（机械制造及其自动化专业论文）压电致动式微泵的驱动装置结构分析与设计.pdf

摘要 本文根据压电致动式微泵的工作原理，建立了微泵驱动装置的压电复合层薄 板的机电耦合力学模型，通过运用弹性薄板的小挠度弯曲理论，推导出一般形状 和圆形压电复合层薄板的弹性曲面微分方程，提出了把压电片因逆压电效应引起 的纵向应变驱动等效为作用在压电复合层薄板上的横向荷载的新方法，为今后这 类问题的研究提供了新的设计方法。在计算等效横向荷载的过程中，作者对平行 板电容器的边缘电场分布做了深入地研究和大量计算。在求超越方程数值解的基 础上，建立了微泵驱动装置的有限元结构模型，并针对该模型进行计算机仿真与 ，一一一 计算，得到另人满意的结果。最后，对微泵的驱动装置进行了局部结构优化，使 微泵的工作性能得到了较大提高，并在这基础上总结出了一套设计微泵驱动装置 结构的优化方法，得到的优化参数在一定程度上具有普遍的适用性。 关键词：微电子机械系统微泵微执行器压电陶瓷v 压电效应。 a b s t r a c t b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm i c r o p u m pw i t hp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o rd e v i c e ，a e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l e dm e c h a n i c sm o d e l f o rt h ep i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t el a m i n a t e s o f m i c r o p u m p a c t u a t o ri se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r b ya p p l i c a t i o nt h ee l a s t i ct h i np l a t e b e n d i n gt h e o r y w i t hs m a l l d i s p l a c e m e n t ：s o m e e l a s t i c b e n d i n g s u r f a c ed i f f e r e n t i a l e q u a t i o n sf o rp i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t el a m i n a t e sw i t hc o m m o ns h a p ea n dr o u n ds h a p e a r ed e r i v e d a to n et i m ean e wm e t h o do ns o m et r a n s v e r s el o a d so np i e z o e l e c t r i c c o m p o s i t e l a m i n a t e s b e i n ge q u i v a l e n t t o p i e z o e l e c t r i c l a m i n a t e l e n g t h w i s e s t r a i n i n d u c e db yi n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c ti sp r e s e n t e df o rh e l p i n gu st os o l v et h es i m i l a r p r o b l e m si nf u t u r e w h e nc a l c u l a t i n gt h ee q u i v a l e n tt r a n s v e r s el o a d s ，t h ee d g ee l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o no fp a r a l l e lp l a t ec a p a c i t o ri ss t u d i e dd e e p l yi nt h i sp a p e r i no r d e rt o o b t a i nt h en u m e r i c a lv a l u e so fs u p e re q u a t i o n ，af i n i t ee l e m e n ts t r u c t u r em o d e lf o r m i c r o p u m p a c t u a t o ri sd e v e l o p e d t h e nas t a t i c sa n a l y s i so nt h em o d e li sp r o c e s s e db y c o m p u t e r t h e o b t a i n e dr e s u