（材料学专业论文）复合膜微驱动器的优化设计与研制.pdf

上海交通大学博士学位论文 ，随着器件结构的复杂化，很难进一步用解析法对它的性能进行分 析，而利用非常简化的理论模型，就不能很好的描述器件的工作情况。 随着计算机技术的发展，利用数值分析对器件的工作进行仿真研究已 经成为一种趋势。本文利用大型通用有限元软件a n s y s 建立了复合膜 的有限元模型，从驱动膜的设计原理出发，对驱动膜的结构性能及热 学行为进行了分析与优化设计。 通过对两种s m a 膜图案选择进行的结构性能比较分析，发现圆条 形图案在同样的温度条件下能够产生较大的挠度，应力分布均匀，整 体结构性能优于长条形图案。通过分析双膜的厚度，以及图案中电阻 条宽度、间隙等结构参数对挠度的影响，进行了结构参数的优化。在 对复合膜的热分析中，应用热电耦合场分析方法对驱动膜的动态温度 场特征进行研究。热分析表明，通过硅衬底的散热是驱动膜主要的散 热方式，由此造成了温度分布的不均匀。鉴于这种情况，本文提出设 计非均匀的电阻条宽度形成非均匀的产热率，改善温度分布的非均匀 性，提高形状记忆效应的利用率。在分析脉冲驱动电流的大小、占空 比等对动态温度场的影响后，发现适当的延长脉冲信号的冷却时段有 利于充分发挥形状记忆效应，而长的冷却时段却制约了驱动膜工作频 、 率的提高，这一对矛盾因素需要协调。p ， 本文最后制各了电阻条图案经过优化了的复合膜微驱动器，并应用 激光干涉的方法对其动态的驱动性能进行了多种工况下的对比测试， 摘要 实验测得的规律可以用仿真的结果加以解释。与驱动器优化前的性能 测试数据相比，通过优化设计，驱动器的性能得到了显著的提高。 从本文的工作还可以看出，在m e m s 器件的开发中，从概念设计 的提出到仿真研究的确认，以及进一步的结构设计优化在整个器件开 发过程中扮演着非常重要的角色，重视有限元仿真研究在器件开发过 程中的作用，对于我们节省研制费用、加快器件的开发进度，提高器 件的设计水平有着重要的意义。 ， v ，。 关键词：微驱动器，有限元分析( 碰，仿真，优化设计 一 a b s t r a c t o p t i m i z a t i o nd e v e l o p m e n to f ac o m p o s i t em e m b r a n em i c r o a c t u a t o r a b s t r a c t m i c r of l u i d i cs y s t e m sa r ea ne m e r g i n gr e s e a r c hf i e l d ，w h i c hw i l lh a v e b r o a da p p l i c a t i o n s m i c r o p u m p ，a sak e ye l e m e n to fm i c r of l u i d i cs y s t e m s ， h a sb e e na c t i v e l yr e s e a r c h e di nm e m s f i e l d an u m b e ro fm i c r o p u m p s h a v e b e e n d e v e l o p e d t h em a j o r i t yd e v e l o p e d s of a ra r em e m b r a n e m i c r o p u m p s i tc o n s i s t so f a p r e s s u r ec h a m b e rd r i v e nb y a na c t u a t o ra n d i n l e t ，a n do u t l e tc h e c kv a l v e s i nm a n ya p p l i c a t i o n s ，h i g ho u t p u tp u m p p r e s s u r ea n dw i d ec o n t r o l l a b l e f l o wr a n g ea r er e q u i r e df o rm i c r o p u m p m e m b r a n em i c r o a c t u a t o ri sam a i n p a r t o f m i c r o p u m p t h e i r c h a r a c t e r i s t i c sd e t e r m i n et h e p e r f o r m a n c e o ft h e m i c r o p u m p s h a p e m e m o r ya l l o y ( s m a ) t h i n f i l mi sa ne x c e l l e n tc a n d i d a t ef o rm i c r o a c t u a t o r ， a si ti s c a p a b l e o f e x h i b i t i n g a l a r g e a c t u a t i o nf o r c ea n da l a r g e 圭塑窒堕查兰竖主兰垡垒兰 d i s p l a