畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)用于流體的微型閥的各種低功耗設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)

1、<p>　　應(yīng)用于流體的微型閥的各種低功耗設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)</p><p>　　摘要：自動(dòng)化控制的流體輸送是微型全分析系統(tǒng)（μTAS）的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。有學(xué)者提議將微型閥內(nèi)受壓流體從微通道中分離出來(lái)，這種方案大大降低了移動(dòng)流體所需的能量。單作用閥陣列的設(shè)計(jì)，微制造及其性能為構(gòu)成這一驅(qū)動(dòng)機(jī)制的不可分割的部分，因此常作為研究對(duì)象。閥門(mén)的可尋址成分是一個(gè)薄金屬歐姆電阻，它的設(shè)計(jì)決定著驅(qū)動(dòng)電壓。電阻仿刻于氮化硅膜片上

2、，二者構(gòu)成了一個(gè)豎立于硅晶片上的流體障礙。通過(guò)電脈沖快速加熱引起膜片式電阻的熱應(yīng)力，進(jìn)而推開(kāi)膜片來(lái)打開(kāi)閥門(mén)。所選用的加工工藝均能使晶圓級(jí)的裝置采用MEMS技術(shù)加工出來(lái)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試各種不同厚度（1、2、3um）和不同尺寸的膜片。本實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為可承受的壓力差高達(dá)5巴的閥（氮化硅薄膜尺寸為3mm×3mm,厚度為3μm）。受測(cè)閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)電壓在14~140V之間，驅(qū)動(dòng)所耗能量為幾十到幾百毫焦。</p><p>

3、;<b>　　1引言</b></p><p>　　微流體技術(shù)已經(jīng)被納入各種各樣的研究計(jì)劃當(dāng)中，其中就包括有著名的傳感器優(yōu)勢(shì)計(jì)劃。在μTAS和實(shí)驗(yàn)室芯片應(yīng)用中的一個(gè)特別重要的環(huán)節(jié)就是每分鐘所運(yùn)送的流量。即使作為單工序操作，密封液體的存儲(chǔ)和它的供需傳送有著多重意義。比如，常用的微流體應(yīng)用涉及到交送分析試劑到樣品，再到誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)化以提供樣品的狀態(tài)信息，例如一些目標(biāo)化合物【1、2】的存在或其濃度。另一

4、個(gè)受益于自動(dòng)化流體傳送【2、3】的應(yīng)用就是用于檢測(cè)水體的便攜式傳感器系統(tǒng)中的樣品攝入。另外，通過(guò)將電解質(zhì)加入到電化學(xué)電池【4、6】中，自動(dòng)化流體輸送可用作為產(chǎn)生能量供需的一種方式。</p><p>　　已有許多理論例證了流體的傳送機(jī)制，這里所用的參考僅為一些小的樣品【7-14】。氣體驅(qū)動(dòng)式或內(nèi)置慣性驅(qū)動(dòng)的方式優(yōu)于電力驅(qū)動(dòng)的方式，因?yàn)榍皟烧呖梢蕴峁└鼘挿秶牧魉?。基于離心驅(qū)動(dòng)式的CD式結(jié)構(gòu)是微流體計(jì)劃【11】中的經(jīng)

5、典例子。采用體積膨脹材料是誘導(dǎo)壓力差以獲得微小流量【10、12-14】的另一方案.不論是達(dá)到分析目的還是要產(chǎn)生能量，涉及到遠(yuǎn)程無(wú)人值守式傳感器的應(yīng)用都有特定的要求，而這些要求挑戰(zhàn)著一些可行的微流方案的直接合并。這些要求除了穩(wěn)定性還包括有功耗低和耗時(shí)短。低功耗裝置要求能夠有效的傳送流體，這樣可以提高能源的工作壽命與整個(gè)裝置的循環(huán)次數(shù)?？焖僦聞?dòng)能夠確保預(yù)期轉(zhuǎn)換的精確控制。這類(lèi)傳感器，減少滯后時(shí)間就可確保獲得實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，Chien-Chong