l t ss h o wa g o o da g r e e m e n t f i n a l l y , s o m ep a r to p t i m i z a t i o n s f o r m i c r o p u m p a c t u a t o ra r e m a d e ，w h i c h d r a m a t i c a l l y e n h a n c e si t s w o r k i n g p e r f o r m a n c e i nt h i sw a y , s o m eo p t i m i z a t i o nm e t h o d sf o rd e s i g n i n gm i c r o p u m p a c t u a t o r a r ea d v a n c e di nt h i sp a p e ra n dt h eo b t a i n e do p t i m i z a t i o np a r a m e t e r sc a l ls a t i s f ym a n y d i 舵r e n ta p p l i c a t i o n st oac e r t a i ne x t e n t k e y w o r d ：m e m sm i c r o p u m p m i e r o a c t u a t o rp z tp i e z o e l e c t r i ce f f e c t 声 明 y 五05 2 7 2 懈例 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：氩秀 日期皇翌：坚：望 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名 导师签名 f 1 期兰! ：! ! ：塑 f t 期垒竺! ! m 王吕 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 九十年代初出现的微米纳米技术是一个新兴的、多学科交叉的面向2 l 世纪 的高科技领域，它是在原子、分子尺度上研究自然界各种现象的行为和规律，进 而实现由人类按需要排布原子，制造出性能独特的产品。它研究和控制物质结构 的功能尺寸，达到微米至纳米尺度。它汇集了电子、机械、材料、制造、测量以 及物理、化学和生物中的微小和微观领域的科学技术群体。几十年前人们就实现 了微米级精度的加工，但制造微米尺度的器件、装置或机器就不容易了。虽然微 米量级的器件仍遵循宏观世界的规律，但又在不同程度上显示出微小事物的特 征。因此，不能单纯使用宏观的理论来指导研究和解释现象，应在实验的基础上 把宏观理论和微观理论有机的结合起来，把宏观条件下的物质特性和微观条件下 的物质特性结合起来进行分析。从技术上看，从微米量级发展到纳米量级是一次 飞跃；从机理上看，纳米尺度的现象和器件的特性与宏观世界的规律有很大的差 异。研究的目标是要实现原子分子层次上的制造技术，形成新的物质结构和机器。 近期可望取得重大突破的技术领域为：微型机械电子系统、微米纳米制造技术、 扫描探针显微技术、微电子及纳米电子技术、纳米材料技术和纳米生物工程等。 目前的具体研究领域有微电机、微泵、微加速度计、微陀螺、微惯性测量组合、 微透镜、微反射镜等。纳米科学技术和尘物工程被认为是未来科技的两大重要前 沿。 纳米科技的发展派生出一系列的新兴学科，纳米机械学就是其中一个重要的 分支，它的产生也是现代机械科学发展的必然结果。纳米机械学的任务就是以微 型机械及其系统的设计为目标，研究各组成单元的工作原理、特性和设计理论与 方法：通过创造性思维过程，规划出符合社会、生产和科学技术发展所需要的微 型机电系统的组成结构，并对系统进行功能综合和定量描述其性能。 随着现代科学技术的发展，人们不断追求尺度微小型化的机械装置，以适应 生物、环境控制、医学、航天航空、数字通讯、传感技术、灵巧武器等领域日益 增长的要求。另一方面，2 0 世纪6 0 年代以来，随着半导体集成电路微细加工技 术的成熟和超精密机械加工技术的发展，微电子技术渗透到机械工程各个领域， 使人们认识到微米纳米技术应用的巨大前景。这种发展并非单纯微小化，而是 指可以开发批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理的 控制电路、直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统，通常称之为微型 机械( m i c r o m a c h i n e ，日本惯用词) ，其特征尺寸范围为：1pm i m m 。考虑到现 在的技术水准，尺寸在l l o m m 的小型机械，以及将来有可能借助于生物工程和 西安电子科技大学硬士论文 压电致动式微泵的驱动装置结构分析与设计 分子组装实现的1 n m 1um 的纳米机械或分子机械，也属于微型机械的范畴，它也 可称为微型机电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ，略记为m e m s ，美国 惯用词) 。