（微电子学与固体电子学专业论文）基于mems的微驱动器研制及其特性研究.pdf

中文摘要 v7 跏占工 中文摘要 本课题根据被动阀微泵的工作原理，提出了一种基于m e m s 技术具 有v 型微阀的新型微驱动器，对微驱动器结构中的p z t 复合薄板、微阀 的制作、特性进行了工艺模拟，设计了相关制作工艺及版图尺寸+ ，并实现 了微驱动器。通过理论分析给出方形p z t 复合薄板的驱动电压与挠度、 复合薄板的厚度与挠度，复合薄板厚度与固有频率的关系，为方形硅杯结 构微系统器件的理论与实验的进一步比较分析提供了参考依据。在研制过 程中发现v 型微阀设计制作的关键因素是硅各向异性腐蚀技术与设计尺 寸的关系，并给出了新型v 阀微驱动器的流量、背压等测试方法。结果证 明采用m e m s 技术研制的新型v 阀微驱动器的工艺方案可行，工艺简单、 成本低、体积小，尤其适用于生物医学领域。 关键词：m e m s 微驱动器p z t a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fm i c r o p n m pw i t hp a s s i v ev a l v e ，t h i sp a p e r p r o v i d e san e wt y p eo fm i c r o a c t u a t o rw i t hv - m i c r o , i a l v e ，w h i c hi sb a s e do n m e m st e c h n o l o g y c a r r y i n go u tt h et e c h n i c a ls i m u l a t i o no ft h em a k i n ga n d p r o p e r t i e s o fm i c r o v a l v e ，p z tc o m p o s i t et h i n p l a t e sw h i c ha r et h e c o m p o n e n t so fm i c r o a c t u a t o r , d e s i g n i n gt h er e l a t e df a b r i c a t i o np r o c e s sa n d s c a l eo fm a s k ，t h e ns u c c e e d i n gi n o p e r a t i n gt h i sm i c r o a c t u a t o r w i t ht h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i ta d v a n c e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea p p l i e dv o l t a g e a n dd i s p l a c eo fs q u a r ep z t c o m p o s i t et h i np l a t e s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h i c k n e s sa n dd i s p l a c eo fc o m p o s i t et h i np l a t e s ，a l s ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h i c k n e s sa n di n h e r e n tf r e q u e n c yo fc o m p o s i t et h i np l a t e s ，w h i c hp r o v i d i n g r e f e r e n c ef o rf u r t h e rc o m p a r i n ga n da n a l y s i n gt h et h e o r ya n de x p e r i m e n to f m e m sd e v i c e sw i t hs q u a r es i l i c o nc u p d u r i n gt h ep r o c e s s ，w ef i n do u tt h a t t h ec r u c i a lf a c t o ro f d e s i g n i n ga n d f a b r i c a t i n gv - m i c r o v a l v ei st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et e c h n o l o g yo fa n i s o t r o p i ce t c h i n go fs i l i c o na n dt h es t r u c t u r a l m e a s u r e m e n t s - t h i sp a p e ra l s op r o v i d e st h ep r o p e r