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一个电磁驱动的双稳态微阀旋转门（这篇文章已被下载IOPscience。请向下滚动看到文章全文。可以获得表的内容和更多的相关内容，请注意，条款及条件适用）摘要：两种类型的旋转门微阀开发用于微流体系统流动中的流动调制，这些微阀经过测试流量达到高达100 sccm，并在压力差为6Psi下操作且伴随着高达100的流量调制。该微阀由一个悬浮门组成，在芯片的平面内通过孔板可旋转调节流量。门是通过在平面内能完全兼容的双稳态旋转微观结构实现悬浮的，有利于限制门除了在平面内的旋转之外的一切自由度。多入口/出口窍提供了三种不同流量配置的微型阀的操作灵活性。旋转门微型阀可与外部电磁执行器进行交换。悬浮门是由软性磁性材料构成，它的电磁驱动器基于可变磁阻步进电机的操作准则。1. 介绍微流体装置中的流量控制是一种基本功能，具有广泛的应用范围，从生物化学分析系统，到药物输送，微能源电池系统，再到微电子冷却。微型阀是微流体系统中流量控制的基本元件。微阀具有很多重要的优势，如他们只需少量的样本，迅速的反应时间，并且功耗很低。基于操作的准则的不同，机械微阀可分为两种体系结构：膜片阀和闸阀。基本的区别是：对于孔平面上，diaphragmor门ofmotion的方向不同；闸阀用于覆盖进口/出口孔的门载片，可能落在芯片片面的内或外面，这种结构允许限制孔的流量在打开的位置上，驱动力作用于流动方向的垂直方向上，因此在高流动性的条件下可以更容易关闭阀门。第一个闸阀在热驱动器作用，在20Psig压强下，流量可达到5000sccm。 一些基于气或液的的闸阀设计采用热驱动的方法。由于高压力，热驱动已应用于所有四种微阀的设计中。但是，这些微阀只有缓慢的驱动力，并且需要能量去维持转换状态（他们不是机械双稳的），由于结构，大部分微阀需要比较高的开阀流量值，他们经常体验高漏（低开：封闭流量比）。但是，威廉姆斯等人4开发一个全硅闸阀，对于7中不同压差的情况，泄漏量低于0.2毫升min 1，对泄漏量要求不严的情况下，一般的闸阀都可满足高流量的应用。 本文首先介绍了电磁驱动旋转门微型阀。该微型阀由一个完全兼容双稳态微观机构组成，可实现门的旋转运动，并使其具有两个稳定的转台，即关或开。议案有两个（开和关状态）稳定位置的大门。门是用软磁材料镍制造而成，并由电磁驱动。许多应用中都有微阀，例如微型气相色谱仪系统（GC），它是气体检测系统。采用微型电机（micromachined）第一个微气相色谱法系统的硅晶片组成的喷射阀，分离柱，并在一系列探测器。在这方面的研究已成功地促成了GC系统中微尺度收集，分离和检测模块的发展，但是，实现芯片上的流量控制仍然是一个大的挑战，最显着的微型气相色谱系统ChemLab（商标）是由桑迪亚国家实验室开发，采用微型元件，如膜预浓缩器，DRIE硅分离柱和集成的声学传感器阵列。但是，宏观阀控制气体流量，将会大大增加系统的体积及功耗，类似的，另外一个气象色谱系统，基于基于MEMS的气相色谱仪，采用三个宏观流量控制阀。人们对趋于小型化的气象色谱系统越来越感兴趣，从而增加了对微阀的需求（可以在压差为2至7Psig的条件下，保持流量在几百sccm运行，并且要低功耗，具有较快的反应时间），xx报道了用于为气象色谱系统的由热空气驱动的微阀该微阀吸入压力下降13 psig则流量约为60 sccm，响应时间为1s。