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4916-气动储气罐结构设计与工艺研究【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,气动,储气罐,结构设计,工艺,研究,钻研,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩

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136 (2007) 374384of of , J. 822 2007 in of A 9262is as a a of to a on e or of 1,2. in 2,3. as a to by 46.in a 714. or to to of 1014. a of 11. to 10,1214. or of of in A is or of In of of An et 15: a is by a 2007 b,1 006; in is an a to be of of of is a in of up 3 3 3a 4 40 V b, J. a, L. S. L 33701, . L 33620, 006; 9 0062006 to an of is is an 1, 2 to of et (2007) 374384 375a to be a on of a 627. in 15,2326. of 16,18,27,28of of to of a in 27,28. on in by a on a is 1a). as to on or in as 934. of to be as of of of is to of 3033. on no in In of on is to in an is 1) to be a be On a to is it of On 61b. of If 1b, of of on . (a) a an of be of be In is ed 34,35. A is is in is be to A be of as an of (b) on et (2007) 3743842. (a b) - D2(5 5 5 5 6F 4 )is A of 2), P t is of 2to is at b” in a + b)/ is an to b/on Q, is by R, of =)of s to an = in 3), in T To)a on of is W (L (L1(75 5 is on = (1 + (T )of ) of by as as to of to 2 to of L” 2a)a 2b), P”) to or of of in a 4 is L) to to a ). a to to is 5204 100 by et (2007) 374384 377(b)(a) of by a is 3a by in 6.6 0 h , 2, Z). (of of is is 813 (000 0 s is .9 540 s. 0 is on 800 as an ). in 0 on of 3a) to to 800 3b). in is as a to an to in on of Y 0 s, 50C 0 s. as a on 0 s at a 00C. 0 s, 5 s. is a 10 ( of is by in a 90 PfZ) a 15 a 5:5 is At of An 5% 0C, to 00 um a 5 h 50 in is 00h 0 et (2007) 3747of of 100 In 3b) to on is of is to 5 9262m of An is to in or no of 000 PY is to of is 800 in a of et (2007) 374384 379(a) of b)a Pa as it in 3437to an of be , 2, 3 of 1, 2, as A of to 5. of to h in is is as A 1813as to is IE to Pfis 300 3b a 150 a of 5 of . A 96%on a ), it a of of of be of a to a of to D, be to to of a 5. a on 双稳态微型阀 的 结构设计和制造 摘要 本文提出的是双稳态微型阀。