静电柔性振膜型微泵的理论分析和相关键合工艺研究

论文摘要

微泵是微流体系统中的重要部件,尤其是具有高压比的微泵在微电子散热等微型散热领域有着广阔的应用前景。但现有的MEMS技术和工艺,制造高压比的微泵还有许多困难,且流体在其中的泵送机理也比较复杂。静电微泵是振动膜微泵的一种,具有频率高、响应时间快的特点,通过设计和加工上的改进,能够大大提高其压头,从而满足更多应用场合的要求。静电微泵的改良存在着诸多难点,一方面是设计分析,包括微泵的结构、材料、模拟以及参数优化等;另一面是设计上的改变对加工制造提出的更高的要求,包括微细加工技术、MEMS圆片级工艺和开发新的键合工艺。本文的研究内容主要就是从上述两个方面展开,首先通过理论建模分析,得出较优的微泵设计参数,然后探索微泵各部件之间的封装键合工艺。在微泵的理论分析中,提出了静电微泵的双腔柔性振膜结构,并阐述了微泵的工作原理。利用最小能量思想和材料力学挠度试解相结合的方法,建立了微泵振膜平衡求解和压头计算的理论模型。分析讨论了微泵各参数对其压缩性能的影响,并在此基础上,对微泵进行了参数优化,改进了驱动方式和腔体型线,得出了较优的微泵设计参数,为加工制造提供了依据。通过诸多改进,微泵的理论压头已经达到0.1MPa的量级。在微泵封装键合工艺研究方面,由于微泵振膜材料的特殊性,振膜与腔体之间的键合需要通过粘结剂实现。本文深入阐述了用于低温键合的热固性共聚酯粘结剂ATSP的研制原理和方法。并基于此粘结剂,进行了聚酰亚胺和二氧化硅之间的低温键合工艺的探索性试验。键合效果良好,强度达1.5MPa以上,完全能满足微泵设计对键合强度的要求。本文建立的基于柔性振膜微泵的理论分析模型具有一般性,对微泵和静电系统的设计分析有一定的参考价值。本文对聚酰亚胺的低温键合键合工艺的研究,丰富了高分子材料微器件的封装和键合技术,也对聚酰亚胺在微电子和MEMS领域中的进一步应用起到促进作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 微机电系统
• 1.1.2 微泵
• 1.1.3 静电柔性振膜微泵的研究现状
• 1.2 文研究的目的、内容和方法
• 1.2.1 研究目的及意义
• 1.2.2 静电振膜微泵的理论建模分析
• 1.2.3 静电振膜微泵的封装键合工艺
• 第二章 静电柔性振膜微泵的理论建模分析
• 2.1 引言
• 2.2 Saif 模型及最小能量法
• 2.3 双腔静电微泵的建模
• 2.3.1 基本假设
• 2.3.2 理论建模思想
• 2.3.3 理论计算推导
• 2.3.4 算例
• 2.3.5 比较
• 2.4 参数讨论
• 2.4.1 振膜厚度
• 2.4.2 介电层
• 2.5 优化
• 2.5.1 双驱动方式
• 2.5.2 腔体型线对压缩性能的影响
• 2.5.3 凸起型腔体讨论
• 2.6 本章小结
• 第三章 微泵的键合工艺
• 3.1 微泵封装键合工艺
• 3.1.1 键合粘结剂
• 3.1.2 热固性粘结剂ATSP 的配制原理
• 3.2 ATSP 的研制步骤和方法
• 3.2.1 d-HQ 的制取
• 3.2.2 d-HBA 的制取
• 3.2.3 HQDA 的制取
• 3.2.4 ABA 的制取
• 3.2.5 A-1 的制取
• 3.2.6 C-1 的制取
• 3.2.7 ATSP 的配制
• 3.2.8 ATSP 研制小结
• 3.3 ATSP 键合试验
• 3.3.1 ATSP 的旋涂工艺
• 3.3.2 基于ATSP 的键合试验
• 3.3.3 键合效果和强度测试
• 3.3.4 键合试验比较
• 3.3.5 键合试验小结
• 3.4 本章小结
• 第四章 总结与展望
• 4.1 课题研究工作概述和研究成果
• 4.1.1 静电柔性振膜微泵的理论建模分析
• 4.1.2 微泵的制造和封装键合工艺
• 4.2 研究展望
• 致谢
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