外文翻譯混合壓電致動(dòng)式微型閥

1、混合壓電陶瓷硅微型閥摘要介紹了一個(gè)低電壓、低能耗的、用于集成電池供電的便攜式微流體平臺(tái)的微型閥的設(shè)計(jì)、制造和實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)。此微型閥采用激光加工的壓電雙的機(jī)械連接鎳表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)的錨定在瓦楞紙上的Si N-聚對(duì)二甲苯復(fù)合膜系繩。聚對(duì)二甲苯層也用作一個(gè)閥座上的兼容的密封層，用于減少在關(guān)機(jī)狀態(tài)下的泄漏。以自對(duì)準(zhǔn)的方式連接大容量的壓電單晶片到微機(jī)械膜片的機(jī)械連接工藝已經(jīng)研制成功。該設(shè)計(jì)使在低驅(qū)動(dòng)電壓（10 V）下，達(dá)到最大行程（2.45微米），能夠消耗相對(duì)較低的開關(guān)能量（678nJ）。通過調(diào)制孔板上的間隙測(cè)量的流速的依賴關(guān)系被發(fā)現(xiàn)（1-100）在低雷諾數(shù)條件下與層流理論能夠很好的符合。微型閥的實(shí)驗(yàn)特征在于

2、氣體和液體的流動(dòng)。例如，在10 V下單壓電晶片的致動(dòng)，在壓力差為9.66kPa時(shí)測(cè)定氣體流量為420微升/分鐘。0 V驅(qū)動(dòng)關(guān)閉狀態(tài)的泄漏率估計(jì)為10-20微升/分鐘。在典型流速率20Vpp（1千赫）、50的占空比、脈沖寬度調(diào)制（PWM）致動(dòng)下，經(jīng)測(cè)定在氣壓為6.9 kPa下氣體流速率為770微升/分鐘，在氣壓為4.71千帕下液體流速率2.77u L / min。關(guān)鍵詞：磁性擠壓，微型閥，壓電單晶片。I.簡(jiǎn)介微流體設(shè)備組成部分（微型閥，微型泵，流量傳感器，過濾器等）的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室芯片的集成必須時(shí)刻謹(jǐn)記子組件兼容性的制造工藝。此外，需要電池供電的便攜式微流控平臺(tái)領(lǐng)域和手持操作應(yīng)用要求設(shè)備工作在低電

3、壓和低電流，延長(zhǎng)電池壽命。此外，需要電池供電的便攜式微流控平臺(tái)的室外和掌上操作應(yīng)用要求設(shè)備在低電壓和低電流下工作以延長(zhǎng)電池壽命。許多制動(dòng)方案已被應(yīng)用于微型閥。靜電致動(dòng)器1 - 3有接近零功耗（1毫瓦）、非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間、易于加工等優(yōu)點(diǎn)。但是在高的驅(qū)動(dòng)電壓下有對(duì)微粒子污染敏感、在大的距離下不能產(chǎn)生大的力等缺點(diǎn)。電磁致動(dòng)經(jīng)常用于微型商務(wù)閥，但需要大的工作電流（200毫安）。至少兩種形式熱力致動(dòng)形狀記憶合金4和雙金屬的熱致動(dòng)器5已被證明。由于微尺度熱量傳遞的限制他們切換時(shí)間較長(zhǎng)，往往需要大功率驅(qū)動(dòng)。壓電致動(dòng)其突出潛力在于低功耗和高驅(qū)動(dòng)力，但存在缺點(diǎn)，如相對(duì)較高的驅(qū)動(dòng)電壓，復(fù)雜的制造和小排量6 -11

4、。減少壓電薄膜的厚度可以獲得較低的驅(qū)動(dòng)電壓，但同時(shí)也導(dǎo)致動(dòng)力較低。為了低電壓驅(qū)動(dòng)下獲高動(dòng)力，需要大量的壓電致動(dòng)器。然而，如果致動(dòng)器必須被放置在微流體通道中，它尺寸較大將會(huì)限制許多致動(dòng)器集成在一個(gè)晶片上。為了向微通道中其他微流體元件提供基板面，執(zhí)行器必須放置在遠(yuǎn)離主微流體通道的地方。在本文中，我們垂直式集成壓電致動(dòng)器與微流體芯片，確保密集的微流體的功能和低電壓低功耗的運(yùn)行。新的驅(qū)動(dòng)方案采用批量壓電單晶片執(zhí)行器。該體系結(jié)構(gòu)解決了通過解耦的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造，將壓電材料與許多的微機(jī)械加工工藝集成的挑戰(zhàn)，在這種情況下，該壓電雙是激光機(jī)械加工的，并連接到微型設(shè)備上。鐵- 環(huán)氧支柱從壓電單晶片延伸到復(fù)

