【机械类毕业论文中英文对照文献翻译】混合压电致动式微型阀
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混合压电陶瓷硅微型阀摘要介绍了一个低电压、低能耗的、用于集成电池供电的便携式微流体平台的微型阀的设计、制造和实验特点。此微型阀采用激光加工的压电双的机械连接镍表面微机械结构的锚定在瓦楞纸上的Si N-聚对二甲苯复合膜系绳。聚对二甲苯层也用作一个阀座上的兼容的密封层,用于减少在关机状态下的泄漏。以自对准的方式连接大容量的压电单晶片到微机械膜片的机械连接工艺已经研制成功。该设计使在低驱动电压(10 V)下,达到最大行程(2.45微米),能够消耗相对较低的开关能量(678nJ)。通过调制孔板上的间隙测量的流速的依赖关系被发现(1-100)在低雷诺数条件下与层流理论能够很好的符合。微型阀的实验特征在于气体和液体的流动。例如,在10 V下单压电晶片的致动,在压力差为9.66kPa时测定气体流量为420微升/分钟。0 V驱动关闭状态的泄漏率估计为10-20微升/分钟。在典型流速率20Vpp(1千赫)、50的占空比、脉冲宽度调制(PWM)致动下,经测定在气压为6.9 kPa下气体流速率为770微升/分钟,在气压为4.71千帕下液体流速率2.77u L / min。关键词:磁性挤压,微型阀,压电单晶片。I.简介微流体设备组成部分(微型阀,微型泵,流量传感器,过滤器等)的发展,实验室芯片的集成必须时刻谨记子组件兼容性的制造工艺。此外,需要电池供电的便携式微流控平台领域和手持操作应用要求设备工作在低电压和低电流,延长电池寿命。此外,需要电池供电的便携式微流控平台的室外和掌上操作应用要求设备在低电压和低电流下工作以延长电池寿命。许多制动方案已被应用于微型阀。静电致动器1 - 3有接近零功耗(1毫瓦)、非常快的响应时间、易于加工等优点。但是在高的驱动电压下有对微粒子污染敏感、在大的距离下不能产生大的力等缺点。电磁致动经常用于微型商务阀,但需要大的工作电流(200毫安)。至少两种形式热力致动形状记忆合金4和双金属的热致动器5已被证明。由于微尺度热量传递的限制他们切换时间较长,往往需要大功率驱动。压电致动其突出潜力在于低功耗和高驱动力,但存在缺点,如相对较高的驱动电压,复杂的制造和小排量6 -11。减少压电薄膜的厚度可以获得较低的驱动电压,但同时也导致动力较低。为了低电压驱动下获高动力,需要大量的压电致动器。然而,如果致动器必须被放置在微流体通道中,它尺寸较大将会限制许多致动器集成在一个晶片上。为了向微通道中其他微流体元件提供基板面,执行器必须放置在远离主微流体通道的地方。在本文中,我们垂直式集成压电致动器与微流体芯片,确保密集的微流体的功能和低电压低功耗的运行。新的驱动方案采用批量压电单晶片执行器。该体系结构解决了通过解耦的微机械结构的设计和制造,将压电材料与许多的微机械加工工艺集成的挑战,在这种情况下,该压电双是激光机械加工的,并连接到微型设备上。铁- 环氧支柱从压电单晶片延伸到复合膜上,而Si-N聚对二甲苯复合膜又是与阀帽相连接的。 Si-N复合膜上的聚对二甲苯层能达到增加氮化物层机械强度、通过增加机械顺从性(力顺)减少流体泄漏的双重目的。该压电单晶片致动器的位移取决于与驱动器上的电压呈线性关系,也与单压电晶片刚度成反比,呈现为致动器尺寸与工作电压折衷考虑的一种设计。在这项工作中,制作矩形压电双以保持低的工作电压(0-10 V)。比较大的致动器被粘结在硅晶片的背面,因此,所有的硅表面区域仍然可用于其他微流体组件的制造(例如,流量传感器,反应室等)。 例如,一个过程和力量兼容的流量传感器12可以被集成为闭合环路流量控制。此工艺流程(设备自动化系统)也是一个低温工艺过程(温度小于等于150C),使后-CMOS工艺的晶片上微细加工成为可能,可以方便地与电子产品集成。