微型机电系统的特点是体积小、重量轻、耗能低、性能稳定、有利于 大批量生产，还有惯性小、谐振频率高、1 9 应时间短、集约高技术成果、附加价 值高等特点，因此拥有广泛的应用领域和前景。微型机电系统的目标在于通过微 型化、集成化来探索采用新原理、具备新功能的元件和系统，开辟个新技术领 域，形成新的批量化产业。它涉及电子、机械、材料、信息与自动控制等多种学 科并集成了当今科学技术的许多尖端成果，可以完成大尺寸机电系统所不能完成 的任务。同时，作为研究微型机械工作原理和设计理论与方法的纳米机械学( n a n o m e c h a n i c s ) 或称微机械学( m i c r om e c h a n i c s ) 因而得到迅速发展并成为机械科 学技术中的前沿领域。 1 2 微型机械的发展 微机械学的发展经历了两个阶段。最初，人们按照传统机械学的原理和方法 丌发小型机械。然而，在研制过程中发现，随着机械结构尺寸的不断缩小，构件 可受到的外载荷和体积力变得次要，而构件间的摩擦力和其它表面力成为影响机 械性能的主要因素，因此，微型机械的力学系统特征与传统机械不同。此外，材 料小型化以后的物理性质及其对环境变化的响应也将有很大变化。所有这些促使 人们认识到传统机械学对于小型化机械设计已不适应，而必须从新的构思出发， 借助于纳米科技丌发出与传统机械结构、材料、功能和原理不同的机械装置，这 样，微机械学的发展进入了第二阶段，即建立纳米机械学研究的阶段。 微机构研究最初是由美国斯坦福大学于1 9 7 0 年开始的。1 9 8 7 年美国投入大 量经费资助微型机械开发，随后只本和西欧各国也相继将微型机械研究列为重要 发展领域，促进了微型机械的迅速发展。例如，斯坦福大学研制出直径2 0 pm ， 长度1 5 0um 的铰链连杆机构，2 1 0 pm 1 0 0 “m 的滑块机构，转子直径2 0 0u m 的静电电机和流量为2 0m l m i n 的液体泵。加州大学伯克利分校试制出直径6 0 pm 的静电电机，直径5 0 u1 i 1 的旋转关节，以及齿轮驱动的滑块和灵敏弹簧。美 国贝尔实验室也开发出直径4 0 0 l jm 的齿轮机构。麻省理工学院研究出三自由度 闭环平面机构操作器，可望应用于低力矩的精密定位。美国d 毗a f i e 公司设计一 种a l 5 0 1 0 小型装配机器人，用来完成光导纤维引线的复杂操作。通过调整该系 统中的压电驱动微调装置，可使光纤与器件之间达到最佳的耦合功率位置，保证 在粘接过程中始终校准，并能够自动补偿因粘接产生的误差。 日本东京大学、早稻田大学、名古屋大学等在8 0 年代初期采用压电元件研 制无间隙的微驱动机构及其控制技术，并开发出多种压电陶瓷驱动的微机构。这 西安电子科技大学硬士论文 第一犟绪论 3 些微驱动机构可以实现直线运动或旋转运动，驱动精度达到微米级以上，可望用 来研制细胞解剖、集成电路生产，以及进入人体内的微型机器人。日本在9 0 年 代初启动的微型机械研究计划大力推动下，在微型机电系统和微型机器人研究中 取得重要进展。例如，东京大学研制成功i c m 3 大小的爬坡微型机械装置。早稻田 大学开发出用形状记忆合金制作的微型机器人，他们研制的薄层t i n i 合金是一 种可以双向、全圆活动的可逆形状记忆合金，非常适合于制作微型动作器。通过 控制若干个微型动作器可以实现机器人多自由度运动。名古屋大学还研制出不需 要电缆的管道移动爬行机器人，通过管道外的电磁线圈产生的磁场来控制其运 动。这种机器人可以应用于微小直径管道内的检测，以及生物医学中人体器官等 小空间内的操作。他y f 带l 成的较大型的可逆运动机器人外形直径为2 1 m m ，而较小 型的单向运动机器人外形直径仅为6 m m 纳米机械学和微型机电系统的发展对于国际和航天技术有着重要意义，因此 受到世界各国的广泛重视。据文献报告，美国d r a p e r 实验室在1 9 9 1 年研制成一 种惯性测量装置的样机，其尺寸为2 c m x 2 c r u x0 5 c m ，重量为5 9 ，而陀螺漂移误 差为l o d e g h 或更低。美国宇航局已开始实施一项低费用的“发现号”微型卫星 计划，并于1 9 9 3 年提出了纳米卫星( n a n o s a t e l l i t e ) 的概念，它代表了人造卫 星设计构思和运行系统的一种新模式。同时，还对卫星小型化进程规划出三个层 次：即小型卫星能用小型运载火箭发射的常规设计的航天器，质量范围约 l o k g 一 o o k g ：微型卫星，在所有的系统中全部采用微型机电系统的设计和制造技 术，质量在0 1 k g l o k g 范围；纳米卫星，它是一种分布式的体系结构，例如以 硅或其它半导体材料为基片的集成微型仪器实现卫星的各种功能和控制，并将尺 度缩至最小的航天器，其质量可以小于o 1 k g 。 微型机械的发展与纳米加工和测控技术的不断完善密切相关。纳米加工技术 包括超精密切削加工、化学腐蚀、能量束( 光束、电子束、离子束) 加工以及扫 描隧道显微镜加工等。近来，德国卡尔鲁斯核研究中心的微型机械研究所开发成 功一种名为l i g a 工艺的新式微细加工方法，它是x 射线深层刻蚀、电铸成型和 塑料模铸的组合，目前已用来制造静电电机、硅齿轮和传感器中的膜片。