5、合膜上，而Si-N聚對(duì)二甲苯復(fù)合膜又是與閥帽相連接的。 Si-N復(fù)合膜上的聚對(duì)二甲苯層能達(dá)到增加氮化物層機(jī)械強(qiáng)度、通過增加機(jī)械順從性（力順）減少流體泄漏的雙重目的。該壓電單晶片致動(dòng)器的位移取決于與驅(qū)動(dòng)器上的電壓呈線性關(guān)系，也與單壓電晶片剛度成反比，呈現(xiàn)為致動(dòng)器尺寸與工作電壓折衷考慮的一種設(shè)計(jì)。在這項(xiàng)工作中，制作矩形壓電雙以保持低的工作電壓（0-10 V）。比較大的致動(dòng)器被粘結(jié)在硅晶片的背面，因此，所有的硅表面區(qū)域仍然可用于其他微流體組件的制造（例如，流量傳感器，反應(yīng)室等）。 例如，一個(gè)過程和力量兼容的流量傳感器12可以被集成為閉合環(huán)路流量控制。此工藝流程（設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)）也是一個(gè)低溫工藝過程（

6、溫度小于等于150C），使后-CMOS工藝的晶片上微細(xì)加工成為可能，可以方便地與電子產(chǎn)品集成。本文的結(jié)構(gòu)安排如下。第II節(jié)敘述微型閥的操作原理，第三節(jié)分析單層壓電致動(dòng)器。閥板、壓電致動(dòng)器和自對(duì)準(zhǔn)裝配工藝的制造工藝在第IV節(jié)討論。第五部分為試驗(yàn)結(jié)果與討論。II、操作原理圖1（a）表示的是微型閥原理圖的3D視圖。微型閥的主要組成部分包括壓電致動(dòng)器和微加工的硅晶片，首尾相連的磁擠壓鐵環(huán)氧支柱。微型閥通過驅(qū)動(dòng)音叉形的壓電單壓電晶片致動(dòng)器以提供縱向位移來實(shí)現(xiàn)。此位移通過機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置被轉(zhuǎn)移到鎳閥帽，從而調(diào)節(jié)批量蝕刻的閥孔上的間隙。這將導(dǎo)致在調(diào)制中的流體流動(dòng)，雷諾數(shù)流較低時(shí)（1-100）流速與孔口間隙的立方

7、成正比，如 13、14。音叉形狀的設(shè)計(jì)保證了致動(dòng)力均勻地施加在鎳帽的兩端。壓花的SU-8模具被用來定義在聚二甲基硅氧烷（PDMS）帽中的通道，然后將其在硅的上表面上縮放，以形成微流體通道。就加工步驟而言，不增加成本的情況下過濾器的額外功能可以被納入微型閥?？梢栽诳卓谥械墓璧獙游g刻出孔眼，起到過濾器篩的作用。電鍍鎳閥門帽的尺寸已經(jīng)選擇了，所以蓋既不能太薄要允許彎曲，也不能太厚以至于存在殘余應(yīng)力。厚度大于75微米時(shí)，可以觀察到相當(dāng)大的應(yīng)力誘發(fā)的彎曲，薄層厚度小于25微米時(shí)則很容易彎曲。選擇一個(gè)最佳的厚度-50微米，因?yàn)樗梢垣@得我們可接受的剛度和殘余彎曲。選擇該錨定區(qū)域（直徑350微米），是為了適

8、應(yīng)的后面將要描述的支柱生長(zhǎng)過程的對(duì)準(zhǔn)公差。選擇致動(dòng)器的尺寸為（2毫米X20毫米，250微米厚的PZT，40微米厚的鎳）是為了使位移和阻滯力達(dá)到最大值的同時(shí)保持操作電壓小于10 V。聚對(duì)二甲苯膜，既作為閥門的系鏈又作為鎳帽錨，如圖1（b）所示呈波紋狀（5微米深，20微米的間距）是為了降低它的剛度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如圖2（b）系鏈只有釋放過程容易斷裂。因此，如圖2（a）所示加入一層聚對(duì)二甲苯，可以使屈服率增加至90。聚對(duì)二甲苯層的厚度被選擇為3微米，為了使復(fù)合系鏈機(jī)械強(qiáng)度抵抗硅氮薄膜斷裂用復(fù)合膜，釋放過程中往往會(huì)導(dǎo)致聚對(duì)二甲苯層的剝離，并攻擊的聚對(duì)二甲苯- 硅界面的釋放劑（丙酮）。如圖1（b）所示，這個(gè)

