MEMS技術(shù)作業(yè) 模板一

1、 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement雙聯(lián)腔三振子無閥壓電微泵雙聯(lián)腔三振子無閥壓電微泵的研究與設(shè)計的研究與設(shè)計 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement文獻出處：文獻出處：雙聯(lián)腔三振子無閥壓電微泵的研究與設(shè)計.田偉強. 燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文雙口無閥微泵的優(yōu)化設(shè)計和研制. 傅建奇. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文基于MEMS

2、技術(shù)的無閥壓電微泵的研究. 李鑫. 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第一部分第一部分 微泵概述微泵概述 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement一、微流體系統(tǒng)與微泵技術(shù)簡介一、微流體系統(tǒng)與微泵技術(shù)簡介 微流體系統(tǒng)是微機電系統(tǒng)研究的一個重要分支，它是指集成微傳感器、微泵、微閥、微通道、微計量

3、器等元器件及輸入輸出接口、微處理電路等于一體的，可以在微觀尺寸下控制、操作和檢測復(fù)雜流體運動，并實現(xiàn)微量流體的壓力、流量和方向控制及成分分析等功能的，適合于批量化生產(chǎn)制作的高度集成化微型電子機械系統(tǒng)。微流體系統(tǒng)微流體系統(tǒng) North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement微泵技術(shù)微泵技術(shù) 微泵是微流體控制系統(tǒng)中最重要和關(guān)鍵的驅(qū)動部件，是微流動系統(tǒng)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，在微量流體輸送以及流動控制方面扮演重要角色，因而微泵的研究成為微流體系統(tǒng)研究中最為活躍的一個分支。微泵具

4、有傳統(tǒng)泵不具備的優(yōu)點，它能將傳統(tǒng)泵的驅(qū)動源部分、傳動部分和泵體三者合為一體，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、無噪聲、耗能低。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement微泵的應(yīng)用微泵的應(yīng)用（1）微泵可用于DNA的檢測分析、藥物在人體內(nèi)的輸送以及貴重藥物的精確配置中。（2）用于微電子液體冷卻系統(tǒng)冷卻液的輸送、微小部件的潤滑與清洗等。（3）可用于微型航空航天器、微型探測器的燃料供給和微推力器的微推進系統(tǒng)。 North University of China Key Labora

5、tory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1 1、位移式往復(fù)薄膜式微泵、位移式往復(fù)薄膜式微泵工作原理：在驅(qū)動力作用下，泵膜上下往復(fù)運動，導(dǎo)致壓力產(chǎn)生變化。當(dāng)泵腔體積增大時，泵腔內(nèi)壓力小于外界壓力，流體由入口吸入泵腔；當(dāng)泵腔體積減小時，泵腔內(nèi)壓力大于外界壓力，流體由出口排出泵腔。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1.11.1、壓電驅(qū)動微泵、壓電驅(qū)動微泵蠕動式壓電片微泵球形閥壓電片微泵 No

6、rth University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1.21.2、靜電驅(qū)動微泵、靜電驅(qū)動微泵靜電片式微泵 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1.31.3、電磁驅(qū)動微泵、電磁驅(qū)動微泵 最上層基體材料為鐵鎳合金，二三層為硅基材料，泵的腔體和閥體經(jīng)濕法腐蝕工藝加工而成，最底層為封裝用的玻璃。 North University of Chi

7、na Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1.41.4、熱驅(qū)動微泵、熱驅(qū)動微泵電加熱式微泵 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement2 2、動力式微泵、動力式微泵2.12.1、電液動力、電液動力(EHD)(EHD)微泵微泵 EHD泵的原理比較新穎，但這種泵對液體的導(dǎo)電特性有特殊的要求，往往還需要在液體中注入離子，因此其應(yīng)用受到到極大限制。 North Universit

