集成于PCB上的基于PCB工艺的压电致动微流体泵的研究

摘要

随着半导体制造工艺的制程不断提高，芯片内可集成的元件也越多，其工作时的发热量也随之增大。芯片的工作温度过高会降低其工作性能，芯片的热问题将成为集成电路发展的瓶颈。目前，芯片过热的问题仍不能有效的解决，其主要原因是散热效率高的液冷系统的体积大且集成度低，未能普遍应用于芯片散热场合。微流体泵作为目前液冷系统的外置驱动源，为流体流动提供驱动力，需要具备高压强输出和精确控制流量。以硅、石英和高分子聚合物等材料构成的微流体泵的加工工艺不仅复杂，且无法集成其它微流控器件，使得微流控系统既复杂又庞大。而目前所研究的基于PCB工艺的微流体泵均为无阀泵和被动阀泵，无法实现液体流量的精确控制。通过研究可集成于PCB上的PCB工艺的微流体泵，为进一步微型化和集成化微流控系统提供了解决方案。基于PCB工艺的微流体泵的结构与集成方法应与PCB工艺相兼容，且能实现液体流量的高输出和精确控制。　　为了解决这个问题，Wang等人(Journal of Intelligent Material Systems and Structures 2016 27(16):2237-2248)研究了一种具有圆环面边界的主动式压电致动微流体阀，并借助固支边部分覆盖圆形铜基压电振子在电压控制下的挠度数学模型(Journal of Intelligent Material Systems and Structures201021(16):1603-1616)建立了主动控制流量模型，在进出口压差和电压分别为1 kPa和150 V时，该阀流量为3 mL/min。在此基础上，本文提出并研究了一种集成于 PCB 上的基于 PCB 工艺的压电致动微流体泵的原理，进行了理论模拟和工艺设计，对加工的集成于PCB上的基于PCB工艺的压电致动微流体泵进行了实验测试。　　本文的主要研究工作及研究成果包括：　　1. 提出并实现了一种集成于PCB上的基于PCB工艺的压电致动微流体泵的原理与结构，基于PCB工艺的压电致动微流体泵由一个圆柱形泵作用单元和其两侧连接的压电致动微流体阀构成，能够实现液体流量的精确控制。　　2. 通过有限元法模拟了微流体泵的液体流动特性，分别得到泵腔和阀腔内液体的流动特性，为建立流量模型提供了依据。研究了基于PCB工艺的压电致动微流体泵的流量特性，建立了泵作用单元的固液耦合挠度模型和输出压强模型，分析了泵腔的高度与半径对泵作用单元输出压强的影响。结果表明：泵腔高度小和泵腔半径大的泵作用单元具有较大的输出压强。　　3. 结合固液耦合模型与输出压强模型，采用圆管流量公式建立了压电致动微流体泵的流量模型，其结果表明：微流体泵的流量分别随着电压幅值与圆环面边界内半径的增加而线性增加，微流体泵的流量分别随着泵腔高度与圆环面边界外半径的增加而减小。　　4. 研究了基于PCB工艺的压电致动微流体泵的PCB加工工艺。采用标准PCB工艺加工了具有圆环形焊盘的微流体泵基板、圆环面边界与腔室壁。通过焊接的方式在微流体泵基板上焊上圆环面边界、腔室壁与毛细铜管，并于圆环形腔体上焊上铜基压电单晶执行器构成微流体泵。　　5. 搭建了压电单晶执行器的挠度测试实验平台，得到了固液耦合作用下压电单晶执行器中心位置处挠度与电压的关系。还建立了用于测试微流体泵流量的系统，验证了微流体泵的流量与其结构的关系，测试了压电致动微流体泵的流量与电压的关系，得到了微流体泵的流量最大值和背压。　　集成于 PCB 上的基于 PCB 工艺的压电致动微流体泵的结构与原理适宜于集成在PCB上。所建立的流量模型为优化微流体泵的结构提供了理论依据。所提出的集成方法与PCB工艺相兼容，有利于与其它微流控元件集成在PCB上实现复杂的微流体系统，适合应用于芯片散热的场合。其研究工作为芯片散热问题的解决提供了一种新颖的方案，为推动集成电路技术的发展具有重要意义。

目录

1 绪 论

1.1 本论文的研究背景

1.2 微流体阀的研究现状

1.2.1 被动式微流体阀

1.2.2 主动式微流体阀

1.3 微流体泵的研究现状

1.3.1 微流体泵的驱动方式

1.3.2 微流体泵的加工工艺

1.3.3 微流体泵的结构设计

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容

2 集成于PCB上的基于PCB工艺的压电致动微流体泵的结构

2.1 引言

2.2.1 结构设计

2.2.2 工作原理

2.3 有限元分析

2.3.1 压电单晶执行器有限元分析

2.3.2 泵作用单元有限元分析

2.3.3 微流体阀有限元分析

2.4 特性模拟

2.4.1 挠度特性模拟

2.4.2 输出压强特性模拟

2.4.3 流量特性模拟

2.5 本章小结

3 集成于PCB上的压电致动微流体泵的PCB工艺设计与加工

3.1 引言

3.2 PCB工艺设计

3.2.1 圆环面边界

3.2.2 腔室壁

3.2.3 PCB基板

3.3 PCB工艺加工

3.3.1 圆环面边界

3.3.2 腔室壁

3.3.3 PCB基板

3.4 电装工艺

3.5 本章小结

4 集成于PCB上的基于PCB工艺的压电致动微流体泵的实验

4.1 引言

4.2.1 挠度测试实验系统与方案

4.2.2 压电单晶执行器中心挠度与驱动电压峰峰值的关系实验测试

4.2.3 压电单晶执行器中心挠度与驱动电压频率的关系实验测试

4.3.1 流量测试实验系统与方案

4.3.2 瞬时流量实验测试

4.3.3 不同结构的微泵的流量特性

4.3.4 流量与驱动电压的关系实验测试

4.3.5 流量极限实验测试

4.3.6 背压实验测试

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 研究工作的贡献与创新点

5.3 后续工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 作者在攻读硕士学位期间其他相关工作

D. 学位论文数据集

致谢