基于mems技术新型压电微驱动器的研制

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1、用MEMS技术硼制压电微驱动器摘要微流动系统作为MEMS的一个重要分支，近年来在微型传感器、微型阀、微泵等元件研究方面取得了很大的进展。微驱动器由于尺寸微小，可减小流动系统中的无效体积，降低能耗和试样用量，而且响应快，因此有着广泛的应用前景，可用于微量流体的压力、流量和方向控制及成分分析。本课题根据无阀微泵的工作原理，基于MEMS技术设计了一种新型具有PZT驱动的无阀型微驱动器，对微驱动器结构中的PZT驱动薄膜、无阀型的结构以及驱动器的特性进行了研究，利用计算机辅助设计(CAD)方法研究了相关制作工艺并给出该结构主要参数，研制出一种新型微驱动器。根据PZT微驱动器的

2、基本结构设计，从理论上阐明了逆压电效应PZT驱动工作机理，分析了有效载荷与挠度之间的关系，为方型PZT驱动薄膜的设计提供了理论支持。无阀型微阀采用扩散、收缩结构，利用微流体理论分析了圆柱形微体积元得到压力损失系数与扩散、收缩角度的关系，根据Gibson的计算结果其最佳角度为5。～7。。同时也证明了扩散、收缩管具备液体单向流动整流效应的决定因数是扩散、收缩角度和扩散、收缩口的截面积，也就是通过改变扩散管的入口和出IZl的截面积的比值可以改变扩散、收缩管的输出效率。利用计算机辅助设计给出了微驱动器的驱动腔体和扩散、收缩阀体的制备工艺结果。通过对方形PZT复合驱动薄板仿真

3、，给出方形PZT复合驱动薄板的驱动电压与挠度、复合驱动薄板的厚度与挠度，驱动复合薄板厚度与固有频率的关系，并给出了各阶振型进行分析结果。为进一步研究方形硅杯结构器件的理论与实验提供了参考依据。在计算机模拟微流体特性分析过程中发现无阀型微驱动器设计制作的关键因素是扩散、收缩管的角度以及管的长度，并给出了计算机模拟无阀型微驱动器的流量、背压与扩散、收缩管的角度、长度以及雷诺数等参数之间的关系。一一一一一．．堕釜茎三里盔堂堕主堂垡堡壅对于无阀型微驱动器的制备，介绍了与本课题相关的MEMS工艺，即薄膜制备技术、双面光刻技术、硅刻蚀技术及界面辅助键合技术。给出了微驱动器设计的

4、关键尺寸，用MEMS工艺制作了驱动腔和无阀型阀体的实物。在PZT驱动的无阀型微驱动器的研制过程中，得出了硅各向异性腐蚀速度与温度、KOH刻蚀溶液浓度之间的关系，探索了溶胶凝胶法制备PZT驸动薄膜制各关键工艺，对底电极、过渡层的材料选择，PZT溶胶、凝胶的制备方法、以及PZT薄膜O．3复合法进行了实验研究。经过SEM形貌观测PZT溶胶、凝胶的制备薄膜膜厚均匀，无裂纹，PZT厚膜横断面，表面的平整度较好，厚度可达2岬。其中Si02／Ti／Au／PzT层界面清晰。PZT驱动薄膜XRD表征分析表明PZT薄膜呈(110)择优取向的钙钛矿相结构。证明无阀型微驱动器的关键工艺溶胶

5、、凝胶制备方法效果良好。微驱动器性能测试中给出了PZT极化的工作原理，给出极化的工作条件。对压电振子的变形测试，得出了驱动电压及频率与PZT薄膜挠度的关系，以及与挠度有关位移量和驱动腔容积的变化值。给出了输出流量与驱动频率之间的关系以及最高背压值。结果证明采用MEMS技术研制的PZT无阀型微驱动器的工艺方案可行，同时具有集成化和大批量生产的特点，尤其适用微流体控制领域。关键词：MEMS；微驱动器；PZT薄膜；扩散／收缩管用MEMS技术研制压电微驱动器AbstractMicro—flowsystemisallimportantbranchofMicroelectrom

6、echanicalsystem(MEMS)Theresearchesofmicrosensorsandmicrovalvescomponentshavebeenmadegreatprogressinrecentyears．Becausethemicroacthatorissmallinsize，theinvalidvolumeoffluidislOW,thepowerconsumptionandsampledosagearedecreased，andthemicroactuatorresponseisalsofast．Sothemicroactuatorisappl

7、iedextensively．Forinstance，itCanbeusedinthepressure，flowrateanddirectionalcontrols，andthemicro—fluidcompositionanalysis．Accordingtotheoperationprincipleofvalvelessmicropump，anewtypemicroactuatorwhichdrivenbyPZTisdesignedandproposal．ThePZTfilm，valvelessstructureandcharacteristicofactu