l i g a 工 艺与大规模集成电路制作技术相结合，可以制作成各种具有广泛用途的微型结 构。 近年来，在微型机械研究中出现_ 个新的趋势，即发展机电组合的系统，被 称为微型机械电子学。利用大规模集成电路的微细加工技术，将执行机构、驱动 器、传感器、控制器等集成在一个多晶硅片上，它既可以将传统的无源机构变为 有源机构，而且可以制成一个完整的机电一体化的微机电系统，整个系统的尺寸 有可能缩小到几毫米至几百毫米范围。目前，国外已着手研究采用类似于制造芯 片的光刻工艺在硅材料上刻蚀微机械构件，如阀门、齿轮、弹簧、杠杆和悬臂、 西安电子科技大学硕士论文 压电致动式微泵的驱动装置结构分析与设计 滚动轴承等。所不同的是集成电路大多是二维图形，而微机械构件属于三维刻蚀。 微型机械和微型机器人具有广阔的应用前景，它的出现无疑将深刻影响国民 经济和国防工业各个部门的未来发展。美国国防部和国家自然科学基金会已将其 确认为“美国急需发展的新技术”，荷兰、瑞士和德国等政府和议会分别通过数 千万美元的拨款建立研究中心，日本政府先后投资2 5 0 亿日元用于微机械加工和 微机电系统。与此同时，学术界对此也十分重视，在1 9 8 7 年召开的国际固态传 感器会议上，有关微机械加工论文仅占2 5 ，到了1 9 9 3 年，己上升到6 1 。1 9 9 1 年起，i e e e 和a s m e 联合g , j 干r j “微机电系统”，并召开了多次专业会议，专家估 计，它将如微电子技术使电子学发生革命一样，微机械技术也将使机械学产生重 大变革。 1 3 当前国际国内相关技术的发展概况 微机电系统( m em s ) 虽然是一个新兴的研究领域，但是在近十年来却取 得了飞速的发展。作为mems 的一个主要方向，微流体系统的研究也取得了很 大的进展。微流体系统由于具有体积小、操作简单、安装方便、计算机接口控制 等优越性，极适合于生命科学、生物化学和分析化学、医学等研究和应用领域， 例如，可在医疗中用于胰岛素等微量药品的缓慢注射，更加有效地治疗糖尿病； 在生命科学中用于对动物活体的微透析研究。减小大的流体分析系统对动物活体 行为的干扰，增加研究结果的可信度。在微小型卫星的推进、集成电路芯片的散 热与冷却、微型元部件的润滑等领域也有广泛的应用前景。 微流体系统是微机械学、力学、微电子学等诸多科学相互交叉的产物。微流 体系统的研究是从单一流体器件的研究开始的，先后研究的器件有微致动器、微 型阀、微型泵、微管道和微流量传感器。当这些单元器件的设计加工技术都比较 成熟后，就开始研究如何将这些器件有机地结合起来，开发具有一定功能的复杂 系统。目前，美、同等国己研制出几种微流量控制系统的原型样机，并向实用化、 商品化方向发展。现在比较成熟的研究成果有微型喷墨打印头、微生物化学分析 系统等。我国的微流量控制系统研究较为薄弱，同国外相比有一定的差距，目前 主要的研究工作还集中在微流体元件的研制上。 微型泵作为微流体系统中的执行器得到了广泛研究。目前国际上研制的微型 泵大多采用薄膜型结构，即通过薄膜的往复振动来达到泵送流体的目的。它的驱 动原理多种多样，有压电、静电、电磁、热、气动、电液、行波传递、凝胶致动 和光热致动等，其中以压电驱动为最多。虽然驱动方式有很多，但是目前各种执 行器的效率都很低，缺乏必要的基础理论指导。国内在这一方面的研究与国外相 比，差距还很大。 西安电子科技大学硕士论文 第一章绪论 微型阀作为微流体系统关键部件，本身也具有重要的研究价值和广阔的应用 前景，微型阀的性能直接影响着整个微流量系统的性能。微型阀可分为主动阀和 被动阀。主动阀可采用压电、静电、电磁、形状记忆合金、双金属热效应等原理 的致动器控制其开闭。被动阀不带有微致动器，由阀两端的压力差和流体的流动 来控制其开闭，可作为微型泵的组件，也可单独使用在医疗、科研等领域。微型 被动阀具有结构简单、制造方便、性能可靠等优点，且容易形成产品。微型被动 单向阀的主要作用是实现微流量控制系统中气、液体的单向流动。开启压力、工 作压力、额定流量及正反流量比等都是被动阀的重要性能。微型被动单向阀的性 能与阀片所用材料和结构特点密切相关。目前已有许多不同结构、不同材料的被 动阎被研制成功。为了实现系统集中，常常用单晶硅和多晶硅作为单向阀材料阀 片。近几年来清华大学精密仪器系微机械研究室又开发了用光敏聚酰亚胺( p spi ) 为材料制作微型阀的工艺，取得了成功。该材料性能稳定，工艺简单， 并在硅片上有很强的粘附性。同多晶硅相比，光敏聚酰亚胺具有韧性好，抗拉强 度大的特点。聚酰亚胺易于台阶覆盖，利用该特点，可以形成一个锥形阀堵，提 高阀的密封性能，减小反向泄漏。这一点也是其它材料难以做到的。 知识经济的内核是创新。结合我国现状，存在着技术开发和产业化的创新机 遇，对微泵技术的研究具有显著的多学科交叉、创新特征，关键创新点将表现在 微电子机械系统的基础设计理论、新应用领域和新制造技术。 1 4 本文的主要目的和主要工作 本文的主要目的：根据压电致动式微泵的工作原理，建立微泵驱动装置的压 电复合层薄板的机电耦合力学模型，采用薄板的小挠度弯曲理论，推导出一般形 状和圆形压电复合层薄板的弹性曲面微分方程，并根据这一理论建立微泵驱动装 置的有限元模型，进行计算机仿真与计算，以验证该理论的正确与否，最后，在 此理论基础上，对微泵的驱动装置进行局部结构优化设计，以提高微泵的整体工 作性能。 