制作微型阀使用的是一种廉价和正在収展中的由溅射法，光刻法和粘接微铣削法组成的技术。磁性系统的双稳态特性补偿了热力气动致动器的高功率消耗。密封膜和阀座之间的初始间隙高度优化，即使在低的入口 - 出口的压力差的情况下，通过阀门的流量也可以很大，并提供足够的密封力。仿真结果表明，当该阀具有一个 70米的初始间隙高度时，气体流量可以达到超过 90的阀的流量限制阀理论上可以密封的压力差超过 5 巴。微型阀的原型是一个焊接尺寸为 米 米的 壳，该阀实际上可以密封的气体流量为 350千帕，即使压力差低，气流通过阀依然相当丌错。 当 490 接到所述出口的管放入水中。 关键词：双稳态磁系统，微型阀，初始缝隙，密封力 前言 阀门小型化带来了尺寸的减小，体积的固定，可切换的时间，和可致动的电压戒功率。新的可能性也会出现，如植入式给药系统和气动控 制机器人的应用程序。自 20丐纪 80年代后期以来，各种各样的微型阀的设计和制造过程被迚行了研究 1， 2。丌同种微型阀在 3中已简要介绍。 在微型阀的设计中，重要的一点是选择合适的致动器。丌同的执行器被迚行了研究，他们中的许多已经在微型阀（如静电，压电，电磁和热）之中开始使用。热致动器包括热力气动 4， 5，形状记忆 6和热机械 7。热致动器的一个缺点是它们的高功率消耗。 5中，一个热力气动执行器因为其巨大的力和行程被选择，并通过创建一个双稳态的设计，兊服其转换过程中的能量高功率的消耗。 在阀的流量和最窄通道之间的关系需要迚一步研究。通过阀的流量主要由最窄通道，通常是密封膜和阀座之间的间隙确定。 人 8,9，制作了一个微阀并丏定义了间隙的高度 研究表明，在他的阀中，当 丏在一定的入口 - 出口的压力差时，流程 后，该流程渐近接近阀的限制。事实上，阀门的工作不密封膜变形，可以设计一个在 5中的初始间隙，为了增加流量。然而，在这些阀的初始间隙丌仅影响流量，而丏还影响流体的有效密封力。因此，需要更多的调查。 微型阀硅微机械加 工和超精密加工的制造是共同的制造工序。这里有一个组合式的微铣削的聚合物聚甲基丙烯酸甲酯（ 溅射法，光刻法和粘接采用一个证明的阀的设计原则。 本文将迚一步探讨 5中报道的双稳态微型阀的结构设计和制造。首先，简要介绍的双稳态微型阀的核心部分。然后介绍初始间隙的设计。再然后展示用亍制造的微型阀的组合技术的准确性。最后，展示和讨论实验微阀原型结果。 结构设计 A. 双稳态特性 双稳态微型阀的核心部分示亍图 1 壳 流道 密封膜 磁环 活塞 软磁 活塞 磁环 壳 流道 密封膜 图 核心部分 图 2. 5中 可能 用到 的双稳态微型阀（ 1） 2/2阀（ 2） 3/2阀。 双稳态微流阀的核心部分在图一中展示。双稳态的性能基亍一个磁性系统，它由两个环状永久磁铁（环形磁铁）和一个磁性板（软磁铁）组成。当软磁铁靠近下部的环形磁铁，它就被传递到下部活塞，然后交付到密封膜（材质：硅橡胶）去密封下部的流路。通常情况下，上部流路是开放的。 如果我们想要打开下部的流路并丏关闭的上部的流动通道，则需要一个外部的力来秱动软磁铁从下侧到上侧，然后让软磁铁保持在密封上的流路的位置。软磁铁是可以保持在仸一侧的磁系统，微型阀是双稳态的，并仅在切换过程期间消耗的外部能量。 如图 2 所示，该双稳态阀有两种可能 的安排。如果它被用作两个 2/2 阀以打开戒关闭流量戒压力供给，两个阀处亍相反的状态：一个是开放的，另一个则是关闭的。如果它被用来作为一个 3/2 阀，则 2/2 阀的出口被连接到其他的2/2 阀的入口，它可以用来控制秱动的设备，例如在其他机器上的活塞。 密封膜和阀座之间的初始间隙高度通常是零。当阀打开时，流体按压密封膜使其变形，间隙高度增加。如果该压力差低，则使密封膜的变形小，小间隙限制了流动。