基于MEMS微针的新型驱动机构的设计与仿真

发布时间：2020-03-21 01:54

【摘要】：微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)是微电子与机械工程相结合而发展起来的新兴学科。随着MEMS技术的迅速发展,其应用渗透到越来越多的领域,基于微针的经皮给药系统是目前比较活跃的应用领域之一。这种新的给药方式,既可应用于大分子蛋白质类药物给药,潜在的也能实现微创、无痛以及定时、精确和连续给药。但是在基于微针的透皮给药技术的研发过程中,如何有效地驱动微针或微针阵列刺入皮肤,是微针阵列走入商业化的一个关键问题。目前,基于微针的透皮给药技术,主要是集中在如何研究制造微针自身的有效结构,以便更好的刺入皮肤而不发生断裂,更好的实现药物输送。以往的研究很少有提出过带有驱动装置的微针,更不用说单片芯片上制造的微针和驱动结构。基于MEMS制造的柔顺机构,其具有平面内制造、易于集成、结构简单、无摩擦和磨损,不需要润滑等优势,因此其作为MEMS微针的驱动装置是一个很好的选择。本文首先阐述了本课题的研究背景及意义,介绍了国内外的研究现状,讨论了该领域未来的发展趋势。基于直杆柔性悬臂梁模型,讨论了改变柔顺性的三种方法以及三种获得大变形的方法,接着推导了伪刚体模型法中的三个重要参数。在对柔顺机构分析的基础上,提出了一种应用于基于微机电系统的椭圆弧形柔顺杆,并进行了理论分析。推导出了绕平面内轴转动分别在力矩和力载荷情况下的等效刚度和平面外离轴方向的挠度。接着通过大型有限元分析软件(ANSYS)进行了仿真。然后,将理论分析结果与仿真结果进行对比分析,验证了本文采用的有限元分析方法对椭圆弧形柔顺杆分析的有效性和准确性。在此基础上,基于椭圆弧形柔顺杆,设计了弧杆柔顺机构,可应用于微针阵列的驱动。采用ANSYS有限元仿真软件进行了驱动位移和结构强度等的仿真,发现最大应力与柔顺弧杆的短半轴b和最小宽度d的比值存在函数关系,通过该函数关系进行了参数优化。接着提出了带有弧杆驱动机构的微系统,该微系统中的驱动装置为四个对称式分布的弧杆柔顺机构,用于微针阵列的驱动,并可与微针阵列通过微加工,集成在一个芯片上。并对其进行了强度和位移的分析和讨论,以及椭圆弧形柔顺杆的参数对杆件的位移和应力的影响分析。另外,作为对比参照,与同等尺寸参数的四个直杆柔顺机构对称式分布的,带有直杆驱动装置的微系统进行了对比分析,分析讨论了各自的优缺点。结果表明:本文提出的新型驱动机构在驱动微针阵列的模拟中具有明显优点,其产生的驱动位移约为直杆驱动装置的1.8倍。最后,对具有微针驱动装置经皮给药系统的微加工工艺进行了研究,设计了基于微针的新型驱动机构的加工工艺流程,并对关键工艺进行了分析和讨论。
【图文】：

扫描电镜照片,微针,扫描电镜照片

图 1-1 文献报道的不同微针的扫描电镜照片针的透皮给药技术的研发过程中，，如何有效地驱动微针走入商业化的一个关键问题[7]。目前，基于微针的透皮制造微针自身的有效结构，以便更好地刺入皮肤而不发送。以往的相关研究中很少有人提出带有驱动装置的微微针和驱动结构。在宏观尺度下，医院的工作人员可以并控制助推器进行药物注射。但是在微观尺度下，基于寸在微纳米级，人类无法像日常生活那样直接进行打针机构或者驱动装置，控制微针。驱动问题是基于微针的个问题，如果想要实现基于微针的给药微系统的自动控。过连杆和铰链将运动、力或能量从输入端传递到输出端nisms)[9]作为一种新型装置，则是通过其自身的挠曲单元

远古时期,柔顺性,自然界,例子

图 1-2 自然界中柔顺性的例子存能量并产生运动由来已久，在远古时期的公元武器和狩猎工具的记载[31]。弹弓是柔顺元件早期世纪时就开始使用了[32]（如图 1-3 所示）。但由文字记载，直到 20 世纪 80 年代，普渡大学的研分类研究和分析，并将其定义为——柔顺机构（
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH703

【参考文献】