热致动微型阀膜片的仿真分析及工艺设计.pdf

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1、2014年第1期液压与气动13DOI：10．11832／j．issn．1000-4858．2014．01．004热致动微型阀膜片的仿真分析及工艺设计曹剑，唐建忠，朱笑丛(1．合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009；2．浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江杭州310027)摘要：热致动微型阀的主要结构部件为致动膜片。采用硅铝双金属作为膜片材料，设计了一种微型阀的结构，并分析其在温度变化条件下产生挠曲变形的原理。膜片的结构参数与加载温度对其变形量有着重要影响，需要对多个参数进行优化设计。利用

2、ANSYS对膜片进行有限元分析，建立了膜片长度、厚度、宽度及其比例关系、温度对膜片变形的影响曲线，为结构设计提供了理论依据。最后，基于MEMS加工技术，对致动膜片进行了工艺设计。关键词：微型阀；双金属；膜片；ANSYS；工艺中图分类号：TH138文献标志码：B文章编号：1000-4858(2014)01-0013-05SimulationAnalysisandProcessDesignofMembraneinThermallyActuatedMicro—valveCAOJian，TANGJian—zhong，Z

3、HUXiao—cong(1．SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering，HefeiUniversityofTechnology，Hefei，Anhui230009；2．StateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandContml，ZhejiangUniversity，Hangzhou，Zh~iang310027)Abstract：Themaincomponentofthethermallyactuatedmicro—valvei

4、stheactuatedmembrane．Inthispaper，weproposeakindofmicro—valvewithSi—A1bimetalasthemembranematerial，andanalyzetheactuationprincipleofthemembrane．Thestructuralparametersandtemperatureraisehaveagreatimpactonthedeformationofthemem—brane．Therefore，weneedtomakeopti

5、mizeddesigntoeachoftheparameters．BasedonaseriesoffiniteelementanalysiswithANSYS，werevealtherelationbetweenthedeformationinthecenterofthemembraneandtheparam-etersincludinglength，thickness，widthandtemperature，whichcanprovideatheoreticalbasisforthestructurede—s

6、ignofthemembrane．Finally，thefabricationprocessofthemembranebasedonMEMStechnologyispresented．Keywords：micro-valve，bimetal，membrane，ANSYS，process引言气致动式，双金属致动式和形状记忆合金致动三大类。随着现代微细加工技术的发展与成熟，微型器件我们主要研究双金属致动式微阀的致动膜片，其主要的生产制造已经成为现实。微型阀作为微机电系统中变形原理是利用两种不同热膨胀系数的可变形金属

7、结的重要控制器件，在仿生机械等领域有着重要应用。合在一起来提供变形的动力。在微型阀中，由于尺目前，微型阀的致动结构的设计大多采用膜片变形的寸较小，也可以采用非金属作为致动材料。方式，致动原理主要包括压电驱动，静电驱动，热驱动，电磁驱动、相变驱动等。热致动微型阀具有结构收稿日期：2013．10．31简单、尺寸较小、易于集成制造，并且具有优良的动态基金项目：国家自然科学基金资助项目(51005066)特性等特点J，已经受到多方的研究并获得应用。作者简介：曹剑(1979一)，男，湖南益阳人，讲师，博士，主要根据致动方

8、式不同，热致动微型阀又可以分为热从事液压与气动领域的科研和教学工作。14液压与气动2014年第1期微型阀致动膜片的结构形式有多种设计，悬臂梁图。本研究采用了硅铝作为膜片的双层材料，应用铂式结构可以基于数学模型进行分析，而复杂结构的驱作为加热电阻对膜片供热，加热电阻制作成重复弯曲动膜片在变形中存在的几何非线性情况，无法通过简状以保证各材料之间能够较好地粘合。膜片的两端通单的解析分析求解，