基于三相ScAlN压电膜的PMUT声学驱动微流泵

在芯片上移动微量液体

许多实验室检测正在被缩小到信用卡大小的芯片上，但如何在这些器件中安静地推动微量液体仍然是一项挑战。本研究提出了一种新型微型泵，它用温和的声振代替笨重的机械部件来驱动缓慢且可控的液体流动，这对处理诸如细胞、汗液或DNA溶液等宝贵样本非常重要。

用声波代替活动活塞

传统微泵通常仿照大型泵，依赖可弯曲的隔板和开合阀门来推动液体。这些部件占用空间、会磨损，并且难以与标准芯片制造工艺兼容。研究人员转而采用液体中的声波作为替代。当高频声波在通道中传播时，它们可以推动悬浮颗粒，甚至拖拽液体本身，从而在没有机械阀门或活塞的情况下产生稳定流动。

以特定模式振动的微小膜片

这项工作核心的器件是一排显微级的鼓状膜片，称为超声换能器，采用与标准电子工厂兼容的材料制成。每个膜片包含一层在施加交流电压时会改变形状的薄层，使膜片发生振动。团队在承载水的软塑料通道内嵌入了九个这样的元件。研究人员并未让所有膜片同步驱动，而是以三分之一周期的时延对相邻膜施加电信号，使振动看起来像体育场波那样沿阵列传播。

将湍动转化为净流动

单个膜片的振动主要在其附近液体中产生局部涡流，但并不产生整体位移。阵列上的巧妙时序打破了这些微小漩涡的对称性。计算机模拟和实验表明，在每个膜附近仍会形成小涡，但在整个通道尺度上，它们叠加为沿通道长度的缓慢稳定液体漂移。通过在不同高度追踪水中荧光微球，研究人员确认了通道中部的正向流动以及靠近振动表面的反向运动，这与模拟的流动图样相吻合。

泵的性能以及如何改进

原型泵的有效面积仅比一粒沙子稍大，但在适度驱动电压下即可提供约十万分之一毫微升每秒（约0.1纳升/秒）的流量，与数值预测非常接近。利用相同模型，团队探讨了设计选择如何影响性能。结果表明，将膜片放得更近并调整它们之间的时序可将流量提高多达六倍。改变振动层的厚度和成分也有望提升动作，因为这些调整会在相同输入信号下使每个膜片产生更大变形。

这对未来片上实验系统的重要性

这种新型微泵的流量不能与更大或更复杂设备的最高流量相匹配，但在空间受限且只需温和流体运动的场景中表现出色，例如汗液传感器或脆弱的细胞培养。由于振动膜采用可与常规微电子工艺并行处理的材料，该概念为在同一硅片上既控制又分析微量液体样本的芯片铺平了道路。简言之，这项研究表明，精心时序的声驱波纹可以作为一种紧凑、可控的片上微泵来处理极小体积的液体。

引用: Wu, C., Keulemans, G., Jones, B. et al. Three-phase ScAlN-based PMUT-driven acoustic streaming micropump. Microsyst Nanoeng 12, 205 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01339-5

关键词: 声学微泵, 微流控, 超声换能器, 实验室芯片, 声学流动