其中超过1slpm流速、流量获得15.8 psig的压力降，这些阀门的开关时间也是1秒。xx报道用于气象色谱系统的由静电驱动的硅微阀，在8psig压降下，开放流量可达到氮气的8.4sccm。研究的目标是开发一个气流闸阀，能很快的反应，流量调制的能源效率方案，用于电流供电的微气象色谱系统。2. 微阀设计概念： 旋转闸阀，如图1 所示，由悬浮在基板上的门块组成，基板是平面内可旋转地双稳微机械。两种双稳微机械共有两种设计，对于中心块，四种单独的双稳机械有不同的配置。第一种，即外伸式双稳机械（outside-IPRBM）连接在一个固体圆形块得外围上，如图1（a）所示。第二种，即内伸式，把整个机构包含在环形圆盘块得内部，如图1（b）。门得两个稳态位置，即孔德开或关的两个位置被刻蚀在基板上。微阀被制成常闭(NC)或常开(NC)，接近基板的门块，起到阀座的作用，可用来减少阀的泄漏量。在开的状态下，通过端口的微阀流量是通过孔来控制的，如图4.门的纯旋转运动驱动是由电磁实现的。驱动装置（定子极）沿着门的周围放置（转子极），只有很小的空气间隙和角度重叠。这种驱动方法是模仿了可以固定的可变磁阻直流步进电机的运行，这样的电磁驱动方案要求门部分或全部用软磁材料如镍铁合金制造。 这样可以利用一个外部的驱动器去测试微阀，如图2列出了两种可行的方案，把一个微加工的电磁驱动器集成在微阀芯片上，如图2（a）所示为，软软磁芯的电感器制造在一块单独的芯片上，调整过适当的驱动位置后，被粘贴在微阀芯片上。图2（b）所示，电磁驱动器制造在同一块基板的背面，电镀的坡莫合金把由环形电感器产生的磁通量传递到驱动器位置的正面。 微阀是一个多学科的系统，需要在三个不同领域进行设计：旋转微机械；微流控系统；电磁驱动系统。这些不同的领域并不是相互独立的，微阀的设计是一个反复的过程，以下三个小节分别是微机械设计，微流控设计以及电磁驱动设计。2.2 微机械悬浮在门块中部，而门块在靠近基板的上面，用来产生旋转运动和角度双稳性。因为其微细加工方便，低耐磨，高精密运动，一个完全兼容的机械类型的所有运动源自柔性连接的挠度，取代了刚性连接的机械，微机械子系统由四个能完全兼容的双稳机械组成，它们以循环对称方式连接在门块上。微机械使用了长tensural支点取代传统的弯曲支点，以取代拉伸弯曲负载联动的压缩负载，xx显示了基于MEMS开关的用途。外伸式IPRBM的机构拓扑结构如图3所示，它由长度分别为L1，L2的兼容梁组成，而这两个梁通过宽度为Wc的C-beam连接起来。Wc梁的长度是兼容梁的五倍，分别为W1，W2。两个梁相互平行，相对于旋转中心，梁A与梁B末尾点的角度为。外部梁的固定点A与内部梁的末尾点B间的偏心角，围绕中心块的相同双稳机械的循环对称配置，允许在逆时针方向上的双稳态的纯旋转运动。IPRBM的刚度很大程度上取决于兼容梁的几何形状，梁的厚度与宽度比比较大，使Z方向上的有较大的刚度，微机械的厚度显著影响着微阀的压力等级。 2.2.1. IPRBM建模 机械的两个稳态可通过几种方法来评估，伪刚体模型（PRBM） 允许用适当尺寸的刚性连接与弹簧的组合去准确代表机械，如图3（b），两个梁被长度分别为r2和r4的刚性连接取代，而连接则通过一对扭簧连接在它们的末端。刚性连接的等效长度与梁的原始长度有关，如下：ri = Li ,其中，i=2或4，y是长度修正因素约为0.85，用于近似旋转梁的特征半径。扭簧的刚度： ，其中是刚度因素，约为2.06，用于计算由有限元决模型决定的梁实际的扭转刚度的差值，I是横截面积的力矩。 