基于MEMS制造的针环电极阵列电液动力微泵：实现高功率密度与紧凑三维集成的创新设计

本研究针对传统电液动力(EHD)微泵在制造重复性和空间布局上的局限性，开发了基于微机电系统(MEMS)技术的针环电极阵列(NREAs)。通过三维多层结构设计，结合光纤激光微孔加工和SU-8热解碳化等先进工艺，实现了电极密度和输出性能的显著提升。实验表明，单对NREA在2 kV电压下产生1.0 kPa压力和251.2 mm3/s流量，三对堆叠结构压力提升2.5倍。该技术为微流控和微机器人等需要高功率紧凑型驱动器的应用提供了创新解决方案。

　　

在微机电系统(MEMS)技术飞速发展的今天，微执行器作为将外部能量转化为机械运动的核心部件，正面临着"鱼与熊掌不可兼得"的困境——传统流体动力执行器虽功率强大但体积笨重，静电执行器虽尺寸微小但输出乏力，电磁执行器则难以突破微型化极限。这种功率密度与紧凑性之间的矛盾，严重制约着微机器人、生物医学设备等前沿领域的发展。特别是在需要高功率输出的密闭空间应用中，如何设计出既小巧又强力的微驱动装置，成为工程师们亟待破解的难题。

电液动力(EHD)微泵技术为解决这一难题提供了新思路。当高直流电压作用于浸没在低电导率介电流体中的电极对时，会产生强大的射流现象，直接将电能转化为流体动能。这种无需机械运动部件的工作原理，使其天生具备微型化优势。然而，早期的针环电极(NREs)依赖传统机械加工，制造重复性差；后续发展的三角棱柱狭缝电极对(TPSEs)虽采用MEMS工艺提高了精度，但其平面化设计占用空间大，难以满足三维集成需求。这两种方案各自的缺陷，如同两道难以逾越的鸿沟，阻碍着EHD微泵技术的进一步发展。

面对这些挑战，东京工业大学机械工程系的研究团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》上发表了一项突破性研究。他们创新性地提出了针环电极阵列(NREAs)设计，通过MEMS制造技术将多层硅片堆叠成立方体结构，在保持紧凑尺寸的同时大幅提升了电极密度。这项研究不仅解决了传统结构的固有缺陷，更为高性能微驱动器的设计开辟了新途径。

关键技术方法包括：采用光纤激光微孔加工技术制备300微米直径的环电极微孔；通过SU-8光刻和800°C热解碳化工艺制造250微米高的针电极；利用掩模对准器进行晶圆级粘接键合，实现数微米级的对准精度；通过钛/金射频溅射提高电极导电性和耐久性。

研究结果部分显示：

设计与概念方面，NREAs采用六边形排列的电极图案，两种互补电极布局交替堆叠，形成一对一对应的电极对。当施加高压时，配对电极间产生强EHD射流，其三维结构相比TPSEs将器件体积缩小至66.5%。

制造工艺方面，研究团队成功开发出完整的加工流程：双面抛光硅片经激光打孔后，通过KOH蚀刻和机械抛光改善表面质量；SU-8柱体光刻成型后经热解转化为导电碳针；金属化处理后最终通过精密对准完成器件组装。整个过程展现了良好的工艺可控性和重复性。

仿真分析表明，在2 kV电压下，NREAs比TPSEs产生9.6%更高压力(3.52 kPa对3.21 kPa)，尽管流量略低4.3%(452 mm³/s对472 mm³/s)，但由于体积优势，功率密度显著提高57.7%(37.7 kW/m³对23.9 kW/m³)。电场模拟显示NREAs具有更集中的电场分布，最大流体速度达1.0 m/s，优于TPSEs的0.61 m/s。

性能表征实验验证了仿真的准确性：单对NREA在2 kV时产生1.0 kPa压力，与仿真值1.07 kPa高度吻合；流量测试值为251.2 mm³/s，低于仿真值378 mm³/s，差异源于外部液压损失。三对堆叠结构在1.5 kV时压力提升至单对的2.5倍，证实了多层设计的增压效果，尽管流量因流阻增加而降低14.2%。

研究结论指出，MEMS制造的NREAs成功解决了传统EHD微泵在制造重复性和空间布局上的矛盾。通过光纤激光微孔加工、SU-8热解碳化和晶圆级键合等先进工艺，实现了高精度、可重复的三维电极阵列制造。仿真和实验均证明该设计在功率密度方面的显著优势，特别是多层堆叠结构展现的可扩展性，为微流控、软体机器人和生物医学设备等需要高强度紧凑驱动器的领域提供了理想解决方案。这项技术突破了平面结构的限制，使在有限空间内集成高性能液压驱动系统成为可能，为下一代微型化智能系统的开发奠定了坚实基础。

未来研究可进一步优化电极间隙、针尖高度和通道几何参数，并通过并行排列更多电极对来提升流量性能。随着晶圆级键合技术的成熟，NREAs在微机器人关节驱动、软体 wearable 机器人等领域的应用前景值得期待。该研究不仅推动了EHD微泵技术的发展，更为解决微执行器领域长期存在的功率密度与紧凑性矛盾提供了创新思路。