要增加流量，尤其是当压力差低的时候，要制造的是初始间隙，此时可以预期流量也会较大。这种设计也有助亍 减少阀座和密封膜之间的粘结问题。 入口 入口 出口 出口 出口 入口 入口 出口 工作端口 流出口 阀门 入口 阀门通路 出口 在图 3 所示的微型阀的流动通道中 ，连接管的内径为 500m。连接高度为 200m，链接初始间隙和通道的通道是囿形的，并有一个液压直径 D = 300微米。当入口和出口没有斲加压力，所述活塞还没有按压到所述密封膜，有一个阀座和密封膜（参照图 1）高度之间的初始间隙，在图 3 其定义为 h。采用计算机代码 估计距离 h 需要得到 90的理论通过阀的流量限制。流被假定为理想气体。两个在阀的压力差，模拟中为 20 千帕， 50 千帕。在模拟过程中，所造成的额外的间隙高度的密封 膜的偏转被忽略，当压力差低的时候这是合理的。 仿真结果示亍图中。 4 作为一个函数的比例小时 / D 其中 D 是入口的直径。已被观察到 比 h / 增加一点，和分别是渐近 分钟标准升），在 20千帕和50千帕的压力差和 些渐近流量的阀的流量限制。该限制时，小时 / D = = 40微米），并丏当 h / D = （ h = 70 微米），该流程将超过 90的极限值。 考虑到阀的密封力时，力必须向下偏转，密封膜在图所示的初始间隙高度（ a）中展示。向下按压活塞的总的力由软磁铁的磁夹持力来确定。初始间隙越大，按下密封膜需要越多的力，并丏结果密封所述流动通道的力较小。因此，一个初始间隙妨碍关闭阀。 图 3. 微型阀的流路（两个微型阀和连接管的一部分） 图 4. 仿真结果的理想气体流经微型阀在不同的 H/ 别为 20千帕和 50千帕的压力差）。 连接管内流路 流出 流入 微型阀内流路 压力差 压力差 a b c 图 5。（ a）原理图的仿真模型。 （ b）在所述活塞推压密封膜密封入口（ h= 70微米）。 （ c）该计算所需的力按到整个阀座密封膜。 所需的力向下按压的密封膜的阀座上，作为初始间隙高度的函数估计的码。图 5（ b）表示在 h = 70 微米的膜的变形的一个例子。用丌同的初 始高度的模拟结果示亍图。 5（ C）。当 0微米和 70微米，相应的力为 94 69 阀座 入口 密封膜 活塞 初始间隙高度 阀座 密封膜 活塞（部分） 硅胶 当磁性系统提供约 1 个初始间隙为 70微米，即 169 封力下降，是可以接受的。在此条件下，微型阀的密封压力的计算公式为： (1000 179) 10 3 / 650 10 6 2 626 , 其中， 650微米是密封膜的半径。 626千帕的压力明显大亍一般工业控制气体压力为 5 巴。因此 在原型中，我们的微型阀的 0微米。 制造 双稳态微型阀具有对称结构。图 6 展现了代表性的阀的剖视图。在该图的上部是一个分解图，下部是组装后的下半部的阀，用亍组装阀的四个螺钉孔未示出。 软磁 入口 出口 致动器室 粘条 型环 活塞 限制环 加热膜 主室 密封膜 磁环 中室 驱动膜 环状粘合剂薄膜 图 6. 双稳态微型阀横截面视 示意 图，半组装和半 暴露 。 主壳体，中间壳体，活塞和限制环用 产。壳体的尺寸为 米米 米。成硅橡胶的凝胶和其硬化剂的混合浇铸的模具的密封膜，也由 型研磨机的精度是 10微米。可用的铣削刀具的最小半径为 125微米。 图 7（ a）展示了聚甲基丙烯酸甲酯外壳，它可以用来描述微铣削的精度和考虑微型阀的中心部分的粘接。有 8 个孔，每个 1 毫米的直径，用胶粘（瞬间粘合剂，乐泰 401）在环形磁铁上。下面的凹部的环形磁铁，是另一种同轰的凹部的密封膜。有一个研磨通道了的以防止胶（硅胶胶水， 99）流入流道。所述阀座是低亍 70微米的初始间隙设计为密封膜的凹部的基地。此外，流动通道 300 300微米的深度。图 7（ b） 所示 的流路的一部分和阀座。图 7（ c）表示的红色的轮廓在图 中 的尺寸。图 7（ b）。相反为 300制造的流路的深度为 287微米， 初始间隙的高度为 些偏差 对 阀门 的性能影响丌大 。 加热膜是一种聚酰亚胺 膜，上面有一层金，厚度 220 射和图案通过光刻和蚀刻。 使用粘接膜（ 3螺钉组装的微型阀组件。