论文题目: 基于MEMS技术的压电微喷的研制
论文类型: 博士论文
论文专业: 物理电子学
作者: 许立宁
导师: 崔大付
关键词: 微喷,压电,剪式,阵列
文献来源: 中国科学院研究生院（电子学研究所）
发表年度: 2005
论文摘要: 微喷是微流量控制系统中重要的执行器件,它可喷射多种介质(墨、聚合物、固体等),能够实现DNA微细排列、微量药品精确供给、微推进以及喷墨打印等多种功能,在医药、生物、化学领域有着广阔的应用前景,是MEMS技术最典型的应用之一。 本论文建立了剪式微喷的结构理论模型,分析了在动态电压作用下端部的变形;利用有限元分析方法优化设计了微喷的结构几何参数,模拟其振动模态;研制出可双向快速充、放电的微喷专用驱动电源,能够并行驱动微喷阵列;对工作在纯剪切模式的微喷结构进行改进,引入了机械增益,大大提高了微喷的驱动能力。 本论文完成了亚纳升级剪式压电微喷的研制以及性能测试,探索最佳结构、最佳工艺流程和最优工艺参数,提高稳定性和成品率。研究驱动方法,开发驱动电源,为国内压电微喷的实用化打下了坚实的基础。本论文研制的微喷,单次喷射体积在亚纳升量级,可连续喷射;喷射液滴体积和数量可由驱动脉冲控制;集成性能良好,可制成一维微喷阵列。 提出了三种结构的微喷,电场方向是垂直于极化方向加载的。当驱动电压为50V时,单次喷射液滴体积约为0.1纳升,最大喷射距离为30mm。 研制出微喷专用驱动电源,申请了专利。该电源:具有以下特点:可以进行正、反双方向充电,使致动壁能做正、反两个方向的运动;能够进行双向快速放电,频率响应范围宽;输出电压高,非线性失真小;输出阻抗很小,电流负载能力大,响应速度快;控制信号的频率和脉宽可调;各部件驱动信号之间的时序关系可通过计算机编程控制。
论文目录:
摘要
Abstract (英文摘要)
目录
第一章 绪论
1．1 MEMS技术
1．1．1 MEMS简介
1．1．2 MEMS加工工艺
1．1．3 MEMS技术的特点
1．1．4 MEMS研究方向
1．1．5 MEMS发展状况
1．2 微喷研究意义
1．2．1 微流控系统
1．2．2 微喷
1．3 微喷研究现状
1．3．1 压电式微喷
1．3．2 电热式微喷
1．3．3 超声式微喷
1．3．4 静电式微喷
1．4 本论文的主要目标及任务
1．4．1 主要目标
1．4．2 主要任务
第二章 压电致动原理及压电陶瓷振动模态
2．1 压电效应和压电方程
2．1．1 压电效应
2．1．2 压电方程
2．2 压电材料和器件的主要参数
2．2．1 压电系数
2．2．2 机电耦合系数
2．2．3 频率常数
2．2．4 谐振频率
2．2．5 品质因数
2．3 压电陶瓷
2．3．1 分类
2．3．2 静态等效电容
2．3．3 驱动特性
2．4 压电陶瓷的振动模式
2．4．1 径向伸缩
2．4．2 长度伸缩
2．4．3 轴向伸缩
2．4．4 厚度伸缩
2．4．5 厚度切变
2．5 本章小结
第三章 微喷的理论分析
3．1 微喷工作原理
3．2 理论模型及运动方程
3．3 结构边界条件
3．4 基频的近似解
3．5 本章小结
第四章 微喷的设计、仿真模拟及优化
4．1 微喷的结构参数设计
4．1．1 液体腔设计
4．1．2 致动壁长度设计
4．1．3 进液口设计
4．1．4 喷孔板材料选择
4．1．5 喷孔大小及形状
4．2 仿真模拟
4．2．1 有限元分析方法
4．2．2 模型的建立及网格划分
4．2．3 参数矩阵的输入
4．2．4 模态分析
4．3 优化设计
4．3．1 谐响应分析
4．3．2 致动壁宽度对端部位移的影响
4．3．3 致动壁深-宽比对端部位移的影响
4．3．4 驱动电压对端部位移的影响
4．3．5 致动壁宽度对谐振频率的影响
4．4 本章小结
第五章 微喷的结构和制备工艺
5．1 单极化微喷
5．1．1 结构
5．1．2 制备工艺
5．1．3 基片处理及液体腔制备
5．1．4 薄膜的制备
5．1．5 装配和封装
5．2 单极化改进型微喷
5．2．1 结构和致动原理
5．2．2 制备工艺
5．2．3 制备实例
5．3 双极化微喷
5．3．1 结构和致动原理
5．3．2 制备工艺
5．3．3 制备实例
5．4 本章小结
第六章 微喷的驱动和性能测试
6．1 微喷的驱动
6．1．1 驱动波形
6．1．2 对驱动电源的要求
6．2 驱动电源设计
6．2．1 驱动电源组成
6．2．2 时序电路
6．2．3 逻辑电路
6．2．4 放大电路
6．3 电源动态特性
6．4 微喷阻抗特性
6．4．1 基本原理
6．4．2 低频阻抗特性
6．4．3 高频阻抗特性
6．5 微喷喷射性能
6．6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间的研究成果及发表的学术论文
致谢
附录 有限元模拟源程序
发布时间: 2006-01-20
参考文献
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