6、【15】等人提出了一種很有吸引力的流體傳送機(jī)制。把儲(chǔ)存受壓流體的容器置于閥體內(nèi)，當(dāng)其被打開(kāi)，可控的致動(dòng)部分就會(huì)把流體傳送到微型通道。這種低功耗型微型閥可以應(yīng)用到我們這個(gè)課題中。</p><p>　　關(guān)于微型閥的設(shè)計(jì)與制造的報(bào)告已有很多，這里我們僅列舉一小部分【16-27】作為參考。采用無(wú)硅加工工藝生產(chǎn)出的聚合物/塑料閥和排氣閥，是閥門(mén)制造方式的一種創(chuàng)新。有關(guān)利用傳統(tǒng)制造工藝加工微型閥的報(bào)告也很常見(jiàn)。傳統(tǒng)的硅微機(jī)械

7、加工技術(shù)得益于集成電路工業(yè)。大批量加工與微米級(jí)硅結(jié)構(gòu)設(shè)備加工的可行性使得加工成本大大降低。Mueller開(kāi)發(fā)出一種burst-plug式微型閥，此閥可以減少致動(dòng)所耗的能量。這里提到的設(shè)計(jì)同樣是基于熱應(yīng)力原理，它的主要不同之處在于其膜片上面印刻了一層薄電阻。如圖1所示，這種設(shè)計(jì)增加了其功能的多樣性，因?yàn)榇碎y可以被加工出各種各樣的尺寸（使其能應(yīng)用各種場(chǎng)合）而且可以加工于不同的基底上面，而其他類(lèi)型的閥的微通道或一些其他流體成分都是固定的。管道

8、與流體端口是微流體學(xué)中很受歡迎的研究領(lǐng)域。在圖1b中展示了一些很容易相互連接的裝置。為了能夠獲得更高的產(chǎn)量，需要選擇具有良好特征且常見(jiàn)的加工工藝。如果像圖1b那樣安裝，那么其驅(qū)動(dòng)所需能量由此閥工作機(jī)制的消耗功率所決定。以上主要就微型閥的制造及低功耗設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究作了相關(guān)報(bào)告。</p><p>　　2閥門(mén)設(shè)計(jì)：理論上與實(shí)際上的注意事項(xiàng)</p><p>　　2.1微型閥材料的選擇</p&

9、gt;<p>　　沉積在硅氧化物上的薄電阻已經(jīng)在各種傳感器裝置【29-34】（氣體或壓力傳感器）中實(shí)現(xiàn)。這種材料擁有陶瓷那樣的熱學(xué)特性，而且能夠沉積在薄膜片上，這兩種能力使其能夠減少整個(gè)裝置的熱量。與其他金屬【30-33】相比，鉑的電阻較高，因此常用來(lái)作為電阻加熱器。盡管有好幾種裝置在氮化硅膜片上面采用電阻加熱，但是并沒(méi)有對(duì)不同尺寸及形狀的電阻做出比較。本文中我們研究了各種設(shè)計(jì)中的鉑阻尼器與金屬式微電阻器，重點(diǎn)探究其設(shè)計(jì)對(duì)

10、致動(dòng)所耗能量的影響。為了能夠使其便于整合到便攜式傳感器中，我們提出了一些設(shè)計(jì)制造不同能量需求的微型閥的指導(dǎo)原則。</p><p>　　2.2理論背景及電阻器的設(shè)計(jì)</p><p>　　如果單作用閥（如圖1的布置方式）應(yīng)用于可儲(chǔ)存氣體能量的流體機(jī)構(gòu)中，必須考慮以下兩個(gè)因素：第一，膜片的強(qiáng)度必須能夠承受住流體的壓力。膜片的強(qiáng)度越高，所能承受的壓力就越大，流體充滿容器的速度也就越快。另外，膜片必