9、問題已經(jīng)通過使用保護(hù)環(huán)錨使聚對(duì)二甲苯定位來解決了。III .單晶片促動(dòng)分析在下文中，將介紹對(duì)壓電單晶片致動(dòng)的分析。對(duì)致動(dòng)器尺寸和驅(qū)動(dòng)電壓之間的權(quán)衡進(jìn)行了討論。如圖3所示，為一個(gè)矩形壓電單晶片致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)。它包括一個(gè)單一的壓電材料層鉛鈦酸鋯氧化物陶瓷（PZT），且壓電材料層的一側(cè)電鍍了一層彈性層（鎳）。沿壓電體層厚度方向施加的電壓導(dǎo)致了縱向和橫向的應(yīng)變。彈性層相對(duì)的橫向應(yīng)變，導(dǎo)致了復(fù)合梁的彎曲變形。我們分別考慮了一個(gè)空載懸臂單壓晶片致動(dòng)器的長(zhǎng)度L和寬度W、彈性層和壓電層的厚度Hni和Hp、彈性柔度s1和s2、密度1和2。對(duì)于壓電材料的橫向壓電耦合系數(shù)d31：尖端位移、梁的剛度k、阻滯力F、基波諧

10、振頻率f、致動(dòng)電壓V式 15中已給出。對(duì)于我們的設(shè)計(jì)，PZT16和鎳層的密度和楊氏模量（E=1/S11）分別是7450 Kg/m , 63 GPa and 8900 Kg/m , 150 GPa。PZT的橫向壓電耦合系數(shù)和介電常數(shù)分別采取26210-12 coulomb/N， 3450。對(duì)于上面所示的PZT的幾何參數(shù)，鎳層的最佳厚度的計(jì)算為40微米。優(yōu)化是通過最大限度的提高尖端位移實(shí)現(xiàn)的，這取決于如圖4所示的彈性層厚度。同時(shí)最大限度地減少電鍍處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力（及因此導(dǎo)致的單壓電晶片致動(dòng)器的變形），該殘余應(yīng)力隨著鎳層的厚度增加而增加。這種設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)在致動(dòng)電壓10 V的條件下將產(chǎn)生9.17微米的位

11、移。利用式（4），懸臂結(jié)構(gòu)的基本諧振頻率計(jì)算結(jié)果是432赫茲。由膜的系繩和鎳閥帽加載的致動(dòng)器的諧振頻率，可以通過將膜看作一個(gè)彈簧同時(shí)忽略膜和鎳閥帽群的質(zhì)量來進(jìn)行建模計(jì)算。開關(guān)能量可以通過考慮切換后存儲(chǔ)在壓電致動(dòng)器的內(nèi)部能量來計(jì)算。該壓電致動(dòng)器以機(jī)械和介電能源的形式存儲(chǔ)能量，這中能量可以通過存儲(chǔ)在靜態(tài)夾持電容Cp中的能量封裝起來，按照如下公式此公式中 ，其中Cb是阻斷電容其中，定義為壓電材料應(yīng)變?yōu)榱銜r(shí)的電容，及壓電材料橫向方向上的機(jī)電耦合系數(shù)。對(duì)于所選的PZT致動(dòng)器設(shè)計(jì)，Cb預(yù)計(jì)是11.6 nF的。鑒于生產(chǎn)商列出的系數(shù)k31的值為0.38，靜態(tài)夾持電容的預(yù)期值計(jì)算為13.56 nF。致動(dòng)電壓為1