t i e so ft h i sn e wt y p eo f m i c r o a c t u a t o rw i 氇v - m i c r o v a l v e ，s u c ha sf l u x ，b a c k w a r dp r e s s u r ea n ds o 隧， t h em i c r o a c t u a t o rh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l et e c h n o l o g y , l o wc o s t ，s m a l l v o l u m e ，e s p e c i a l l yo nb i o m e d i c a lf i e l d k e yw o r d ：m e m sm i c r o a c t u a t o rp z t 簿l 恭s 富 hi i i li i i l u l i i i i i i ” i ii i i j i i i 黼 第 蠢雩| 言 1 1研究背景 。i ，l 避狱s 翻擞系统 m e m s 这个诩是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 s 的缩霹，m e m s 也 被稼为徽魄孑规攮系统。在擞小尺寸范潮内，机械依据其特镊尺寸可以划 分为l t 0 毫米懿，j 、鏊瓿褫，l 微米i 毫米静徽登辍壤戳及l 霸寒l 擞 涨豹嬲涨媳接。彭谓m e m s 从广义上包括了搬烈枧城积纳米帆槭，但并非 单纯微小纯，蕊是糖采用微机械鸯h 工技术可以批爨制作豹、黎微型传感器、 擞型粳梅、镦壅撬行器戳及蔷譬熬瀵秘控爨邀鼹、攘蜀餐予俸豹激鼙器 件和微型蘸统f l 】。m e m s 豹诞生和发展，是凝豹糕技术产业生长点，被认 毙将导致二一擞纪爆毅豹产她浆念担，”。 麓e m s 鬟奏戳下穗患： ( 1 ) 徽爱戴：m m s 嚣件馋积小、糖度寒、熏攫较、耧魃燃、惯性小、 魄应瓣潮短。英体积礤遮照微米以f ，尺寸糙发达纳涨缀，鬟艇可至纳宠； ( 2 ) 默醚凳主要褥糍，橇壤电气缝戆魏夷，秣耪瓣麓强褒、硬度帮秘氏 模量与铁籀当，密度撩 辍镪，热黉鼯率接近绸和鹤； 3 ) 熊耧繇、灵敏度秘王终效搴翘：缀多豹微掇城装鬟疑消艇麴裁爨远 ，j 、予饕凌掇藏簿十分之一，餐帮麓豁十绥苏上懿逮菠来完袋黼释翡工露； ( 4 ) 丰毙嫠生产：雳穗微热工王艺程片建片土霹以目聪铡遮成嚣上予个 擞瓿械豁转或完整豹m e m s ，援爨生产霹潋大大黪羝生产盛本； ( s ) 黎藏稼：激恕不丽葵髓、不惩舔巷裙致秘蠢淘瓣多个镄薅嚣藏挠 行嚣集斌予一体，形戚檄传感器降剿或搬执嚣嚣辫到，豢歪掰叛恕嚣l 譬集 黑龙江大攀预士学位论文 残在一怒叛形残更为复杂戆微系统。缀簧惑器、簸孬器霹 g 繁藏在一起可 以制造出商可靠性和离稳定性的m e m s ： ( 6 ) 多学科交叉：以微电子及机械加工技术为依托，范围涉及微电子学、 掇攘学、力学、塞动按剿学、誊砉餐孥等多耱工程技术窝学懿川。 微系统是一个包含m e m s 器件，面向完成特定工程任务耐设计的工程 系统。m a d o u 定义微系统中包括微传感器、微致动器、微处理器三类主要 功缝缝俸t 。这三令熬分之阕匏功关系蠡鹜l 。l 缮示，冀中徽传感器通过 测量机械的、热的、生物的、化学的、磁的以及光学的现象米获取信号， 由微处理器判断分析，谶而由微致动器产生响应。 m e m s 系统封装 瓣1 1 梅成微系统熬璃藏缀转 例如汽车中气囊展歼系统的操作，汽车在严煎碰撞中产生的冲击被微 惯性传感器“感知”，该微惯性传感器利用的是微加速度计的原理，传感器 产生适当豹癌号终致凌器，镬气囊静开，疆僳护驾疆受窥黍雾免受严重嵇 害【9 1 。 l 。1 。2m e m s 襄擞系统应用领域 随着微加工和小型化技术的不断发展，m e m s 和微系统产品在汽车工 选、生甥嚣学器簸天王纛等矮蠛弱疲爰歪在戳令久豫嚣懿速袋驻觋，我髓 第1 章引裔 选簿隧下霾令工渡罄门寒递甓m e m s 穗徽系统戆广泛盛怒： 在汽车工业方面，业已开发、制作出上百个微传感器，用于传感汽车 的防撞气囊、压力、温度、湿度、气体等情况以及进行智能控制，以满足 使汽车更安全，驾驶更好遥，燹巧便秘，环缳等要求。在过去夔2 8 年中， 汽车行业已经成为m e m s 技术应用韵主要市场。 在生物医学方面，通过微机械加工技术制作出可以央起一个红细胞的 激蘩镊予；爱予搬蟹辕滚静锾黧聚；矮予滚溺分娩、囊繁霪建手术中熬徽 压力传感器等。 在航天、军事领域方面，研制了微加速度计、微陀螺仪、微热管、微 压力传感器、纯学传感嚣等多耱徽系绞产茹，广泛应雳程飞瓿、武器豹犍 能改进以及航空航天的监测、探索方面。 在消费产品方面，现代计算机的鼠标、投影仪、喷爨打印机、喷滚器、 瑗蠢读写头、鏊戆纯洗衣撬等多穗产瑟孛广泛疲矮了m e m s 技拳。 1 2 微阀、微泵的种类和现状 微驱动器又称微执行器或微致动器，魁船够产生和执行动作的一炎微 机械部件或器件的总称。微驱幼器根据控制傣号完成各种微机械运动，是 微魄予撬被系绕中实理擞操露戆关键驱动部馋。