11、須能夠可靠地泄漏一小部分能量，而且其泄漏滯后時(shí)間必須很短。本文已得出膜片所能夠承受的最大實(shí)驗(yàn)壓力。在文獻(xiàn)【34、35】中主要講述了運(yùn)用數(shù)值分析的方法來(lái)求解一個(gè)現(xiàn)象邏輯式的機(jī)械模型。這里運(yùn)用一個(gè)簡(jiǎn)單的描述式模型來(lái)量化膜片所承受的最大壓力。此模型是建立在膜片相比于其厚度有較大的平面尺寸的基礎(chǔ)上，也可以用來(lái)建立膜片尺寸與其所需的破壞壓力之間的聯(lián)系。當(dāng)膜片一側(cè)的壓力發(fā)生改變，我們可以寫(xiě)出一個(gè)力平衡等式：</p><p>

12、　　∮FdA=D∫Dp=4tτD+ D()</p><p>　　F為垂直力，A為膜片的面積，P為壓力，t為膜片的厚度，D為膜片平坦側(cè)的長(zhǎng)度，左邊的等式D∫Dp代表氣動(dòng)力負(fù)載的統(tǒng)一形式。4tτD中包括最大剪切力τ，其為膜片邊緣上一個(gè)非常關(guān)鍵的剪切力。D()式中的b是一種由于膜片偏移及加工造成的殘余應(yīng)力引起的補(bǔ)償力（可能是正的也可能是負(fù)的）b/ D式中包含有所用測(cè)試設(shè)備的儀器誤差。</p><p&

13、gt;　　為了能夠確定出其設(shè)計(jì)方案，必須考慮到能量與熱效應(yīng)之間的耦合方程式。首先，能量Q可以通過(guò)已知的電壓V和電阻R計(jì)算出來(lái)：</p><p><b>　　Q=V/R</b></p><p>　　其次，電阻的溫度增量可根據(jù)能量守恒定律估算出來(lái)，一般由下式表示：</p><p>　　Q=熱量的轉(zhuǎn)變+熱傳導(dǎo)過(guò)程中流失的熱量，</p>

14、<p>　　另外電阻器內(nèi)溫度的變化會(huì)引起阻值R的變化，其大小取決于金屬的物理化學(xué)特性（ρ為金屬的電阻率，α為熱阻率）和其有關(guān)尺寸（長(zhǎng)度L，截面積A）</p><p>　　R=ρ（1+α（T-T））</p><p>　　熱梯度（等式4右邊的第一個(gè)術(shù)語(yǔ)）和熱損失的大小決定著膜片/電阻系統(tǒng)所能達(dá)到的溫度以及溫度增加的速度。拉近硅氧化物邊緣與電阻之間的距離是減少熱損失的一種方法。如圖2為

15、兩種基本的電阻器設(shè)計(jì)，其尺寸可以改變?yōu)榱四軌驂颢@得熱損失的相對(duì)值。第一種設(shè)計(jì)（如圖2a所示的標(biāo)有“L”的設(shè)計(jì)）的形狀為“之”形。而第二個(gè)電阻器設(shè)計(jì)成了兩腿平行相連的“P”形結(jié)構(gòu)。這兩種設(shè)計(jì)均關(guān)于水平軸和垂直軸成中心對(duì)稱(chēng)。表1中每一種設(shè)計(jì)的四五個(gè)電阻器可分布在直徑為4mm的基體掩膜上。我們期望第一種設(shè)計(jì)達(dá)到所需溫度所耗電流比第二種設(shè)計(jì)要少。平行式電阻器設(shè)計(jì)中的電阻比第一種設(shè)計(jì)中的要小，因此其所加載電壓可以更小。</p>&l

16、t;p><b>　　3 微型制造</b></p><p>　　清洗硅基片（厚度為520um，直徑為4um）需要三個(gè)基本的步驟，首先用丙酮進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清洗，然后再用甲醇，最后使用去離子水，接下來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)心脫水。圖3a為膜片的加工流程。首先把基片放入低溫氣相沉淀爐中來(lái)沉積覆蓋薄膜，沉積1um、2um、3um厚度的薄膜所需時(shí)間分別為3.3h、6.6h、10h。光刻與對(duì)準(zhǔn)工藝均在EV-620對(duì)準(zhǔn)器上

