（机械制造及其自动化专业论文）用于微流控芯片的压电薄膜微泵研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 微流控芯片分析是微全分析系统或芯片实验室领域中的重要组成部分，它以微机电 技术为基础，以微通道网络为结构特征，辅助以微泵、微阀等微流控功能器件，通过对 微流体的操纵和控制，目标是在芯片上实现分析实验室的所有操作，包括取样、试样引 入、前处理、反应、分离和检测等，且可多次使用，因此具有高自动化水平和更广泛的 适用性。微泵是微流体系统的核心部件，是实现微流量供给的动力组件，能精确的传输 微小流量，而受到特别重视，因此，微型泵具有广阔的应用和发展前景。 本课题以用于微流控芯片的压电薄膜微泵为研究对象，完成了对圆形压电薄膜片和 无阀微泵的制备以及优化设计，并以芯片型实验室为应用目标，将无阀微泵作为自动换 样与清洗装置与微流控芯片实现结构及工艺的一体化集成。具体展开的工作主要有以下 几个方面： 1 ) 圆形压电薄膜片的制备以及结构参数优化。本文研究了水热合成法制备p z t 压电 薄膜的工艺过程，并利用水热合成法制备了圆形压电薄膜片。同时，本文还利用有限元 软件a n s y s 对圆形压电薄膜进行了静态和模态分析，并在此基础上对其结构参数与驱动 性能之间的关系进行了仿真分析，为压电薄膜片特征尺寸的选择提供了理论依据。 2 ) 无阀压电微泵的理论分析以及结构参数优化。对无阀微泵的工作原理和流动特 性进行了理论分析，为微泵结构尺寸的选择提供了理论依据。同时，利用a n s y s1 0 版本 的m f x a n s y s c f x 技术，完整地考虑了结构和流场之间的相互影响，实现了对无阀 微泵的多物理场分析，研究了无阀微泵的流体动态特性，并在此基础上对微泵的结构参 数与流量之间的关系进行了仿真分析，通过实验验证，证明了仿真的正确性。 3 ) 集成微泵式微流控芯片的加工与性能测试。介绍了集成微泵式微流控芯片的工 作原理、结构设计、制造工艺以及性能测试。并成功应用于维生素b 2 样品的自动连续换 样和毛细管电泳分离。 关键词：水热法；圆形压电薄膜片；无阀微泵；微流控芯片 面向微流控芯片的压电薄膜微泵研究 s t u d yo np i e z o e l e c t r i ct h i nf i l mm i c r o p u m pf o rm i c r o f l u i d i cc h i p a b s tr a c t m i c r of l u i d i cs y s t e m sa r ei m p o r t a n te l e m e n t so fam i c r ot o t a la n a l y s i so ral a b o n a c h i p i ti so nt h eb a s i so fm e m st e c h n o l o g y ，u s i n gm i c r oc h a n n e l sn e ta ss t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ， a c h i e v et h ef l u i dm a n i p u l a t ea n dc o n t r o lb ym i c r op u m p sa n dm i c r ov a l v e s ，w h i c ha i m st o p e r f o r m a l lk i n d so fo p e r a t i o n s s u c ha ss a m p l ei n t r o d u c t i o n ，p r e t r e a t m e n t ，r e a c t i o n ， s e p a r a t i o na n dd e t e c t i o no p e r a t i n ga n dc a nu s em a n yt i m e s s i n c ei th a sm o r ea u t o m a t i cl e v e l a n dm o r ea b r o a da p p l i c a b i l i t y m i c r o p u m pi st h ec o r ec o m p o n e m so ft h em i c r of l u i d i c s y s m t e m w h i c h c a l lr e a l i z et h em i c r of l u xt oc o n t r o la n do u t p u t s o i th a sa b r o a d a p p l i c a b i l i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，c i r c l ep i e z o e l e c t r i cf l