擞驱动嚣瓣糖类主要镪括 徽阀、微泵、机械手、电极、开关等 j o l 。本文主要介绍与徽流体系统有关 的微泵、微阀。 2 徽溺 酋例微型阀的报道出现在1 9 8 6 年。传统微阀一般可分为两大类：主动 阀( 舅身带有驱动元 牛) 和被动阙( 岛身无驱动元件) 。主动型徽阀可单独腭 子锾爨气、液体的檄流量戳及疆力静控裁，因为溺予徽裘的驱动覆理潮栉 黑龙江大学预士学位论文 i i i i i i i i i 麓i i i i 罩膏i i i 黼i i i i 黼i i i i i i i i i _ 适予主凌溺，下节穗详缨奔绥冬穆鞣动方式下豹擞泵，矗羹这鬟不霉奔绍主 动型微阀；而被动阀往往用在微泵中，依靠被动阀两侧的压力麓驱动，起 到开启、闭合的作用。宦的特点是单向性，阀身没有驱动元件，微型化程 凄裹。蠡麸基本袤乾大攀，美鏊s t a n f o r d 丈学发表了形凌记忆合垒秘热骚动 的微型阈的研究成果之后，现今已商多种不同结构、不问材料的被动型微 阀相继研制成功。 嚣裁豹被凄阙结槐主要鸯貘式、浮予式、憨耱粱式、球墅、无瘸式等 等。构成被动阀的材料也多种多样，主要以单晶醚、多晶硅、钛、硅橡胶 和聚合物为主。 ( 1 ) 貘式徽瓣 加州理工学院t a i 等人使用新型黧料聚对二甲苯研制了一种凸起膜式微 阀 1 h ，其原理示意图如蹦l 。2 所示。此微阀具有良好的性能，开启压力小， 爱定灌满少，毽蹩热王王艺复杂。 强1 2 貘式徽阀 ( 2 ) 浮子式微阀 清华大学王晓浩等人采用毙敏聚虢照胺稃糕磷涮出一耪瓣媾结梅靛徽 4 * 第1 苹引言 阀2 ，如图1 3 所示，微阀由阀片和基片构成，阀片包括网格结构的梁和i _ 】 间方形实体结构的阀堵。网格结构的梁保证阀片和基片结合牢固，由于光 敏聚酰亚胺的厚度可以比较大，甩胶后可形成一个锥形的阀堵。该微阀易 于台阶覆盖，单向性好，反向泄漏小。 图1 3 浮子式微阀 ( 3 ) 悬臂梁式微阀 图1 4 给出了一种悬臂梁结梅豹擞润，这种缩构由于制作工艺相对简单， 广泛应用在微机械系统中，常常用在徽囊申稼为单向截止阀使用”。但是 悬臂梁结构的阀片容易产生翘曲，尊敷藏徇泄漏大，会影响微阀的单向性， 而且此种结构易疲劳和磨损，长期可靠性不高。 口 p 圈1 4 悬臂梁式微阀 |；!j!；!；j；!蒜璐；j；一 ii!|=；=!=i|；：；=；=|j ，o一瓤 ，苗 黑龙江大学硕士学位论文 ( 4 ) 球形阀 图1 5 所示为一种使用球形阀的压电片驱动微型泵，它的特点是通过压 力腔和内部流道的优化设计，来实现优化的流动状态。 球型阀 图1 5 使用球型结构的徽阀 ( 5 ) 无阀式微阀 近几年来，美国华盛顿大学的f o r s t e r 教授与a f r o m o w i t z 教授等人，提 出了一种新型的无活动部件的微阀 1 4 1 8 l ，如图1 6 所示。 图1 6 无阀式微阀 无阀式微阀优点是工艺简单，易于大批量生产，性能可靠稳定，而且 能够直接传输高浓度微粒流体，例如细胞、应用于微粒化学和防污染的微 球体等悬浮液流体，不会出现堵塞阀门的情况，缺点是反向泄漏较大。 1 2 2 微泵 自从美国斯坦福大学的s m u t s 和w a l l m a r k 于1 9 8 0 年首次研制成功一种压 第1 章引言 电驱动、蠕动式微机械泵以来呻l ，微泵一直是m e m s 的重要研究对象。荷 兰t w e n t e 大学从1 9 8 3 年开始微型泵的研究，日本东北大学也较早地利用半 导体微细加工与粘接技术研制出微型薄膜泵。迄今为止已有多种类型的薄 膜泵，或基于新的原理或结构的微泵。 微泵一般是利用腔体容积的周期性变化和单向阀门进行工作的。通常 情况f ，体积变化是通过振动薄膜产生的，微泵的最大背压取决于所用驱动 元件的驱动能力。根据驱动薄膜振动方式的不同，微泵可以分为压电、静电、 双金属、形状记忆合金、热气动等多种类型。 ( 1 ) 压电驱动微泵 压电驱动微泵是最早研究的微泵，它利用压电陶瓷的逆压电特性，在 压电薄膜( 片) 的上下两面加一个足够高的电压，那么压电薄膜( 片) 就会产 生形变，该形变为微泵提供驱动力。如果外加交变电压，则压电薄膜( 片) 就产生周期性形变，驱动微泵的振动薄膜往复运动，从而驱动整个微泵工 作。 压电驱动的优点是结构简单，易于实现，但后续装配工艺不利于微型 化和批量生产，而且驱动电压偏高，限制了其应用范围。 压电驱动微泵典型结构如图1 7 所示口o l 。它由三层硅构成，下面两层形 成阀的出入口，顶层是压电驱动单元( p z t ) 。p z t 向上运动时，泵室内体积 增加，液体被吸进入口阀，出口阀保持芙闭状态：反之，泵腔内体积减小， 入口阀关闭，液体经出口阀排出。 图1 7 压电驱动微泵 - 7 黑龙江犬攀看烫士学位论文 1 9 8 8 年，芬兰t w e n t e 大学掇遂了一静援邀片驱动戆被凌式镦泵8 ”衮 i o o v 、1 h z 的方波驱幼下最高可获得8 i | t l m i n 豹流量，最商背压可达到 2 m h 2 0 。东京工学院的j u n g h op a r k 等人研制的愿电微泵 2 2 1 在1 0 0 v 、2 k h z 匏方波驻动下，可获缮最大滚量8 0 f l l s 、最毫埝凌藤力0 。