基于MEMS技术的自吸微泵的研制

论文摘要

微型泵是微流体控制系统的重要组成部件，在生化分析、药物输送、芯片冷却等领域都有着广泛的应用前景，已成为MEMS研究领域中的热点课题之一。本文利用MEMS加工技术，成功地研制出一种可实用化的微型泵。 本文首先对各种驱动方式进行了分析，确定以压电双晶片作为主要的致动方式，并根据压电双晶片的悬臂梁模型，推导出压电双晶片的自由端位移公式。提出了泵膜的力学模型——边缘固支的等厚弹性薄板，分析了均布载荷和集中载荷下的大挠度变形和小挠度变形。 本文在对扩散口／喷口结构进行分析的基础上，提出使用扩散口／喷口作为流向控制结构，进而设计和制作了一种无阀压电微泵。该微泵利用压电双晶片作为致动器，以PDMS膜作为泵膜，以各向异性体硅腐蚀形成的锥形孔作为扩散口／喷口结构。该无阀微泵工作稳定，但不能实现自吸。 为了使微型泵更有效地控制流体的流向，本文利用双面体硅腐蚀工艺制作悬臂梁型硅被动阀，并利用该被动阀制成了一种被动阀微泵和一种复合阀微泵。两种有阀微泵均能够稳定的驱动液体，但由于阀片之间存在粘结剂间隙，因而存在一定的反向渗漏，导致微泵无法自吸。 采用弹性模量较小的SU-8胶制作被动阀，可以消除粘结剂层的影响。SU-8被动阀不但可以有效防止流体的反向泄漏，而且具有更大的正向过流能力。本文利用SU-8胶被动阀制作出改进型的DF-05型微泵，该微泵可以实现自吸进样，对水的最大流量为3.1mL／min，最大气体流量达到29.5mL／min，最大输出压力达到16kPa，性能达到国际先进水平，而且工作稳定，初步具备了实用化要求。

论文目录

• 独创性声明
• 关于论文使用授权的说明
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微机电系统（MEMS） 的发展
• 1.1.1 MEMS的概念
• 1.1.2 MEMS加工技术
• 1.1.3 MEMS技术的特点
• 1.1.4 MEMS的研究方向
• 1.1.5 MEMS发展状况
• 1.2 微流体控制系统
• 1.3 微型泵的研究进展
• 1.3.1 微泵的分类
• 1.3.2 压电微泵
• 1.3.3 静电微泵
• 1.3.4 电磁微泵
• 1.3.5 热气动微泵
• 1.3.6 双金属记忆合金微泵
• 1.3.7 非机械微泵简述
• 1.4 本论文的主要目标及任务
• 1.4.1 应用背景
• 1.4.2 主要目标
• 1.4.3 主要任务
• 1.5 本章参考文献
• 第二章 微型泵致动技术
• 2.1 引言
• 2.2 压电致动理论
• 2.2.1 压电效应
• 2.2.2 压电方程
• 2.2.3 压电材料和器件的主要参数
• 2.2.4 压电陶瓷
• 2.2.5 压电陶瓷的振动模式
• 2.3 压电双晶片的变形分析
• 2.4 压电圆片的弯曲变形
• 2.5 弹性薄板的变形理论
• 2.5.1 泵膜的模型
• 2.5.2 等厚圆薄板的小挠度变形
• 2.5.3 等厚圆薄板的大挠度变形
• 2.5.4 等厚矩形薄板的小挠度变形
• 2.5.5 等厚矩形薄板的大挠度变形
• 2.5.6 极限载荷
• 2.6 本章小结
• 2.7 本章参考文献
• 第三章 无阀压电微泵的设计与制作
• 3.1 引言
• 3.2 微流体的尺度效应
• 3.2.1 雷诺数
• 3.2.2 表面张力
• 3.2.3 管路阻力
• 3.2.4 气泡的影响
• 3.3 无阀微泵的工作原理
• 3.4 无阀压电微泵的制作
• 3.3.1 泵膜的选择
• 3.3.2 上片制作
• 3.3.2 下片制作
• 3.3.3 无阀压电微泵的组装
• 3.4 无阀压电微泵的性能测试
• 3.5 本章小结
• 3.6 本章参考文献
• 第四章 有阀型压电微泵的研制
• 4.1 引言
• 4.2 被动阀型微泵的设计与制作
• 4.2.1 被动阀微泵的工作原理
• 4.2.2 泵腔的制作
• 4.2.3 被动阀的制作
• 4.2.4 组装
• 4.2.5 泵腔压缩比
• 4.2.6 测试与讨论
• 4.3 复合阀型微泵的设计与制作
• 4.3.1 压电微泵的工作原理
• 4.3.2 制作工艺
• 4.3.3 组装与封装
• 4.3.4 泵腔压缩比
• 4.3.5 测试与讨论
• 4.4 本章小结
• 4.5 本章参考文献
• 第五章 微泵的进一步优化
• 5.1 引言
• 5.2 被动阀的分析
• 5.2.1 被动阀的模型
• 5.2.2 正向过流
• 5.2.3 反向泄漏
• 5.3 优化方案
• 5.4 测试与讨论
• 5.5 本章小结
• 5.6 本章参考文献
• 第六章 结论
• 6.1 主要研究工作
• 6.2 主要创新点
• 6.3 问题和展望
• 在学期间发表的学术论文
• 致谢