12、0 V時(shí)預(yù)期的開關(guān)能量計(jì)算為678毫焦。對(duì)于給定激勵(lì)頻率的功耗，倘若2fCR1，可以通過開關(guān)能量和損耗角正切tan計(jì)算出，如鑒于列出的損耗角正切值為0.02，在1千赫條件下，10 V電壓致動(dòng)時(shí)，功率消耗預(yù)期值計(jì)算為85.15微瓦。IV制造和裝配制造工藝采用模塊化是因?yàn)楣杞Y(jié)構(gòu)和壓電致動(dòng)器是分開制造的。在最后步驟中，使用鐵 - 環(huán)氧樹脂支柱將他們組裝在一起。各個(gè)模塊及其裝配過程的制造工藝介紹如下。A. PZT單層壓電致動(dòng)器一個(gè)250微米厚的極化的1英寸方形的PZT晶片，只在一面電鍍40微米厚的鎳層，并使用低應(yīng)力的電鍍配方（Technic股份有限公司的鎳溶液方案）。晶片使用1.5-W355 nm的二

13、極管激光（Coherent公司的AVIA355-1500），通過消融切割，激光加工成雙懸臂形狀。每個(gè)致動(dòng)器的切割過程需要41分鐘，由于是非熱能的燒蝕切割并沒有對(duì)壓電陶瓷去極化。如后面所述，鐵 - 環(huán)氧樹脂支柱是磁力擠壓成型的，在懸臂的前端也用激光切割一個(gè)直徑2 00-400um的小孔。B.閥板的制作閥板焊接在的硅晶片（100）上。圖5顯示了主要的制造步驟。制造開始以硅的反應(yīng)離子蝕刻（RIE），形成5微米深，寬20微米的槽（如圖6（a），作為隨后要沉積的層的模具。保護(hù)環(huán)的寬7微米、深30微米的溝槽（圖1（b）使用深度反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)（DRIE）進(jìn)行蝕刻，以防止兼容的聚對(duì)二甲苯的層在最后釋放過程剝

14、離，而是隨后沉積下來。一個(gè)700 nm厚的LPCVD（低壓化學(xué)氣相沉積） SixNy層被沉積下來見圖5（a）。一個(gè)反應(yīng)離子刻蝕（RIE）的步驟常常是，在所沉積的氮化物前側(cè)進(jìn)行蝕刻來界定進(jìn)氣孔。如圖6（d）所示，進(jìn)氣口可設(shè)計(jì)為一個(gè)有過濾器的篩。接著，在前側(cè)沉積1.5微米厚的PECVD（低溫沉積技術(shù)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積）氧化物， KOH蝕刻即終止。然后使用反應(yīng)離子刻蝕工序，在背面上模式化，以定義窗口體型微機(jī)械加工 參照?qǐng)D5（b）。一個(gè)3微米厚的聚對(duì)二甲苯層，使用氧等離子體的反應(yīng)離子刻蝕RIE界定閥座和鎳質(zhì)量的錨定，然后沉積和模式化，參照?qǐng)D5（C）。接著，一個(gè)5微米厚的光阻材料層進(jìn)行紡絲，作為

15、鎳閥帽下的待除層。一個(gè)50nm厚的鈦膜沉積，隨后200 nm的銅作為電鍍鎳的籽晶層。然后通過一個(gè)70微米厚的AZ4903光致抗蝕劑層旋轉(zhuǎn)形成一個(gè)電鍍模具，并模式化來定義閥帽（如圖5（d）。使用低應(yīng)力配方電鍍一個(gè)50微米厚的鎳層。使用一個(gè)同步的KOH蝕刻步驟，通過蝕刻硅體釋放該膜系鏈，并且由一個(gè)單面蝕刻夾具保護(hù)前側(cè)不被KOH腐蝕。前側(cè)上的PECVD氧化物作為刻蝕阻擋，防止KOH進(jìn)入腔室殼體的前側(cè)。此氧化物層通過濕法蝕刻（6:1 BOE）得到，且電鍍模具被剝離得到最終的閥板參照?qǐng)D。 5（e）。對(duì)于界定微流體通道的PDMS蓋的制造，一個(gè)模具形成首先通過在基底的硅晶片上模塊化一個(gè)75微米厚的SU-8層

16、。注入PDMS（SYLGARD184有機(jī)硅彈性體）混合物，并在85下固化10分鐘。硬化的帽從模具上被剝離，并安放到閥板上形成微流體通道。對(duì)于氮化物，只要避免表面有塵埃顆粒，（聚二甲基硅氧烷）PDMS蓋的粘附性可認(rèn)為是良好的。C. 經(jīng)鐵環(huán)氧支柱，執(zhí)行器與閥板組合件圖7（a）和（b）所示為微型閥的組裝順序。硅晶片首先切成成10毫米乘30毫米的小方塊。如圖7（a）所示，黃銅墊圈連接在進(jìn)口和出口端，對(duì)齊單壓電晶片懸臂梁中心的孔和膜的中心后，（使用超強(qiáng)力膠水層）將壓電單晶片懸臂梁接合到硅芯片的背面上。對(duì)準(zhǔn)方式并不需要精確，因?yàn)橹е梢匝a(bǔ)償?shù)娜魏五e(cuò)位。 如下文所述的鐵 - 環(huán)氧樹脂支柱，然后生長(zhǎng)。磁性鐵

