基于三维打印的单片集成亥姆霍兹线圈的设计及实现

摘要

近些年，三维打印广泛应用于单片集成系统的构造中。然而，如何将金属组件集成到三维打印的模具中，以提供更广泛的功能，仍是一个亟待解决的问题。本研究课题借助于一种常温下成液体状态的金属合金，称作铟镓合晶，并将其注入到三维打印的模具中，成功构造了一个三维亥姆霍兹线圈。这个三维模具通过计算机辅助立体设计软件设计，并由三维打印机打印出实体模型。它的内部通道结构是一个传统三维亥姆霍兹线圈结构，通过注入液态合金，形成导电线圈。经过后续的加工与处理，这个线圈可以在其内部产生与传统亥姆霍兹线圈相似的匀强磁场。我们计算并测量了这个线圈产生的磁场。这个线圈所能承受的最大电流达到3.6安培，产生的磁场高达70高斯。在这个线圈的中心区域，磁场的均匀度达到99％。在整个线圈内部，磁场的变化在9%之内。这一测量结果与仿真结果很好的吻合。同时，我们测量了液体开始流入模具时的临界压力。临界压力可以用杨-拉普拉斯公式进行计算。实验结果显示，临界压力与模具内部通道的直径成反比关系。随着通道直径的减小，需要相应提高临界压力使液态合金流入模具的通道中。本研究使用座滴法验证了液态合金与模具平面的接触角。接触角大约为132度，这表明液态合金并不浸润模具表面。本研究还涉及了液态合金注满整个模具是所需要的注射压强。注射压强遵循哈根-泊萧叶流动规律，并且随着体积流率的增加而线性增加。临界压强与注射压强的实验数据与仿真结果一致。通过对临界压强与注射压强的研究，我们可以得到注射液态合金到某一特定的三维模具中的最佳压强，从而简化构造线圈的过程。
　　本研究构造的亥姆霍兹线圈，可以非常方便的集成到现有的电子仪器中，并且构造过程简单，易于流线化生产。随着三维打印技术的发展，线圈的尺寸可以进一步的缩小，从而可以更广泛的应用于微型电子流体系统中。本研究构造的亥姆霍兹线圈可以集成在电子培养皿，原子势阱，以及基于核磁共振的微型化学分析系统中。

目录

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中文摘要

目录

Chapter 1 Introduction

1.1 Overview

1.2 Helmholtz Coil

1.3 3D Printing Technology

1.4 Eutectic Gallium Indium Liquid Metal Alloy

Chapter 2 Background Theory

2.1 Magnetic Field Calculation

2.2 Critical Pressure

2.3 Contact Angle Measurement

2.4 Injection Pressure

Chapter 3 3D Helmholtz Coil Fabrication

3.1 3D Model File Design

3.2 3D Printed Model Procession

3.3 Liquid Metal Injection

3.4 Encapsulation

Chapter 4 Experimental Measurement and Analysis

4.1 Critical Pressure Measurement

4.2 Contact Angle Measurement

4.3 Injection Pressure Measurement

4.4 Magnetic Field Measurement

Chapter 5 Conclusion

5.1 Summary

5.2 Outlook

致谢

Appendix A Proof of Hagen-Poiseuille Equation

参考文献