17、完成，掩膜是從PrecisionImage公司購(gòu)買(mǎi)來(lái)的。</p><p>　　3.1金屬沉積與電阻器圖案的仿刻</p><p>　　通過(guò)剝離技術(shù)可以把金屬電阻器仿刻于基片的一側(cè)，圖3系統(tǒng)地展示了其過(guò)程。然后在基片上面沉積光刻膠S1818（美國(guó)羅門(mén)哈斯公司的產(chǎn)品），沉積時(shí)轉(zhuǎn)速為3000r/min,時(shí)間為40s.然后再曝光2.9s，在MF319顯影劑中浸泡35-40s。使用AJA公司生產(chǎn)的AN

18、ATC1800系列的噴鍍?cè)O(shè)備在晶片上面噴鍍一層近10um的鋁層，這一層可作為鉑金屬沉積層與硅晶片（表2）之間的連接層。最后將其浸泡于丙酮溶液里20min，即完成電阻器圖案的剝離仿刻。</p><p><b>　　3.2 硅蝕刻</b></p><p>　　完成電阻器圖案的仿制后，緊接著就是蝕刻晶片背部的硅（即圖3所示的腔體的形成過(guò)程）。蝕刻硅有兩種加工路線A和B，在路

19、線A中，第一步先蝕刻氮化硅層，目的是為了形成掩膜以便能夠在晶片上進(jìn)行批量的化學(xué)蝕刻。在適當(dāng)?shù)难谀んw上使用負(fù)光刻膠（NR9-1500PY,Futurrex公司生產(chǎn)）可以在晶片背面硅氧化物上仿刻出正方形。沉積負(fù)光刻膠NR9-1500PY時(shí)，設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min,時(shí)間為40s，加熱板溫度設(shè)定在150℃，加熱時(shí)間為80s，經(jīng)過(guò)以100℃的溫度預(yù)熱80s后，使用RD-6顯影劑進(jìn)行顯影。曝光時(shí)間為20s，顯影時(shí)間為15s.通過(guò)這些工藝

20、可獲得厚度約為2.25um的光刻膠。此厚度可通過(guò)量測(cè)設(shè)備儀器廠科磊公司生產(chǎn)的緊湊型表面輪廓模型 P10（KLA，位于美國(guó)的圣愛(ài)賽州）測(cè)出。使用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)（pfaffikonSZ公司生產(chǎn)的Uniaxis系列）經(jīng)過(guò)115min的反應(yīng)離子蝕刻就可掉位于方形區(qū)域里的硅氧化物。氮化硅刻蝕時(shí)所采用的工作介質(zhì)為三氟甲烷與氧氣的混合體，它們之間的比例為45:5.隨著刻蝕工藝的不斷進(jìn)行，光刻膠的厚度會(huì)急劇變薄，因此之后再需對(duì)光刻膠層進(jìn)行局部的蝕刻。接

21、下來(lái)對(duì)</p><p>　　4測(cè)試設(shè)備與注意事項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論</p><p>　　4.1 膜片的壓力測(cè)試</p><p>　　膜片的力學(xué)特性可以用來(lái)預(yù)測(cè)其強(qiáng)度，但是眾所周知，沉積膜片的內(nèi)部應(yīng)力與其沉積技術(shù)及條件有關(guān)。圖4為NT3300Wyko光學(xué)分析器所拍攝的照片，從中可以看出受測(cè)膜片的彎曲度與加工方形膜時(shí)所誘發(fā)的殘余應(yīng)力之間的關(guān)系。這些膜片以及其它有著不同的邊