本文的主要工作：了解国内外微电子机械系统技术及应用的发展，重点放在 了解微型泵和微型阀的进展，熟悉压电效应和压电方程，选择压电材料，掌握压 电致动式微泵的工作原理，建立微泵驱动装置的机电耦合力学模型，根据该模型， 推导出一般形状和圆形压电复合层薄板的弹性曲面微分方程，在该理论的指导下 建立微泵驱动装置的有限元结构模型，并对模型进行微结构设计、分析与计算， 然后，对微泵的驱动装置进行局部结构优化设计，最后，对压电致动式微泵驱动 装置的制造工艺作初步探讨。 论文的主要结构如下： 西安电子科技大学硕士论文 6 压电致动式微泵的驱动装置结构分析与设计 第一章、绪论。介绍本课题研究的目的和意义，国内外相关技术及应用的发 展，本文所做的主要工作。 第二章、微型泵和微型阀的进展。这一章将详细阐述一下世界各国在微型泵 和微型阀这一研究领域的发嚷概况，同时，根据不同致动原理，我 们对微型泵和微型阀进行了分类，并介绍了各种类型的微型泵和微 型阀的工作原理及其性能特点。最后，针对现状，找出这一研究领 域的薄弱环节，提出自己的研究方向和工作重点。 第三章、压电材料与压电效应。叙述晶体的压电效应和逆压电效应。提出压 电方程，介绍一下描述压电材料的几个重要参数，并根据这几个参 数选择出适合作为微致动器的压电材料，最后对微泵的压电致动装 置的微结构设计作初步的探讨。 第四章、压电复合层薄板的小挠度弯曲变形分析。根据薄板的小挠度弯曲理 论，我们建立了压电复合层薄板的机电耦合力学模型，推导出一般 形状和圆形压电复合层薄板的弹性曲面微分方程，同时推导出求中 性面位置的公式。 第五章、压电片的边缘电场分析。这一章着重讨论加在压电片上的边缘电场 的分柿情况，在考虑边缘效应的平行板电容器的电场公式基础上， 推导出求解逆压电效应等效横向荷载q 。数值解的计算公式。 第六章、圆形压电致动式微泵驱动装置结构的静态分析与设计。根据建立的 压电复合层薄板小挠度弯曲理论，具体设计一种圆形压电复合层薄 板结构的有限元模型，并对该模型的结构进行计算机仿真与计算， 最后，对微泵的驱动装置进行了局部结构优化设计。 第七章、微泵驱动装置的制造工艺概述。综述微机械加工技术，对微泵驱动 装置的制造工艺作初步探讨。 第八章、总结与展望。 西安电子科技大学磺士论文 第二章微型泵和微型阀的进展 第二章微型泵和微型阀的进展 2 1 引言 r i c h a r dpf e y n m a n 在1 9 5 9 年作的题为“t h e r ei sp l e n t yo f r o o ma tt h eb o t t o m ” 的演讲中，向人们描述了一个新的研究领域，揭示了微小化的实现手段及其潜在 的应用前景。以半导体加工为基础的微细加工技术成功地提高了电路的集成度， 已使计算机、信息领域取得了惊人的进展。微细加工技术的日臻成熟，亦使微米 级尺寸的可动机械构件的制作成为可能。硅微静电马达的问世，引起多学科的研 究者对微型机械的关注。近几年来，在二维的i c 工艺的基础上，实现高深宽比 三维微结构的微细加工方法不断得到开发；微致动器一直是微型机械的一主要研 究方向；微型泵、阀及微量流体控制系统由于其可能的直接应用，成为微型机械 研究中一活跃的分支；关于微小领域的摩擦，微量流体以及微小构件测量等基础 理论和实验研究丌始受到重视：微型机械的研究成果已应用于传感器，微量流体 控制，细胞操作以及微探针制作等方面。 目前微泵的结构种类繁多，但是它们的原理大都是相似的。如图2 1 所示， 一般微泵都是有三部分组成的：阀门、泵室和驱动装置。 b r 私sp u m ph l e 2 诎o - c e 。咖i 。 jmembran越e i o u t l e t e2 幽2 i ：微型泵 本章着重介绍微型泵和微型阀的研究现状。微型泵、阀尺寸微小的特点，使 其结构设计，致动方法以及制作工艺等伴随许多新的概念。微型泵、阀的运动部 件的设计多采用薄膜弹性变形的形式，致动方法包括压电、静电、电磁、热、气 动及电液等新的原理。制作工艺涉及硅的表面加工，牺牲层蚀刻，快体加工以及 阳极粘接等。微型泵、阀具有集成化与大批量生产的可能性，由于尺寸小可减少 无效体积，耗能低，且响应快有利于提高控制精度。 2 2 微型阀 微型阀一般分为两大类：主动阀( 自身带有驱动器) 和被动阀( 自身无驱动 西安电子科技大学磺士论文 压电致动式微泵的驱动装置结构分析与设计 器) 。微型阀也可按照有无活动件分为两大类：一类是带有活动部件的阀门，另 一类是近几年来研究出的不带有活动部件的阀门。 微型主动阎可单独用于微量气、液体的控制，而被动阀往往与微型泵联系在 一起。日本东北大学，美国s t a n f b r d 大学分别较早地发表了形状记忆合金和热驱 动的微型阀的研究成果。之后，一些设计新颖，基于不同致动原理的微型阀相继 研制问世。 2 2 1 静电致动微型阀 美国h o n e y w e l l 公司研制的一种薄膜悬臂梁结构的静电致动微型阀，其阀口 和阔膜片尺寸分别为2 4 6 0 ”m 2 和3 5 0 3 9 0 “m 2 平方微米，阀膜片的厚度约为 l 恤m 。