i ma n dp l a n n a rm i c r op u m pa sw e l la sm i c r o f l u i d i cc h i pi m e r 黟e dm i r op u m pa r ei n t r o u c e d c i r c l ep i e z o e l e c t r i cf i l ma n dp l a n n a rm i c r o p u m pa r ep r e p a r e da n di t ss t r u c t u r ea r eo p t i m i z e d i no r d e rt o r e a l i z et h el a b o n - c h i p a p p l i c a b i l i t ya i m s ，t h em i c r op u m p ，a sad e v i c ef o ra u t o m a t i cs a m p l ee x c h a n g i n ga n d w a s h i n g i si n t e g r a t e dt o t h em i c r of l u i d i cc h i p n l ew o r k sc a r r i e do u tc a nb em a i n l y s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) p r e p a r a t i o no fc i r c l ep i e z o e l e c t r i cf l i ma n di t ss t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ep r o c e s so fp z tt h i nf i l m sp r e p a r e db yh y d r o t h e r m a lm e t h o d t op r e p a r e c i r c l ep i e z o e l e c t r i ct h i nf i l mw i t hg o o dp e r f o r m a n c ea n da d a p t a t i o nt ot h em i c r o a s s e m b l y ， t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h es i z e so fs t r u c t u r ea n di t sd r i v m gp e r f o r m a n c ea r es i m u l a t e db y f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) s o f t w a r ea n s y s t h em o d ea n a l y s i sf o r t h ec i r l c e p i e z o e l e c t r i ct h i nf i l mi s m a d et oa n a l y s i st h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ef r e q u e n c ya n d a c c o r d i n g l ys h a p ec h a n g e e v e n t u a l l y ，p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o rw i t ht h eb e s td r i v i n ga b i l i t yi s p r e p a r e d ( 2 ) p i e z o e l e c t r i cv a l v e l e s sm i c r o - p u m pt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，p r o t o t y p ep r e p a r a t i o na n d i t ss t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na r es t u d i e d 。