图 8 展示了一个最后组装之前完整的微阀原型。 图 7。（ a）主 b） （ a） 的 3（ c）（ b）中的红色轮廓尺寸。 流路 阀座 环形磁铁空间 流路 阀座 胶体通道 密封膜空间 实验不讨论 迚行了实验测试的软磁体和紧密接触到阀座的密封膜的力按压，当 者是约 者大约是 200 ，这是大亍模拟169 一结果主要有两个原因：第一，制造错误 ;第二，磁保持力是丌准确的，当活塞防止软磁铁密切接触的环形磁铁。随着初始间隙高度的约 70微米的流穿过阀比较，以及即使当压力差低。相应的流量到 20千帕， 50千帕的压力差，分别为 气体流量为 490 以生成一个连续的气泡流动。该阀可以密封的气体流350千帕斯卡，实际上，这是小亍计算出的一个， 626可以归因亍一个事实，即密封膜和阀座之间的接触是丌理想的。 结论 双稳态微型阀制造 由 微细，溅射，光刻和粘接 相结合 。 流动通道的模拟表明 ， 初始间隙为 70m（约入口通道的直径 的 23 ，300微米）足以得到 90的流量限制，即使压力差 很 低。另一斱面，这初始间隙的密封力减少约 179 型阀的 密封力下降了约 200 实际上可以密封的气体流量为 350千帕。 改善的密封膜和增加实际的阀的密封压力的阀座之间的接触，需要更多的研究。 参考文献： 1 M. 集成 微型电动流体阀 , 美国与利 4,824,073,1989. 2 M. S. . 微型阀和常闭 微泵在硅片上的制造，传感器和执行器 , 1989,20, 163 169. 3 K. W. Oh . A. 顾微型阀 , J. 2006, 16, 39. 4 H. K. H. M. K. . A of on , 2005, 119, 4685 B. B. . K. 一个 动双稳态微型阀 , J. 2010, 20, 16 M. E. . C. 形状记忆合金微型阀，流量传感 , , 2006, 128, 2447 S. H. M. K. K. M. H. S. . J. 2003,42, 45934597. 8 A. K. “改进的微型阀气体流量模型 ,” 3: 国际固态传感器和执行机构会议 , 1550003). 9 A. K. 一种紧凑，压力和基于结构的气体流量模型微型 ,” 在法律程序中，微细加工中的材料及器件特性分析 , 4175, 742000; Y. . J. of a 100084, P. R. 52074, is in is a of of a of a of is to a at an 0 m, a 0% of of a of A of a in 6.0 h 26.0 h 10.9 a 50 is A 90 Pa to is . he of a in or as of 980s, of 1, 2. of 3. In of a it is to a of in as 4, 5, 6 7 of 5, a is of is by a in a to be as a is by is et 8, 9 a as a in is is at a is of of a an 5 be to in to In of a of of a a of of of 5. a of of is of is of is of . he of is 1. . of 1/$2011 is on a of is to it on is to to In is If we to an is to to in of in of is is As 2, of If it is as , in is is If it is as a 3/2 of a 2/2 is to of , it be to of a in B. he is is a to If is of is To is an is to be be to of 3. an 00 m. 00 m a = 300 m. is no to is is an 1), is as h 3. 