22、界尺寸的膜片將被用來(lái)做測(cè)試以獲得它們各自所能承受的最大壓力。此圖清晰的表明了低壓化學(xué)氣相沉淀物確實(shí)在加工薄膜時(shí)誘導(dǎo)了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。盡管如此，這種膜片有足夠的強(qiáng)度支撐晶片的其余部分，正如很多文獻(xiàn)【34-37】中所報(bào)告的那樣，這表明此閥的殘余應(yīng)力小于0.1GPa。</p><p>　　為了能夠獲得膜片最大壓力的估計(jì)值，我們加工出一些不同尺寸（邊長(zhǎng)分別為1、1.5、2、2.5、3和4mm）、不同厚度（分別為1、2、和

23、3um）的方形膜片，本次測(cè)試我們使用了Upchurch Scientific公司生產(chǎn)的商用nanoports儀器。圖5為測(cè)試最大壓力的原理圖和通過(guò)傳感器（精亮電子公司生產(chǎn)的MSP型傳感器）所獲得的校核曲線。通過(guò)壓縮泵產(chǎn)生壓力，同時(shí)打開(kāi)壓縮機(jī)與排氣閥，然后再慢慢的關(guān)閉閥門(mén)，記錄下每秒中的壓力值，直到膜破壞為止。圖6總結(jié)了施加調(diào)節(jié)壓力時(shí)，不同尺寸的氮化硅膜發(fā)生破裂時(shí)的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)中可以看出，減少膜片的尺寸就會(huì)顯著地提高其強(qiáng)度。此

24、連續(xù)的曲線適合作為以上所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一個(gè)數(shù)學(xué)模型。既然只有最大的膜片（D=4mm，h=3um）發(fā)生斷裂，再與厚度為1和2um的膜片相對(duì)比即可得出此數(shù)學(xué)模型。這個(gè)模型是等式（1）的簡(jiǎn)化。假定施加的壓力相同，壓力差△P也相等，對(duì)于最大剪力τ和膜片尺寸D,其關(guān)系如下:</p><p><b>　　△P=</b></p><p>　　系數(shù)k為補(bǔ)償參數(shù)，主要包括一些在2.2部分

25、提到的邏輯現(xiàn)象方面的因素。正如圖6所示，此模擬曲線與實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合。圖6中可看出，尺寸最大的薄膜（邊長(zhǎng)為4.0mm）在加載壓力為0.25至0.60巴之間發(fā)生斷裂，在5組受測(cè)的膜片中，僅有一個(gè)厚度為3um的膜片所承受的破壞壓力為1.4巴，有好幾組在0.3至0.65巴之間發(fā)生破壞，其余的當(dāng)壓力達(dá)到5巴時(shí)，仍然沒(méi)發(fā)生斷裂。由于邊長(zhǎng)為3mm，厚度為3um的膜片所承受的壓力的范圍較大，因此常用來(lái)構(gòu)建熱制動(dòng)型閥門(mén)。</p>

26、<p>　　4.2開(kāi)啟閥門(mén)所需能量</p><p>　　微型電阻器的熱效率【14,33】常以所需能量或某一特定功率下達(dá)到一特定的溫升所耗的時(shí)間來(lái)表示。E3612-A可以提供恒定的電壓，然后把電阻器放入Karl,suss探測(cè)站中，在加熱過(guò)程中電阻器的電阻會(huì)發(fā)生變化，為了估算出電阻器達(dá)到某一溫度所需的能量，需要估算出其阻值的變化量R，其可通過(guò)計(jì)算平均值R來(lái)估算R，式子如下：</p><p

27、><b>　　R=</b></p><p>　　第一個(gè)阻值是指溫度為18.9±0.2℃式的電阻值,在表3中列出了每種設(shè)計(jì)的電阻值（通過(guò)方程式4計(jì)算而得） </p><p>　　通過(guò)經(jīng)驗(yàn)獲得,因此可采用不同的電壓把電阻加熱到不同的溫度(至少五個(gè)電位) 最終每個(gè)電阻的溫度范圍都控制在18--700℃之間。然后使用Fluke-189記錄下電壓和回路中（如圖7

