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150°C），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。
外文翻译混合压电致动式微型阀 - 图文
