于流體性質的非機械式微泵。有閥微泵的優點是原理簡單，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，結構復雜，不利于集成以及微型化；閥片易疲勞，并且回流現象不可避免，微泵效率低；在藥物輸送、血液運輸等領域應用中，閥門的存在會造成堵塞，且容易損傷細胞。

相比于有閥微泵，無閥微泵有以下優點：結構簡單，易于加工和制備，可以制成平面結構，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，可以連續輸送流體，能精確檢測和控制流量，在生物醫學方面應用廣泛。

因此，無閥微泵成為21世紀微流體系統微型化、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境良好兼容、制作工藝簡單、可大批量生產、疲勞壽命高等特點。

根據當今發表的微泵文獻，多數以硅半導體、玻璃為材料。隨著微泵技術的發展，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點成為國內外研究的熱點。

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、性能優良、成本低等優點，非常適合大批量生產，使一次性使用的醫學微泵成為可能。

首先是微泵腔體結構的優化。微泵腔體結構會影響微泵的壓力、流量、流動損失系數以及流動穩定性。多數微泵均為單腔體結構，為了提高微泵的性能，研制多腔體結構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，并且壓力和流量穩定，提高微泵效率。有實驗研究發現，兩腔串聯結構，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；并聯結構輸出壓力不變，但流量增加一倍，而且脈動小。

微流道是無閥微泵的關鍵結構，其結構制約著微泵性能，有必要對微流道結構進行優化。有關學者提出了利用鋸齒形微流道代替傳統擴張/收縮微流道，有效提高了微泵性能。鋸齒型微流道由于側面齒形角的存在，流動過程更易產生漩渦，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，在微流道側壁增加微翅片結構，微泵流動效率提高了10% ，在100 V，3 kHz的驅動電壓下測試，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、流道結構優化設計提供了實驗驗證和技術指導。

國內外微泵的研究進展

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，結構復雜，存在機械磨損和泄漏現象，不利于微型化、集成化發展。非機械式微泵將非機械能轉變為微流體的動能，沒有運動部件，結構簡單、流量連續穩定，是目前研究的熱點。

1)壓電驅動微泵

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

為解決微泵自吸困難、難以實現流速精確控制等問題，耿照新等研制了具有三明治結構的氣液兩用壓電驅動微泵。國立臺灣大學H.K.Ma等研制了一種有閥壓電驅動微泵如圖所示，該泵的泵體通過高精度的數控機床加工而成，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、驅動電壓和頻率的影響。

2) 靜電驅動微泵

靜電驅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，交替產生雙向形變，從而實現泵送功能。

靜電微泵具有低功耗、響應快、驅動頻率高等優點; 但不足的是驅動電壓高，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和低導電性，流體的介電常數越高，相同驅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也可以獲得足夠的驅動力，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。

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

陳榮等建立了雙腔靜電振膜式微泵的理論分析模型，計算并討論了驅動電壓、振膜厚度、介電層厚度對微泵性能的影響，計算結果表明雙腔結構微泵相比單腔結構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。

3) 熱氣驅動微泵

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

熱氣驅動微泵提供的驅動力較大，可在較低的驅動電壓下獲得較大的膜片變形，并且熱驅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構的熱氣驅動PDMS微泵，可以應用于血液輸送系統。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、流體通道等微結構。

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。經過試驗，在0.1 Hz，占空比為0.33的驅動電壓下，該微泵的驅動性能達到最佳，最大流量達到50 μL/min。

4) 電磁驅動微泵

電磁驅動微泵的原理是將永磁鐵貼在泵膜上，利用線圈產生的交變磁場，使得永磁體帶動泵膜往復運動，達到泵送流體的目的。電磁驅動的優點是輸入電壓低、泵膜變形大、頻率調節方便、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電磁驅動微泵。該泵用噴砂技術加工出玻璃基板，利用熔融燒結技術集成多層微流控芯片。將永磁鐵嵌入PDMS薄膜制作泵膜，可產生較大的體積沖程，提高了微泵抗氣泡和自吸能力。當驅動電流為 100 mA，驅動頻率為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動微泵結構，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泵膜粘結在一起，利用激光加工技術加工出了泵腔、微流道等微結構。經測試，方波信號相比正弦信號可獲得更高的流量，在7.5 V、15 Hz的方波電壓驅動下，最大流量達到130 μL/min。