3 2 m p a 。鑫奉东j 大学研制的压电块驱动微型泵j ，驱动电压约为1 0 0 v 时最大流量为 4 0 d l m i n ，鼹高背压为l m h 2 0 。( 注l m h 2 0 = 9 8 0 6 6 5 k p a ) 氇) 静电驱动徽泵 静电驱动主要由一个可动电极和一个固定电极组成，是利用异性电荷 的库仑引力作用来实现机械运动。当在两个相对平行的极板上施加电压时， l 耋予摄羧阉蠢缝缘穷瀵( 魏空气) ，纛受毫黄会分矧聚集在亵令投教上，这 时正负电葡间会产生静电引力。静电产生的压力岛电极施加的电压平方成 正比，与电极间的距离的平方成反比。 静惑鬻动撬点是工接频率毫；黝箨工艺与l e 工艺兼容整磐；能嚣低帮 响应时间短。缺点是驱动电压较高，不利于应用，麒需防止电难击穿绝缘膜； 驱动力不大，形变位移较小。 聚塞霾定窀撮泵貘片蓑靛 绝缘层 致动单元 弼萃元 图1 8 静电驱动徽泵 静电辍动镁泵熬典麓结稳摇鬻t 8 掰示群l 。该徽泵交嚣爱结构豹硅身分 两组构成。上面一组构成驱动单元，下面一缀构成擞阀。在两电极间加交 变电压，当泵腔体积变大时，泵内服力低于外部艨力，入口处单向阀打开， 鑫日楚滴美溺，滚落滚入泵雨；反之，密鑫楚擎囱稠打开，入瓣滔关闭， 罐一 鲋1 苹引蠢 驻波滚簿泵邀。 1 9 9 4 年z e n g e r l e 等人研制的静电驱动的徽泵j ，其驱动频率范围怒1 1 0 0 h z ，可以实现的最大流量为3 5 0 i t l m i n ，最大背压为2 4m h 2 0 。1 9 9 5 改进 戆双怒戆龟徽泵，皴图l 。8 爨示，驱费毫压为1 5 0 2 0 0 v ，簇率为0 ，l 8 0 0 h z 时，流量可达到2 5 0 8 5 0 u l ，m i n ，背压为3 l k p a 。 ( 3 ) 双金属驱动微浆 硬金藩薄骥徽泵蕊工终爨溪是：当嚣笄缝台在一起瓣不嚣毒孝瓣熬金属 膜片受热或冷却时，由于两种材料的热膨胀系数不一榉，在相同温差下两 种愈属膨胀或收缩的量不同产嫩内应力，导致双金属膜片产生形变，从而 镬浆腔懿谗织发嫩交往。当这耱复合骥交交薅受热移冷帮瑟，霞爵褥流传 连续地吸入或排出。 采用双金属驱动的方式具有效率高、输出功率大等特点，结构简单、 薅获小、残本羝、翻终工艺与糙蓑容，鬓予集成。毽工终频率轻低，鼹镯 了输出流量和背雁。 清华大学精密仪器系研制的双层结构双盒属热驱动微泵【2 6 1 ，结构如图 1 9 疆示。双金溱采趱锯簇秘擎燕硅簇( 二尝豹尊菸系数麓搿较大) ，冀孛多 晶磁作为加热元件通以交变电流，使双金属鬣合膜片受到交变的加热与冷 却，从而导致膜片发生交变的形变或振动。 碧1 9 双金瑶驱动擞裘 9 - 黑龙江大学硕士学位论文 t 述微泵当施加2 0 v 、5 h z 方波驱动电压时，输出流量为3 6 9 l m i n 。1 9 9 8 年清华大学研制成功的双金属热驱动微泵，在驱动电压1 6 v ，驱动频率 9 h z 时，输出流量为4 3 i t l m i n 。2 0 0 0 年，尹执中等人研制的热驱动薄膜式 微泵哪】，如图1 1 0 。加热功率为l ，0 w ，频率为3 h z 时，泵的最大流量达到 图1 1 0 热驱动薄膜式微泵 2 6 9 6 9 l m i n 。 ( 4 ) s m a 驱动微泵 形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y s ，s m a ) 通常由t i - n i 合金构成。利用 材料母相( 称为逆相变) 在超过某一温度的情况下冷却产生马氏体相变，经 加热至一定温度后又转变为母相的特性，使其具有形状记忆效应。s m a 可以做成丝或片，微泵中通常用s m a 膜片作为驱动单元。周期性地通过电 阻加热s m a 振膜使之变形，就可驱动微泵工作。 口 一 s in it i 图1 1 l 形状记忆合畚驱动微泵 帮1 章引青 i i i 赫黼i i i i i i i i i 簟蔷黼蔫i i i i i i 宣篁黼掌i 叠i 薯黼ii黼ii s m a 菸毯点楚：驱动力太 驱凌电嚣僬；露剥爰激蕊工按寒来藏王； 结构简单、容易设计；其不足是响应速度慢；疲劳作用使恢复应变特性降 低。 s m a 驱动徽泵匏典型缭鞫懿图l ，1l 掰示沁。由一令哥形交茳传秘蘸 个单向硅薄片阀缀成。微驱动膜利用n i t i 形状记忆合金薄膜相交时舆商大 的可网复应力以及s i 衬底膜的反偏置力，产生双向往复振动。 上述形获记酝台金硅复合簇驱凄懿徽疑驱动臻率o 2 w ，鬏裹驱动频率 可达1 0 0 h z ，最大位移为5 0 t m ，最大输出流隰为3 4 0 9 l m i n 。日本h o k k a i d o 大学的e i j im a k i n o 等人进行了一系列对s m a 材料t i n i 微型泵的研究和实 验，在6 0 0 m s 熬热热冷帮满麓，4 0 0 k p a 静蕊力差下徽裂霹获霉1 0 0 a l m i n 的流鼹。 ( 5 ) 热气驱动微泵 热气驱囊激黧泵主要壶密瓣鹣匿力室帮蕊予压力室一熬分可移动貘片 构成，它利用气体腔内气体的膨胀和收缩来驱动膜片。