8、y of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement2.22.2、相變型熱驅(qū)動微泵、相變型熱驅(qū)動微泵通過對微細(xì)管內(nèi)液體進行循環(huán)周期性加熱，利用流體周期性的相變可以使流體沿?zé)嵩匆苿拥姆较虮盟汀?North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement2.32.3、基于粘性的微泵、基于粘性的微泵旋轉(zhuǎn)軸式粘性微泵溫度式粘性微泵 North University of China Key

9、 Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 無閥微泵工作的根本原因是：在驅(qū)動膜壓下，給腔體內(nèi)液體施加壓力時，由于擴張口與收縮口內(nèi)壓力分布曲線不同，而引起流量的不同，此時Q擴散Q收縮；當(dāng)驅(qū)動膜向上運動使腔體內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓時，擴張口與收縮口的情況相反，此時Q擴散Q收縮，從而實現(xiàn)定向差量流動。二、現(xiàn)有無閥壓電微泵的結(jié)構(gòu)二、現(xiàn)有無閥壓電微泵的結(jié)構(gòu) North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement擴張管

10、三維模型壓力云圖收縮管三維模型壓力云圖 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1 1、單腔單振子無閥微泵、單腔單振子無閥微泵 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement單腔單振子無閥微泵一個周期內(nèi)的流量曲線 North University of China Key Laboratory of Instrumentatio

11、n Science & Dynamic Measurement單腔單振子無閥微泵的特點：單腔單振子無閥微泵的特點： 相比有閥微泵，無閥微泵結(jié)構(gòu)簡單、強度高，并且由于不存在機械可動部件，不會產(chǎn)生摩擦、磨損、疲勞破壞等。 但是，它還存在一些缺點：由于是單腔，在一個工作周期內(nèi)，半個周期處于吸入模式，半個周期處于泵出模式，只能夠使流體脈動地輸送去，并且由于單膜驅(qū)動結(jié)構(gòu)，死體積較大，流量輸出偏小。同時，由于沒有單向閥，在從出口向外輸送流體的同時，也從進向外輸送，也就是單向止回性差，造成其輸出壓力和輸出流量較低。 North University of China Key Laboratory of In

12、strumentation Science & Dynamic Measurement2 2、單腔雙振子無閥微泵、單腔雙振子無閥微泵 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement單腔雙振子無閥微泵一個周期內(nèi)的流量曲線 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement3 3、雙腔體并聯(lián)無閥微泵、雙腔體并聯(lián)無閥微泵 North Unive

13、rsity of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement雙腔體并聯(lián)無閥微泵一個周期內(nèi)的流量曲線 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement三、新型微泵的設(shè)計目標(biāo)三、新型微泵的設(shè)計目標(biāo)1、結(jié)構(gòu)合理、強度高的無閥微泵2、使流體連續(xù)地輸送，提高微泵運行效率3、減少死體積，使微泵有足夠大的泵送量4、微泵整體體積要盡量小，保證微型化5、可以有效地減少流體的回流6、制作工藝

14、簡單，有利于批量制作 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第二部分第二部分 結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement一、雙聯(lián)腔三振子無閥微泵的基本結(jié)構(gòu)一、雙聯(lián)腔三振子無閥微泵的基本結(jié)構(gòu) North University of China Key Laboratory of Instrume

15、ntation Science & Dynamic Measurement雙聯(lián)腔三振子無閥微泵的特點：雙聯(lián)腔三振子無閥微泵的特點： 它由上下兩個泵腔，上中下三個復(fù)合壓電振子，總的出入口和位于泵腔兩側(cè)的兩組擴張/收縮噴嘴組成。這種新型結(jié)構(gòu)的無閥微泵不同于以往微泵之處是將兩個泵腔通過中間膜連為一體，中間膜的振動將會同時影響兩個泵腔的體積變化。當(dāng)向驅(qū)動振子施加正弦交變電壓信號時，三個驅(qū)動振子產(chǎn)生彎曲變形，兩個泵腔體積發(fā)生周期性增大或減小，從而使得流體連續(xù)地傳送出去。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science