17、- 環(huán)氧樹脂（301環(huán)氧樹脂和古德費(fèi)洛EpoTek直徑為6微米的鐵粒子的4:1的混合物）之間的壓電陶瓷板和膜擠壓的方法如圖8 18 所示。該單壓電晶片束致動(dòng)器在尖端有直徑為200-400微米的激光蝕刻孔，它被定位在SixNy聚對(duì)二甲苯膜系鏈的中心。如圖所示該P(yáng)ZT-硅層壓材料通過永久磁鐵定位 參照?qǐng)D8（a），并且使用XY工作臺(tái)定位的微分配器將鐵顆粒/環(huán)氧樹脂混合物輸送到孔內(nèi)。磁場(chǎng)沿著支柱的形狀垂直向下地?cái)D壓粘性混合物，隨深度加深擴(kuò)口一點(diǎn)點(diǎn)增大。這個(gè)混合物，經(jīng)過干燥，留下了250-300um直徑固體鐵/環(huán)氧樹脂支柱如圖8（b）和（c）。這個(gè)支柱是以一個(gè)自對(duì)準(zhǔn)的方法形成的，不需要其他的掩模或?qū)R。

18、該過程中對(duì)于PZT的變化和硅板的厚度的變化是不敏感的，PZT-硅粘接劑的厚度，PZT板和硅之間的間隙，這可以在系繩和單壓電晶片執(zhí)行機(jī)構(gòu)形成殘余應(yīng)力。形成的支柱是多功能的，在不放置任何約束對(duì)其微加工的過程的情況下，可以用來連接PZT單晶片的運(yùn)動(dòng)到其它機(jī)械結(jié)構(gòu)。我們都知道，尤其是對(duì)長(zhǎng)寬比結(jié)構(gòu)感興趣的我們來說，沒有其他進(jìn)程提供了這樣的功能。該膜的極限也可以通過控制施加預(yù)應(yīng)力的固化溫度來實(shí)現(xiàn)（見表I）。在固化過程中，預(yù)應(yīng)力來自熱收縮的環(huán)氧樹脂和熱的單壓電晶片致動(dòng)。并且在固化過程中，我們縮短引線以防止的單壓電晶片熱釋電驅(qū)動(dòng)。我們發(fā)現(xiàn)，熱雙晶片機(jī)制占主導(dǎo)地位。熱膨脹系數(shù)的不匹配，會(huì)導(dǎo)致鎳和PZT（鎳的為，

19、PZT-5H的為 ）在固化過程產(chǎn)生在彎曲（在升高的溫度下進(jìn)行）。產(chǎn)生的固化殘余應(yīng)力如圖 8（c）。這預(yù)應(yīng)力可能會(huì)被用于降低的泄漏率，通過用力使閥帽按壓靠在閥座在常閉合位置時(shí)，或?qū)崿F(xiàn)常開閥。鐵 - 環(huán)氧樹脂支柱形成后，PDMS帽被密封在的前側(cè)上，用以限定的流體通道。然后，模具是打包在加工印刷電路板的夾層中，示于圖 7（b），完成裝配順序。V試驗(yàn)結(jié)果與討論為了表征執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥蓋行程作為致動(dòng)電壓的函數(shù)測(cè)定。測(cè)試以測(cè)量流量的相對(duì)于驅(qū)動(dòng)電壓，流量與差的壓頭和流率隨占空比脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同的頻率，為氣體和液體的流動(dòng)，如我們后來所述進(jìn)行。A.電氣特性對(duì)于靜態(tài)（dc）的致動(dòng)，在所施加電壓為10