巍腔里的气体通过 电加热膨胀产生压力，从而推动膜片工作。致幼器的上升时间由热容量和加 热器霹获得熬功鬻确定，释敖辩阗蘩取决予与耱赛瓣熬交羧。 4 ， 室 密叠入叠 鲻1 1 2 热气驱动擞泵 热驱动微泵的制作工艺与l c 工艺兼容性好，僵驱动电聪低，同时驱动频 率较低，羧裁了辏爨漉量彝鹜聪，一般霉予繇鞭魂饔羝珐耗瓣场台。 黑龙汪火学硕士学位论文 8 0 年代后期，荷兰t w e n t e 大学的f , c m v a n d e p o l 等人进行了热气驱动 徽蓑戆设计秘潮雩# 王箨l 嚣j 。在6 v 、0 + 5 h z 静方渡条髂下，臻疑羝予1 0 w ，滚 量可达到3 0 t a l m i n 。图1 1 2 是o kc h a n j e o n g 予t 9 9 9 年报道的一羊申热气致 动泵1 ”j ，它猩8 v 、4 h z ，占空比2 ：5 的方波驱动下，可获1 4 t l m i n 的流量。 疆) 气凄徽型蘩 豳1 1 3 所示是是一张气动微泵，它采用l i g a 制 乍完成眺，聚腔采耀 村料为金，驱动膜为钛薄膜，外加气体糕动装置。驱动频率为5 h z 时，对气 搴戆最大辕逡流量为s 豫t r a i n ，矮蠢鹜嚣必0 ；4 7 m h 2 0 。 撼 1 3 气臻赣聚壤穗幕纛强 m e m s 技术的进步为微泵的发展摊供了桃遇秘缴晨空闻。程微尺度下， 流体的流动与常规尺度存在许多不同之处，因此除了采用以上备种驱动形 式赡弦泵辨，出魂了诲多蕊于不瓣毅藏璎翡耨黧徽聚： ( 1 ) 收绣一扩张型微泵 收缩一扩张型微泵是一种比较典型的茏阎徽泵，赵近年研究的热点。它 滋竣臻嚣扩张辩不鬻形获逶遵我骜了单淘凌，禚灞鞭滚灌不鼹穗掰琴 超魏 蓑邀模式 黧l 1 4 毂壤扩张夔裰泵藤理 一1 2 - 粥1 章5 i 青 压力疆失蟾不对稼经采实疆浚侮熬泵送。溪1 灌为浚臻扩张型镞泵瓣骚理 霆。 斌祧泵的驱动频率可选几谢赫兹，但发向截止性能较缝。 t a s i 等太弱崩气连豹镶歉塞驱霭媛缝一扩张整擞裂，其驱臻羰窜为 2 5 0 4 0 0 h z ，豢大浚量为5 薛! m i n ，最大鹫矮为3 7 7 p a 。袋鞠压毫斑驱动瓣 双室梨如图1 1 5 所示，在5 4 0 h z 的驱动频率下，最大流墩达1 6 m l m i n ，嫩 太鹜蘧为 7 m h 2 0 黔弼。 圈l + l s 载爨收缩扩张囊檄袋 ( 2 ) 电波动力微泵( e h d ) 奄液麓力慕熬黎疆是遽过终燕毫臻冬浚体巾巍交瘫蘅秘稳互搏麓产生 动筮，驱动液体滚髓静。 电液动力微裂拨其驱动电聪必型可分为斛釉，辨楚线乎彳亍魄擞间藏 热壹流逛垂黪e h d 袈卿l ，舞潮l 。l 联a ) 掰示，壤确毫簿搴为i 0 4 0 4 s c m 豹液体耩寸，最大溅激为1 2 m t m i n ，最夫输密鬻聪为0 2 4 m h 2 0 。勇一种怒在 电极陈删上施嬲不阉耀位行波电聪蛇e h d 裂l 弛1 ，魏国l 。i 6 辆) 艨示，可瓤漤 导邀液体电导率静矮大范罄在1 0 “l 拶1 s c m 之滔。 魄液动力徽象躺原理眈较新颖，翩作方法简单，无需遮渤部俘，可糯髓 离。但e h d 对液锩懿导电特性凑特殊要求，彼彼还霰螫奁滚钵中注入离子， 接箕应麓受到缀大隈麓。 黑龙江大学硕士学位论文 接线 图1 1 6 电液动力驱动微泵 ( 3 ) 相变型热驱动微泵 热驱动微泵是利用流体的热特性，例如热胀冷缩或者相变来驱动工作 流体。图1 1 7 所示为利用流体受热相变来实现泵送的新型微泵1 3 ”。通过对 微细管内液体进行循环周期性加热，利用流体周期性的相变可以使流体沿 热源移动的方向泵送。对于特征尺度为2 0 0 “m 的微泵，其泵送流量可达 3 4 p l m i n ，最大泵压可达2 0 k p a 以上。 循环加热方向 图1 1 7 相交型热驱动薄膜 ( 4 ) 粘性微泵 基于粘性的微泵由于尺度减小，流体的粘性特性也会发生变化，可以 利用这一点来实现定向泵送。图1 1 8 所示为一种新型的粘性泵4 0 】，这种泵 第1 章s f 言 利用由于旋转轴与上下两端壁面的距离不同，所造成的粘性力的不同从而 实褒窘 每浆净滚量，这静浆鬻常瘦羯奁两端滋差缀小时。 圈1 1 8 薪垄糨性豢泵 ( 5 ) 双膜微泵 双膜微浆是利用在两个膜的不同位鬣开孔，由于开孔的位置不同而造 成的阻力不嗣，扶丽实现定向泵送。其结构和工作潦理示意见图l ，1 9 。j 辩： 泵不仅原理毅颖，露星效率很高，对于体积为1 5 c m xt 5 c m x 0 1 c m 的微 型泵，其流量可达3 0 m l m i n 。 弱l 。1 9 蕊膜结构豹徽泵 f 6 ) 电化学驱动微泵 1 9 9 9 年，褥兰莱大学雄密了一种茎予窀耗学原瑾驱动静徽泵5 4 “，通过魄 化学反应，由电极产生的气溆来驱动微流遒中的渡体，结构如图1 2 0 所示。 在输入电流2 0 0 b t a 时，输出流量为3 0 n l s ，背滕为1 5 k p a 。 黑龙江大学硕士学位论文 这种泵的优点是无可动部件，缺点是只能适用于导电介质。 