16、 & Dynamic Measurement雙聯(lián)腔三振子無閥微泵一個周期內(nèi)的流量曲線 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1 1、泵膜的控制方案：泵膜的控制方案：二、雙聯(lián)腔三振子無閥微泵驅(qū)動控制方案的選擇二、雙聯(lián)腔三振子無閥微泵驅(qū)動控制方案的選擇 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement2 2、振子致動方式的方案振子致

17、動方式的方案 通過上述的比較得知，壓電陶瓷驅(qū)動更加適合于微泵，國內(nèi)外的研究也證明了這一點。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement壓電振子結(jié)構(gòu)示意圖：壓電振子結(jié)構(gòu)示意圖： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement三、雙聯(lián)腔三振子無閥壓電微泵材料形狀的選擇三、雙聯(lián)腔三振子無閥壓電微泵材料形狀的選擇1 1、泵膜材料和形狀的確

18、定、泵膜材料和形狀的確定 目前常見的泵膜形狀主要有圓形，長方形，正方形等，在尺寸相同的情況下，圓形膜片的面積最大，此外圓形膜片容易制作，因此選擇圓形膜片。 泵膜材料選用聚二甲基硅氧烷（PDMS），其優(yōu)點有：良好的耐用性、良好的延展性、加工方式簡單等。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement2 2、壓電薄膜材料的選擇、壓電薄膜材料的選擇壓電振子截面上位移隨壓電材料不同變化曲線 North University of China Key Laboratory

19、of Instrumentation Science & Dynamic Measurement圓形復(fù)合壓電振子的有限元模型：圓形復(fù)合壓電振子的有限元模型： 利用ANSYS建立簡化復(fù)合壓電振子的三維有限元模型，復(fù)合振子使用PDMS和壓電陶瓷PZT-5兩種材料。 該模型將采用壓電耦合分析，所以用ANSYS/Multiphysics模塊。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement圓形復(fù)合壓電振子的位移云圖 North University of China Ke

20、y Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement3 3、擴張、擴張/ /收縮管的選擇收縮管的選擇 最優(yōu)化設(shè)計的圓錐形截面擴張/收縮管的長度要比最優(yōu)設(shè)計的矩形截面的擴張/收縮管的長度長很多，這樣很不適于微型化和集成化，并且圓錐形壁面上會產(chǎn)生大范圍的旋，影響微泵的泵送效率。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 研究發(fā)現(xiàn)，帶有圓滑入口的擴張/收縮管的損失系數(shù)遠(yuǎn)小于帶有尖銳角度入口的擴張

21、/收縮管。因此，在制作擴張管時應(yīng)選用帶有圓滑角度的入口，使損失系數(shù)值最小，從而盡量增大流體的流入量。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement輸送效率隨出入口最小寬度變化曲線 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement輸送效率隨擴張角度的變化曲線 North University of China Key Laborator

22、y of Instrumentation Science & Dynamic Measurement4 4、泵腔形狀的選擇、泵腔形狀的選擇為了提高微泵的性能，也需要對其進行設(shè)計。有文獻研究結(jié)果顯示，圓形泵腔效果更好，主要表現(xiàn)在：（1）圓形泵腔沒有棱角，應(yīng)力分布狀態(tài)均勻，不容易發(fā)生應(yīng)力集中，有利于提高泵膜的使用命。（2）圓形泵腔相對于方形泵腔來說，更容易制造。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第三部分第三部分 工藝設(shè)計工藝設(shè)計 North Univer

23、sity of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement微泵制作原理圖：微泵制作原理圖：制作泵體制作泵體制作振子制作振子封裝組成微泵封裝組成微泵 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement一一、泵體的制作、泵體的制作腔體結(jié)構(gòu)1 1、腔體結(jié)構(gòu)制作、腔體結(jié)構(gòu)制作 微泵的上下兩個腔體都按照如圖結(jié)構(gòu)制作，使用DRIE工藝刻蝕。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science