MEMS静电驱动阵列微阀的研究

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MEMS静电驱动微阀兼具响应速度快、体积小、功耗低、能够与CMOS电路集成等特点,目前已经成为微流体系统研究的热点之一。本课题设计并制造完成了一种MEMS静电驱动微阀,通过静电力控制阀门开关以控制气体的通断,并且设计了微阀的阵列结构,通过外接电路实现对气体流量的线性控制。本文首先研究了微阀的机械性能,设计了一种双端固支梁的微阀机械结构,通过对所设计微阀结构的静力学和动力学模型进行分析,使用MATLAB对微阀的开启电压、响应时间进行了仿真计算,分析了微阀的物理尺寸对开启电压的影响,优化微阀尺寸设计方案。另外根据优化好的结构模型,利用Fluent仿真分析微阀工作时其内部流场特性,得到气体在微阀内部速度分布以及压力分布情况,验证设计的可行性。其次,对微阀的制作工艺进行全面研究,从较为成熟的MEMS体微加工技术和表面微加工技术入手,改良传统微阀制备的工艺步骤,成功研制了背部铝环结构和光刻胶牺牲层的新型微阀结构。通过大量试验,有效地解决了各步工艺中所出现的问题,设计了完整的加工流程,以较高的成品率制备出了多种尺寸的微阀样品。最后,经过多次测试试验,本文设计了相对合理的测试系统,对加工制造完成的微阀芯片样品进行测试,结果显示微阀可以在50k Pa压差、100V开启电压的条件下正常工作,并且基于上述测试基础给出了阵列微阀结构的外接电路设计。
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