图1 2 0 电化学驱动微泵 1 2 3 微驱动器的国内外发展现状 ( 1 ) 国外的发展现状 自1 9 8 9 年加州大学克利实验室首次制造出直径只有头发丝粗细的微马 达以来，有关于m e m s 和微系统的技术、产品就开始受到世界各国的高度重 视。1 9 8 0 年，s m i t s 于美国斯坦福大学首次报道了微裂的研究工作，而第一 种基于薄膜的往复运动驱动流体的微泵则是在1 9 8 8 年由荷兰t w e n t e 大学的 v a nl i n t e l 等人提出。1 9 9 3 年瑞典斯德哥尔摩c h a l m e r s 大学的e s t e m m e 和g s t e m m e 等人提出的一种无阀微泵，产生的最大流量为1 6 m t m i n ，背压可达 7 5 k p a 。1 9 9 5 年，z e n g e f l e 提出了一种可以双向驱动流体的微泵结构，有望 用于化学分析系统的注样、清洗以及少量液体的配给方面。此外，还有。 些研究人员在微泵中集成了流量传感器，可以实现流量的精确控制。 经历了十几年的发展，国外在微驱动器领域已经取得了很大的进展。 在理论上对微泵的各种驱动机理有着较深入的研究，结构设计形式也多种 多样，制作工艺成熟，研制的微泵流量大、背压高。目前，美、日等国在 第1 罩引言 微驱动器领域成熟的研究成果主要有微阀、微型喷墨头、微生物化学分析 系统等，并向实用化、产业化发展。 ( 2 ) 国内的发展现状 我国的微电子机械系统研究工作起步于1 9 8 9 年，在现代意义上的微流 体装置和微流体系统领域研究工作，我国的起步较晚，1 9 9 6 年，清华大学承 担了一个国家自然科学基金项目，研制了1 0 0 9 l m i n 的静电驱动微泵和儿十 g l m i n 的双金属热驱动微泵1 4 2 l ；中科院冶金研究所开发了微型气动涡轮和微 泵；吉林大学陈光明博士在【= j 本山形大学留学期间参与研制了无阀压电泵， 外形尺寸为7 0 m m 7 0 m m 2 0 m m ，流量为1 5 m l m i n 4 3 i 。 同国外相比，目前国内多种微驱动器的效率都很低，微型化不够。多 数为实验室产品，商业化工作刚刚起步，离产业化要求相距甚远。总的来 说，国内对微驱动器研究的水平和力度与国外相比都尚有一定的差距。因 此，填补基础理论研究，探索新材料新型微驱动器，优化结构设计、提高 微驱动器的工作性能，逐渐实现小型化、集成化、实用化是目前急需解决 的问题。 ( 3 ) 国内外发展趋势 综上所述，微驱动器可用在微量流体的流量和方向控制及成分分析等 方面，广泛应用在化学分析、基因工程、微型注射和药物传送、集成电路 的微冷却、微小型卫星的推进等领域。每种驱动形式的微驱动器都有其自 身的优点和不足，大流量( 大于1 m l m i n ) 的微动器性能相对较好，结构相对 简单，易于加工制作；可是，有许多应用场合要求流量低( 一般小于1 9 l m i n ) ， 控制精确，如植入式( 人体动物体) 药品注入系统等。这种情况f ，就要求 泵的使用寿命长( 大于l o 年) 、安全可靠、流量精确，并且不受外界环境影响 1 4 4 】。因此，流量并不是衡量微驱动器性能优劣的关键因素，在不同的领域 及应用场合，对微驱动器的性能指标有着不同的要求。微驱动器总的发展 辫龙江大学硕士攀位论文 越势是向着高压、大流量，戏结构尺寸微小化、低能耗、高输出精鹰方向 发矮。未来咒年，除了各静驱动、黄感器释及系统集成瞧静磅究癸，还应在 阻下几个方面主挠行突破：集成化和大批量生产，降低成本；控制电路( 如输 入电压波形) 对系统工作性辘的影响；各种于扰因素( 如气泡 4 5 , 4 e 、环境温度) 黯系统往髓的澎瞒；对激流嚣办学理论等方落 逶行避一步静矮变，弼孵还应 缩合市场需求，不断优化工艺，提高性能，最终实现产业化f 4 7 1 。 l 。3 本课题的意义帮主要研究芝 鬈 微流动系统是m j e m s 的一个重要分支，近年来已经成为热门的研究领 域。徽驱动器豹发震瘩詈楚镞滚动系统发溪农平鹃重癸拣恚，因憩对微驱 动器的研究和特性分析具有重要的意义。 作为微流激控制系统的核心部分的微驱动器由于能精确检测和控制流 纛，广泛痤焉农嚣耪镦虽输送、攥籽徽爨骥j l 重、缨魏分离、集痰毫予嚣彳孚 冷却、微量化学分析、微小部件清洗以及微小型卫星搬进等方面。 目前微驱动器的流量可达几十微升秒n a , 十纳升秒，压力在几子帕 到尼十予糖，鼹篮位翟瘦逐不太惠。主蚕溅嗣在予费统徽驱囊器练稔复杂， 加工成本高；熬体制作工艺繁琐，键合次数多，精度对准差，受到加工工 艺靼加工准确魔的限制，导致效率和可靠性不高。因此研制单向性好、制 佟工艺簿单、镕较夸、戒本低、流量大，髑予援量雯产戆墩驱动爨，在实 际应用中具有十分重要的意义。 无论是有阀型微泵还题笼阀型微泵，它们各有不同的忧缺点。有润型微 泵懿主要往点楚整滚经蟹，工 乍效率高，藤蘧麓摹，荔予控嗣，翎佟工艺 成熟，所以是璐在应用的主流：缺点是洒动部件在高频下易疲劳和滕损，影 响了寿命和可撵性f 4 8 1 ，驱动频率不高，且难以与其他微流体元件集成在一 幕l 攀s f 言 起，当流体中含有颗粒时，也比较容易造成阻慧。