c e m e n t i no u rl a b ，as m a t h i nf i l ma c t u a t e dc o m p o s i t em e m b r a n e m i c r o a c t u a t o rw a sd e v e l o p e dp r e v i o u s l y s o m ee x p e r i e n c e so nt h ed e s i g n a n df a b r i c a t i o no fm i c r o a c t u a t o r sw e r eg o t t e n h o w e v e rs t u d yo nt h e m i c r o a c t u a t o r si ss t i l lw o r t h yo fu n d e r t a k i n gt oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e a n d c o n t r o l l a b i l i t y s oa st om e e tt h e p r a c t i c a l n e e d so fd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s ，s i n c e t h ed e v i c e s d e v e l o p e d t od a t ea r ef a rf r o m b e i n g o p t i m i z e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o n a n d o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，a sw e l la s f a b r i c a t i o na n dt e s t i n go ft h em e m b r a n e m i c r o a c t u a t o rw e r e p e r f o r m e d t h e o r yo ft h i np l a t e sw i t hl a r g e d e f l e c t i o nw a su s e dt oa n a l y z et h e c o m p o s i t em e m b r a n e an e wt h e o r e t i c a l m o d e lw a sp r e s e n t e dw h i c hi s s u i t a b l ef o r i n s t r u c t i n g t h e d e s i g n a n d p r e d i c t i n g t h ed e f l e c t i o no fa c o m p o s i t e m e m b r a n ew i t h u n e q u a l s i d e l e n g t h s i n t h i s m o d e l ，t h e c o n j u g a t i o na r e ab e t w e e nc e n t r a lb i m o r p hr e g i o na n dm a r g i n a lr e g i o nw a s b r o u g h t a st h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h ee f f e c to ft h i c k n e s sa n ds i d el e n g t h o ft h e c o m p o s i t em e m b r a n eo ni t s d e f l e c t i o nc a nb es t u d i e dw i t ht h i s m o d e l t h ew o r k i n gp r o c e s so ft h em e m b r a n em i c r o a c t u a t o ri s c o m p l i c a t e d a b s t r a c t t oa c h i e v eo p t i m a la c t u a t i o na n dt os a v et h et i m ea n dc o s to fd e v e l o p m e n t a sw e l la st oe x p l a i nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o n a r en e c e s s a r y t h e r e f o r e ，t h em e m b r a n em i c r o a c t u a t o rw a s s t u d i e dw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s b o t hm e c h a n i c