本文的结构安排如下。第II节叙述微型阀的操作原理,第三节分析单层压电致动器。阀板、压电致动器和自对准装配工艺的制造工艺在第IV节讨论。第五部分为试验结果与讨论。II、操作原理图1(a)表示的是微型阀原理图的3D视图。微型阀的主要组成部分包括压电致动器和微加工的硅晶片,首尾相连的磁挤压铁环氧支柱。微型阀通过驱动音叉形的压电单压电晶片致动器以提供纵向位移来实现。此位移通过机械联动装置被转移到镍阀帽,从而调节批量蚀刻的阀孔上的间隙。这将导致在调制中的流体流动,雷诺数流较低时(1-100)流速与孔口间隙的立方成正比,如 13、14。音叉形状的设计保证了致动力均匀地施加在镍帽的两端。压花的SU-8模具被用来定义在聚二甲基硅氧烷(PDMS)帽中的通道,然后将其在硅的上表面上缩放,以形成微流体通道。就加工步骤而言,不增加成本的情况下过滤器的额外功能可以被纳入微型阀。可以在孔口中的硅氮层蚀刻出孔眼,起到过滤器筛的作用。电镀镍阀门帽的尺寸已经选择了,所以盖既不能太薄要允许弯曲,也不能太厚以至于存在残余应力。厚度大于75微米时,可以观察到相当大的应力诱发的弯曲,薄层厚度小于25微米时则很容易弯曲。选择一个最佳的厚度-50微米,因为它可以获得我们可接受的刚度和残余弯曲。选择该锚定区域(直径350微米),是为了适应的后面将要描述的支柱生长过程的对准公差。选择致动器的尺寸为(2毫米X20毫米,250微米厚的PZT,40微米厚的镍)是为了使位移和阻滞力达到最大值的同时保持操作电压小于10 V。聚对二甲苯膜,既作为阀门的系链又作为镍帽锚,如图1(b)所示呈波纹状(5微米深,20微米的间距)是为了降低它的刚度。结果发现,如图2(b)系链只有释放过程容易断裂。因此,如图2(a)所示加入一层聚对二甲苯,可以使屈服率增加至90。聚对二甲苯层的厚度被选择为3微米,为了使复合系链机械强度抵抗硅氮薄膜断裂用复合膜,释放过程中往往会导致聚对二甲苯层的剥离,并攻击的聚对二甲苯- 硅界面的释放剂(丙酮)。如图1(b)所示,这个问题已经通过使用保护环锚使聚对二甲苯定位来解决了。III .单晶片促动分析在下文中,将介绍对压电单晶片致动的分析。对致动器尺寸和驱动电压之间的权衡进行了讨论。如图3所示,为一个矩形压电单晶片致动器的驱动。它包括一个单一的压电材料层铅钛酸锆氧化物陶瓷(PZT),且压电材料层的一侧电镀了一层弹性层(镍)。沿压电体层厚度方向施加的电压导致了纵向和横向的应变。弹性层相对的横向应变,导致了复合梁的弯曲变形。我们分别考虑了一个空载悬臂单压晶片致动器的长度L和宽度W、弹性层和压电层的厚度Hni和Hp、弹性柔度s1和s2、密度1和2。对于压电材料的横向压电耦合系数d31:尖端位移、梁的刚度k、阻滞力F、基波谐振频率f、致动电压V式 15中已给出。对于我们的设计,PZT16和镍层的密度和杨氏模量(E=1/S11)分别是7450 Kg/m , 63 GPa and 8900 Kg/m , 150 GPa。PZT的横向压电耦合系数和介电常数分别采取26210-12 coulomb/N, 3450。对于上面所示的PZT的几何参数,镍层的最佳厚度的计算为40微米。优化是通过最大限度的提高尖端位移实现的,这取决于如图4所示的弹性层厚度。同时最大限度地减少电镀处理产生的残余应力(及因此导致的单压电晶片致动器的变形),该残余应力随着镍层的厚度增加而增加。这种设计预计在致动电压10 V的条件下将产生9.17微米的位移。利用式(4),悬臂结构的基本谐振频率计算结果是432赫兹。由膜的系绳和镍阀帽加载的致动器的谐振频率,可以通过将膜看作一个弹簧同时忽略膜和镍阀帽群的质量来进行建模计算。开关能量可以通过考虑切换后存储在压电致动器的内部能量来计算。该压电致动器以机械和介电能源的形式存储能量,这中能量可以通过存储在静态夹持电容Cp中的能量封装起来,按照如下公式此公式中 ,其中Cb是阻断电容其中,定义为压电材料应变为零时的电容,及压电材料横向方向上的机电耦合系数。