20、V的功率消耗經(jīng)計(jì)算為40納瓦從中測(cè)得的PZT的漏電流的4的nA。測(cè)量的動(dòng)態(tài)功耗消耗一個(gè)正弦驅(qū)動(dòng)電壓被施加到壓電致動(dòng)器并串聯(lián)100的電阻。測(cè)量電阻兩端的電壓來監(jiān)視電流流入致動(dòng)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的兩端的電壓。驅(qū)動(dòng)電壓和電阻器的兩端電壓被路由到數(shù)字示波器進(jìn)一步的處理。為了測(cè)量被夾緊致動(dòng)器的電容，為測(cè)試電路，從測(cè)定的值和可以計(jì)算為。該電路被發(fā)現(xiàn)是在76.3千赫。由上可見，的計(jì)算是13.9 nF，這同意與13.56 nF的理論估計(jì)。所消耗的功率1 kHz時(shí)為10 V驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的值計(jì)算式為 計(jì)算為。測(cè)得的值與理論估計(jì)為85.6的合理性是由于，考慮到（10）機(jī)型內(nèi)部損耗，而忽略了錨損失或機(jī)械損失。B.壓電致動(dòng)將直

21、流的單壓電晶片致動(dòng)器的位移測(cè)量作為所施加的電壓的函數(shù)。執(zhí)行器的尖端位置被用作測(cè)定使用的電探針尖端安裝在薩特儀器公司的MP-285微定位。探頭尖移動(dòng)接近致動(dòng)器直到電連接指出的位置。這個(gè)移動(dòng)量為探頭尖再次進(jìn)行連接的應(yīng)用到致動(dòng)器的電壓，得到的前端位移。當(dāng)致動(dòng)器被鏈接的聚對(duì)二甲苯，它是由彈簧加載的常數(shù)的極限。這種效應(yīng)是通過測(cè)量完全組裝閥的閥蓋位移來實(shí)現(xiàn)的。移位數(shù)據(jù)的空載和加載驅(qū)動(dòng)器如圖 所示9。對(duì)于所施加的電壓為10 V，在空載和加載的促動(dòng)器位移測(cè)定條件下，測(cè)得分別為12.9um和2.4um。在圖9中的數(shù)據(jù)點(diǎn)為從測(cè)得的用于計(jì)算的剛度極限卸載單壓電晶片的剛度值。這個(gè)卸載懸臂致動(dòng)器的剛度的測(cè)定通過偏轉(zhuǎn)執(zhí)行

22、器的提示和測(cè)量所產(chǎn)生的阻滯力，其值有Chatillon測(cè)力計(jì)上安裝的微定位來測(cè)定。剛度測(cè)量值為267 N / m。忽視質(zhì)量的膜，該膜的剛度能被計(jì)算為： 經(jīng)計(jì)算膜的極限的剛度為1138N / M，這是相當(dāng)接近的膜的相同的尺寸在20中1650 N / m的測(cè)量值。不同的剛度的形狀和尺寸中的相異度是由于所用的波紋所決定的。C.頻率響應(yīng)激光反饋干涉儀（LFI）19 是用來衡量特征的閥時(shí)，在閥帽位移頻率響應(yīng)。測(cè)量的第一個(gè)諧波的卸載致動(dòng)器和閥帽加載致動(dòng)器分別是472赫茲和1.19千赫。合理的估計(jì)值對(duì)于無負(fù)載的致動(dòng)器為432 Hz和對(duì)于有閥帽的致動(dòng)器為1083Hz。在測(cè)得的值和估計(jì)值的差異可歸因于由于殘余應(yīng)

23、力的鎳層增加的剛度，在計(jì)算的自然頻率沒有考慮到。D.流動(dòng)的液體通過連接的閥，該閥是用于液體流動(dòng)的測(cè)試孔口的液體容器，在上述給定的高度，高于這個(gè)平臺(tái)以提供所需的恒定的壓頭。流速液體流速估計(jì)是通過的在一段給定的時(shí)間內(nèi)一定積存和一定水平的下降的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的。壓頭的流體水平的下降的效果，在計(jì)算時(shí)為可以忽略不計(jì)的，因?yàn)殡娖降南陆担?毫米）時(shí)相對(duì)儲(chǔ)層總高度變化（60厘米）比較小。如圖10表示驅(qū)動(dòng)微型閥壓頭的異丙醇（IPA）的靜態(tài)的前向氣流率與變量驅(qū)動(dòng)電壓和壓頭差分的關(guān)系。靜態(tài)流量，在低（1-100）雷諾數(shù)流動(dòng)，變化的多維數(shù)據(jù)集的間隙在節(jié)流孔13，14，這是致動(dòng)成比例的電壓，和與壓頭（參見圖11）的變化而線