n l ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em i c r o - p u m pa n d m i c r o p u m p f l u i df l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c h p r o v i d e s at h e o r e t i c a lb a s i sf o rc h o i c eo f m i c r o p u m pb a s i cp a r a m e t e r s i st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h em u t u a li n f l u e n c eb e t w e e nt h e s o l i da n df l u i df i e l di sc o n s i d e r e db ym f x - a n s y s c f xt e c h n o l o y go fa n s y s10e d i t i o n ， a c c o r d i n g l y ，t h em u l t i p h y s i c sf i e l da n a l y s i so ft h ev a l v e l e s sp u m pi sr e a l i z e d ，t h ef l u i d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a l v e l e s sp u m pa r ea l s or e s e a r c h e d w ea l s om a k eu s eo ft h e m f x a n s y s c f xt e c h n o l o g yt on u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n dg e to p t i m i z a t i o np a r a m a t e r so f i l t h ea n g l e ，t h em i n i n a lw i d t h ，l e n g t ho fd i f f u s e ra n dt h eh e i g h to ft h ec h a m b e ra n dg e tt h e o p t i m i z ep a r a m e t e r s f o rv a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so f t h es i m u l a t i o n ，w ep r e p a r e dt h ep h t o t y p e t or e 嬲e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed r i v i n gv o l t a g e ，w o r k i n gf r e q u e n c ya n dt h ef l o w r a t e ( 3 ) t h ef a b r i c a t i o na n dp e r f o r m a n c et e s t i n go ft h em i c r of l u i d e ic h i pw i t hm i c r o v a l v e l e s sp u m pi sp r e s e n t e d t h ep r i n c i p l e ，s t r u c t u r ed e s i g n ，m a n u f a c t u r e ，p e r f o r m a n c et e s t i n g o ft h i sc h i pa r ep r e s e n t e d t h es y s t e mi ss u c e s s f u l l ya p p l i e df o ra u t o m a t i ce x c h a n g es a m p l e a n ds e p e r a t i o no fv a t i m i nb 2 k e yw o r d s ：h y d r o t h e r m a lm e t h o d ；c i r c l ep i e z o e l e c t r i c t h i nf i l m ；m i c r ov a l v e l e s sp u m p ； m i c r of l u i d i cc h i p i i l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：岛堂乞日期：迦墨：笸：笪 面向微流控芯片的压电薄膜微泵研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：亳堕立 作者签名： 嶝坚型 翩虢圭牛 堕年月苴日 面向微流控芯片的压电薄膜微泵研究 1绪论 1 1压电微泵微驱动器 微泵驱动方式有压电、形状记忆合金、磁性流体、静电等。这些驱动方式各有特点， 但从响应速度、结构紧凑性和输出功率的角度考虑，压电驱动的特点更为突出。 