每个梁末尾的两个扭簧是相同的，K1 = K2 and K3 = K4，两个细绳被连接到有压缩关节的一对刚性连接上。而压缩关节代表兼容梁的可扩展性，如同C-beam的压缩性，它的弹簧刚度如下：其中A是横截面积，Kc是C梁的压缩刚度。梁的自由度是3，意味着IPRBM三个独立的运动和动力学方程是有必要的。机械运动限制方程：，其中是连接的有效长度。向x，y方向分解为： 运用微机械模型的虚功原理，可以得到：Ti表示扭簧的扭矩。 微流量设计 微流量设计是微阀发展的最重要的领域，最终将影响微阀的流量大小，即微阀的基本功能，目标是使开放流量最大化，并使关闭时泄漏量最小化，通过改变流体流动路径的阻力，实现微阀流量的调节，如图4所示，显示了旋转闸阀在开，闭状态的流动路径，在打开状态下，流经微阀时，是通过阀上的孔控制的，并且仅取决于孔的数目及尺寸。但在闭的状态下，门覆盖了孔，seat间隙很小，从而导致seat控制流量，泄漏量主要取决于seat间隙尺寸，每个阀孔的直径及数目，门的宽度，尺寸比大，这样在给定seat间隙尺寸的情况下可以保证门可以提供尽可能大的阻力 2.3.1 开放流量模型 如图4(a)所示，在打开状态的一个流动端口 ，其中m是块流量，Cd是放电系数约为0.85，Cv表示占纯孔流量的比例A0是空的面积，P1是进口压力，T是进口气体温度，k是特殊热比。 2.3.2 关闭泄漏量模型 Seat-gap即gs为3.5um，knudsen数目是0.019（Kn=l/L）l是气体分子的自由路径，泄露流量在滑动物理条件下Kn大于0.001，小于0.1，在滑动流量环境中，用合适的高速滑动条件下对NavierStokes方程进行表面修改是合理的，xx确定了间于气体与固体之间的滑动系数，xx研究了第一种微机械中的气体流量，表明在这些流量种类中摩擦因素的减小，xx在关于长微通道中气体流量的模型，预测由于滑动流量的临界条件对块流量增加的限制， 关于平面滑动流量的气体润滑理论被用来建立旋转闸阀的泄漏量的模型，xx建立出气体流量穿过平行密封坝（稳定，高速薄片状的）的模型，该模型压缩流量没有滑动边界条件。一个相似的模型如下，但是有边界条件，块泄露比率可以从在两块平行板之间的可压缩性粘性流体的调解方程得到，方程如下：2.3.3 流动端口配置 旋转闸阀的结构可以利用环形对称基板，在旋转中心块上可以多设几个孔，以取代一个孔，不仅可以成倍增加开放流量，还可以，平衡作用于门上流动压力产生的倾斜力矩，另外，多空可以提高在配置不同端口操作时的灵活性。流量分析汇总，我们考虑前置流量配置，流体从基板的背面注入微阀，如图5（a）。在打开状态下，图（a）（b）效果一样，但在关闭时，图（b），流体从上往下 流，在上下压差较大的情况下，seat间隙会减小，甚至消失。而两者间的中和结构如图（c），上面（front side）用盖子密封，两个端口分别是进口与出口。 2.4.1电磁驱动设计 概念 由两个磁极组成，一个是定子，一个是转子。转子极与微阀门无缝地结合在一起；定子与转子的固定如图6所示。 定子与在定子与转子之间很小的空气间隙的闭合电路中的电感器的芯磁性连接起来。两个极都是由软磁材料制成，如镍铁合金，当电感线圈中通有直流电时，电路产生磁通，在转子上产生磁矩，若大于IPRBM力矩，则门会转动到一个新的位置，而且与定子严格对齐，此时，之间的磁阻最小。