24、性變化。圖 10和圖 12的測(cè)量數(shù)據(jù)證實(shí)了這一點(diǎn)。在該條件下實(shí)驗(yàn)，預(yù)計(jì)的雷諾數(shù)在0.1-1范圍內(nèi)。流體流動(dòng)的線性控制是通過不同脈沖寬度調(diào)制信號(hào)（PWM）的占空比（見圖 13）來實(shí)現(xiàn)的。PWM信號(hào)的頻率高達(dá)1千赫條件下使用，同時(shí)要查看的第一個(gè)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)共振和膜 - 閥帽機(jī)械系統(tǒng)在1.19千赫茲。1 kHz的致動(dòng)的曲線的斜率，經(jīng)過計(jì)算占空比為40 nL / min/。E.氣體流量微型閥的氣體流量也要通過使用在圖14所示的實(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行測(cè)試，霍尼韋爾差壓力換能器（140系列）要連接到壓力室來監(jiān)測(cè)的壓力降。用于測(cè)量流量率，需采用以下方法。閥門是首先打開，填充使定容壓力室到一定的壓力，然后關(guān)閉。然后打開

25、和經(jīng)過時(shí)間自動(dòng)獲取下降的壓力。然后使用波義耳氣體定律(14)，同等體積的變化通過（15）來進(jìn)行計(jì)算。反過來得到（16）用于流量的計(jì)算。 圖15呈現(xiàn)靜態(tài)氮微閥致動(dòng)在變量驅(qū)動(dòng)電壓和差分壓頭的前向氣流率。在該試驗(yàn)條件下，氣體流的雷諾數(shù)為預(yù)期在1-12的范圍內(nèi)變化。在給定的實(shí)驗(yàn)裝置的限制下泄漏率（0 V DC）是太小以至于不易測(cè)定，估計(jì)是在10-20ul/min的范圍內(nèi)。在不同的壓強(qiáng)下流速是線性變化的如圖16。流體流動(dòng)的線性控制是通過改變脈沖寬度調(diào)制的占空比信號(hào)（PWM）實(shí)現(xiàn)的（參見圖17）。1千赫致動(dòng)曲線的斜率的占空比被計(jì)算為11 。F.泄漏率一來制造的第一代微型閥沒有兼容的密封層，被發(fā)現(xiàn)有非常高的

26、泄漏率，在20 V驅(qū)動(dòng)電壓下，流速為2 的液體最大泄漏率為，對(duì)于流速為的氣體最大泄漏率為。與此相反，帶聚對(duì)二甲苯的微型閥密封層展現(xiàn)液體的泄漏率500 nL / min而氣體為最大的泄漏率。因此，聚對(duì)二甲苯作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的密封層，密封是有效果的。嘗試通過致動(dòng)壓電單壓電晶片靠在閥座進(jìn)一步減少泄漏率，然而沒有減少泄漏。相反小的泄漏增加由于被假定為，彎曲引起的孔口尺寸的增加產(chǎn)生的如圖18（a）。在未來的設(shè)計(jì)中，這個(gè)問題是可以通過使用如圖所示，升高的閥座來克服如圖18（b）。VI、結(jié)論和未來的工作激光加工壓電單晶片致動(dòng)器結(jié)構(gòu)做為低電壓、低功耗驅(qū)動(dòng)已經(jīng)被證實(shí)為可行。一種涉及磁擠出的組裝到硅片上的微型機(jī)器的外

27、部驅(qū)動(dòng)器晶片的自對(duì)準(zhǔn)程序已經(jīng)被開發(fā)出來。這是通過高強(qiáng)的含硅氮的聚對(duì)二甲苯膜系繩實(shí)現(xiàn)的，其中的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)防止了聚對(duì)二甲苯的分層。該技術(shù)允許cmos電子與由外部壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微觀結(jié)構(gòu)集成。流量的閉環(huán)控制可以通過微型閥和基于流量傳感器處理的兼容的拖曳力的集成人而實(shí)現(xiàn)。今后的工作將致力于通過使用高架閥座最大限度的降低泄露率和提高在高速氣體色譜法和氣體分離中應(yīng)用的微型閥的帶寬。致謝該工作是在康奈爾大學(xué)的康奈爾納米實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的參考文獻(xiàn)1 T. Ohnstein, T. Fukiura, J. Ridley, and U. Bonne, “Micromachined silicon microvalve

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