1.0 to h is to 0% of as an 20 0 by of It is is 4 as a of h/D is of No h h/D it is LM 0 0 of a is of h/D = h = 40 m), h/D = h = 70 m), be 0 % of C. of is it to be a is to h as 5(a). is by to is to as a is an (a) (b) . of 5: (1) ; (2) (in of . of in h/D 20 0 1636 as a of by (b) an of at h = 70 m. 5(c). h 0 m 0 m, 4 mN 69 N to an 0 m, a 169 mN in is of is ()()236(1000 179) 10 / 650 10 626 , 50 m is of A 26 is h is to 0 m in of he a a of in is an a it is by of 6.0 26.0 10.9 of a of is is of 0 m. of 25 m. (a) of be to of of of mm in 01) is A is to 99) 0 m of as In 00 m in 00 m in (b) a of (c) of 7(b). 00 m 0 m, of 87 m, m. to of is a on a of 220 nm in by 3M to of a it is (a) (b) (c) . (a) of (b) to h = 70 m). (c) to . of 1637to to to h is 0 m. is , is 00 is 69 is a an of 0 m is to 0 0 LM A 90 Pa is to a to is a 50 is 26 be to is V. by on an 0 m (3 % of of 300 m) is to 0 % of of is On in a by 79 of by 00 mN it a 50 is to of 1 M. to ,824,073, 1989. 2 M. S. . on a 1989, 20, 163 169. 3 K. W. Oh . A. A of J. 2006, 16, 39. 4 H. K. H. M. K. . A of on , 2005, 119, 4685 B. B. . K. A J. 2010, 20, 16 M. E. . C. A , 2006, 128, 2447 S. H. M. K. K. M. H. S. . iNi J. 2003,42, 45934597. 8 A. K. “ 3: 15502003). 9 A. K. “A 4175, 742000; Y. . J. .(a) (b) (c) . (a) of (b) 3-D of a), (c) of b). . A it is a is a 1638应用于流体的微型阀的各种低功耗设计的开发 摘要：自动化控制的流体输送是微型全分析系统（ 一个重要的环节。有学者提议将微型阀内受压流体从微通道中分离出来， 这种方案大大降低了移动流体所需的能量。 单作用阀阵列的设计，微制造及其性能 为构成这一驱动机制的不可分割的部分，因此常 作为研究对象。阀门的可寻址成分是一个薄金属欧姆电阻，它的设计决定着驱动电压。 电阻仿刻于氮化硅膜片上，二者构成了一个竖立于硅晶片上的流体障碍。通过电脉冲快速加热引起 膜片式电阻的热应力，进而推开膜片来打开阀门。所选用的加工工艺均能 使晶圆级的 装置采用 术加工出来。 通过实验测试各种 不同 厚度（ 1、 2、 3和 不同尺寸的膜片。本实验研究对象为可承受的压力差高达 5 巴的阀（ 氮化硅薄膜 尺寸为 33度为 3 m）。受测阀门的驱动电压在 14140V 之间，驱动所耗 能量为几十到几百毫焦。 1 引言 微流体技术已经被纳入各种各样的研究计划当中，其中就包括有著名的传感器优势计划。在 实验室芯片 应用中的一个特别重要的环节就是每分钟所运送的流量。 即使作为单工序操作 ，密封液体的存储 和它的供需传送 有着多重意义 。 比如，常用的微流体应用涉及到交送分析 试剂到样品，再到诱导其转化以提供样品的状态信息，例如一些目标化合物【 1、 2】的存在或其浓度。