a l a n dt h e r m a lf e mm o d e l so ft h em e m b r a n em i c r o a c t u a t o rw e r ee s t a b l i s h e d s o m ek e yt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sc o u p l e df i e l da n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n d e s i g n ，w e r ee m p l o y e d t h ee f f e c t so fs o m eg e o m e t r i cs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so nt h em e m b r a n e d e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n sw e r ea n a l y z e d i ns t r u c t u r a lv i e w , s i m u l a t i o nr e s u l t s s u g g e s tt h i n n i n g s i l i c o nm e m b r a n ea n d s e l e c t i n g a p p r o p r i a t et h i c k n e s so f s m at h i nf i l m s w i d e rs t r i pa n dn a r r o w e rg a pa r e a l s os u g g e s t e dw h e n p a t t e r i n g t h ei n f l u e n c e so f w o r k i n gf l u i d ，a t m o s p h e r ea n ds i l i c o ns u b s t r a t eh a v e b e e nc o n s i d e r e di nt h et h e r m a lf e mm o d e l h e a tt r a n s f e ra n a l y s i ss h o w e d t h a tm o s to fh e a t d i s s i p a t e st h r o u g h s i l i c o ns u b s t r a t em e m b r a n e t h e d y n a m i ct e m p e r a t u r ev a r i a t i o ni nt h ec o m p o s i t em e m b r a n e w a ss t u d i e d a s t r a i g h t f o r w a r dm e t h o d t oe x t r a c tt h es t e a d yw o r k i n gs t a t ew a sd e s c r i b e d t h ee f f e c to f d r i v i n gs i g n a l so nt e m p e r a t u r ef i e l dw a s a l s os t u d i e d l o n g e r 圭塑銮望查兰竖主兰焦堡奎 c o o l i n g t i m e l e a d i n g t oa c o m p l e t ep h a s e t r a n s f o r m a t i o ni s h e l p f u l t o d e f l e c t i o nb u tw o r s e n st h ew o r k i n g 厅e q u e n c y o nt h eb a s i so fa n a l y s i s ，a r e s i s t o rp a t t e r nd e s i g nw i t hn o n u n i f o r mh e a tg e n e t a t i o nr a t ew a sp r o p o s e d a n dc o n f i r m e d f i n a l l y , ap r o t o t y p eo f t h em e m b r a n em i c r o a c t u a t o rw a sf a b r i c a t e da n d t e s t e d t h ed y n a m i cm e m b r a n ed e f l e c t i o nw a sm e a s u r e dw i t hal a s e r - d i o d e i n t e r f e r o m e t e r t h e r ee x i s t sa g o o da g r e e m e n t b e t w e e nm e m b r a n e d e f l e c t i o nd a