玻璃微细加工工艺的研究与磁流体推进式微型泵样机的研制

摘要

磁流体推进式微型泵作为一种新型的微流量控制元件,它利用正交电磁场产生洛仑兹力推动电解质溶液产生连续流动,可以改变流向,产生可控的流量.由于工作介质为电解质溶液,与化学溶液相容,故可用于生化药品的输送和流量注射.与其他用于生化系统的微型泵相比,微型电磁泵驱动电压低,能实现简单有效的能量转换.而且其结构简单,对基材无特殊要求,便于集成到复杂的微流量控制系统中.因此,本文从应用角度考虑,研制磁流体推进式微型泵,将其集成到毛细管电泳芯片上,代替电渗进样,从而实现连续换样和芯片的重复使用,既缩短了连续检测时间,又简化了检测装置,具有十分重要的研究意义和广阔的研究前景.本文的重点与难点是直流磁流体推进式微型泵的研制,创新之处在于分别选用玻璃和硅两种基材制作磁流体推进式微型泵样机.直流磁流体推进式微型泵的研制必须以成熟的微细加工工艺技术为基础,以玻璃为基材的微细加工技术尚不成熟,因此,本文的主要内容包括玻璃微细加工工艺的研究与直流磁流体推进式微型泵样机的研制两大部分.本文主要由七章内容组成:第一章,综述.本章主要从微机电系统(MEMS)及MEMS加工技术的基本概念,微流量控制系统中用于生化医疗领域的毛细管电泳芯片研究前景,微流量控制元件微型泵的研究进展三方面介绍了课题的研究背景,并提出了课题的研究意义、研究内容与目标.第二章与第三章属于第一部分研究,玻璃微细加工工艺的研究.这一部分研究为磁流体推进式微型泵的研制作铺垫,详细介绍了玻璃湿法刻蚀工艺、玻璃/玻璃直接键合工艺与硅/玻璃键合工艺的机理与系统试验研究,得出了适用于不同深度要求玻璃微器件加工的刻蚀方案与简单易实现的键合方案.第四章、第五章与第六章属于第二部分研究,磁流体推进式微型泵的研制.这一部分主要阐述了基于磁流体推进机理与平面微加工工艺的磁流体推进式微型泵的设计,初步理论研究,加工制作试验与初步性能试验研究.建立了磁流体推进式微型泵初步数学模型,用FLUENT软件对微泵流场进行了有限元仿真,为微泵的研制试验提供了一定的指导作用.最后研制出了分别以玻璃和硅为基材的三种不同结构的微泵样机,分析总结了微泵研制中存在的问题,并提出了下一步试验进展方案.第七章,总结与展望.本章对玻璃微细加工工艺的研究与磁流体推进式微型泵的研制中取得的研究成果进行了全文总结,分析了磁流体推进式微型泵的研制中存在的问题,并提出了磁流体推进式微型泵的进一步研究方案.

目录

文摘

英文文摘

资助

第一章综述

1.1 MEMS及MEMS技术

1.1.2 MEMS定义

1.1.2 MEMS加工技术

1.1.3 MEMS研究应用概况与发展前景

1.1.4 MEMS在生化医疗领域的应用

1.2集成毛细管电泳芯片与微型泵

1.2.1集成毛细管电泳芯片

1.2.2微型泵的研究进展

1.3课题研究意义与目标

1.3.1问题的提出

1.3.2课题研究意义

1.3.3课题研究内容与目标的确定

第二章玻璃湿法刻蚀工艺的研究

2.1玻璃湿法刻蚀工艺的研究进展

2.2玻璃湿法刻蚀工艺的实验研究

2.2.2实验方案的确定

2.2.3实验结果与分析

2.3玻璃湿法刻蚀工艺的研究结论

第三章玻璃键合工艺的研究

3.1玻璃/玻璃直接键合工艺的研究

3.1.1硅/硅直接键合

3.1.2热键合技术

3.1.3玻璃/玻璃直接键合工艺

3.2硅/玻璃静电键合

3.2.1硅/玻璃键合机理研究

3.2.2硅/玻璃键合实验研究

3.3玻璃键合工艺的研究结论

第四章磁流体推式进微型泵的设计

4.1磁流体推进的基本概念

4.1.1磁流体推进原理

4.1.2直流磁流体推进数学模型

4.2磁流体推进式微型泵的研究

4.2.1工作原理与优点

4.2.2研究进展

4.3磁流体推进式微型泵的设计研究

4.3.1结构尺寸设计

4.3.2加工方案的确定

4.4结论

第五章磁流体推进式微型泵的初步理论研究

5.1初步理论研究

5.1.1理论研究进展

5.1.2数学模型的建立

5.2仿真研究

5.2.1几何模型的建立与网格生成

5.2.2边界条件的设定与求解

5.2.3求解结果

5.2.4结论

5.3理论研究总结

第六章磁流体推进式微型泵的研制

6.1第一种试验方案

6.1.1样品的加工制作

6.1.2性能试验

6.1.3结论

6.1.4改进试验

6.2第二种试验方案

6.2.1结构设计及理论验证

6.2.2样品的加工制作

6.2.3试验部分

6.2.4结论

6.3第三种试验方案

6.3.1加工制作

6.3.2试验部分

6.3.3结论

6.4试验总结

第七章全文总结与展望

7.1全文总结

7.2后期展望

参考文献

硕士期间发表的学术论文

致谢