另一个受益于自动化流体传送【 2、 3】的应用就是 用于 检测水体的便携式传感器系统中的样品摄入。 另外，通过将电解质加入到电化学电池【 4、 6】 中，自动化流体输送可 用作为产生能量供需的一种方式。 已有许多理论例证了流体的传送机制，这里所用的参考 仅为一些小的样品 【 7气体 驱动式或内置惯性驱动的方式优于电力驱动的方式，因为前两者可以提供更宽范围的流速。基于离心驱动式的 11】 中的经典例子。采用 体积膨胀材料是诱导压力差以获得微小 流量【 10、 12另一方案 到分析目的还是 要 产生能量，涉及到远程无人值守式传感器的应用都有特定的要求，而这些要求挑战着一些可行的微流方案的直接合并。这些要求除了稳定性 还包括有功耗低和耗时短。低功耗装置要求能够有效的传送流体， 这样 可以提高能源的工作寿命与整个装置的循环次数。快速致动能够确保预期 转换的精确控制。这类传感器，减少滞后时间就可确保获得实时的数据，15】等人提出了一种很有吸引力的流体传送机制。把储存 受压流体 的 容器置于阀体内 ， 当其 被打开， 可控的致动部分就会把 流体 传送到 微型通道。这种低功耗型微型阀可以应用到我们 这个课题中。 关于微型阀的设计与制造的报告已有很多，这里我们仅列举一小部分 【 16作为参考。采用无硅加工工艺生产出的聚合物/塑料阀和排气阀，是阀门制造方式的一种创新。有关利用传统制造工艺 加工微型阀的报告也很常见。传统的硅微机械加工技术得益于集成电路工业。大批量加工与微米级硅结构设备加工的可行性使得加工成本大大降低。 发出一种 微型阀，此阀可以减少致动所耗的能量。这里提到的设计同样 是基于热应力原理，它的主要不同之处在于其膜片上面印刻了一层薄电阻。 如图 1 所示，这种设计增加了其功能的多样性，因为此阀可以被加工出各 种各样的尺寸（使其能应用各种场合）而且可以加工于不同的基底上面， 而其他类型的阀的微通道或一些其他流体成分都是固定的。管道与流体端口是微流体学中 很受欢迎的研究领域。在图 1b 中展示了一些很容易相互连接的装置。为了能够获得更高的产量，需要选择具有良好特征且常见的加工工艺。如果像图 1b 那样安装，那么其驱动 所需 能 量 由此阀工作机制的消耗功率所决定。以上主要 就微型阀的制造及低功耗设计的实验研究作了相关报告。 2 阀门设计：理论上与实际上的注意事项 型阀材料的选择 沉积在硅氧化物上的薄电阻已经在各种传感器装置【 29气体或压力传感器）中实现。这种材料拥有陶瓷那样的热学特性，而且能够沉积在薄膜片上，这两种能力使其能够减少整个装置的热量。与其他金属【 30比，铂的电阻较高，因此常用来作为电阻加热器。 尽管有好几种装置在氮化硅膜片上面采用电阻加热，但是并没有对 不同尺寸 及 形状的电阻 做出 比较。本文中我们研究了各种设计中的铂阻尼器与金属式微电阻器，重点探究其设计对致动所耗能量的影 响。为了能够使其便于整合到便携式传感器中，我们提出了一些设计制造不同能量需求的微型阀的指导原则。 论背景及电阻器的设计 如果单作用阀（如图 1 的布置方式）应用于可储存气体能量的 流 体机构中，必须考虑以下两个因素：第一，膜片的强度必须能够承受住流体的压力。膜片的强度越高，所能承受的压力就越大，流 体充满容器的速度也就越快。另外，膜片必须能够可靠地泄漏一小部分能量，而且其泄漏滞后时间必须很短。本文已得出膜片所能够承受的最大实验压力。在文献【 34、 35】中主要讲述了运用数值分析的方法来求解一个现象逻辑式的机械模 型。 这里运用一个简单的描述式模型来量化膜片所承受的最大压力。此模型是建立在膜片相比于其厚度有较大的平面尺寸的基础上，也可以用来建立膜片尺寸与其所需的破坏压力之间的联系。当膜片一侧的压力发生改变，我们可以写出一个力平衡等式： 2 + 2) F 为垂直力， A 为膜片的面积， P 为压力， t 为膜片的厚度， D 为膜片平坦侧的长度， 左边的等式 4 中包括最大剪切力，其为膜片边缘上一个非常关键的剪切力。 2)式中的 b 是一种由于膜片偏移及加工造成的残余应力引起的补偿力（可能是正的也可能是负的） b/ 中包含有所用测试设备的仪器误差。 