对于所选的PZT致动器设计,Cb预计是11.6 nF的。鉴于生产商列出的系数k31的值为0.38,静态夹持电容的预期值计算为13.56 nF。致动电压为10 V时预期的开关能量计算为678毫焦。对于给定激励频率的功耗,倘若2fCR1,可以通过开关能量和损耗角正切tan计算出,如鉴于列出的损耗角正切值为0.02,在1千赫条件下,10 V电压致动时,功率消耗预期值计算为85.15微瓦。IV制造和装配制造工艺采用模块化是因为硅结构和压电致动器是分开制造的。在最后步骤中,使用铁 - 环氧树脂支柱将他们组装在一起。各个模块及其装配过程的制造工艺介绍如下。A. PZT单层压电致动器一个250微米厚的极化的1英寸方形的PZT晶片,只在一面电镀40微米厚的镍层,并使用低应力的电镀配方(Technic股份有限公司的镍溶液方案)。晶片使用1.5-W355 nm的二极管激光(Coherent公司的AVIA355-1500),通过消融切割,激光加工成双悬臂形状。每个致动器的切割过程需要41分钟,由于是非热能的烧蚀切割并没有对压电陶瓷去极化。如后面所述,铁 - 环氧树脂支柱是磁力挤压成型的,在悬臂的前端也用激光切割一个直径2 00-400um的小孔。B.阀板的制作阀板焊接在的硅晶片(100)上。图5显示了主要的制造步骤。制造开始以硅的反应离子蚀刻(RIE),形成5微米深,宽20微米的槽(如图6(a),作为随后要沉积的层的模具。保护环的宽7微米、深30微米的沟槽(图1(b)使用深度反应离子蚀刻技术(DRIE)进行蚀刻,以防止兼容的聚对二甲苯的层在最后释放过程剥离,而是随后沉积下来。一个700 nm厚的LPCVD(低压化学气相沉积) SixNy层被沉积下来见图5(a)。一个反应离子刻蚀(RIE)的步骤常常是,在所沉积的氮化物前侧进行蚀刻来界定进气孔。如图6(d)所示,进气口可设计为一个有过滤器的筛。接着,在前侧沉积1.5微米厚的PECVD(低温沉积技术、等离子体增强化学汽相沉积)氧化物, KOH蚀刻即终止。然后使用反应离子刻蚀工序,在背面上模式化,以定义窗口体型微机械加工 参照图5(b)。一个3微米厚的聚对二甲苯层,使用氧等离子体的反应离子刻蚀RIE界定阀座和镍质量的锚定,然后沉积和模式化,参照图5(C)。接着,一个5微米厚的光阻材料层进行纺丝,作为镍阀帽下的待除层。一个50nm厚的钛膜沉积,随后200 nm的铜作为电镀镍的籽晶层。然后通过一个70微米厚的AZ4903光致抗蚀剂层旋转形成一个电镀模具,并模式化来定义阀帽(如图5(d)。使用低应力配方电镀一个50微米厚的镍层。使用一个同步的KOH蚀刻步骤,通过蚀刻硅体释放该膜系链,并且由一个单面蚀刻夹具保护前侧不被KOH腐蚀。前侧上的PECVD氧化物作为刻蚀阻挡,防止KOH进入腔室壳体的前侧。此氧化物层通过湿法蚀刻(6:1 BOE)得到,且电镀模具被剥离得到最终的阀板参照图。 5(e)。对于界定微流体通道的PDMS盖的制造,一个模具形成首先通过在基底的硅晶片上模块化一个75微米厚的SU-8层。注入PDMS(SYLGARD184有机硅弹性体)混合物,并在85下固化10分钟。硬化的帽从模具上被剥离,并安放到阀板上形成微流体通道。对于氮化物,只要避免表面有尘埃颗粒,(聚二甲基硅氧烷)PDMS盖的粘附性可认为是良好的。C. 经铁环氧支柱,执行器与阀板组合件图7(a)和(b)所示为微型阀的组装顺序。硅晶片首先切成成10毫米乘30毫米的小方块。如图7(a)所示,黄铜垫圈连接在进口和出口端,对齐单压电晶片悬臂梁中心的孔和膜的中心后,(使用超强力胶水层)将压电单晶片悬臂梁接合到硅芯片的背面上。对准方式并不需要精确,因为支柱可以补偿的任何错位。 如下文所述的铁 - 环氧树脂支柱,然后生长。