t aa n da n a l y t i c p r e d i c t i o n s t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w t h a tt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h em i c r o a c t u a t o ra r ei m p r o v e du p o n o p t i m i z a t i o n i ti sp r o v e dt h a ts i m u l a t i o n sa r em o r ea n dm o r e i m p o r t a n t i nt h ed e s i g n o fm e m s d e v i c e ，f r o mt h ec o n c e p td e s i g n t oi t ss t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：m i c r o a c t u a t o r , f e a ，s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在过去的三十多年里，微电子技术的巨大发展带领人类进入了信息社会，同时在工程领 域的各个分支引起了一场革命。1 9 5 9 年1 2 月在加州理工学院召开的一次美国物理年会上， 美国物理学家、诺贝尔奖获得者r i c h a r dp f e y n m a n 作了“t h e r e sp l e n t yo fr o o ma tt h e b o t t o m ”的著名演讲。向人们展示了一个崭新的领域，揭示了微小化的实现手段及其潜在 的应用前景。在过去，由传统的加工制造技术很难得到很小的机械部件，几乎所有的机械部 件都远远大于电子元件。固体电子学领域的发展带动制造电子元件的微加工技术快速进步， 在8 0 年代，一个新的制造方法一表面微加工技术的出现使这成为可能。1 9 6 2 年第一个硅微 型压力传感器的问世开创了m e m s 的先河，1 9 8 2 年k u r t e p e t e r s o n 发表的论文“s i l i c o na sa m e c h a n i c a lm a t e r i a l ”【2 】对微机械加工技术的发展起到了奠基作用。 微加工技术拓宽了微电子技术的应用领域，用它替代传统的机械加工方法来实现各种机 械结构，使得将传感器、执行器和处理器集成在同一芯片上制作出微电子机械系统( m e m s ) 成为可能。美国u c b e r k e l e y 传感器和执行器中心 在1 9 8 8 年利用微加工技术制作出了转子直径为 6 0 1 0 0 p m 的第一个硅静电微马达口j ，如右图1 - 1 示。 同期，m i t 、u c b e r k e l e y 、s t a n f o r d 和a t & t 及美 国国家自然科学基金会( n s f ) 的1 5 名科学家向美 国政府提出了“小机械、大机遇，关于新兴领域一 微动力学( 微系统) ”的建议书。n f s 又于1 9 8 9 年 召开了研讨会，其总结报告提出了“微电子技术应 用于电( 子) 、机系统”。至此m e m s 一词就逐渐成围1 - 1 微马达 为一个世界性的学术用语，m e m s 技术的研究开发 f i g u r e1 - im i c r o m o t o r 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在过去的三十多年里，微电子技术的巨大发展带领人类进入了信息社会，同时在工程领 域的各个分支引起了一场革命。1 9 5 9 年1 2 月在加州理工学院召开的一次美国物理年会上， 美国物理学家、诺贝尔奖获得者r i c h a r dp f e y n m a n 作了“t h e r e sp l e n t yo fr o o ma tt h e b o t t o m ”的著名演讲。向人们展示了一个崭新的领域，揭示了微小化的实现手段及其潜在 的应用前景。在过去，由传统的加工制造技术很难得到很小的机械部件，几乎所有的机械部 件都远远大于电子元件。固体电子学领域的发展带动制造电子元件的微加工技术快速进步， 在8 0 年代，一个新的制造方法一表面微加工技术的出现使这成为可能。1 9 6 2 年第一个硅微 型压力传感器的问世开创了m e m s 的先河，1 9 8 2 年k u r t e p e t e r s o n 发表的论文“s i l i c o na sa m e c h a n i c a lm a t e r i a l ”【2 】对微机械加工技术的发展起到了奠基作用。 微加工技术拓宽了微电子技术的应用领域，用它替代传统的机械加工方法来实现各种机 械结构，使得将传感器、执行器和处理器集成在同一芯片上制作出微电子机械系统( m e m s ) 成为可能。美国u c b e r k e l e y 传感器和执行器中心 在1 9 8 8 年利用微加工技术制作出了转子直径为 6 0 1 0 0 p m 的第一个硅静电微马达口j ，如右图1 - 1 示。 