其主要制作工艺过程是在双面抛光的 硅片上淀积成型s i 3 n 。结构、金 属电极及牺牲层，再用等离子体蚀刻出阀膜片边缘和出口通道至牺牲层，然后用 k o h 溶液异向蚀刻硅基板，最后选择蚀除掉牺牲层。该阀在加3 0 v 电压时，可 控1 5 k p a 的压力和1 5 0 m l m i n 的流量，并能承受1 0 1 k p a 的背压。 静电致动的缺点在于需要较高的驱动电压，或致动力小。美国m i t 研制出一 种压力平衡静电致动微型阀，用于控制高压流体。其设计思想是使流体的压力在 移动阀堵上产生平衡力，通过几何参数的优化，可以很小的致动力使阀开启或关 闭。 r 本同立制作所开发出一种具有大变形阀膜片结构的微型阀，使静电致动办 能实现大的位移而不减弱致动力。设计制作的二通阀可用于高流量，高压力控制， 当阀口尺寸为4 5 4 5 p m 2 时，施加2 5 0 v 电压，可控0 3 m p a 的气体。三通阀通过 改变阀出、入口的尺寸以及施加电压的大小，可实现运用于分子束外延等设备的 低压力、高流量气体的控制( 6 0 p a ，1 0 m l m i n ) 。 一种简单的悬臂结构微型阀如图2 2 所示，当电极间距增大时，作用在微阀 上的力就越小。该阀门的可控压力范围很小。 图2 2 ：静电驱动微型阀 2 2 2 压电致动微型阀 圆盘式和悬臂梁式压电致动微型阀已投入市场，这种微阀的致动器是由两层 压电材料复合而成的。它的工作原理是： 缩小，而使另一层膨胀，从而产生变形。 加在双压电晶体片上的电压使其中层 对于悬臂梁结构压电致动微型阀，它的 西安电子科技大学穗士论文 第二章微型泵和微型阀的进展 9 变形相对比较大，但是相应的力很小。对于圆盘式结构恰恰相反，它产生的力相 对比较大，而引起的变形却很小。例如，一种由6 4 片圆盘堆积而成的压电陶瓷 致动微型阀，其整体结构尺寸大小为1 4 m m x3 m m x 9 m m ，在1 5 0 v 电压下，可产 生3 5 0 k g c m 2 的压力，该结构的响应时间为0 1 m s ，但是它的最大变形位移量却只 有8 u m 大小。图2 3 显示的是一种三通圆盘结构致动的微型阀。 图2 _ 3 ：( a ) 打开( b ) ，乏刚 2 2 3 电磁致动微型阀 当阀的尺寸在数十微米级时电磁致动的能量密度仍可能比静电致动高若干 数量级。另外微型阀的阀膜片或阀堵多利用硅薄膜的变形达到开关阀的目的，其 变形通常小于2 0 l t m 且致动力大部消耗在膜片的弹性变形上。 美国n o v a s e n s o r 设计出一种减弱阀膜片支撑部分的刚性的阀膜结构，可实现 大于5 0 1 t m 的变形，适于电磁致动。r 本n t t 境界领域研究所设计制作了类似结 构的微型阀，为减小泄露。开发了自对准工艺。该阀可在0 1 1 0 0 h z 的外部电磁 场作用下工作。可控气体流量为0 2 4 1 9 2 k p a - - m l m i n 。该电磁致动微型阀结构 如图2 4 显示，该结构中的阀帽是由弹簧支撑的n i f e 合金构成，它只能在外加 电磁场中作垂直运动。 西安电子科技大学硕士论文 o压电致动式微泵的驱动装置结构分析与设计 图2 4 ：电磁致动微型阀剖面图 2 2 4 双金属片致动微型阀 双金属片致动微型阀的原理为：将热膨胀系数不同的两个金属薄片叠合在 起，因膨胀伸长不同会导致弯曲。虽然现在有好多复合材料可被用作致动器，但 是由硅和铝复合而成的致动器是最好的。图2 5 显示一个直径3 m m 、厚度l o p m 的铝硅致动微型阀，该双金属片起着一个铰链的作用。当温度升到1 0 0 。c 时， 该致动器产生大约3 4 k p a ( 5 p s i ) 的压力。但是它的恢复期需要很长的时间。 蚓2 5 ：敢金属致动微型j l i ；i 美国i cs e n s o r s 利用这种双金属片致动原理研制出一种微型阀，其硅膜厚 1 0 p m 、直径为2 5 m m ，铝层厚5 u m ，常开间隙为4 p m 的阀可控两个大气压的气流， 最大流量约为8 5 m 1 m i n 。 德国研究所设计制作的桥形结构的常闭阀可使热驱动的响应时间缩短至 1 5 m s 。该阀外形尺寸为5 5 x o 5 m m 3 ，桥臂宽为6 0 0 u m ，阀出口尺寸为3 6 0 3 6 0 p m 2 。可控入口压力l b a r ，流量超过7 0 0 m l m i n 。 2 2 5 被动阀 被动阀是由加在阀门两端的压力差驱动的，它的主要特点是单向性，没有微 致动器。图2 6 显示了一种简单的悬臂梁结构的被动阀。被动阀一般小于带有致 动装置的微型阀。被动阀的主要参数是响应时间，例如，由打开到关闭或由关闭 到打开的过渡时间。 懈_ 蝴口p t 脯躺嘲 ( a ) 自由状态 西安电予科技大学硕士论文 一 墨三兰丝型茎翌丝型塑盟鲎曼旦 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 ( b ) 在前压力状态下 p ( c ) 往后压力状态f 图2 6 ：被动阀 加州理工学院微加工实验室研究出一种新型被动阀1 ，如图2 7 所示。