磁性铁 - 环氧树脂(301环氧树脂和古德费洛EpoTek直径为6微米的铁粒子的4:1的混合物)之间的压电陶瓷板和膜挤压的方法如图8 18 所示。该单压电晶片束致动器在尖端有直径为200-400微米的激光蚀刻孔,它被定位在SixNy聚对二甲苯膜系链的中心。如图所示该PZT-硅层压材料通过永久磁铁定位 参照图8(a),并且使用XY工作台定位的微分配器将铁颗粒/环氧树脂混合物输送到孔内。磁场沿着支柱的形状垂直向下地挤压粘性混合物,随深度加深扩口一点点增大。这个混合物,经过干燥,留下了250-300um直径固体铁/环氧树脂支柱如图8(b)和(c)。这个支柱是以一个自对准的方法形成的,不需要其他的掩模或对齐。该过程中对于PZT的变化和硅板的厚度的变化是不敏感的,PZT-硅粘接剂的厚度,PZT板和硅之间的间隙,这可以在系绳和单压电晶片执行机构形成残余应力。形成的支柱是多功能的,在不放置任何约束对其微加工的过程的情况下,可以用来连接PZT单晶片的运动到其它机械结构。我们都知道,尤其是对长宽比结构感兴趣的我们来说,没有其他进程提供了这样的功能。该膜的极限也可以通过控制施加预应力的固化温度来实现(见表I)。在固化过程中,预应力来自热收缩的环氧树脂和热的单压电晶片致动。并且在固化过程中,我们缩短引线以防止的单压电晶片热释电驱动。我们发现,热双晶片机制占主导地位。热膨胀系数的不匹配,会导致镍和PZT(镍的为,PZT-5H的为 )在固化过程产生在弯曲(在升高的温度下进行)。产生的固化残余应力如图 8(c)。这预应力可能会被用于降低的泄漏率,通过用力使阀帽按压靠在阀座在常闭合位置时,或实现常开阀。铁 - 环氧树脂支柱形成后,PDMS帽被密封在的前侧上,用以限定的流体通道。然后,模具是打包在加工印刷电路板的夹层中,示于图 7(b),完成装配顺序。V试验结果与讨论为了表征执行机构,阀盖行程作为致动电压的函数测定。测试以测量流量的相对于驱动电压,流量与差的压头和流率随占空比脉宽调制(PWM)驱动信号的不同的频率,为气体和液体的流动,如我们后来所述进行。A.电气特性对于静态(dc)的致动,在所施加电压为10 V的功率消耗经计算为40纳瓦从中测得的PZT的漏电流的4的nA。测量的动态功耗消耗一个正弦驱动电压被施加到压电致动器并串联100的电阻。测量电阻两端的电压来监视电流流入致动器和执行机构的两端的电压。驱动电压和电阻器的两端电压被路由到数字示波器进一步的处理。为了测量被夹紧致动器的电容,为测试电路,从测定的值和可以计算为。该电路被发现是在76.3千赫。由上可见,的计算是13.9 nF,这同意与13.56 nF的理论估计。所消耗的功率1 kHz时为10 V驱动执行器的值计算式为 计算为。测得的值与理论估计为85.6的合理性是由于,考虑到(10)机型内部损耗,而忽略了锚损失或机械损失。B.压电致动将直流的单压电晶片致动器的位移测量作为所施加的电压的函数。执行器的尖端位置被用作测定使用的电探针尖端安装在萨特仪器公司的MP-285微定位。探头尖移动接近致动器直到电连接指出的位置。这个移动量为探头尖再次进行连接的应用到致动器的电压,得到的前端位移。当致动器被链接的聚对二甲苯,它是由弹簧加载的常数的极限。这种效应是通过测量完全组装阀的阀盖位移来实现的。移位数据的空载和加载驱动器如图 所示9。对于所施加的电压为10 V,在空载和加载的促动器位移测定条件下,测得分别为12.9um和2.4um。在图9中的数据点为从测得的用于计算的刚度极限卸载单压电晶片的刚度值。这个卸载悬臂致动器的刚度的测定通过偏转执行器的提示和测量所产生的阻滞力,其值有Chatillon测力计上安装的微定位来测定。刚度测量值为267 N / m。忽视质量的膜,该膜的刚度能被计算为: 经计算膜的极限的刚度为1138N / M,这是相当接近的膜的相同的尺寸在20中1650 N / m的测量值。