压电微泵研制及阀组的超声波键合研究

发布时间：2017-06-24 06:09

  本文关键词：压电微泵研制及阀组的超声波键合研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微泵作为微流量供给的动力,是微流量控制系统的核心部件。微泵在微流控领域内是非常重要的微型执行器,其广泛应用于生物医学MEMS、芯片冷却系统和微型卫星等,特别是在生物医学MEMS领域,微泵在药物输送、DNA合成、微量流体供给和精确控制等方面起着至关重要的作用。近年来,聚合物微器件展现出成本低,生物兼容性好,化学抗性好等优势,为此本文开展了采用压电双晶片驱动的全聚合物有阀微泵的研究。 为避免胶粘接在生物医学领域中的局限性,本文提出采用超声波焊接技术对微泵阀组单元进行键合。首先,针对两种超声波焊接系统分别进行微泵结构设计,同时为研究微泵泵送性能的影响因素,设计了两种不同尺寸的微泵泵体和两种不同的微止回阀片,并采用不同尺寸的压电双晶片驱动。 微泵结构存在多个振动元件,例如压电片、泵膜以及阀片,这些振动元件的振动性能对微泵泵送性能具有耦合作用,本文采用有限元软件ANSYS仿真分析了这些振动元件的振动性能。首先,采用谐响应分析中的Full分析法,分析了大、小两种尺寸的压电片在悬臂梁情况下的谐振频率。然后,采用声场的非对称方法分析了微泵泵体盛水时的模态和阀片在无限大静水中的模态。 微泵采用全聚合物材料制作,其中泵体材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),采用精密雕刻机加工制作,微止回阀片采用SU-8胶光刻技术制作。针对60kHz超声波焊接系统,采用压力自适应模式对微泵进行键合,研究最佳的焊接参数;针对30kHz超声波焊机,首先采用时间模式对微泵阀组单元进行键合,找出阀组单元键合后达到最佳效果时的能量,然后采用能量模式进行微泵进行键合,成品率更高。 本文最后将不同尺寸的泵体和压电片与结构不同的阀片组合成四类微泵,分别对每类微泵进行重复制作并测量其性能,然后整理实验数据,找出每类微泵的流量随驱动频率变化的趋势,然后结合微泵振动元件的仿真综合分析微泵流量的峰值的来源,确定微泵最佳工作频率的影响因素,为微泵的设计与改进提供一定的理论基础。
【关键词】：压电双晶片 有限元分析 超声波键合 最佳工作频率
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH38;TG456
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 微泵的应用及研究意义10-11
• 1.2 微泵研究现状11-17
• 1.2.1 微泵分类11-12
• 1.2.2 压电微泵研究现状12-15
• 1.2.3 微泵常用材料15-16
• 1.2.4 微泵键合方法16-17
• 1.3 本课题的研究内容及意义17-19
• 2 微泵工作原理及结构设计19-25
• 2.1 微泵工作原理19-20
• 2.2 微泵结构设计20-23
• 2.2.1 针对60 kHz超声波焊机的微泵结构设计20-21
• 2.2.2 针对30 kHz超声波焊机的微泵结构设计21-23
• 2.3 微泵尺寸和微止回阀片结构23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 3 微泵振动性能仿真分析25-36
• 3.1 压电片谐响应分析26-29
• 3.1.1 压电材料和压电方程26
• 3.1.2 ANSYS处理过程26-28
• 3.1.3 谐响应分析结果28-29
• 3.2 微泵泵体(盛水)模态分析29-33
• 3.2.1 ANSYS声场流固耦合分析29-30
• 3.2.2 ANSYS处理过程30-31
• 3.2.3 模态分析结果31-33
• 3.3 阀片(水中)模态分析33-35
• 3.3.1 ANSYS处理过程33
• 3.3.2 静水模态分析结果33-35
• 3.4 本章小结35-36
• 4 微泵零件加工及超声波键合36-46
• 4.1 SU-8胶阀片制作工艺36-38
• 4.2 基于60 kHz超声波焊机的微泵阀组键合38-42
• 4.2.1 60 kHz超声波焊接系统38-40
• 4.2.2 基于压力自适应方法的微泵阀组键合40-42
• 4.3 基于30 kHz超声波焊机的微泵阀组键合42-45
• 4.3.1 30 kHz超声波焊接系统42-43
• 4.3.2 基于能量模式的微泵阀组键合43-45
• 4.4 本章小结45-46
• 5 微泵泵送性能测试与分析46-54
• 5.1 微泵泵送性能测试系统46-47
• 5.2 采用60 kHz超声波焊机焊接的微泵性能测试47-50
• 5.2.1 大尺寸微泵性能测试47-48
• 5.2.2 小尺寸微泵性能测试48-50
• 5.3 采用30 kHz超声波焊机焊接的微泵性能测试50-51
• 5.4 结果与讨论51-53
• 5.4.1 微泵最佳工作频率51-53
• 5.4.2 有限元分析与实验结果偏差分析53
• 5.5 本章小结53-54
• 结论54-56
• 参考文献56-59
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况59-60
• 致谢60-61

【参考文献】

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本文编号：477276