微型泵

微型泵是可以控制和操纵少量流体的设备。尽管通常将任何类型的小型泵称为微型泵，但更精确的定义将这一术语限制为功能尺寸在微米范围内的泵。这种泵在微流体研究中特别受关注，并且近年来已可用于工业产品集成。与现有的微型泵相比，它们的整体尺寸小，潜在成本高和计量精度提高，激发了人们对这种创新型泵的兴趣。

1970年代中期首次报道了真正的微型泵，但直到1980年代Jan Smits和Harald Van Lintel开发了MEMS微型泵时才引起人们的兴趣。大多数基本的MEMS微泵工作是在1990年代完成的。最近，由于非机械微型泵不依赖于外部电源，因此已经进行了设计，这些微型机械泵在偏远地区可以使用。

在微流体世界中，物理定律会改变它们的外观。例如，体积力（例如重量或惯性力）通常可以忽略不计，而表面力可以控制流体行为，特别是当液体中存在气体时。除了少数例外，微型泵依赖于微型驱动原理，可以合理地将微型泵放大到一定尺寸。

微型泵可分为机械和非机械设备。机械系统包含运动部件，通常是致动部件和微阀膜或阀瓣。可以通过利用压电、静电、热气动、气动或磁效应来产生驱动力。非机械泵具有电动流体动力、电渗透、电化学或超声流产生功能，仅列举了一些目前正在研究的致动机理。

隔膜微型泵使用隔膜的重复驱动来驱动流体。隔膜位于主泵阀上方，主阀位于进口和出口微型阀之间。当膜片通过某种驱动力向上偏转时，流体被吸入入口阀并进入主泵阀。然后降低膜，使流体通过出口阀排出。重复该过程以连续泵送流体。

压电微型泵是排量往复隔膜泵的最常见类型之一。压电驱动的微型泵依靠压电陶瓷的机电性能响应施加的电压而变形。附着在膜片上的压电盘引起膜片偏转，该膜片偏转由外部轴向电场驱动，从而使微型泵的腔室膨胀和收缩。这种机械应变导致腔室内的压力变化，从而导致流体的流入和流出。流速由材料的极化极限和施加在压电上的电压控制。与其他驱动原理相比，压电驱动虽然需要相对较高的驱动电压和压电陶瓷的复杂安装过程，但仍可实现高行程量，高驱动力和快速的机械响应。

尺寸最小的3.5x3.5x0.6 mm ³压电微型泵由Fraunhofer EMFT开发，该机构是世界著名的研究机构，专注于MEMS和微系统技术。微型泵由三层硅组成，其中一层作为泵隔膜从上方限制泵腔，而另外两层分别代表中间阀芯和底部阀芯。被动瓣阀在入口和出口的开口根据流动方向进行定向。负压施加到压电泵上时，隔膜会膨胀，从而产生负压，将流体吸入泵室。反之，当正电压将隔膜向下推动时，会导致过压打开出口阀并迫使流体流出腔室。

微型泵具有潜在的工业应用，例如在制造过程中输送少量胶水，以及生物医学应用，包括便携式或植入式药物输送装置。受生物启发的应用包括使用磁流变弹性体替代淋巴管的柔性电磁微型泵。化学动力微型泵在检测化学战剂和环境危害（例如汞和氰化物）方面也显示出在化学传感中的应用潜力。

考虑到当代的空气污染状况，微型泵最有前途的应用之一在于增强用于监测个人空气质量的气体和颗粒物传感器。得益于MEMS制造技术、基于MOS、NDIR、电化学原理的气体传感器可以实现微型化，以适合便携式设备以及智能手机和可穿戴设备。通过快速采样周围空气、Fraunhofer EMFT压电微型泵的应用将传感器的反应时间缩短了多达2秒。当微型泵将空气驱向传感器时会发生快速对流，而由于缓慢的扩散而没有微型泵时，传感器的响应会延迟几分钟。微型泵的当前替代品-风扇-有很多缺点。无法获得足够的负压风扇无法克服过滤器隔膜上的压降。此外，气体分子和颗粒很容易重新附着在传感器表面及其外壳上，这会及时导致传感器漂移。

此外，内置的微型泵有助于传感器再生，从而通过将气体分子排出传感器表面来解决饱和问题。呼吸分析是由微型泵支持的气体传感器的相关应用领域。Micropump可以通过远程医疗程序中的便携式设备推进胃肠道和肺部疾病、糖尿病、癌症等的远程诊断和监控。

MEMS微型泵的有希望的应用在于用于糖尿病、肿瘤、激素、疼痛和眼部治疗的药物输送系统，其形式为超薄贴剂，可植入系统或智能药丸中的靶向输送。压电MEMS微型泵可以代替传统的蠕动泵或注射泵，用于静脉、皮下、动脉、眼部药物注射。药物输送应用不需要高流速，但是，微型泵被认为在输送小剂量时是精确的，并显示出与背压无关的流动。由于生物相容性和微型尺寸，可以将硅压电微型泵植入眼球以治疗青光眼或青光眼。由于在这种情况下，眼睛失去了确保流出或产生房水的能力，因此，Fraunhofer EMFT开发的植入微型泵的流速为30 µl / s，有助于流体的正常流动，而不会限制或给患者带来任何不便。用微型泵解决的另一个健康问题是膀胱失禁。基于钛微型泵的人工括约肌技术可通过在笑声或咳嗽时自动调节压力来确保节制。尿道通过由微型泵调节的充满液体的套筒打开和关闭。

Micropump可以促进消费者、医疗、国防、急救人员等应用的气味情景，从而增强无处不在的图像情景（电影）和声音情景（音乐）的效果。带有安装在鼻子附近的几个气味容器的微剂量装置可以在1分钟内释放15种不同的气味印象。微型泵的优点在于可以闻到气味序列而不会混合不同的气味。该系统确保仅在释放气味分子后，使用者才能检测到适当剂量的气味。微型泵可用于香精剂的大量应用：品酒师培训（葡萄酒、食品）、学习计划、心理治疗、失眠治疗、急救人员 培训等，以促进完全浸入所需的环境。

在分析系统中，微型泵可以用于芯片实验室应用，HPLC和气相色谱系统等。对于后者，需要微型泵以确保准确的气体输送和流动。由于气体的可压缩性具有挑战性，因此微型泵必须具有高压缩比。

在其他应用中，可以命名以下领域：少量润滑剂的剂量系统、​​燃料加料系统、微型气动、微型液压系统和生产过程中的剂量系统、液体处理（缓冲液移液管、微升板）。