1 9 9 0 年s t a n f o r d 大学的s m i t s 和w a l l m a r k 1 】对压电薄膜驱动的蠕动泵进行了研究， 流量3 u l m i n ，工作电压8 0 v ，工作频率1 5 h z ，其结构如图1 1 所示。 图1 1 蠕动式压电微泵 f i g1 1p e r i s t a l s i sp i e z o e l e c t r i cm i c m p u m p 1 9 9 3 年瑞典学者e r i ks t e m m e l 2 1 - 首次提出利用收缩管扩张管制作无阀压电微泵，该 泵采用收缩管扩张管结构来调节流体的流动方向，取消了普通的机械式单向阀，如图 1 2 所示。该微泵利用直径1 6 m 如压电振子，在工作频率为1 0 0 h z 左右时，最大输出流量 为1 6 m l m i n ，最大输出压力1 9 6 k p a 。 1 9 9 7 年瑞典a n d e r so l s s o n 3 制作了双腔室微泵，利用实物对微泵进行研究，取得了 不少研究成果。在驱动电压1 4 5 v ，频率3 k - - 4 k h z ，最大流量为2 3 m l m i n ，背压达到 7 4 k p a ，如图1 3 所示。 泵赝 压电片 图1 2 无阀压电微泵 f i g1 2v a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cm i c r op u m p 图1 3 无阀压电微泵 f i gi 3 v a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cm i c r op u m p 1 9 9 8 年吉林工业大学压电驱动技术研究室提出的一种无阀压电泵【4 】，如图1 4 所示。 它是利用收缩管扩张管取代了普通的机械式单向阀，用圆形复合型压电振子驱动。 图1 4 无阀压电微泵 f i g1 4v a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cm i c r op u m p 2 0 0 0 年吉林大学的吴博达【5j 设计的平板式无阀压电泵，以铝为泵体材料，采用的阀 门为锥形阀，如图1 5 所示。当锥形角在5 。1 2 。之间，工作在1 9 h z 下时，所制作的压 电泵具有较佳的工作性能。当锥形角为11 3 0 ，工作频率为1 9 h z ，驱动电压为1 2 0 v 时， 泵的进、出水口处的压力差为2 3 5 2 p a 。 目前，随着国内外对无阀压电泵研究的深入，其性能也不断提高。但是，无阀压电 微泵远远没有商业化和产业化，目前还处于实验研究阶段。现在研究和使用中的微泵存 在着许多问题，其中包括驱动部件、泵体材料的选择和加工等问题。因此，选择驱动性 能优良的执行部件和易于加工的材料作泵体将成为微泵产业化的必要条件。 面向微流控芯片的压电薄膜微泵研究 雎膏囊子 c ，爱骑嫱掩承毫誓 l 蚺i r 麓街几何芳执 图1 5 平板式无阀压电泵 f i g1 5f l a tv a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m p 1 2 微流体控制功能部件的集成化 目前，有关微流控芯片中微流体流动，相关的传质理论及各种材质芯片的加工技术 的研究，已有了相当的基础，但要真正实现芯片的微全分析，必须尽可能地减少对外围 设备和检测系统的依赖，微系统的集成化便是必由之路。因此，微流控芯片分析系统目 前的主要发展趋势之一是建立集成化的芯片系统，即实现在一块芯片上包含常规实验室 中众多的必需组成部分以及相关的功能；将分析体系中微流体流控，电子元器件，机械 部件，各种物理、化学或生物化学工程及相应的检测装置集成在一个芯片系统上。因为 微流控系统的集成化是一个十分复杂的系统，本章将简要概述微流体控制功能部件的集 成化的发展情况。 1 2 1集成加热元件的p c r 微芯片 要实现整个微流控分析系统的微型化功能，在芯片上进行微流体控制功能部件的集 成化具有重要意义。 图1 6 中所示为进行p c r 扩增的旋转形微流控芯片系统【6 】，该芯片有p d m s 材质加 工而成，其中集成了流体通道、控制通道以及三个温度区的加热元件。该芯片系统只需 消耗1 2 n l 样品即可完成p c r 过程。上层的控制通道起蠕动泵和微控制阀的作用，作为 液流驱动系统，而处于中间层的流体通道则用于进行p c r 扩增反应，底层的玻璃片上 通过溅射技术集成了加热元器件。准确控制反应系统中三个温区中的温度是实现p c r 大连理 i 大学硕十研究生学位论文 扩增的重要因素，该系统通过负载到加热元件上的电流与直接测得的通道中的溶液温度 之间的关系可实现体系中温度的控制。 图1 6p d 、i s 微流控芯片 f i g1 6t h ef l u i d i cc h i pm a d ei np d m s 1 2 2 集成微型阀并, d d n 热、温控元件的微芯片 l i u 等设讨了一种集p c r 扩增、d n a 杂交及杂交洗涤功能于一体的一次性使用的 芯片装置，在信用卡大小的j 芯片上集成了所有的反应通道、储液池及加热装置 7 1 。 