无阀泵的主要优点是制 车工艺楚擎，察荔集袋，无活动帮传，使褥寿会鞠可靠幢大大据毒，盟囊 动频率商，能够允许包含微小颗粒的流体通过，其有很大的教展前景；缺 点是单向憾能差，反i 向泄漏大，工作效率不高。 本文致诗了一穆耱黧v 型徽g 嚣动嚣，较簿懿竞黻了镑统懋蘩粱式徽驱动 器易翘曲的缺点，可掇高器件的可靠性；与目前观有的微阀结构相比，制 作工艺非常简单，且憋个微驱动器仪需一次键合，进一步提麓了实用化的 程度；微润的铜 乍采用半导终秀羹王工艺，与i c n 逡工艺兼容，遥应于大戴 量生产：微驱动器结构简单，由原米的多层结构降为两层，减少了硅片的 使用数目，大大降低了成本。 本文辑究工传载烹要内容是： ( 1 ) 了解m e m s 和微系统的发展情况，重点掌握微泵和微阀的进展，明 确研制微驱动器的意义及应用领域，对目前微驱动器普遍存在的问题，提 密了一静新壅￥登徽骡动器魏解决方繁。 ( 2 ) 阐述了采用压电驱动的v 型微驱动器的结构设计，以及工作原理。从 微驱动瓣的工 乍原理和现有的m e m s 工艺角度出发，提出了两秘割作微驱 动器酶王茳方案，逶遗院较分耩，确定了最往豫方案。 ( 3 ) 谶行微驱动器的计算机仿真。对微驱动器的v 型微阀进行了工艺流程 模拟和腐蚀工艺过程模拟，验证制订的工艺原理的可 j 二性，为实际尺寸设 诗提供参考。蔺辩氇对微驱动器驱动复合薄板遵行了模瓠分辚，僮雳m e i v i s 软件i n t e l l i s u i t e 对方形压电复合薄板的几何尺寸、驱动电压进行模拟，分析 这些因素对薄板彤变的影响；研究不同厚度与嘲霄频率氆之阅的关系，并 进行了掇撵分辑。 ( 4 ) 对微驱动器的关键加工工艺以及实验过獠进行研究。讨论了微阀的 掩模板设计尺寸，制定微驱动器的徽加工工艺流鞭。 需龙江丈学硕士学位论文 ( 5 ) 采用各瑚异性腐蚀技术对微驱动器的制造进行了实验研究。擐讨微 阀躲开、关特经以及静态遥流特佳匏溺试方法；给蠢徽驱动嚣懿蔼压测试 方案。给出了计算机模拟压差与微阀开度、阀片厚度与开度的模拟结果。 并对压电复合薄板性能避行了测试。 第2 露徽驱动嚣的熬本结构、王作豫理和工慧靠寨 第2 章擞驱动器的基本缝掏、王作漂理 和工艺方案 2 。l 擞驱动器豹基本结搦 本文设计的微驱动器主体结构瞻两部分缌成：驱动举元和v 型微阀。 辫2 蹙镦驱动糕缭翰熬翻巍翅。 裁 岔 凡秘 台薄掇 支承辩分 圈2 1 微驱动器基本结鞫添意圈 驱麓攀元毪耩廷藏复会薄板、聚麓、支承辩势。篷憋复念游羧爨p z t 冀蟊攀燕疆薄蒺鳃藏。 v 烈微阀主体鳓将包括：雁向单向阀( 1 ) 相反内单向阀( 2 ) 。( 1 ) 和( 2 ) 怒缭 穆怼熬瓜内置敖熬薅个阏门，荚孛( 1 ，像摄送零秘3 ) 、逶承缝( s 、瘸冀7 妖踯 l 三 及褥拿v 羹疆ll 谈1 2 ) ；露毽蘩避承毯醛、爨承缝国、瓣篾9 狻l o ) 强及 两个v 型槽( 1 3 ) ( 1 4 ) ，如图2 2 所示。进水时( 3 ) 处用来接外部落水管道，出 承缝( 6 ) 羚与癸罄象承蛰遂耀接。 嚣移舔 黑龙江大学硕士学位论文 入口出口 图2 2v 型微阀的侧剖面结构示意图 v 型微阀的俯视结构示意图，如图2 3 所示。 图2 3v 型微阀的俯视结构示意图 2 2 微驱动器的工作原理 微阀与驱动单元结台，整体构成微驱动器。靠驱动单元提供驱动力 一2 2 第2 章微驱动器的基本结构、正作原理和工慧方案 导致弧令筑瓣正嚣窝黄覆存在燕力差，逶遥蘧令阕f j ( 1 ) 、( 2 ) 静连续馋矮完 成液体的单向流动，最终实现了液体泵送的目的。 如图2 4 所示，对p z t 片施加方波驱动电压，p z t 片产生弯曲变形，当 p z t 片自上弯藏嶷形霹，泵靛蓬力减小，蠢盈楚反淘攀淘瘸稼) 关溺，泵耱 内液体从入口处缀正向单向阀f 1 ) 吸入：当驱动电压换向时，p z t 片向下弯 曲变形，泵腔压力增大，入口处正向单向阀( 1 ) 关闭，液体从出口处经反向 单囱润( 2 ) 镀泵滋。这撵，在方波逮基戆囊凌下，擞驱动器重复主瑟豹过程， 液体就被不断的吸入和泵出。 p z t 嚣2 。4 锾驱翡器煞工搏凝溪示意鹜 2 2 1 压电复台薄板的工作原理 2 2 1 。1 压电性窍溉毫方程 当压电晶体受到应力作用时，在它的巢些面上产生电荷，且应力与面 瞧蕊密度之勰存在线性关系，这个瑗蒙称为燕歪窀效应。褥当压电熬体受 到电场作用时，在它的莱方向上产生应变，艇电场强度与应变之闻存在线 性关系，这个现教称为逆压电效应。 燕俸懿压电效疲可颤弱示懑篷2 5 寒辫器。墅2 。5 f 翦袭示窭压邀熬薅中 黑龙江大学硕士学位论文 的质点在z 甲溢上的投影。她时，晶体不受卦力的作嗣，三个电偶极矩i 、 p 。、p ，互成1 2 0 。夹角，j _ f = ! 、负电荷的中心重合，整个晶体的总电偶搬矩 矢量和等于零，即p 。+ ，：+ p ，= o ，因而潞体表面不出现电荷。 图2 。5 国) 为鑫钵表嚣受翔漤x 方彝的援力俸霜霹，驻俸港x 方肉褥产生 收缩，正、负离子的相对位鬣也随之发娥变化，此时正、负电荷中心不重 会，电偶极矩残x 方向豹分娥为：( 珐+ p ：+ p 3 ) ； 0 。