同期，m i t 、u c b e r k e l e y 、s t a n f o r d 和a t & t 及美 国国家自然科学基金会( n s f ) 的1 5 名科学家向美 国政府提出了“小机械、大机遇，关于新兴领域一 微动力学( 微系统) ”的建议书。n f s 又于1 9 8 9 年 召开了研讨会，其总结报告提出了“微电子技术应 用于电( 子) 、机系统”。至此m e m s 一词就逐渐成围1 - 1 微马达 为一个世界性的学术用语，m e m s 技术的研究开发 f i g u r e1 - im i c r o m o t o r 上海交通大学博士学位论文 也日益成为国际上的一个热点| 4 j o 1 2 微电子机械系统( m e m s ) 微机电系统( 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 s ，m e m s ) 是指可以批量制作的、集微型 结构、微型传感器、微型驱动器以及信号处理和控制电路、接口、通讯和电源等于一体的微 型器件或系统，也称为微系统。它也可嵌入大的机械设备，把自动化、智能化和可靠性水平 提到新的高度。m e m s 技术将计算、通信、能源与传感、驱动及控制集成在一起，将会完全 改变人和机器与物理世界的作用方式。 微加工技术的重要性在于它能够制造具有微米尺寸、可大批量生产、可与微电子集成的 机械部件。m e m s 的加工制造特点使得它在应用上有许多优势，如图i 2 所示。另外，m e m s 的制造工艺与i c 相同，但线宽及集成度要求较低，它可以很容易地在已被淘汰的半导体生产 线上生产，价格优势十分明显。 m e m s 是从微传感器发展起来的，已有几次突破性的进展。七十年代微机械压力传感器 图卜2m e m s 应用上的优势 f i g u r e1 - 2a d v a n t a g e so f m e m s 2 上海交通大学博士学位论文 也日益成为国际上的一个热点| 4 j o 1 2 微电子机械系统( m e m s ) 微机电系统( 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 s ，m e m s ) 是指可以批量制作的、集微型 结构、微型传感器、微型驱动器以及信号处理和控制电路、接口、通讯和电源等于一体的微 型器件或系统，也称为微系统。它也可嵌入大的机械设备，把自动化、智能化和可靠性水平 提到新的高度。m e m s 技术将计算、通信、能源与传感、驱动及控制集成在一起，将会完全 改变人和机器与物理世界的作用方式。 微加工技术的重要性在于它能够制造具有微米尺寸、可大批量生产、可与微电子集成的 机械部件。m e m s 的加工制造特点使得它在应用上有许多优势，如图i 2 所示。另外，m e m s 的制造工艺与i c 相同，但线宽及集成度要求较低，它可以很容易地在已被淘汰的半导体生产 线上生产，价格优势十分明显。 m e m s 是从微传感器发展起来的，已有几次突破性的进展。七十年代微机械压力传感器 图卜2m e m s 应用上的优势 f i g u r e1 - 2a d v a n t a g e so f m e m s 2 第一章绪论 问世，八十年代末研制出硅静电微马达，九十年代喷墨打印头、硬盘读写头、硅加速度计和 数字微镜器件等相继规模化生产。正是由于m e m s 产品的低成本、小体积、轻重量、可与微 电子集成、高可靠性、可代替现有技术等优势，它的发展才会如此迅猛。发展刚经历十多年， 却已显示了巨大的生命力。它的应用领域十分宽广，在工业、信息和通信、国防、航空航天、 航海、医疗和生物工程、农业、环境监测和家庭服务等几乎人们接触到的所有领域都有着潜 在的巨大应用前景。目前，在汽车、医疗和环境中的应用比较领先，如图1 3 为应用于汽车 控制与安全的示意图。在通信、机械工程和过程自动化等领域的应用也正在快速增长。图1 。4 为美国国防部先进计划研究署资助s y s t e mp l a n n i n gc o r p o r a t i o n ( s p c ) 公司完成的调研报告， 显示了m e m s 的市场容量及其增长情况。m e m s 作为一个新兴的技术领域，虽然现在仍处 图1 - 3 在汽车上的应用 f i g u r el - 3m i c r o m a c h i n e dt r a n s d u c e ra p p l i c a t i o nf o ra u t o m o t i v e 上海交通大学博士学位论文 图1 4 预期市场增长 f i g u r e1 - 4e s t i m a t e dm a r k e tg r o w t h 于发展的初级阶段，但极有可能象当年的微电子技术一样，成为一门重大的产业，对科学技 术和人类生活产生革命性的影响。 当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象将与宏观世界有很大差别，提出了许多新的科 学问题，如热传导、微流体特性、微光学特性、微构件材料性能、微结构表面效应和微观摩 擦机理等，一些常规理论应作修正。