论文题目: 基于MEMS技术新型压电微驱动器的研制
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料学
作者: 邱成军
导师: 曹茂盛
关键词: 微驱动器,薄膜,扩散,收缩管
文献来源: 哈尔滨工程大学
发表年度: 2005
论文摘要: 微流动系统作为MEMS的一个重要分支,近年来在微型传感器、微型阀、微泵等元件研究方面取得了很大的进展。微驱动器由于尺寸微小,可减小流动系统中的无效体积,降低能耗和试样用量,而且响应快,因此有着广泛的应用前景,可用于微量流体的压力、流量和方向控制及成分分析。 本课题根据无阀微泵的工作原理,基于MEMS技术设计了一种新型具有PZT驱动的无阀型微驱动器,对微驱动器结构中的PZT驱动薄膜、无阀型的结构以及驱动器的特性进行了研究,利用计算机辅助设计(CAD)方法研究了相关制作工艺并给出该结构主要参数,研制出一种新型微驱动器。 根据PZT微驱动器的基本结构设计,从理论上阐明了逆压电效应PZT驱动工作机理,分析了有效载荷与挠度之间的关系,为方型PZT驱动薄膜的设计提供了理论支持。无阀型微阀采用扩散、收缩结构,利用微流体理论分析了圆柱形微体积元得到压力损失系数与扩散、收缩角度的关系,根据Gibson的计算结果其最佳角度为5°～7°。同时也证明了扩散、收缩管具备液体单向流动整流效应的决定因数是扩散、收缩角度和扩散、收缩口的截面积,也就是通过改变扩散管的入口和出口的截面积的比值可以改变扩散、收缩管的输出效率。 利用计算机辅助设计给出了微驱动器的驱动腔体和扩散、收缩阀体的制备工艺结果。通过对方形PZT复合驱动薄板仿真,给出方形PZT复合驱动薄板的驱动电压与挠度、复合驱动薄板的厚度与挠度,驱动复合薄板厚度与固有频率的关系,并给出了各阶振型进行分析结果。为进一步研究方形硅杯结构器件的理论与实验提供了参考依据。在计算机模拟微流体特性分析过程中发现无阀型微驱动器设计制作的关键因素是扩散、收缩管的角度以及管的长度,并给出了计算机模拟无阀型微驱动器的流量、背压与扩散、收缩管的角度、长度以及雷诺数等参数之间的关系。
论文目录:
第1章 概论
1．1 概论
1．1．1 MEMS简介
1．1．2 MEMS的应用领域
1．2 微机械加工技术
1．2．1 体硅微机械加工技术
1．2．2 表面微机械加工技术
1．2．3 键合技术
1．2．4 光刻电铸模造技术
1．3 微流量系统与微泵
1．3．1 微流量传感器
1．3．2 微型阀
1．3．3 微泵
1．3．4 微泵的分类
1．3．5 有阀型微泵
1．3．6 有阀型微泵
1．4 微泵的国内外发展现状
1．4．1 国外的发展现状
1．4．2 国内的发展现状
1．4．3 微驱动器的发展趋势及待解决问题
1．5 课题的研究的目的、意义及主要研究内容
1．5．1 课题研究目的
1．5．2 课题研究工作的主要内容
第2章 微驱动器的理论分析
2．1 PZT驱动的微驱动器基本结构
2．2 PZT复合薄板的驱动理论
2．2．1 压电性和压电方程
2．2．2 方形复合薄板的力学模型假设
2．2．3 方形复合薄板形变分析
2．3 流体理论分析
2．4 本章小结
第3章 微驱动器的计算机模拟设计
3．1 计算机辅助设计系统
3．2 IntelliSuite结构体系
3．2．1 掩膜设计模块IntelliMask
3．2．2 工艺设计模块IntelliFab
3．2．3 腐蚀模块AnisE
3．2．4 三维模块3DBuild
3．2．5 材料模块MEMaterial
3．2．6 性能分析模块
3．3 无阀型微泵的工艺流程模拟
3．4 微型阀结构刻蚀计算机模拟
3．5 微驱动器复合薄板的模拟分析
3．5．1 驱动电压对复合薄板形变挠度的影响
3．5．2 复合薄板厚度对形变挠度的影响
3．6 微驱动器复合薄板动态特性的分析
3．6．1 固有频率
3．6．2 振型分析
3．7 无阀型微驱动器微流体特性的分析
3．7．1 角度和Re对扩散管效率的影响
3．7．2 长度对扩散管效率的影响
3．8 本章小结
第4章 微驱动器的工艺制备方法及分析
4．1 微驱动器关键制备工艺
4．1．1 薄膜的制备
4．1．2 光刻与制版
4．1．3 双面光刻
4．1．4 刻蚀工艺
4．1．5 反应离子刻蚀
4．1．6 界面层辅助键合
4．2 微驱动器的制备
4．3 KOH刻蚀结果研究
4．3．1 腐蚀速率与腐蚀溶液浓度的关系
4．3．2 腐蚀速率与温度的关系
4．4 复合PZT薄膜的制备
4．4．1 底电极和过渡层的选择
4．4．2 PZT溶胶的制备
4．4．3 PZT薄膜制备
4．4．4 成膜工艺的改进
4．5 复合PZT薄膜的结构表征
4．5．1 复合PZT薄膜表面形貌
4．5．2 复合PZT薄膜XRD分析
4．6 本章小结
第5章 微驱动器的特性分析
5．1 微驱动器的组装
5．1．1 微驱动薄膜的极化
5．1．2 极化电场与压电性之间的关系
5．1．3 微驱动器的组装
5．2 微驱动器的性能测试
5．2．1 压电振子的变形测试
5．2．2 流量测试装置
5．2．3 输出流量与频率的关系
5．2．4 测试微驱动器背压
5．3 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
致谢
发布时间: 2005-10-21
参考文献
- [1].微驱动系统的智能化及其应用[D]. 肖萌.北京化工大学2016
相关论文
- [1].微机械压电微电机原型机的研究[D]. 吕琼莹.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2001
- [2].压电步进精密驱动器理论及实验研究[D]. 刘建芳.吉林大学2005
- [3].压电双晶梁在微电机及微力传感器上的应用研究[D]. 佟建华.大连理工大学2006
- [4].扭臂结构的MEMS静电微驱动器的特性研究[D]. 孙东明.吉林大学2006
- [5].MEMS兼容压电厚膜驱动技术[D]. 王蔚.哈尔滨工业大学2007