5) 形狀記憶合金驅動微泵

形狀記憶合金驅動(SMA)是利用合金隨溫度變化發生相變的特性，來提供驅動力。它的形狀記憶功能通過馬氏體相變的可逆性來體現。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。

這種微泵的優點是驅動力大，泵膜變形大，缺點是泵膜的變形較難控制、響應慢、驅動頻率低(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條的相變應力下產生往復振動，而實現流體泵送。當驅動頻率為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構，將三組記憶合金驅動器協調控制，驅動流體流動。實驗表明，通過改變驅動電壓的大小和頻率，可以獲得400～3200 μL/min范圍內的流量。

6) 電致動聚合物驅動微泵

在外部驅動電壓的作用下，能產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生大幅變形，遠大于現有的壓電材料，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動的無閥微泵并進行結構優化，在3100 V、5 Hz的驅動電壓下可獲得最大500 μL/min的流量。但這種微泵的驅動電壓很高，DE材料的性能也不夠穩定，還需要進一步的研究。Kean C.Aw等設計制作了一種IPMC驅動無閥微泵。IPMC的性能會隨時間變化，因此采用在線迭代反饋技術(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°的驅動電壓，控制致動器產生開合運動，實現流體連續輸送。這種微泵可以實現2～84 μL/min范圍內的流量輸送。該泵的優點是驅動電壓低、能耗低、無回流現象，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生較大變形的聚合物材料，Wei.W等研制了一種ICPF驅動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生的熱驅動力的共同作用下往復運動，從而實現泵送功能。該泵在5 V，2 Hz的驅動電壓下，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。這種微泵的優點是無閥無活動部件、結構簡單、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有特殊要求，只能用于絕緣液體或導電率極低的液體，如乙醇、丙酮、異丙醇等，限制了其應用。

按驅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，經測試，該微泵在30 V驅動電壓下，微泵背壓為490 Pa; 在20 V驅動電壓下，微泵流速達到190 mm/min。該泵的優點是機械強度高、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和低粘度流體才能獲得較大的流量。

Daisuke Wakui等提出了網格型碳作為電極制作的電液動力微泵。三維網格碳電極由SU－8膠在高溫下分解制成，采用芯片封裝技術和低溫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) 電滲驅動微泵

電滲驅動(EO)微泵是指外加電場使微通道壁面帶有固定電荷，利用其產生的電滲現象驅動液體。按驅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; 而交流電滲泵驅動電壓低，可以有效抑制電解反應。

這種微泵的優點是結構簡單、流動穩定、易于控制、背壓高; 缺點是驅動電壓高、流量小、外界影響因素多，而且僅適用于電解質溶液。Chen等設計了一種平面電滲驅動微泵，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，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動交流電滲微泵，該微泵利用表面微細加工技術制作而成，通過在電極上沉積硅氮化物絕緣層，防止在電極邊緣產生高電場，造成電解液電解。以乙醇為介質，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動力，一般驅動電導率在1 S/cm數量級的導電液體。驅動電壓可以采用直流電和交流電兩種方式。MHD微泵結構簡單，成本低，驅動電壓低，流動穩定且可雙向控制；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點。Yun等研制了一種連續電浸潤式微泵，微泵由三層粘結在一起的晶片組成，用SU－8膠形成封閉空間將電解質溶液和水銀滴封閉在一起，利用水銀滴往復運動產生壓力差驅動硅膠膜運動。當驅動電壓為2.3V，驅動頻率為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。

總結與展望

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

本文轉自：國家納米科學中心

聲明：本文轉載僅僅是出于傳播信息的需要，并不意味著代表本網站觀點或證實其內容的真實性；如其他媒體、網站或個人從本網站轉載使用，須保留本網站注明的“來源”，并自負版權等法律責任；作者如果不希望被轉載或者聯系轉載稿費等事宜，請與我們接洽。

公眾號、報刊等轉載請聯系授權