微机电系统涉及电子、机械、光学、材料、制造、信息、 物理、化学和生物等多种学科，需要建立多学科交叉的理论和研究方法，特别是微系统的机、 电、磁、热、光、化学、生物和其它领域的耦合理论，克服微机电系统研究中对经验的过多 依赖和反复试探。目前，m e m s 的研究还是依赖经验和反复试探，完整的微观尺度下的理论 体系尚未建立。它的长远目标是要将信息处理过程和传感及驱动集成在一个系统中，但目前 的短期目标还是集中在关键器件的研究。 m e m s 研究已成为世界上发达国家高科技发展的重点方向之一。美国n a s a 于1 9 9 4 年 9 月制定的面向2 1 世纪的“新盛世”计划确定微机电系统为6 个革命性的技术领域之一【5 】。 4 第一章绪论 1 9 9 5 年美国将m e m s 列为技术再投资计划( t r p ) 优先发展的1 2 个关键技术领域之一。欧 洲于1 9 9 0 年开始建立跨国的合作研究网，协调各国研究，1 9 9 3 年已有多达3 1 个m e m s 研 究组加入【”。日本通产省自1 9 9 1 年开始实施为期1 0 年的“微机械技术计划”，这是一项将微 机械技术的开发置于日本国家优先地位的计划，1 0 年内投资2 5 0 亿日元，共有高校、国家实 验室和公司的6 0 多个研究小组参加”j 。 我国微机械研究的起步不算太晚。在科技部、国家自然科学基金委、教育部、总装备部 和国防科工委的资助下，我国从8 0 年代末开始了微型机电系统的研究，十年来研究队伍逐步 扩大，目前在我国的大学及研究所里，已有4 0 多个单位的5 0 多个研究小组在从事m e m s 研发工作“。1 9 9 0 年起，国家基金委和有关部委组织过多项微机械方面的重点课题，1 9 9 5 年 国家科技部实施了攀登计划“微电子机械系统”项目( 1 9 9 5 - 1 9 9 9 ) ，国防科工委把m e m s 列 入“九五”国防预研计划，1 9 9 9 年“集成微光机电系统研究”项目通过了国家重点基础研究 发展规划的立项建议，已正式启动。现在，我国己建立了较为先进的基础实验设施，为加速 推进我国的m e m s 发展也采取了一系列措施n 并在基础和技术方面取得了一批有特色和创 新的成果，在新原理微器件、通用微器件、新的工艺和测试技术以及初步应用方面取得了显 著进展m j 。 1 3 微流体系统 将微泵、微流量传感器与相关的信号处理和控制电路相结合的微流体控制系统，由于具 有精确控制微量流体等特点，已经成为m e m s 研究的热点之一。图1 - 4 表明，m e m s 销售额 年增长率2 0 - - 3 0 ，其中增长最快的就包括微流量系统，特别是在喷墨打印头、芯片分析系 统、质量流量计等的应用”。除此之外，在诸如精密微器件的润滑、燃料微喷注、药物输送、 微量化学分析系统等领域也展现了诱人的应用前景，这使得微型泵及其它微流体器件的研究 成为了微机械研究的热点，许多世界一流大学都有致力于硅微型泵和微流体器件的研究实验 室或研究小组，其中u c b e r k e l e y 开展了名为m i c r o f l u m e 的微流体及器件研究系列课题，是 美国国防部先进技术署( d a r p a ) 于1 9 9 8 年开始的重点项目。由于微流体系统的开发涉及 许多微加工技术，其研究水平从一个侧面反映了m e m s 发展的水平i l 。 总的来说，微流体系统包括流体操作、流量测量和控制三部分。微流体系统中器件是由 第一章绪论 1 9 9 5 年美国将m e m s 列为技术再投资计划( t r p ) 优先发展的1 2 个关键技术领域之一。欧 洲于1 9 9 0 年开始建立跨国的合作研究网，协调各国研究，1 9 9 3 年已有多达3 1 个m e m s 研 究组加入【”。日本通产省自1 9 9 1 年开始实施为期1 0 年的“微机械技术计划”，这是一项将微 机械技术的开发置于日本国家优先地位的计划，1 0 年内投资2 5 0 亿日元，共有高校、国家实 验室和公司的6 0 多个研究小组参加”j 。 我国微机械研究的起步不算太晚。在科技部、国家自然科学基金委、教育部、总装备部 和国防科工委的资助下，我国从8 0 年代末开始了微型机电系统的研究，十年来研究队伍逐步 扩大，目前在我国的大学及研究所里，已有4 0 多个单位的5 0 多个研究小组在从事m e m s 研发工作“。1 9 9 0 年起，国家基金委和有关部委组织过多项微机械方面的重点课题，1 9 9 5 年 国家科技部实施了攀登计划“微电子机械系统”项目( 1 9 9 5 - 1 9 9 9 ) ，国防科工委把m e m s 列 入“九五”国防预研计划，1 9 9 9 年“集成微光机电系统研究”项目通过了国家重点基础研究 发展规划的立项建议，已正式启动。现在，我国己建立了较为先进的基础实验设施，为加速 推进我国的m e m s 发展也采取了一系列措施n 并在基础和技术方面取得了一批有特色和创 新的成果，在新原理微器件、通用微器件、新的工艺和测试技术以及初步应用方面取得了显 著进展m j 。 1 3 微流体系统 将微泵、微流量传感器与相关的信号处理和控制电路相结合的微流体控制系统，由于具 有精确控制微量流体等特点，已经成为m e m s 研究的热点之一。