图1 7 集成微型阀和温控元件的微流控芯片 f i g1 7t h ef l u i d i cc h i pw i t hm i c r ov a l v e sa n dt e m p e r a t u r ec o n t r o lc o m p o n e n t 避 蓬 面向微流控芯片的压电薄膜微泵研究 该集成芯片系统用聚碳酸酯由c 0 2 激光器微加工而成，采用热封接和胶黏封接相结合的 方式进行封接。微通道结构及集成的加热、液流驱动等元件如图1 7 所示。 该系统的特点是采用了一种基于p l u r o n i c s f l 2 7 材料的相变阀以控制液流的一次性导 通。该材料在o 一5 。c 低温条件下是低粘度液体，而在室温下则形成固相液晶凝胶并可承 受足够的压力。因此，用该材料制成的微阀可将反应液体保持在反应室中实现p c r 扩 增，而当温度降至大约5 度时，该材料液化而不在具有承受压力的能力，此时，阀开通， 并使经扩增的试样进入杂交通道。通道中的试剂输送由连接在芯片系统中的注射泵完 成，p c r 芯片中的加热和冷却则有珀耳贴控制。 1 2 3 集成微流控功能部件的微芯片 图1 8 为q u a k e 等报道的- , e e 压力控制的集成化微- 心- h - 片细胞分离分析器。该芯片 用p d m s 材料制得【8 j 。上面集成了一系列微流控功能，包括蠕动泵、节气阀、开关阀以 及输入输出口等。整个系统由两层组成，上层含阀和泵的控制线路，下层为流体线路。 流体通道宽为3 0 u m ，呈锥形而逐渐缩小，至t 接合处降为6 u m 。系统中集成有流体孔 用于引入细胞样品和缓冲液，另有直径为1 m m 的收集池。三个集成在芯片上的蠕动泵 的有效工作面积为8 0 u m * 3 0 u m ，相邻两泵间的距离为1 0 0 u m 。- - q 、尺寸相同的节气阀 紧挨着蠕动泵以消除泵液过程中的流体扰动。三个开关阀的有效工作面积分别为2 0 2 0 u m 、3 0 u m 3 0 u m 和5 0 5 0 u m 。系统中所集成的微型阀可控制的有效体积可小到1 p l 。 图1 7 集成化细胞分离器 f i g1 7t h ei n t e g r a t e dc e l ls e p a r a t o r 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 2 4 存在的问题 目前我国对微流控系统的研究处于起步阶段，主要由高校及其科研机构进行原理、 工艺及样机的基础性研究，尚未形成产品。当前最主要的问题集中在三个方面，即加工 工艺、检测方法及系统集成。 微流控系统的集成问题由来己久，我国在m e m s 研究初期曾研究过多种微流控器件， 包括微泵、微阀、微喷等，但是这些功能器件始终没有得到很好的应用，究其原因，一 方面是因为在这些器件的研究过程中缺乏应用指导，研究侧重于器件功能的实现与工艺 研究，另一方面，在微流控器件的结构设计与加工工艺的思路方面没有考虑集成化应用 的需要，因此，很多样机研制成功后在结构设计方面或在制造工艺方面都不具备集成化 应用的条件。 1 3 本文主要工作 本课题以用于微流控芯片的压电薄膜微泵为研究对象，完成了对圆形压电片和微型 无阀泵的制备以及优化设计，并以芯片型实验室为应用目标，将微型无阀泵作为自动换 样与清洗装置与毛细管电泳芯片实现结构及工艺的一体化集成。具体展开的工作主要有 以下几个方面： ( 1 ) 圆形压电薄膜片的制备以及结构参数优化。本文研究了水热合成法制备p z t 薄膜的工艺过程，并利用水热合成法制备了圆形压电薄膜片。同时，本文还利用有限元 软件# d q s y s 对圆形压电薄膜的结构参数与驱动性能之间的关系进行了仿真分析。 ( 2 ) 无阀压电微泵的理论分析以及结构优化设计。对无阀微泵的工作原理和流动 特性进行了理论分析，为微泵结构的尺寸选择提供了理论依据。同时，利用a n s y s1 0 版 本的m f x a n s y s c f x 技术，完整地考虑了结构和流场之间的相互影响，实现了对无阀 微泵的多物理场分析，研究了无阀微泵的流体动态特性。 ( 3 ) 集成微泵式毛细管电泳芯片的加工与性能测试。首先介绍了集成微泵式电泳 芯片的工作原理、结构设计，重点介绍了无阀微泵作为自动换样及清洗装置的设计方案 与集成工艺的研究。 面向微流控芯片的压电薄膜微泵研究 2 圆形压电薄膜的制备及优化设计分析 2 1水热法制备p 7 t 薄膜 利用水热法在钛基板上生长p z t 薄膜是由东京工业大学的k s h i m o m u r a 【9 】等人于 1 9 9 1 年首次提出的。其原理是：在高温高压的反应釜中，t i 基板与包含p b 2 + ，z ，和 t i 4 + 离子的碱性前驱液发生化学反应，并在t i 基板上生长p z t 薄膜。