2.4.2 磁阻模型 产生扭矩的磁驱动器可以用等效的磁路来表示，如图6，NI表示 磁电动机驱动力，由线圈电流I，匝数为N，定子、门、转子环与定子和转子之间空气间隙的可变磁阻产生的固定磁阻，当线圈中通以电流时，产生的力矩使转子转到磁阻最小的位置。空隙产生的磁阻取决于转子与定子的瞬时相对位置，磁路的磁阻可用以下方程计算：是路径的长度，是空气的磁导率，是相对磁导率，是磁通量的面积。 表1表示不同几何参数与材料性质的不同磁阻，图6中，磁路每单位厚度的全部磁阻可用下式计算： 由于低磁导率与具有较长磁路的电镀层的结构，磁性转子的磁阻不能忽略 磁路的全部磁阻取决于转子的角度位置，磁路的电感系数也随角度的不同而不同，如下式：假设磁路中的磁饱和是可以忽略的，则磁通量连接与驱动电路成线性关系，转子上产生的扭矩如下： 微阀的制造 3.1 微加工过程 微阀的三种不同结构元件组成了期间的不同板层，分别是： 流量孔；阀隙区域；由微机械、门、驱动器组成的微阀结构层。四种结构层可以增加转子，定子的厚度，越厚，产生的电磁扭矩越大。 一个双边抛光4英寸的硅晶片，厚度为350微米，可以作为基板材料。经过最开始的清理后，一个5微米厚的PECVD硅氧化层沉积在晶片的正面，如图7.晶片的背面涂满正光刻胶，使用DRIE法刻蚀，晶片正面的硅氧化层作为刻蚀的停止面，晶片正面的进程开始于seed层得蒸发，接下来是电镀。3.5微米厚的AZ4620，一种正光刻胶，及PR，被旋转在晶片上，并被仿制打开微机械锚的垫片和电磁（EM）驱动点。第一个PR层的厚度也决定了阀隙的尺寸，镍铁导磁合金被电镀在硫酸盐中PR模型的表面上。Seed层的第二个层被喷溅在表面上，16微米厚的第二个PR层，确定了微机械，门与驱动器的模型，镍铁导磁合金覆盖在第二层PR模型上，用于制造微机械，门与驱动器，厚度为1112微米。第三个PR层，30微米厚，用于加厚门，驱动器的厚度。接下来电镀，晶片分为块状，通过释放PR，获得门块，并用湿法刻蚀中间seed层。 3.2微阀原型： 如图8所示，两种一般的微阀处于关闭状态的电子显微镜图像，门块的曲率有点凸起，半径超过100mm，所以，seat间隙在门的尾部，由于较小的尺寸(阀的seat间隙可以做到3.6微米)外伸IPRBM的关闭闸阀，相对于内伸型，应力释放效应小得多。测得的实际几何尺寸与设计尺寸见表1. 4.1. IPRBM特征： 平面内旋转双稳微机械的特征对于概念的验证与微机械性能的评估都非常重要。其中之一：虚拟显示微机械的功能，如实现纯粹的旋转运动与角度的双稳定性，而且要具有可逆性。平面内的两种微机械的双稳定性的旋转运动。 外伸与内伸型IPRBM的两种稳定状态如图9所示: 4.1.1测试方法微机械的定量特征对正确评估IPRBM原型是很重要的，基于图像的扭矩评估方法被用于定量地分析微机械的特征，通过压阻式微悬臂压力传感器（AE801）将一个次要的已知平面力加到门块上，传感器垂直向下安装在微定位器上，以获得一个精确的运动。常为25mm的针状探头粘贴在微悬臂上，用以减少因素6产生的刚度，针状探头物理结构上与机构相连，机械地激励机构，并从不同测试点获得的微观图上来估计机构的角度位移。 4.1.2结果 图10中的结果表示两种微机械设计的双稳态性能，较低的扭矩需求主要因为IPRBM平面外的偏差（使用探头的外部激励）特征的扩大，是由于厚光刻胶模型的处理，电镀导致可获得的梁厚度的最小化，5-6微米。兼容梁的深宽比aspect ratio约为2:1，平面外的倾斜刚度比平面内的旋转刚度要小的多，所以，测试过程的不平衡力可能导致这些器件在平面外产生倾斜，这会降低扭转要求与双稳性。