电磁驱动柔性振动膜并联微泵的研究

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1、上海交通大学博士学位论文电磁驱动柔性振动膜并联微泵的研究姓名：苏宇锋申请学位级别：博士专业：微电子学与固体电子学指导教师：陈文元20060201电磁驱动柔性振动膜并联微泵的研究摘要基于MEMS技术的微泵，它是微流体系统的关键部件，具有体积小、功耗低、适宜批量生产等优点。微泵作为微流体系统的驱动部件，在生物、化学、医疗、检疫以及国防等方面构建微分析系统(I_tTAS)有着广泛的用途或潜在的市场需求，并可应用于特殊场合。目前研究的微泵主要可分为机械式微泵年l_

2、非机械式微泵，其中机械式微泵中的振动膜式微泵和非机械式微泵中的电渗流微泵的研究比较活跃。现有机械式振动膜徽泵

3、的驱动器多采用压电驱动方式或静电驱动方式，其振幅小，所需要的驱动电压偏高，驱动频率较高；而采用双金属片和形状记忆合金驱动的微泵，其频率过低，流量小，时滞较大。鉴于目前微泵的研究现状，为了改善微泵的性能，本文提出了一种电磁驱动柔性膜无阀并联微泵，采用电磁般向驱动方式、杨氏模量_’舟硅橡胶作为振动膜，以及动态被动阀作为泵体，这不仅简化了制作J：艺，减小加]：难度．而且偻够更容易的获得较好的驱动性能。本论文的主要研究内容和结果如下：讨论了微泵喷嘴的单向流机理，也就是喷嘴的流向依赖特性，从能量转换的角度探讨了喷嘴的整流能力，并得出，对于张角a=70。的喷嘴要得到明显的整流

4、效果，要求喷嘴的相对长度f(喷嘴的长度，与喷嘴的喉口边K瓯之比)须大于2。采用板壳振动理论和Lb磁场理论对电磁驱动器的驱动性能进行分析，得出振动膜磁体需要和驱动线圈保持～定的垂直距离，以获得最佳驱动性能．这一距离和线圈的平均边睦有关系。设计微泵的结构尺寸，并进行分析利优化。采川整体分析法对微泵的驱动性能进行了分析，井J{{=}有限元数值分析jL：县ANSYS软件对其进行模拟；进一步对微泵驱动器的驱动性能进行分析和理解，分析结果与前述基本一致。对电磁驱动线圈的驱动性能也进行了数值分析，验证了永磁体阵列分布能充分发挥振动膜的柔性这一优点。采用MEMS一艺制作了所设计的

5、微泵。所涉及的：L艺主要有溅射、光刻、电镀、永磁体化oNiMnP)电镀、砗的湿法刻蚀、玻璃的湿法刻蚀、聚酰Ⅱ胺_『：艺、硅橡胶T艺以及抛磨r岂等。本研究主要集中于永磁体的电镀和硅橡胶振动膜的工艺，采用永磁体可以制作般向驱动器，充分利_I=

6、j空间；利用硅橡胶杨氏模量低的特性得到较大的振幅。采用反应离子刻蚀(RIE)处理显影后的硅片，得到很好的电镀～一致性。同时，磁体为阵列分布，有效地减小了镀层与种子层间的内应力，有利于电镀更高的结构。在电镀线圈时采用聚酰亚胺取代氧化铝作为绝缘层和结构层，制作一12艺方便，而且内应力小，不至于使基片变形，后续抛磨方便。为了便于微泵泵

7、口进出管道的联接，设计采用一玻璃基片作为过渡片，在玻璃基片上用HF溶液刻蚀管道，并用硅橡胶对玻璃上海交通大学博士学位论文摘要片进行密封，经浓硫酸加般氧水处理过的玻璃片与硅橡胶密封效果良好。构建微泵的试验装置，该装置由低频电源、微泵、塑料软管、储水池和显微镜组成。首先对电磁驱动器的直流驱动性能进行了试验，试验表明，振动膜的位移量与线圈的驱动电流、振动膜磁体与线圈平面之间的垂直距离有关。当线圈电流为o．35A，振动膜与线圈间距为1009m时振动膜的位移达到最大，为40．21．tm。对微泵的流体驱动性能进行测试，试验表明，在0．351A、频率为240Hz的电流驱动下。微

8、泵的流量达}慑大，为1502∥￡／min，背压为154,6Pa．关键词：微机电系统，微分析系统，微泵，电磁驱动，并联，动态被动蒯，永磁体，电镀，微细加工，硅橡胶，聚酰Ⅱ胺，有限元II上海交通大学博士学位论文摘要MicropumpwithTwoParallelFlexibleDiaphragms：Design，FabricationandCharacterization．AbstractMicropumpfabricatedwithmicro-electro-mechanicalsystem(MEMS)process，whichisakeycomponentofmi

9、crofluidicsystem，hastheadvantagesofsmallvolume，lowpowerconsumptionandsuitabilitytomassproduction．Astheactuatingpartofmicrofluidicsystem，micropumpcanbeusedinmicrototalanalysissystem(岬、AS)whichhaspotentialapplicationinbiology,chemistry,medicinequarantineandmilitaryapplications．Micropump

10、canbe