28、a）的電流。電流和電壓可用來(lái)計(jì)算輸入功率，同樣根據(jù)歐姆定律，可計(jì)算出受熱電阻器穩(wěn)定狀態(tài)下的電阻值R。由等式（4）推導(dǎo)出來(lái)的等式（7）中會(huì)使用到R來(lái)估算穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度T</p><p><b>　　T=T+</b></p><p>　　實(shí)際上，微型電阻器【14，33】的功率與溫度之間存在線性關(guān)系，方程式（2）中暗含有溫度與電壓之間的聯(lián)系;</p><

29、;p>　　T[℃]=cV+Dv+18.5</p><p>　　把計(jì)算得出的溫度作為電壓的函數(shù)，輸入到一個(gè)回歸子程序中可獲得方程式（8）中的常量c和d和d圖8中所總結(jié)的一些關(guān)于金屬電阻L1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以有力的證明電阻設(shè)計(jì)中加熱所需的能量。穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度是功率與電壓的函數(shù)。由連續(xù)的直線構(gòu)成的曲線可以清晰明了的描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，正如上述那樣，溫度的增加量線性相關(guān)于輸入功率。R代表平均相關(guān)系數(shù)，其值接近于1程度表明曲

30、線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的良好程度，本實(shí)驗(yàn)獲得的r值為0.9820.平均溫度與施加電壓之間的函數(shù)曲線可用方程式（8）表達(dá)，這種情況下所計(jì)算的相關(guān)系數(shù)r為0.9965，從這些數(shù)據(jù)中我們可以看出，圖8里第三個(gè)閥的溫度增量較小，最可能的原因是其位于晶片的邊緣處，這使得其更多的面積暴露在T=T的環(huán)境中，因此導(dǎo)致更多的熱量損失和更低的熱效率。回歸系數(shù)介于0.9682-0.9997之間證明了方程式（8）的正確性，此方程式同樣可以用來(lái)計(jì)算我們期望的R的值。按

31、照梯形法使用數(shù)值積分的方法求出時(shí)間加權(quán)的實(shí)際電阻變化量的平均值R，然后與計(jì)算所得R做比較。阻值的實(shí)際變化量可通過(guò)一恒定的電阻與示波器測(cè)出來(lái)。等式（9）可用來(lái)觀察所有上述設(shè)計(jì)的電阻器的穩(wěn)定狀態(tài)的溫度</p><p><b>　　／R</b></p><p>　　既然實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)R幾乎與R相等，那么把R= R作為一常量代人到方程式（2）中，就可以估算出所需的功率，并達(dá)到且維持

32、穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫度T.這個(gè)結(jié)論可被用于此部分所用的結(jié)果當(dāng)中。</p><p>　　為了能夠估算出任何一種設(shè)計(jì)的閥門(mén)所需的開(kāi)啟電壓，并且考慮到氮化硅薄膜能夠承受高達(dá)650℃的高溫，這里我們所加載的電壓必須能夠使溫度上升到700℃。測(cè)試閥門(mén)開(kāi)啟的第一步是先獲得達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度所需時(shí)間脈沖的估計(jì)值。通過(guò)有限元分析的方法繪制出類(lèi)似于圖2的兩種尺寸不同的設(shè)計(jì)圖。根據(jù)材料的物理化學(xué)特性以及方程式（2）-（4）可建立出其仿真模型。利

33、用這些模型可以估算出達(dá)到臨界溫度所需的時(shí)間。這里并沒(méi)有提到二維建模的細(xì)節(jié)，但是在有限元法建模的過(guò)程中確實(shí)包含二維建模的內(nèi)容。然后使用計(jì)算電壓在30s,50s或者100s之內(nèi)對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)試，如果閥門(mén)沒(méi)有打開(kāi)，就把時(shí)間延長(zhǎng)至50s，還沒(méi)打開(kāi)的話再增加50s，直到閥門(mén)打開(kāi)為止（推開(kāi)氮化硅膜）或以失敗告終（即還沒(méi)推開(kāi)膜片之前，電阻器失效）電脈沖可由HexFET 型N通道高壓場(chǎng)效應(yīng)晶體管產(chǎn)生，這種晶體管是由索尼-泰克公司生產(chǎn)的AFG函數(shù)發(fā)生器觸發(fā)