因此，深宽比要增大。从直径为2mm的内伸梁测得的双稳比例是0.08，与模型预测值0.3相对，在在内伸梁中，双稳比例可达到0.07.当梁的宽度从4微米增加到56微米时，将极大地减小双稳性与深宽比。再者，仿真产生的偏差可能来源测试方法的局限性，电镀结构的应力也可能影响仿真结果，内部的应力释放也可能使转子的角度对齐产生偏差，如图8（b）图9（d）这些都可能增加阀的泄漏量。4.2 流量特征 4.2.1 测试方法 常用方法是引入一个已知的流量流过阀，并测出通过阀的压降。在平衡的条件下，已知的流量产生相似的压降，在型号为179A的全金属块的流量控制器（最大流量为100sccm，分辨率为1sccm）的进口，带有调节器的氮瓶可以提供更高的连续的50100的绝对压力psia，已知流量的气体通过微阀，通过安装在进口的压力传感器测得压降，出口在大气压下，微阀被包装在流动性的包装里，包装用等离子体解吸质谱法技术与激光塑造工艺制造而成 4.2.2 打开流量结果： 特征值主要取决于孔的直径，基板的厚度，端口的数目，流量是孔控制的，对于cross-ow，孔数目减少为2，在相同压降下，流量减少为前两者的0.25左右，forward/reverse ow (as seen in gure 11) 微阀中氮的100500sccm的开放流量，在压降为6psig情况下，主要取决于孔的尺寸(40100m)，在实验与理论值之间可以去折中值。在大流量下的偏差主要因为气体流的非理想的流动条件，如转子的几何形状，表面粗糙度等。 4.2.3 关闭泄露结果： 泄漏量取决于流量配置，几何尺寸，如压降，微机械刚度，原始的间隙尺寸，门的宽度，孔的直径。对于cross-ow conguration，由于流动方向的改变使一个倾斜力矩作用于门上，阀孔出口处可以得到很好的密封，但是流量也会大大减少。 4.2.4 内伸与外伸的比较 两种微阀的设计不太相同，都提供了流量控制的范围。表2表示了不同微阀设计测得的流量。内伸式，从它的大角度位移与尺寸来看，孔的直径达到100微米，因此在6psig绝对压力下允许高达500sccm的流量。同样，内伸式有四个门或孔，但是最优化的设计，有八个门或孔，这样可以加倍阀的流量。外伸式，在2mm器件中孔直径的最大值为80微米（没有激励点），在6psig压力下，流量为180sccm，在开与关的状态之间，阀提供高的反向流动调制。从开到关的流量比对于不同内伸式阀设计为50-100.而外伸式为1050. forward-ow调节主要取决于阀seat隙，在较大的微阀中（内伸式），从一些原型中得到，间隙最小尺寸为5.5微米，流量比为10-20。在门宽为80微米，流量比与内伸式想当时，较小的间隙尺寸可以从1mm的外伸式微阀中得到（3.6微米），cross-ow性能比reverse-ow稍微低点，角度偏差为1-2，因为内部应力，如图8（b），这会增大泄漏量。 4.3 电磁扭矩特征 4.3.1 测试方法 门块的电磁驱动需要形成一个闭合的磁路通过旋转门阀，如图12.外部电磁驱动装置，圈数为400，绕在直径为6.8mm铁芯上的电流线圈水平地安装在微动台上，两个直径为1mm的铁棍安装在铁芯末端，它们间的间隙在24mm之间可调节，它们将大量磁通导入芯片上的驱动点上，基于图像的扭矩感应装置用于测试，外部电磁驱动器产生的、作用在转子门上的、超量的、逆时针扭矩 4.3.2 结果 如图1