为了能够确定出其设计方案，必须考虑到能量与热效应之间的耦合方程式。首先，能量 Q 可以通过已知的电压 V 和电阻 R 计算出来： Q=R 其次，电阻的温度增量可根据能量守恒定律估算出来，一般由下式表示： Q=热量的转变 +热传导过程中流失的热量， 另外电阻器内温度的变化会引起阻值 变化，其大小取决于金属的物理化学特性（为金属的电阻率，为热阻率）和其有关尺寸（长度 L，截面积 （ 1+（ ） c ro L 热梯度（等式 4 右边的第一个术语）和热损失的大小决定着膜片 /电阻系统所能达到的温度以及温度增加的速度。拉近硅氧化物边缘与电阻之间的距离是减少热损失的一种方法。 如图 2 为两种基本的电阻器设计，其尺寸可以改变为了能够 够获得热损失的相对值。第一种设计（如图 2L” 的设计）的形状为“之”形。而第二个电阻器设计成了两腿平行相连的“ P” 形结构。这两种设计均关于水平轴和垂直轴 成中心对称。表 1 中每一种设计的四五个电阻器可分布在直径为 4基体掩膜上。我们期望第一种设 计达到所需温度所耗电流比第二种设计要少。平行式电阻器设计中的电阻比第一种设计 中 的 要小，因此其所加载电压可以更小。 3 微型制造 清洗硅基片（厚度为 520径为 4要三个基本的步骤，首先用丙酮进行旋转清洗，然后再用甲醇，最后使用去离子水，接下来进行远心脱水。图 3a 为膜片的加工流程。首先把基片放入低温气相沉淀炉中来沉积覆盖薄膜，沉积 123度的薄膜所需时间分别为 10h。 光刻与对准工艺均在 准器上完成，掩膜是从 司购买来的 。 属沉积与电阻器图案的仿刻 通过剥离技术可以把金属电阻器仿刻于基片的一侧，图 3 系统地展示了其过程。 然后在基片上面沉积光刻胶 国罗门哈斯公司 的产品 ） ，沉积时转速为 3000r/间为 影剂中浸泡 35用 司生产的 列的喷镀设备在晶片上面喷镀一层近 10铝层，这一层可作为 铂金属 沉积层与硅晶片（表 2）之间的连接层。最后将其浸泡于丙酮溶液里 20完成 电阻器图案的剥离仿刻。 蚀刻 完成电阻器图案的仿 制后，紧接着就是蚀刻晶片背部的硅（即图 3所示的腔体的形成过程）。蚀刻硅有两种加工路线 ，在路线 A 中，第一步先蚀刻氮化硅层，目的是为了形成掩膜以便能够在晶片上进行批量的化学蚀刻。在适当的掩膜体上使用负光刻胶 （ 司生产） 可以在晶片背面硅氧化物上仿刻出正方形。 沉积负光刻胶 备的旋转速度为 1000r/间为 40s，加热板温度设定在 150，加热时间为 80s，经过以 100的温度预热 80s 后，使用 影剂 进行显影。曝光时间为 20s，显影时 间为 光刻胶。此厚度可通过 量测设备仪器厂 科磊公司生产的紧凑型表面轮廓模型 于美国的圣爱赛州）测出。 使用反应离子刻蚀机（ 司生产的 过 115可 掉位于方形区域里的硅氧化物 。氮化硅刻蚀时所采用的工作介质为 三氟甲烷 与氧气的混合体，它们之间的比例为 45:蚀工艺 的不断进行，光刻胶的厚度会急剧变薄，因此之后再 需对光刻胶层进行局部的蚀刻。接下来对晶片进行彻底的腐蚀，所用溶液是 温度为 90 ，浓度为45的氰化钾。腐蚀过程中，以 250r/速度搅动氰化钾溶液，经过 5h 即可获得 500通孔。对于导向式晶片，溶液温度在90时，理论上的腐蚀速度大约为 100um/h。对于第二个加工路线，在晶片上加工通孔的第一步先是去除晶片底部的氮化硅。这一步可通过反应离子蚀刻 来完成，蚀刻速度为 25后得到的阀体晶片的特性与性能与第一种加工路线相比 并 没有明显的差异。在第一种路线中，光刻胶 来确定晶片背部的通孔，然后采用 国 司生产） 耗时 15 分钟在其上面溅射一层厚约 铝膜。仿刻铝膜的剥离过程需要在丙酮溶液中浸泡大约一小时零十五分钟。 通过蚀刻的方法可把铝仿刻到晶片上，对于这种晶片，铝会首先沉积 且 会 被 选择性刻蚀。酸性刻蚀可以去除 掉铝金属 。使用 1813 光刻胶作为铝的掩膜，然后再进行三次清洗，与此同时对其进行 1 分钟的等离子体蚀刻以去除 任何残余物， 然后把晶片放入深度反应蚀刻机中，经过 700次波希工艺的加工，就可去除仿刻电阻器下面约 9。图 3附有一个具有诊断功能的数字照相机。采用加工路线 B，同样可以一步步的在硅晶片上加工出膜片。 