图1 - 4 表明，m e m s 销售额 年增长率2 0 - - 3 0 ，其中增长最快的就包括微流量系统，特别是在喷墨打印头、芯片分析系 统、质量流量计等的应用”。除此之外，在诸如精密微器件的润滑、燃料微喷注、药物输送、 微量化学分析系统等领域也展现了诱人的应用前景，这使得微型泵及其它微流体器件的研究 成为了微机械研究的热点，许多世界一流大学都有致力于硅微型泵和微流体器件的研究实验 室或研究小组，其中u c b e r k e l e y 开展了名为m i c r o f l u m e 的微流体及器件研究系列课题，是 美国国防部先进技术署( d a r p a ) 于1 9 9 8 年开始的重点项目。由于微流体系统的开发涉及 许多微加工技术，其研究水平从一个侧面反映了m e m s 发展的水平i l 。 总的来说，微流体系统包括流体操作、流量测量和控制三部分。微流体系统中器件是由 上海交通大学博士学位论文 许多单个元件装配成的，现阶段主要还集中在器件的基础研究阶段，重点是研究与开发可以 感应、抽吸、混合、控制微小量流体( 气体或液体) 或利用流体产生驱动力的微小器件，如 微泵、微阀、微流量计等微流体系统的核心器件。在微泵等微流体器件研究的基础上，也同 时开展了对微流体系统的集成化的研究。一般是由微泵和微流量传感器集成的单片结构或是 将微流量传感器和信号处理电路集成的混合型多片结构，也有根据微泵的设计通过膜内应力 的变化获得形变信息从而获得微泵的流量信息的设计l 。微流体系统研究的最终目标是要将 各器件集成起来，形成完整的集成系统，实现某一功能。 国家自然科学基金重点资助项目“微型机械制造基础理论及基础技术研究”中“微小型 泵的基础技术”由清华大学周兆英教授等承担，围绕几种典型微流量控制系统的实现，研制 了微流量传感器、微阀和微泵等1 0 余种微流体传感与控制器件和几种实验系统。以微小型泵 为基础，开展了机、热、电耦合的多能域系统建模方法研究，提出了基于能量等效原理及流 固耦合理论的微型泵动力学建模方法，研究了流体的附加质量效应对微流量控制的动态特性 影响，利用等效电路、有限元分析、神经网络等方法进行了微型泵的建模研究。在创新设计、 关键技术、基础性研究和新的应用等方面取得了一些成果【l “。 但应该看到，虽然我国的m e m s 器件研究工作已取得了很大的进展，但是与国外相比仍 存在着较大差距，在m e m s 器件的工艺模拟和器件c a d 设计方面还很落后。特别是在m e m s 器件的结构设计上，我们还不能全面地掌握器件设计和优化方法，阻碍了我国m e m s 器件研 制水平的进一步提高。 1 3 1 微泵 微泵是微流体系统的核心器件之一，微泵最早的研究工作是1 9 8 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 利用压电双晶片做出的蠕动泵【1 3 】，如图1 。5 所示，应用体硅微加工技术制备了泵 体，并将硅键合到玻璃上。这个泵包括三个主动的压电双晶阀，以蠕动的方式工作。 v a nl i n t e l 等第一次报道了由压电单晶在一个玻璃振动膜上作为驱动器，而由止回阀配合 使用的泵，见图1 - 6 。 在这二十年里，微型泵的研究多停留在结构原理设计阶段，研制出的微型泵大多采用薄 膜往复泵结构，主要集中在加工工艺和性能测试方面【1 5 1 6 。微型泵的设计按抽吸原理可分 为往复式、蠕动式、电水力式、电渗式、超声波式等m 】：按致动形式可分为热致动、压电致 6 上海交通大学博士学位论文 许多单个元件装配成的，现阶段主要还集中在器件的基础研究阶段，重点是研究与开发可以 感应、抽吸、混合、控制微小量流体( 气体或液体) 或利用流体产生驱动力的微小器件，如 微泵、微阀、微流量计等微流体系统的核心器件。在微泵等微流体器件研究的基础上，也同 时开展了对微流体系统的集成化的研究。一般是由微泵和微流量传感器集成的单片结构或是 将微流量传感器和信号处理电路集成的混合型多片结构，也有根据微泵的设计通过膜内应力 的变化获得形变信息从而获得微泵的流量信息的设计l 。微流体系统研究的最终目标是要将 各器件集成起来，形成完整的集成系统，实现某一功能。 国家自然科学基金重点资助项目“微型机械制造基础理论及基础技术研究”中“微小型 泵的基础技术”由清华大学周兆英教授等承担，围绕几种典型微流量控制系统的实现，研制 了微流量传感器、微阀和微泵等1 0 余种微流体传感与控制器件和几种实验系统。以微小型泵 为基础，开展了机、热、电耦合的多能域系统建模方法研究，提出了基于能量等效原理及流 固耦合理论的微型泵动力学建模方法，研究了流体的附加质量效应对微流量控制的动态特性 影响，利用等效电路、有限元分析、神经网络等方法进行了微型泵的建模研究。在创新设计、 关键技术、基础性研究和新的应用等方面取得了一些成果【l “。 但应该看到，虽然我国的m e m s 器件研究工作已取得了很大的进展，但是与国外相比仍 存在着较大差距，在m e m s 器件的工艺模拟和器件c a d 设计方面还很落后。特别是在m e m s 器件的结构设计上，我们还不能全面地掌握器件设计和优化方法，阻碍了我国m e m s 器件研 制水平的进一步提高。 