34、。表格4列出了加載電壓值，脈沖持續(xù)時(shí)間，及打開(kāi)閥門(mén)所需能量德估計(jì)值。估算所需能量時(shí)，我們假設(shè)穩(wěn)態(tài)發(fā)生在電阻器失效之前。計(jì)算功率與脈沖時(shí)間的乘積就可獲得所需能量值。</p><p>　　4.2.1進(jìn)一步減少開(kāi)啟閥門(mén)所耗能量德措施</p><p>　　能夠進(jìn)一步減少閥門(mén)開(kāi)啟所耗能量德方法就是增大加載電壓，這樣可以減少達(dá)到閥門(mén)臨界破壞點(diǎn)所用的加熱時(shí)間。因此我們可選擇更加短的脈沖時(shí)間（0-30s

35、）和比表格4中更高的電壓。這種情況下，我們希望閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)的溫度并不是電阻器最終達(dá)到的穩(wěn)定溫度。因?yàn)槟芰康掠?jì)算需要通過(guò)電流與時(shí)間的函數(shù)獲得，而這個(gè)函數(shù)可以通過(guò)一定值電阻和一個(gè)EdkrtonnixTDS3032數(shù)字示波器求出。這個(gè)測(cè)試儀器同樣可以獲得使膜片破壞所用的脈沖時(shí)間（t）,能量則可由以下公式計(jì)算得出;</p><p>　　能量=V∫I(t)dt</p><p>　　把如圖9所示的方波加

36、載到外部電阻上面就可測(cè)量出電壓降。圖9中，每條曲線旁邊的電壓值為其電阻的加載電壓，可以看出，當(dāng)加載電壓為13和17伏時(shí)，膜片被推開(kāi)使得閥門(mén)開(kāi)啟。加載電壓為13伏時(shí)，開(kāi)啟閥門(mén)所需的能量比17伏時(shí)高很多（大約4倍多）如果把整體功率看作是時(shí)間的函數(shù)，那么所需的能量大約為44毫焦，若已得出平均功率，再乘以脈沖持續(xù)時(shí)間22毫秒，可計(jì)算出開(kāi)啟閥門(mén)所需的能量為43毫焦，這兩個(gè)值相差不到1％說(shuō)明了一個(gè)事實(shí),那就是采用整合的方式可以避開(kāi)求解能量的需求.在

37、圖片10、11中列出了與此裝置類(lèi)似的閥門(mén)的所需能量的計(jì)算值。把每個(gè)裝置計(jì)算得出的能量作為電阻的函數(shù),因此此圖可以清晰的表達(dá)出電阻設(shè)計(jì)的效果.平均電勢(shì)和脈沖時(shí)間(測(cè)試設(shè)備所加載的正負(fù)電壓和過(guò)渡時(shí)間)都被列入到每個(gè)設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。</p><p><b>　　5總結(jié)與結(jié)論</b></p><p>　　本文主要論述了加工可靠的且由金屬及氮化硅物構(gòu)成的單作用閥陣列的基本

38、要點(diǎn)。上述的熱力學(xué)測(cè)試與電阻器的物理化學(xué)特性可作為設(shè)計(jì)具有特定啟動(dòng)能量的微型閥的指導(dǎo)原則。這種閥可以在低功率環(huán)境下及不同的電壓與電流下啟動(dòng)（有些特定場(chǎng)合需要能量的補(bǔ)充）而且特別便于安裝。本文計(jì)算出了不同尺寸的閥所能承受的最大壓力。實(shí)驗(yàn)得出，邊長(zhǎng)為3mm，厚度為3um的閥可承受5巴梯度的壓力。單作用驅(qū)動(dòng)膜的低功耗要求也即是未來(lái)很有吸引力的遠(yuǎn)程便攜式閥門(mén)機(jī)構(gòu)應(yīng)用的一個(gè)要求。另外，所采用的制造工藝能夠保證其大批量生產(chǎn)，因此制造成本低，可以用來(lái)