采用化学蚀刻的方法 可获得高大 96的生产量（对于路线 ,但是晶片很容易破碎或断裂，考虑到这个因素，尽管方案 A 所需的加工步骤少，我们仍然采用方案 B。 4 测试设备与注意事项，实验结果与讨论 片的压力测试 膜片的力学特性可以用来预测其强度，但是众所周知，沉积膜片的内部应力与其沉积技术及条件有关。图 4 为 学分析器所拍摄的照片，从中可以看出受测膜片的 弯曲度与加工方形膜时所诱发的残余应力之间的关系。这些膜片以及其它有着不同的边界尺寸的膜片 将被用来 做 测试以获得它们各自所能承受的最大压力。此图清晰的表明了低压化学气相沉淀物确实在加工薄膜时诱导 了 残余应力的产生。尽管如此，这种膜片有足够的强度支撑晶片的其余部分，正如很多文献 【 34中所报告的那样，这 表明 此 阀的残余应力小于 为了能够获得膜片最大压力的估计值，我们加工出 一些不同尺寸（边长分别为 1、 2、 3和 4、不同厚度（分别为 1、 2、和 3方形膜片，本次测试我们使用了 器。图 5 为测试最大压力的原理图和通过 传感器（ 精亮电子公司生产的 传感器）所获得的校核曲线。 通过压缩泵产生压力，同时打开压缩机与排气阀，然后再慢慢的关闭阀门，记录下每秒中的压力值，直到膜破坏为止。图 6 总结了施加调节压力时，不同尺寸的氮化硅膜发生破裂时的一些实验数据。从这些数据中可以看出， 减少膜片的尺寸就会显著地提高其强度。此连续的曲线适合作为以上所得实验数据的一个数学模型。 既然 只有最大的膜片（ D=4h=3生 断裂，再与厚度 为 1 和 2膜片相对比即可得出此数学模型。 这个模型是等式（ 1）的简化。假定施加的压力相同，压力差 P 也相等，对于最大剪力和膜片尺寸 D,其关系如下 : P=4系数 k 为补偿参数，主要包括一些在 分提到的逻辑现象方面的因素。正如图 6 所示，此模拟曲线与实验所获得的数据相当吻合。图 6 中可看出， 尺寸最大的薄膜（边长为 加载压力为 之间发生断裂，在 5 组受测的膜片中，仅有一个厚度为 3膜片所承受的破坏压力为 ，有好几组在 之间发生破坏，其余的当压力达到 5巴时，仍然没发生断裂。由于边长为 3度为 3膜片所承受的压力的范围较大，因此常用来构建热制动型阀门。 启阀门所需能量 微型电阻器的热效率【 14,33】常以所需能量或某一特定功率下达到一特定的温升所耗的时间来表示。 以提供恒定的电压， 然后 把电阻器放入 测站中，在加热过程中电阻器的电阻会发生变化，为了估算出电阻器达到某一温度所需的能量，需要估算出其阻值的变化量 其可通过计算 平均值 T ，式子如下： R 第一个阻值的电阻值 ,在表 3中列出了每种设计的电阻值（通过方程式 4 计算而得） 因此可采用不同的电压把电阻加热到不同的温度 (至少五个电位 ) 最终每个电阻的温度 范围都控制在18间。然后使用 录下电压和回路中（如图7a）的电流。电流和电压可用来计算输入功率，同样根据欧姆定律，可计算出受热电阻器稳定状态下的电阻值 由等式（ 4）推导出来的等式（ 7）中会使用到 估算稳定状态下的温度 T T=00 实际上，微型电阻器【 14， 33】的功率与温度之间存在线性关系，方程式（ 2）中暗含有温度与电压之间的联系 ; T =计算得出的温度作为电压的函数，输入到一个回归子程序中可获得方程式（ 8）中的常量 c 和 d 和 d 图 8 中所总结的一些关于金属电阻 验数据可以有力的证明电阻设计中加热所需的能量。稳定状态下的温度是功率与电压的函数。由连续的直线构成的曲线可以清晰明了的描述实验数据，正如上述那样，温度的增加量线性相关于输入功率。 R 代表平均相关系数，其值接近于 1程度表明曲线与实验数据吻合的良好程度，本实验获得的 r 8）表达，这种情况下所计算的相关系数 这些数据中我们可以看出，图 8 里第三个阀的温度增量较小，最可能的原因是其 位于晶片的边缘处，这使得其更多的面积暴露在 T=此导致更多的热量损失和更低的热效率。8）的正确性， 此方程式同样可以用来计算我们期望的 照梯形法使用数值积分的方法求出时间加权的实际电阻变化量的平均值 R)(后与计算所得 阻值的实际变化量可通过一恒定的电阻与示波器测出来。等式（ 9）可用来观察所有上述设计的电阻器的稳定状态的温度