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聚合物微器件超声波联接机理与方法研究

作　者: 冯余其
导　师: 王晓东
学　校: 大连理工大学
专　业: 精密仪器与机械
关键词: 分子动力学模拟 聚合物微器件 超声波联接 微泵
分类号: TG663
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


聚合物已逐渐取代传统硅、玻璃等材料而广泛应用于MEMS器件与系统的制造。作为MEMS制造中的关键环节,聚合物微器件的联接由于种种原因成为目前制约聚合物MEMS技术发展的瓶颈问题。由于自身的诸多优点,近年在国内外MEMS研究领域得到不断发展和应用的塑料超声波焊接技术,将是解决聚合物微器件联接问题的有效技术途径。尚处于理论分析和实验研究阶段的聚合物微器件超声波联接技术,其关键问题在于联接机理极为复杂而尚无定论,以及超声能量难于精确控制,导致微器件易局部过热而变形过大甚至被损坏。因此为了实现聚合物微器件的超声波精密联接,推广聚合物微器件的超声波联接技术,本文从相关机理和实验方法两方面入手,分别对聚合物材料联接机理和聚合物微器件超声波联接方法进行研究,并采用该方法进行压电微泵超声波精密联接的实验研究。采用Materials Studio分子模拟软件,通过分子动力学模拟方法对存在显著界面的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)体系联接过程中界面融合行为进行研究,对不同温度及压力下界面间的分子链扩散行为进行了模拟,计算了体系的应变、原子扩散系数、熔接层厚度以及界面结合能,分析了温度和压力对界面融合行为的影响规律。模拟结果从分子层面反映了PMMA材料联接过程中界面融合行为,研究结果可为聚合物微器件的超声波联接机理提供理论指导。采用高频率低振幅的聚合物微器件超声波联接样机系统,基于压力自适应联接方法实现了超声波能量的精确控制,以尽量减小微器件的热变形,从而保证了微器件的形状精度。实验结果表明该方法可减小待联接面的特性差异对联接质量的影响,提高了联接质量,实现了聚合物微器件的超声波精密联接。制作了一种应用于MEMS领域的压电薄膜微泵,其中采用SU-8胶光刻技术制作了集成于微泵中的微止回阀,采用聚合物微器件超声波精密联接方法对微泵的阀片组件进行了精密封装,并配合胶粘接完成了微泵的组装。对微泵进行流速测试实验,水流运行平稳无泄漏,这也验证了本文研究的聚合物微器件超声波精密联接方法的有效性。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-23
  1.1 聚合物微器件超声波联接  10-15
    1.1.1 聚合物微器件简介  10-11
    1.1.2 塑料超声波焊接技术  11-14
    1.1.3 聚合物微器件超声波联接研究进展  14-15
  1.2 分子模拟概述  15-19
    1.2.1 分子模拟研究方法  15
    1.2.2 分子模拟发展现状  15-16
    1.2.3 分子动力学模拟简介  16-18
    1.2.4 分子动力学模拟应用  18-19
  1.3 微泵微阀研究现状  19-22
    1.3.1 微阀  19-20
    1.3.2 微泵  20-22
  1.4 本文研究内容及意义  22-23
2 PMMA界面模型的建立与优化  23-41
  2.1 分子动力学模拟参数选择  23-30
    2.1.1 分子力场  23-25
    2.1.2 非键截断  25-26
    2.1.3 粒子系综  26-27
    2.1.4 控温方法  27-28
    2.1.5 控压方法  28-30
  2.2 PMMA单链的建立与优化  30-34
    2.2.1 单链的建立及优化  30-33
    2.2.2 能量及构象稳定性分析  33-34
  2.3 PMMA层晶胞的建立与优化  34-39
    2.3.1 层晶胞的建立  34-35
    2.3.2 层晶胞的优化  35-37
    2.3.3 零压处理及意义  37-39
  2.4 PMMA界面模型的建立与优化  39-40
  2.5 本章小结  40-41
3 PMMA界面融合行为的分子动力学模拟  41-51
  3.1 分子动力学模拟过程  41-42
    3.1.1 压力的选择  41-42
    3.1.2 模拟过程  42
  3.2 模拟结果与讨论  42-50
    3.2.1 体系应变  43-45
    3.2.2 扩散系数  45-47
    3.2.3 熔接层厚度  47-48
    3.2.4 界面结合能  48-50
  3.3 本章小结  50-51
4 聚合物微器件超声波精密联接方法  51-59
  4.1 系统硬件构成  51-53
  4.2 压力自适应超声波联接方法  53-58
  4.4 本章小结  58-59
5 压电薄膜微泵的研究  59-67
  5.1 微泵结构设计  59-60
  5.2 微止回阀的制备  60-63
  5.3 微泵的精密封装  63-64
  5.4 微泵测试实验  64-66
    5.4.1 微泵单向性测试  65
    5.4.2 微泵动态测试  65-66
  5.5 本章小结  66-67
结论  67-69
参考文献  69-73
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  73-74
致谢  74-76

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属切削加工及机床 > 特种加工机床及其加工 > 超声波加工机床及其加工
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