基于MEMS技术的压电喷头研究

论文摘要

喷头是微流体控制系统中的重要执行器件,它可以喷射多种流体介质(墨、聚合物等)并能实现液滴的精确供给,在生物、医药、化工、光伏制造等领域有着广阔的应用前景,是近几十年来MEMS技术最典型的应用之一。然而喷头的研制长期被国外垄断导致国内企业的喷头更换成本大大增加,这就使我国喷头工艺的研制显得尤为重要。本课题是清华大学的自主创新课题,在研究了国内外喷头技术的发展状况及类型的基础上,针对按需喷射中的压电喷射,在对比分析了压电喷头推、弯曲、挤压和剪切四种工作模式的基础上建立了剪切压电喷头的结构理论模型,该模式的喷头比其它三种便于更好的小型化、集成化。论文对压电喷头的原理、结构及控制驱动电路进行了分析,对液腔内部喷射液滴所需要的压强进行了初步的理论推导和计算,完成了压电喷头的机械结构设计。论文在对MEMS工艺研究的基础上对压电喷头的MEMS加工工艺进行了研制,设计了喷头的加工工艺流程并对其中关键部件的工艺技术进行了工艺加工试验,在与国外的加工工艺对比后验证工艺的可行性。为了设计出能够满足压电喷头双向充放电、频率响应范围宽、输出电压高的特点的驱动电路,论文对喷头的控制建立了简化的电路模型,针对这一模型设计了喷头的驱动电路阵列;针对驱动电路的信号输入要求在FPGA上用VHDL语言完成了压电喷头的控制电路设计,在经过仿真和示波器测试后验证了电路的正确性。最后通过控制驱动电路对喷头的主要性能进行了测试,给出了喷头获得最大振幅的谐振频率为700HZ,从总体上验证了喷头制作的可行性和控制驱动电路的正确。课题在对压电喷头研究的基础上设计完善了压电喷头的工艺流程,经过加工对比验证了工艺流程及参数的可行;针对压电喷头的动作特性开发了相应的控制和驱动电路。论文研究内容填补了国内压电喷头工艺和电路的空白,为压电喷头的进一步研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 喷头的发展及国内外研究现状
• 1.2.1 喷头技术的国内外研究现状
• 1.2.2 喷头技术的发展
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 课题研究的主要内容
• 1.5 小结
• 第2章 MEMS 技术与压电致动原理
• 2.1 MEMS 技术
• 2.2 压电致动的振动模式
• 2.3 压电喷头的基本原理
• 2.3.1 压电性
• 2.3.2 压电喷头的原理分析
• 2.4 喷腔内部做功分析
• 2.5 小结
• 第3章 压电喷头的结构设计及工艺
• 3.1 压电喷头的结构设计
• 3.2 压电槽的工艺
• 3.3 喷孔膜的工艺
• 3.4 压电喷头的MEMS 工艺
• 3.5 小结
• 第4章 压电喷头控制的研究
• 4.1 压电喷头的控制
• 4.2 数据输入模块
• 4.3 寄存器模块
• 4.4 数据传输模块
• 4.5 电路的开发与仿真
• 4.5.1 硬件开发
• 4.5.2 软件开发与仿真
• 4.6 小结
• 第5章 压电喷头的驱动及性能测试
• 5.1 驱动电路的分析与设计
• 5.2 压电喷头的结构测试
• 5.3 压电喷头的驱动及谐振特性
• 5.4 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 课题完成的工作
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 附录 A 部分源程序