p z t 薄膜的生长 是在高温高压的条件下进行的，并经过两个过程：成核过程和结晶生长过程。相对于其 他制备p z t 薄膜的方法，水热法具有如下优点【lo 】： 因其在水溶液中生长，因此p z t 薄膜可以制作在三维结构的表面； 薄膜厚度可通过结晶过程的重复次数来控制： 薄膜生长温度低( 低于2 0 0 c ) ； 薄膜可以自发极化，不需要退火处理等。 2 1 1 水热合成法制备p z i 薄膜原理 水热法制备薄膜有两种方法：( 1 ) 溶液中的基体参与反应。这种情况下制备的薄 膜与基体的粘着力较强，但因为基体可以参与反应，难以控制生成薄膜的化学成分。( 2 ) 溶液中的基体不参与反应，生成的薄膜化学成分容易控制，但基体与薄膜之间的粘着力 相对较弱。因此，一般将制备p z t 薄膜的过程分为两步：成核过程和结晶过程，通过这 两个过程制备的p z t 薄膜具有较好的粘着力和化学成分比【1 1 1 。 p z t n o n ( a ) 结核过程( b ) 晶体生长过程 图2 1 水热合成法p z t 薄膜 f i g 2 1s c h e m eo ft h eh y d r o t h e r m a lm e t h o df o rp z tt h i nf i l m 水热合成法制备p z t 薄膜的两个过程均在高温高压的反应釜中完成。第1 步为成核 过程，钛基板与前驱物溶液中的p b 离子和z r 离子反应，在基板表面生成p z t 或p t 核， 在水热反应的开始阶段，p z t 中的t i 大部分来自基板。第2 步为p z t 晶体生长过程， 7 大连理工大学硕士研究生学位论文 己成核的反应基板在含p b 、z r 和t i 离子的前驱物溶液中反应，第2 步可以不断重复， 来获得不同厚度的p z t 薄膜。图2 1 为水热合成法制备p z t 薄膜反应示意图。 水热合成法制备p z t 薄膜的主要原材料有钛，锆的醇盐和硝酸铅等。这些化合物溶 于水溶液中，生成t i 2 十、z r 4 + 、p b 2 + 离子，k o h 作为催化剂。水热合成法反应的基本原理 如下： 氢氧化钾：k o h 叶k + + o h 。 硝酸铅： 氧氯化锆： 钛： p b ( n 0 3 ) 2 - - + p b 2 + + 2 n o 3 p b 2 + + 2 0 h _ h + + h p b o 2 z r o c l 2 一z r 0 2 + + 2 c 1 z r 0 2 + + 4 0 h 。一时+ z r ( o h ) 。5 t i “o h 一t i ( o h ) 4 四氯化钛：t i c l 4 + 4 0 h 。_ t i ( o h ) 4 “c 1 混和溶液反应： h p b o 2 + 0 5 2 z r ( o h ) s + 0 4 8 t i ( o h ) 4 p b ( z r o s 2 t i o 4 8 ) 0 3 + 2 h 2 0 + 1 5 2 0 h 。 2 1 2 水热合成法制备工艺 在水热合成p z t 晶粒过程中，常用的原料主要有硝酸盐、氯化物、氧氯化物、醋酸 盐、氢氧化物等，其制备工艺过程可分为3 个步骤。 实验前处理 先用超声波去离子水清洗钛基板，去除表面的杂质，再用硝酸清洗，对钛基板进行 氧化处理，最后再用去离子水清洗。平均每个过程1 0 分钟左右，这样就可以获得干净、 被氧化的钛基板。 反应前驱液的制备 由市售的分析纯试剂原材料，如硝酸铅( p b n 0 3 ) 、八水氧氯化锆( z r o c l 2 8 i - 1 2 0 ) 、 四氯化钛水溶液( t i c h ) 等，按比例配制反应前驱液，并对硝酸铅水溶液进行均匀搅拌， 使其充分溶解。在前驱物中加入适量的强碱( k o h 或n a o h ) 作为矿化剂，来调节反应 溶液的酸碱度。最后对混合水溶液进行均匀搅拌，搅拌时间不少于3 0 分钟。 水热反应 8 面向微流控芯片的压电薄膜微泵研究 将配制好的前驱液放入反应釜中，填充度控制在8 0 左右，同时，也将t i 基板放入 其中，然后，在恒温箱中进行加热，并通过自动控制仪来控制合适的反应温度、压力及 反应时间，使反应顺利进行。 薄膜后期处理 水热反应完毕后，将控制温度与压力快速降为常态后，开釜取出压电片，进行洗涤、 干燥等处理，即得所需的p z t 薄膜。 经过上述步骤就可以制得一定厚度的p z t 薄膜，薄膜的厚度可以通过重复结晶过程 的次数来控制。 2 1 3t i c l 4 浓度对p z t 成分的影响 在水热法制备p z t 压电薄膜的过程中，有很多因素如：溶液的配制顺序，成核和晶 体成长的温度和时间，k o h 的浓度，溶液中z r t i 的浓度比等都对p z t 薄膜的成分有 重要的影响。在此，本文以压电双晶片为研究对象，重点研究了在其他条件一定的前提， 晶体成长过程中，t i c l 4 浓度对p z t 成分的影响。 ( 1 )当t i c l 4 的浓度为0 2 4 m o l l 时 将成核2 4 小时的p z t 薄膜取出后，在k o h 的浓度为4 m o l l ，晶体成长温度为 1 2 0 。c ，z r 的浓度为1 2 m o l l ，晶体成长两次( 4 8 小时) 后，利用x 射线衍射仪获得的 衍射图谱，如图2 2 所示。从图中可以看出，p z t 薄膜在2 臼为3 0 5 0 0 。，4 3 5 2 3 。和2 1 4 2 0 。 都出现了特征峰，通过软件j a d e 5 0 分析得到此时三强锋分别为p b ( z r 0 7 9 6 t i 0 2 0 4 ) 0 3 p z ，p b ( z r 0 8 7 1 t i 0 1 2 9 ) 0 3 ，如图2 3 所示。此时，p z t 压电双晶片中z r t i = 3 9 。 爨 l l - i “九山， 图2 2p z t 薄膜的x r d 图谱 f i g 2 2x r d o fp z tt h i nf i l m 人连理一r ：大学硕士研究生学位论文 2 t h e r a p h a s e l d i 幽 ! 圣 4 1 4 3 23 2 1 29 2 6 39 69 23 8 3 51 47 20 8 0 32 09 18 5 3 61 2 1 2 t h e ! a 2 14 2 s 3 05 2 3 3 76 2 8 4 34 6 5 4 9 1 口9 d e l t a 00 1 3 9 00 2 4 00 1 0 d0 5 3 o0 0 8 2 14 2 0 3 05 0 0 3 76 1 8 4 35 2 3 4 9 1 1 7 5 30 3 8 5 4 16 0 6 34 3 8 g 75 8 7 7 06 4 3 4 14 4 8 29 2 8 5 23 8 9 1 20 7 7 6 18 5 3 3 17 2 5 2 16 9 2 1 14 6 5 1 13 8 4 9 13 3 2 3 5 2 75 58 9 4 410 0d 7 984 6 2 36 60 6 56 9 7 5 79 1 6 417 4 4 4 4 7 3 03 2 13 6144 p b f z f 08 7 1t i 0 12 9 1 0 3 p b i z f 07 9 6 t i 02 0 4 1 0 3 p b j z r 08 7 1tj 01 2 9 1 0 3 p b z r 0 3 p b f z 08 3 8 t i 016 2 1 0 3 p b | z f 07 9 6 t i o2 0 4 ) 0 3 p b f z f 08 3 8 t i 016 2 1 0 3 p b z r 0 3 p b | z f 0 3 1 6 9 2 31 66 4 6 6 192 3 8 5 005 3 3 4 ( ?0 7 5 4 15 1 6 33 9 0 6 75 8 3 7 05 4 1 - 00 0 8 00 4 8 00 0 4 0 1 0 3 图2 3p z t 薄膜的z r t i 组成 f i g 2 3z r t io fp z tt h i nf i l m ( 2 ) 当t i c l 4 的浓度为4 8 m o l l 时 将成核2 4 小时的p z t 薄膜取出后，在k o h 的浓度为4 m o l l ，晶体成长温度为12 0 ， z r 的浓度为1 2 m o l l ，晶体成长两次( 4 8 小时) 后，利用x 射线衍射仪获得的衍射图 谱，如图2 4 所示。从图中可以看出，p z q - 薄膜在2 0 为3 0 3 6 5 。，4 3 5 4 。和2 1 3 8 0 。都出 现了特征峰，通过软件j a d e 5 0 分析得到此时三强锋分别为p z ，p z ，p b ( z r 0 9 t i o 1 ) 0 3 ， 如图2 5 所示。可以看出，此时p z t 几乎没有怎么生长。 图2 4p z t 薄膜的x r d 图谱 f i g 2 4x r do fp z tt h i nf i l m 43 10 6 028 7 7 0 7 82 10p b z _ f 0 3 5 3 75 0 123 9 6 3 2 25 9p b z f 0 3 1 6 3 75 7 223 9 192 0 54p b z _ 0 3 74 35 4 020 7 6 9 3 4 59 27p b z f 0 3 8 4 83 0 418 6 0 9 3 81 02p b z t 0 3 94 94 7 5 18 4 0 72 05 4p b z r 0 3 i 1 0 5 29 8 517 2 6 8 5 1137 2p 。5 4 249 23 9 5 11 0 1 23 9 2 3 1 29 20 8 0 32 09 18 6 0 7 8 3 18 3 9 017 l 刘2 5p z t 薄膜的z r t i 比成分 o 3 11 1 4 3 75 2 1 3 75 6 6 4 34 6 5 4 8 9 1 0 4 35 2 4 02 5 5 00 2 0 00 0 6 00 7 5 00 0 6 00 4 9 # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 熬 a u 9郇一d一嘎0煦肌蓉；”一a 如 。