不同的刚度的形状和尺寸中的相异度是由于所用的波纹所决定的。C.频率响应激光反馈干涉仪(LFI)19 是用来衡量特征的阀时,在阀帽位移频率响应。测量的第一个谐波的卸载致动器和阀帽加载致动器分别是472赫兹和1.19千赫。合理的估计值对于无负载的致动器为432 Hz和对于有阀帽的致动器为1083Hz。在测得的值和估计值的差异可归因于由于残余应力的镍层增加的刚度,在计算的自然频率没有考虑到。D.流动的液体通过连接的阀,该阀是用于液体流动的测试孔口的液体容器,在上述给定的高度,高于这个平台以提供所需的恒定的压头。流速液体流速估计是通过的在一段给定的时间内一定积存和一定水平的下降的测量来实现的。压头的流体水平的下降的效果,在计算时为可以忽略不计的,因为电平的下降(2毫米)时相对储层总高度变化(60厘米)比较小。如图10表示驱动微型阀压头的异丙醇(IPA)的静态的前向气流率与变量驱动电压和压头差分的关系。静态流量,在低(1-100)雷诺数流动,变化的多维数据集的间隙在节流孔13,14,这是致动成比例的电压,和与压头(参见图11)的变化而线性变化。图 10和图 12的测量数据证实了这一点。在该条件下实验,预计的雷诺数在0.1-1范围内。流体流动的线性控制是通过不同脉冲宽度调制信号(PWM)的占空比(见图 13)来实现的。PWM信号的频率高达1千赫条件下使用,同时要查看的第一个执行器的结构共振和膜 - 阀帽机械系统在1.19千赫兹。1 kHz的致动的曲线的斜率,经过计算占空比为40 nL / min/。E.气体流量微型阀的气体流量也要通过使用在图14所示的实验设置进行测试,霍尼韦尔差压力换能器(140系列)要连接到压力室来监测的压力降。用于测量流量率,需采用以下方法。阀门是首先打开,填充使定容压力室到一定的压力,然后关闭。然后打开和经过时间自动获取下降的压力。然后使用波义耳气体定律(14),同等体积的变化通过(15)来进行计算。反过来得到(16)用于流量的计算。 图15呈现静态氮微阀致动在变量驱动电压和差分压头的前向气流率。在该试验条件下,气体流的雷诺数为预期在1-12的范围内变化。在给定的实验装置的限制下泄漏率(0 V DC)是太小以至于不易测定,估计是在10-20ul/min的范围内。在不同的压强下流速是线性变化的如图16。流体流动的线性控制是通过改变脉冲宽度调制的占空比信号(PWM)实现的(参见图17)。1千赫致动曲线的斜率的占空比被计算为11 。F.泄漏率一来制造的第一代微型阀没有兼容的密封层,被发现有非常高的泄漏率,在20 V驱动电压下,流速为2 的液体最大泄漏率为,对于流速为的气体最大泄漏率为。与此相反,带聚对二甲苯的微型阀密封层展现液体的泄漏率500 nL / min而气体为最大的泄漏率。因此,聚对二甲苯作为一个标准的密封层,密封是有效果的。尝试通过致动压电单压电晶片靠在阀座进一步减少泄漏率,然而没有减少泄漏。相反小的泄漏增加由于被假定为,弯曲引起的孔口尺寸的增加产生的如图18(a)。在未来的设计中,这个问题是可以通过使用如图所示,升高的阀座来克服如图18(b)。VI、结论和未来的工作激光加工压电单晶片致动器结构做为低电压、低功耗驱动已经被证实为可行。一种涉及磁挤出的组装到硅片上的微型机器的外部驱动器晶片的自对准程序已经被开发出来。这是通过高强的含硅氮的聚对二甲苯膜系绳实现的,其中的保护环结构防止了聚对二甲苯的分层。该技术允许cmos电子与由外部压电致动器驱动的微观结构集成。流量的闭环控制可以通过微型阀和基于流量传感器处理的兼容的拖曳力的集成人而实现。今后的工作将致力于通过使用高架阀座最大限度的降低泄露率和提高在高速气体色谱法和气体分离中应用的微型阀的带宽。致谢该工作是在康奈尔大学的康奈尔纳米实验室中进行的参考文献1 T. 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