该微 型阀是一种由聚对苯二甲基材料制成的薄膜阀堵经螺旋状支撑与周围固定端相连 的结构。这种被动阀具有很好的性能，前冲阻力小，反向阻力大，反向泄露少， 它的独特螺旋式支撑结构具有较大的变形位移。但是它的加工工艺复杂。 画璺 i 帆 、 图2 7 ：聚对苯二甲基被动阀 国内清华大学精密仪器系采用光敏聚酰亚胺材料研制出一种微型阀幽1 ，结构 件图2 8 。它采用网格结构，中间的方形实体结构是阀堵，它的下面有铝牺牲层。 铝下面的硅基片上体硅腐蚀了数微米深。在甩胶后光敏聚酰亚胺的厚度比较大， 形成一个锥形阀堵。阀堵的四周是网格化的梁支撑，其中，粗梁宽4 0 p r o ，细梁 西安电子科技大学硕士论文 压电致动式微泵的驱动装置结构分析与设计 宽3 0 i _ t m ，四周和硅基片接触的部分保证阀片和基片的牢固结合a 光敏聚酰亚胺 可以直接光刻显影成形，工艺简单，性能稳定，并在硅片上有很强的粘附性。它 的抗拉强度大，韧性好。该微型阀易于台阶覆盖，单向性好，反向泄露少。 幽2 8 ：光敏聚酰、i f 胺微j 弘阀 2 2 6 无活动部件微型阀 上面设计的各种微型阀都有一个共同的特点：都是具有活动部件的阀门，活 动件在微观领域是很难加工的，它们的使用寿命普遍不会持续很长，而且在直接 传输含有诸如细胞、应用于微粒化学和防污染的微球体等微粒的流体时，由于悬 浮液中的微粒的尺寸可以达到几十微米，再加上悬浮液中微粒的浓度过高，就会 很容易出现阻塞阀门的情况。针对具有活动件微型阀的上述缺点，人们开始研究 一种新的结构形式一无活动部件的微型阀。 近几年来，美国华盛顿大学提出一种新型的无活动件的微型阀 2 】 3 4 】【”，如 图2 9 所示。 图2 9 ：无活动件微型阀 该阀门是由具有传奇色彩的塞尔维亚裔美国发明家n i k o l at e s l a 在1 9 2 0 年发 明的。华盛顿大学的f o r s t e r 教授与a f r o m o w i t z 教授带领他们的学生在过去的几 年里，一直投身于微型泵领域的研究，特别是无活动件微型阀门方面的研究。在 一次偶然的机会中，f o r s t e r 教授发现了由t e s t a 发明的该项专利，随即，他领导 西安电子科技大学硕士论文 第一二章微型泵和微型阀的进展 学生们在该专利的基础上又做了大量工作，优化结构，使其性能更加出色。f o r s t c r 教授设计了许多结构，如图2 1 0 所示。 图 l 一 、l翔k 翔k+ 朋 _ _ 留e斌 + v o a ；、 _ 翔k翔翔b 睇肾 ，r k ，群 翔k蔫。鞠k毒 j i k 址 誊_鞫k! bo ，j r 司 詈 翔k蕈i淘k * 靠 j j e 懋f i鞫氐翔b凋k 孵 士。h _ 露采爵j 龄j蠢：杂： 娶；昌i f 1 i r 叮 $ 矗黍 求求 鹣磐冬 气号j 吁 吨岫i 曲 孕 4 i c 悱 - 譬帆 口 一 图2 1 0 ：无活动仆微删| j | | 结构总图 图2 9 就是其中一个经过改良过的结构。图2 1 l 是t e s l a 微型阀的局部放大 图2 ii ：t e s l a 微型阀局部放大图 该图显示的是t 4 5 r 型号的阀槽，其宽度为1 1 4 9 m ，阀槽的蚀刻深度是6 0 p m 。 这种独特结构的阀门与上述带活动件的那些阀门相比，具有明显的性能优 两安i u 了科技人学硕i ：论文 压电致动式徽泵的驱动装置结构分析与设计 势。这是因为它工艺简单，易于大批量生产，而且性能稳定可靠，最重要的是 它能够直接传输微粒能度高的流体，不出现堵塞的现象。 2 3 微型泵 微型泵是一种重要的微型执行器，可广泛应用于医疗、化学分析、微流体供 给和控制、芯片冷却系统和微型卫星等等，其广泛的应用前景引起研究者的极大 兴趣和深入细致的研究。 8 0 年代处，荷兰最早开始热气动薄膜泵的研究，之后美、日、德、中国等许 多国家相继有研究成果发表。已研制出的微型泵结构、原理、加工工艺形式多样， 但多数采用薄膜结构。薄膜结构微型泵依靠致动器推动薄膜变形，引起泵腔内的 压力变化，通过出、入口两个单向阀的控制，使其气、液体定向流动。按致动原 理有：静电式、压电式、电磁式、热致动式、气动式、电液致动式、行波传递式、 凝胶致动式和光致动式等等。其制作工艺包括硅微机械加工工艺、l i g a 工艺、 精密机械加工以及特种加工工艺等等。 2 3 1 压电致动微型泵 同本东北大学研制的压电致动薄膜泵在驱动电压9 0 v ，频率2 0 h z 时，最大 流量为2 0 i _ t l m i n ；当电压9 0 v ，频率3 h z 时，最大压力为7 6 5 k p a 。为减少流体 的脉动以串、并联形式组合的微型泵，实现了流体的稳定流动，可控流量约为4 0 1 t l m i n ，最大压力约为9 8 k p a 。 美国b o s t o n 大学设计的压电致动蠕动泵的结构与工作原理是在硅片上异向蚀 刻出阀口和管道后，上下两面阳极粘接玻璃片，对应各阀口位置，再粘接上压电 致动片制成，如图2 1 2 所示。顺序施加电压，使压电片弯曲变形，三个单元分别 执行出、入口单向阀和泵腔的功能，循环往复导致流体的定向流动。