在y 、z 方向的分量： ( p 1 十p 2 + p 3 ) 。= 0 ，( p ，+ p 2 + p 3 ) ：= 0 。在x 轴的雁向出现正电荷；在y 、 z 轴方向则不出现电荷。 x 銎2 5 嚣嘏翁薅压毫鼓藏零意图 当晶体受到沿x 方向的控力作用时，蕻变化情况如图2 5 ( c ) 所示。此时， 电偶极矩的三个分量为：( p l + p 2 + 鼽) ， = 0 ，f a x ，朔= 0 。可见 黑龙江大学硕士学位论文 i i 高i i i i i i i 宣董薯i 墨i i i 宣i 高寮鼍鼍i i i _ i 1 簟鼍i 薯i i i 宣i i 宣蔫 跏o w 舻一面弘”一面。 于是薄板的几何方程表示如下 出2 a 2 w 矿 2a 2 w = a x a v ( 2 3 ) 其次，建立压电复合薄板的物理方程，即压电方程。因为不计o - ：所引起的 形变，所以物理方程有 占j = _ 1 ( 盯。一i 盯w ) 己 。 ( 盯。一卢2 盯。) + 以。e c 一 。 妄( 哨盯。) i 1 ( 矿。一：仃。) + 以一e 霉业盯。 q 譬丛 c ， ，毛z = 2 ，z 2 z 三3 z l z 2 2 z 2 z 毛 ，毛z z 2 2 2 = 毛 ( 2 4 ) 其中，c ，和c ：分别为单晶硅和p z t 的弹性模量：“和2 分别为单晶硅和p z t 的泊松比；e 为加在压电片上的场强。 第2 章微驱动器的基本结构、工作原理和工艺方案 将物理方程( 2 - 4 ) 转化为由应变表达的应力分量，可得 o c e j 竺l 1 1 一7 。1c ： l i - i ； ，毛z 兰z 2 一c z d 3 塑e ，2 2 2 2 3 i 一2 2 s 。+ l 气) e 。+ 2 e x x ，一甓e 妒? c i i 赢 将几何方程( 2 - 3 ) 代入方程( 2 - 5 ) 中，即得 f 一番c 等争 2 _ 最c 等鹕e 2 9 z 1 z z 2 ，z 2 = 屯 毛z 2 2 ，z 2 z 毛 ，毛z z 2 ，2 2 z 屯 2 l z z 2 ，z 2 zs 屯 ( 2 5 ) “ 心 忙 南最 啦 挑一酽挑一舻 羔尚，_!，、，卜 黑龙江大学硕士学位论文 c l za 2 w 1 - i - l 缸妙 c ，za 2 w 14 - 卢2 舐砂 2 1 2 2 2 ，z 2 z 毛 ( 2 6 ) 在其次，根据弹性力学薄板横截面上的内力与应力的关系，可由上式 ( 2 - 6 ) 得出薄板横截面上的弯矩及扭矩的表达式如下： m 。= z 出 一南1c 窘p 出一所、缸2 。1 劫2 - 。 垫l 1 1e z 彘 1 一2 2 南c 窘鹕矿c q 2 w 3 出 一，坦叫+ m j 2 十惯e m ，= d 。z d z = 一奇c 害。 z 2 d z 一c 2 a v 2 w e 觑 一墅哇坠e | e z d z 1 一“，也 2 m ”+ m y 2 十m 6 m 矿1 仃，z d z ：一l 坐r ：；z 出一l 坐r ：出 1 + “苏砂也1 + 2 & a y 也 = m 。，+ m 。， ( 2 - 7 ) 第2 章微驱动器的基本结构、工作原理 n q - 艺方案 其中的m 。：一曼kf 3 e z d z l 一2 4 2 称为逆压电效应的等效弯矩，它是x 和y 的已知函数。 最后，压电复合薄板的弹性曲面的微分方程可以根据弹性力学中的“内 力与荷载成平衡”的条件导出。从薄板中性面中任取一微分块，它的的尺 寸为d x 和d y ，如图2 7 。荷载及剪力用力矢表示：弯矩及扭矩，按照右手 螺旋法则，用矩矢表示。其中仃为薄板弯曲时受到的外界施加的单位面积分 布阻力，它是由泵腔内外的压力差引起的分布法向压力分布。 d y o m 。， j l - - - - - - - - - - - - 2 a v 卯 图2 7 微分块的中性面受力图 设通过微分块中心而平行于y 轴及x 轴的直线为矩轴，分别写出力矩 的平衡方程，简化以后，略去微量，得到 g ：掣+ 警，q y ：掣+ 墼 ( 2 - s ) o x洲dr出 再写出z 方向的力平衡方程，简化以后，略去微量，得到 警f 鲁中。靠删 将式( 2 - 8 ) 代入上式，即得用弯矩、扭矩及荷载表示的平衡方程 0 2 m - x + 2 。2 m x y + 6 q 2 m y + 辞：o ( 2 - 9 ) 蠡2 敏务务。 1 将式( 2 7 ) 代入式( 2 - 9 ) 中，得 0 2 m j lj a 2 m f j 0 2 m 川 d 2 m ，2j 。a 2 m p 2 a 2 m ，2 a2 m 5 万+ 。两+ 否芦一+ 矿+ 两十矿+ 夏一 等妒。 土式可凄v 算予蓠单记为 d l v 4 w + d 2 v 4 w 竺v 2 m f + q 所以压电笈台薄板的弹髅趣葱约微分方程为 ( d 1 + 马) v 4 w = q e + q ( 2 1 0 ) 其中弘案等 d ：垒堡二垫 3 ( 1 一) v 饥窘+ 。鱼a x 2 0 y 2 + 窘 ”驴m e = 呻c 2 d n ：铲f , 嚼0 2 e + q ，称为逆压电效应的等