无阀微泵的原理是利用扩散口/收缩口管道流路对流体的阻力的不同形成流量的差值。如图 1(a)所示,当压电振子向上振动时,泵腔体积增大,泵腔吸液,液体从收缩口/扩散口分别吸入泵腔,但扩散口管道对液体的阻力小于收缩口管道,相应的从扩散口吸入的液体也就多收缩口;如图 1(b)所示,当压电振子向下振动时,泵腔体积减小,泵腔送液,收缩口/扩散口同时将液体泵出,但扩散口管道对液体的阻力大于收缩口管道,相应的从收缩口泵出的液体也就多于扩散口。所以,压电振子在交变电流下周期性的形变带动泵腔的体积周期性的形变,就形成了无阀微泵的连续差量流动。
铜基体半径越大越好,但在半径增大同时,泵体半径也增大,泵体体积也会增大,因压电振子振动而改变的体积与泵体总体积之比减小,泵送效率也减小,所以铜基体半径应取适中。取压电体半径 5mm,厚度 0.2mm,铜基体半径为7mm,厚度0.1mm,并采用环氧树脂粘合。为保证泵送效率,泵腔半径则应相近,暂定泵腔直径 13mm,厚度 0.2mm,收缩口/扩散口大端边长 0.8mm,小端边长 0.52mm,长 0.4mm。上泵体厚 0.5mm,边长 16mm,挖空一个深 0.4mm,边长 15mm 的长方体用于放压电振子。下泵体边长 16mm,厚 0.6mm,在据中心等距离与扩散口/收缩口对应处挖一个直径为 2mm 的圆形孔作为出水口和入水口。三维模型如图2所示。
因铜基体与液体直接接触,在铜基体下表面涂一层环氧树脂作为绝缘层,综合弹性性能与加工性能选择 QSn4-3 锡青铜,牌号为 GB/T 13808-1992。每部分之间均采用环氧树脂粘接,环氧树脂粘接剂可承受最大拉伸强度 40MPa 最大剪切强度 28MPa,小于铜和 PZT-5 的拉伸强度和屈服强度,可知整个微泵结构中在外加驱动电压时,在压电振子处有最大应力。在制作微泵时,压电振子的制作需要稀盐酸对铜进行预先处理,除掉铜表面附着的氧化铜,再用环氧树脂将铜和 PZT-5A粘接。上泵体、下泵体与泵腔均使用玻璃作为材料,加工处需要用弱酸腐蚀出。
制作扩散口/收缩口是整个过程最复杂与精密的一部分,需要运用到微机电加工制作,选用材料为硅,具体制作过程为清洗、氧化、甩胶、光刻显影、去氧化硅开窗口、去胶、腐蚀、去氧化层。清洗是为除去硅晶体便面的污染物,并增强表面的粘附性以及保证氧化层的致密性;氧化是为了在硅晶体表面生成一层致密的二氧化硅,作为腐蚀制作扩散口/收缩口时的保护膜;光刻显影是为了在表面生成了二氧化硅薄膜上将掩膜版上的图形完全对应的刻蚀出来,作为腐蚀锥形管的基础。