一种用于微喷的感应加热器设计与仿真.pdf

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1、2011年第30卷第12期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)109一种用于微喷的感应加热器设计与仿真常文博，李德胜，刘本东(北京工业大学机电学院，北京100124)摘要：提出了一种用于热微喷头的感应加热器新结构。进行了相关的结构和工艺设计，在MEMS工艺环境下制作出了可以非接触加热，工艺结构简单，使用寿命长的微感应加热器。使用ANSYS对微感应加热器进行了建模和仿真分析，结果显示：感应加热器的最大加热功率可达到5mW以上，满足设计要求，同时得到了感应加热器的功率影响因素。关键词：微加热器；感应加热；微机电系统；微喷嘴；ANSYS中图分类号

2、：TP215文献标识码：A文章编号：1000-9787(2011)12--0109-03DesignandsimulationofaninductiveheaterformicronozzleCHANGWen—bo，LIDe·sheng，LIUBen—dong(SchoolofMechanicalEngineeringandAppliedElectronicsTechnology，BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China)Abstract：Anewstructureofmicroinductiveheaterformicronozzle

3、isproposed．Theinductiveheaterhassomeadvantagessuchasnon．contactheating，simpleprocessandlonglifetime．TheprototypeoftheheaterisdesignedbvtheoreticalcalculmionandfabricatedinMEMSlaboratory．TheheatingpoweriscalculatedandanalyzedbyANSYS．Itshowsthatthepoweroftheinductiveheatercouldexceed5mw．Theresultmeets

4、thedesignrequirements．Keywords：microheater；inductiveheating；MEMS；micronozzle；ANSYS0引言电流来加热，因此，微感应加热器的工作效率主要受两方面热微喷头广泛应用于喷墨打印机和微泵等产品或器件影响。一是要让交变磁场尽可能强地作用于加热部件，而中n]。而此类产品和器件通常都采用电阻器加热的方磁场强度的变化与距离呈指数式衰减，这对非接触式加热式。当电阻器作为电路的一部分与加热液体接触，会因为的特性有一定制约。通过采用导磁性材料制作加热部件，电化学或静电现象等因素影响加热器效果或直接造成器件可有效加强交变磁场作用效果。坡莫合

5、金作为一种应用广故障。泛的导磁性材料，具有价格便宜，曰坍曲线线性区间宽的优感应加热技术是根据电磁感应现象发展而来，因为其点J，是最为理想的感应加热板材料。其次，交变磁场作具有非接触加热的特性，可以为解决上述问题提供一条很用于任何导体都会因为电磁感应而产生感应电流，这对热好的思路。此外，感应加热还因具有热响应快、温度易控等功率的输出是一种损失，因此，选用绝缘体的玻璃作为基特点而在许多领域有着重要应用。]。底，既可以避免硅基底的电磁感应影响，同时玻璃在MEMS当前对热微喷头的研究主要集中在流道设计，喷头结工艺中同样具有优良的结构特性引。因为加工工艺的兼构等方面，而对加热方式的探索罕有报道。容性问题

6、，MEMS工艺中常采用方形平面线圈来代替立体传统热喷头的加热电阻器制作工艺相对复杂，而用线圈。方形平面线圈的磁场主要集中在中心位置，而线圈MEMS工艺制造感应加热线圈具有工艺结构简单、使用寿匝数通常需要大于20匝才能具有良好的磁场分布⋯。命长等优点_】。对于降低微喷头的成本，延长寿命，扩大传统微热喷头喷出的液滴大小只有几pl，加热过程在使用范围有着重要意义。十几到几十微秒内完成。对于水而言，其密度为1．0×1微感应加热器的设计10。kg／m。，120℃时水蒸汽的密度约为1．1kg／m。，将水由由于感应加热主要依靠交变磁场作用于导体产生感应2O℃加热至气化的过程中，其体积增大约1000倍。水的收

7、稿日期：2011_03__o2基金项目：教育部博士点基金资助项目(20101103120002)110传感器与微系统第30卷汽化热约为从1℃加热至100oC所需热量的5倍。由于宽40p,m，间隙40m，厚10tzm，21匝，加热板距加热线圈Q=CmAT，(1)距离l0m，加热板厚为l5m。加热器总体面积尺寸为m=pV，(2)2000Ixmx2000p,m。W=Q／t．(3)线圈总长度约为0．235