1 3 1 微泵 微泵是微流体系统的核心器件之一，微泵最早的研究工作是1 9 8 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 利用压电双晶片做出的蠕动泵【1 3 】，如图1 。5 所示，应用体硅微加工技术制备了泵 体，并将硅键合到玻璃上。这个泵包括三个主动的压电双晶阀，以蠕动的方式工作。 v a nl i n t e l 等第一次报道了由压电单晶在一个玻璃振动膜上作为驱动器，而由止回阀配合 使用的泵，见图1 - 6 。 在这二十年里，微型泵的研究多停留在结构原理设计阶段，研制出的微型泵大多采用薄 膜往复泵结构，主要集中在加工工艺和性能测试方面【1 5 1 6 。微型泵的设计按抽吸原理可分 为往复式、蠕动式、电水力式、电渗式、超声波式等m 】：按致动形式可分为热致动、压电致 6 第一章绪论 动、静电致动、电磁致动、气动、电液致动、行波传递、凝胶致动、光致动等；还可按有无 机械运动部件分为有运动部件的机械泵和无机械部件的非机械泵，往复式和蠕动式在机械泵 的设计中得到应用：非机械微泵可以在无运动部件时驱动流体，这个技术应用了多种电液的 相互作用对液体产生的力，有超声驱动微泵、电渗微泵、电流体动力微泵、磁流体动力微泵、 弯曲平面波( f p w ) 微泵和热气泡驱动【l ”微泵等。我国清华大学从1 9 9 1 年开始了这一领域 的研究”1 ，先后设计了热致动、电磁和压电致动微泵旧”。2 ”，上海交通大学也研制出了微马 达驱动微泵引和形状记忆合金驱动微泵。 l b i m o m h f b m o t d h 2 图卜5 第一个微泵一蠕动泵 f i g u r e 1 - 5 p i e z o e l e c t r i c a n y d r i v e n m i c r o p u m p w i t ht h r e ea c t i v e b i m o r p h v a l v e s w o r k i n g p e r i s t a l t i c a l l y m p d m b e f “d h e 图1 - 6 被动止回阀泵 f i g u r e 1 - 6p i e z o e l e c t r i c r e c i p r o c a t i n gd i s p l a c e m e n tt y p e o fp u m pw i t hp a s s i v es i l i c o nc h e c k v l a v e s 7 圭塑窒望查兰堡主兰篁笙苎 一 压而吸入液体。 ( a ) ( b ) 图l 一12 形状记忆合金微泵( a ) 聚酰亚胺弹簧偏置式微泵( b ) 互补式微泵 f i g u r e 1 - 1 2s m am i c r o p u m p ( a ) p o y i m i d e s p r i n g - b i a s e d a c t u a t o rm i c r o p u m pa n d ( b ) c o m p l e m e n t a r ya c t u a t o rm i c r o p u m p 对于s m a 膜尺寸为5 r a m 的减压式微泵，在2 0 0k p a 的偏置压力下的振动膜的位移约为 9 0u m ，流速在m l m i n 数量级。在多个循环周期后，会出现振动膜不能完全恢复其平直状态 的情况。可能的原因也是振动膜的冷却率低，没能完全冷却下来。这种设计也不简单，另外 还需要有一套提供偏置气压的装置。 1 3 3 微阀 微阀是微流量控制系统的关键部件，可作为微型泵、微化学分析系统的组件，也可单独使用。 微型阀可分为主动阀、被动阀【2 4 , 2 8 , 3 4 、动态单向阀m 2 ”。 2 第一章绪论 g l a s sc a p e v a c u a t i o n p u m p i n g “p ( a ) p u m p i n gu p p u m p i n go u t ( b ) 图卜13 形状记己合金驱动微泵 f i g u r el - 1 3m i c r o p u m ps t r u c t u r ew i t hs m am i c r o a c t u a t o r ( a ) p r e s s u r i z a t i o nt y p e ( b ) e v a c u a t i o n t y p e 1 3 3 1 主动阀 主动阀就是一种微驱动器，主动阀具有双向性，通过微驱动器件控制其开闭。主动阀的 关键是选取有效的驱动方式和材料，驱动机制有静电”，”】、热双金属【5 4 1 、压电 5 5 1 、电磁”，”1 、 热气动”、形状记忆合金( s m a ) 等。 如图1 - 1 4 所示热驱动的微阀【5 9 】，给在两端固定的硅桥加热，由于熟膨胀而产生应力。当 应力积聚到某一l 临界值时，膜就会突然发生变形。图中的设计结构膜只能向下弯曲。 热气动微阀从1 9 8 6 年就有报道。图1 1 5 是一种正常状态下为开启的热气动比例控制阀 剖面图示意图【6 “。热气动微执行方式是利用流体加热时体积膨胀来实现执行