施加电压8 0 v ， 谐振频率15 h z ，无背压时流量约为1 0 0 1 a l m i n 。 瞄函囊皇= 圆圈昌罨囊墨墨篁a 图2 1 2 ：压电致动蠕动泵 西安电子科技大学硕士论文 第二章微型泵和微型阀的进展 美国华盛顿大学设计的压电致动微型泵，采用无活动件阀门。覆盖在圆形泵 腔顶部的硅膜直径为6 r a m ，厚度为5 0 0 t a m ：圆形压电片直径为5 m m ，厚度为 1 9 0 i t m 。在驱动电压1 7 0 v ，频率3 0 0 0 h z ，最大流量可达1 0 0 0 1 a l m i n 。该微型泵 结构模型见图2 1 3 。 图2 1 3 ：压电致动微型泵 2 3 2 静电致动微型泵 f r a u n l a o f e r 研究所开发的静电致动微型薄膜泵的外形尺寸为7 x 7 x 2 m m 3 。致 动膜厚2 5 i _ t m ，面积4 4 m m 2 ，电极间距4 u m 。单向阀口尺寸为4 0 0 4 0 0 p m 2 。 在无背压，旅加电压1 7 0 v 、频率2 6 h z 时，流量为7 0 1 t l m i n 。 2 3 3 气动微型泵 气动微型阀采用l i g a 工艺，它的被动阀是一种带有钛电阻丝加热器的聚酰 亚胺膜如图21 4 所示。在驱动频率5 h z 条件下，气体最大流量为8 0 m l m i n ，最 大气压为0 4 7 m h ，o 。气动微型泵的缺点是响应时间太长。 2 3 4 热致动微型泵 图2 1 4 ：气动微型泵 图2 1 5 ：热致动微型泵 西安电子科技大学颈士论文 ! !垦皇塾垫苎丝至堕翌垫鉴里笙塑坌塑兰堡生 一一一 图2 1 5 显示的是一种热致动微型阀，泵腔内留有少量可用来加热的气体。其 工作原理是：腔内气体受热膨胀，导致薄膜变形，从而驱动流体。当激振频率为 5 h z 时，流量可达5 0 p 1 m i n 。 清华大学精密仪器系采用硅微机械加工工艺设计了三层结构的微型泵，其技 术指标为：驱动薄膜尺寸为3 m m 3 m m ，单向阀出口尺寸为0 1 m m 0 1 m m 。在 2 0 v 、l h z 的方波电压驱动下，最大输出流量为4 3 9 l m i n 。 2 4 应用与研究课题 微型泵、阀与微流量传感器可集成为闭坏控制系统。r 本东北大学将微型泵 与三通阀集成为流体注射分析系统：荷兰t w e n t e 大学发表了将微型泵、阀与微流 量传感器集成的微流量液体释放系统。瑞士n e u c h a t e l 大学研制的微流量流体控 制系统，当压力变化为1 0 k p a 的情况下，可控1 0 1 0 0 p 1 m i n ，的输出流量，保持 输出稳定。 微量流体控制系统在工程和医学等领域有多方面的现实或将来的可能应用。 比如用于化学气相淀积，分子束外延过程中气体的精确控制；低温学或超导体的 冷却；喷墨打印；气、液体的微量化学分析：血液分析，微量药液注射；或者制 作新型光电、电液原理变换元件等。 基于半导体加工制作的微型泵、阀的最大优点之一是可与其他功能器件集 成，但同时又受制于工艺。已开发出的微型阀多以气体为控制对象，微型泵随尺 寸减小，流量急剧减小，液体的表面张力的影响显著。 研究电湿现象，电控表面张力，以得到高效微致动力，用于泵设计的构思新 颖。为实现高性能的微型泵、阀，需要新致动原理与新型结构的综合开发研究。 微流体力学的理论和试验研究将为流量流体控制系统的设计和性能完善提供理论 基础，微型机械新的制作工艺的开发、适于微流体检测的微流量或压力传感器的 集成制作将有助于微量流体控制系统的实用化。 本文的重点放在研究压电致动的原理上。这是因为：第一，压电材料具有良 好的力学性能和电场的耦合机电效应，被广泛的应用于微泵的执行装置中；第二， 目前，国际上对压电材料用做微泵的制动器这一领域的基础理论研究还很薄弱。 所以研究压电致动原理，对提高整个微泵的性能具有重要的意义。 西安电子科拽大学硬士论文 第三章压电材料与压电效应 1 7 第三章压电材料与压电效应 3 1 压电性和压电方程【4 0 】 3 1 1 晶体的压电性 通常，在电场的作用下可以引起电介质中带电粒子的相对位移而发生极化。 但是，在某些电介质晶体中也可以通过纯粹的机械作用而发生极化，并导致介质 两端表面内出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械 力的作用而激起晶体表面的荷电的效应，称为压电效应。 晶体的压电效应可以用图3 1 的示意图来加以解释。图3 1 ( a ) 表示出压电 晶体中的质点在某方向上的投影。此时，晶体不受外力的作用，正电荷的重，i i , 与 负电荷的重心重合，整个晶体的总电矩等于零，因而晶体表面不荷电。但是，当 沿某一方向对晶体施加机械力时，晶体就会由于发生形变而导致了正负电荷重心 不重合，也就是电矩发生了变化。从而引起了晶体表面的荷电现象。图3 1 ( b ) 为晶体表面受拉伸时的荷电的情况；图3 1 ( c ) 则是压缩时的荷电情况。在这两 种情况下，晶体表面带电的符号相反。反之，如果将一块压电晶体置于外电场中， 由于电场作用，会引起晶体内部j 下负电荷重，i i , 的位移。这一极化位移又导致晶