一2 0 l n 一1 4乏一口， 一5 0必m 呲一小2 | n丽 吣一盯。煦器 p p p 名一74唑臻他 藿| i一 格器m | 瑚瑚埘一到加 # 一1 2 3 面向微流控芯片的压电薄膜微泵研究 卜i g 2 5z r t 1o lp z 】t h i nf i h n ( 3 ) 当t i c l 4 的浓度为2 4 m o l l 时 将成核2 4 小时的p z t 薄膜取出后，在k o h 的浓度为4 m o l l ，晶体成长温度为1 2 0 。c ， z r 的浓度为1 2 m o l l ，晶体成长两次( 4 8 小时) 后，利用x 射线衍射仪获得的衍射图 谱，如图2 6 所示。从图中可以看出，p z t 薄膜在2 臼为3 0 4 6 2 。，4 3 5 4 。和5 4 0 9 9 。都出 现了特征峰，通过软件j a d e 5 0 分析得到此时三强锋分别为p b ( z r 0 8 3 8 t i 0 1 6 2 ) 0 3 p b ( z r 0 9 t i 0 1 ) 0 3 ，p b ( z r 0 3 ) ，如图2 7 所示。此时，p z t 压电双晶片中z r t i = 5 1 7 。 图2 6p z t 薄膜的x r d 图谱 f i g 2 6x r d o fp z tt h i nf i l m 堡l 呈三垒曼! 宴 ! 堕j ! ! ! ! 旦堑丝l j 羔t 旦j 煎! ! 旦l 堂i 一+ 蚤。_ l j l 型坦! 旦l 皇堕j 12 1 4 3 74 1 4 1 54 2 2 58p b r z r o 8 7 1t i 0 12 9 1 0 34 14 3 23 2 1d 122 1 4 2 3 d0 0 9 ；盟! 量2 ；塑；! ! i 曼! q ! ：旦皇垒屋幽i 呈工幽固旦王i ：墅至：! 墨：至j旦! 量旦：坦：! ：旦墼 33 57 2 425 1 1 39 3 5 7 1 p b f z t 0 3 j 25 0 7 7口21 r 一丁弼两f 1 丽可 糍5 40 9 翳9 盟6 9 3 8 等3 7 科4p 幽b z t o 盟3 盟蒜 器斗基勰616 1。1 百再r 1 豇r 丁_ r r 蟊面写f _ i ! 而面 76 31 7 014 7 0 72 4 14 7p b z r 0 314 7 1 04 4 0806 31 5 4 0 0 1 6 8 7 0 f f i13 3 3 31 7104 p b z r 0 3 13 3 4 0o 7 0267 05 4 1 口0 4 0 97 1 7 161 3 1 5 0 2 112 3 f b 眨r 0 3 13 1 4 349 3627 17 f 3 000 4 4 图2 7p z x 、薄膜的z r , t i 比成分 f i g 2 7z r t io fp z t t h i nf i l m r 4 )当t i c l 4 的浓度为1 2 m o l l 时 将成核2 4 小时的p z t 薄膜取出后，在k o h 的浓度为4 m o l l ，晶体成长温度为1 2 0 。c ， z r 的浓度为1 2 m o l l ，晶体成长两次( 4 8 小时) 后，利用x 射线衍射仪获得的衍射图 潜，如图2 8 所示。从图中可以看出，p z t 薄膜在2 0 为3 0 5 3 9 。，4 3 5 6 3 。和5 4 3 9 5 。都出 现了特征峰，通过软件j a d e 5 0 分析得到此时三强锋分别为p b ( z r 0 6 0 1 t i 0 3 9 9 ) 0 3 大连理工大学硕士研究生学位论文 p b ( z r o 6 5 2 t i 0 3 4 8 ) 0 3 ，p b ( z r o 7 t i o 3 ) 0 3 ，如图2 9 所示。此时，p z t 压电双晶片中 z r t i = 1 5 。 l 争蛳 特8 】1 lf 1 。l 7 。b u 舯。 珏执一k 趣一+ i j 眇一、嘲莉l k 抵螂州呐世灿“脚州二 、。+ 知 图2 8p z ，l 薄膜的x r d 图谱 f i g 2 8x r d o fp z tt h i nf i l m l 兰上逃旦l ! 咀i 。! ! 呦型堕l 。! 兰l 曼! ! i ! 吐 自幽l 一上，上咀上l l l i ：! b 盥jq ! 幽 12 1 4 134 1 4 6 22 01 29p b i zr 0 7 t i 03 1 0 34 1 4 6 52 1o0122 1 ，4 12 00 0 1 23 05 3 92 9 2 4 815 51 0 0dp b i - 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