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研究生:陳震徽
研究生(外文):Zgen-Hui Chen
論文名稱:微型電磁式致動器與微幫浦之設計與製作
論文名稱(外文):Design and Fabrication of Novel Micro Electromagnetic Actuators and Pumps
指導教授:李佳言
指導教授(外文):Chia-Yen Lee
學位類別:碩士
校院名稱:大葉大學
系所名稱:機械工程研究所碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:83
中文關鍵詞:致動器微型線圈微機電系統技術電鍍磁鐵磁性材料
外文關鍵詞:microactuatormicrocoilsMEMSelectroplated
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本研究之目的在於發展一種以金屬材料為基礎的表面微加工技術,此技術結合了微影、蒸鍍和電鍍製程,結合這些技術製作出新型式之微致動器,並發展其在微幫浦之應用。製作方式乃是採用微機電製程來達到低成本及高精度之要求。致動器的結構是利用電鍍技術鍍上銅線圈,當線圈通入電流後產生磁場使聚二甲基矽氧烷(PDMS)薄膜上的電鍍磁性材料產生磁力,其當磁性材料的厚度為60 μm時,驅動此薄膜產生可控制之位移,達到致動的效果。再進而與微管道接合形成微幫浦,其線圈尺寸方面為線寬75 μm間距90 μm、線寬100 μm間距120 μm、線寬125 μm間距150 μm等三種不同尺寸,並量測其分別在不同磁力影響下產生的位移,最大位移量可達30.33 μm。微管道尺寸為11.35 x 4 mm,及深50 μm,當施加3.07 W、電流0.36A、頻率60 Hz可達到最高流速1.4 ml/s。此研究並進而改變PDMS薄膜上的磁性材料厚度時量測其振動位移,當磁性材料膜厚為110 μm時,搭配125 μm線寬的平行線圈,電流為0.5 A,其位移為20.24 μm,而磁性薄膜厚170 μm其位移為9.35 μm,可知當磁性物質體積越大相對聚磁效果越好,但因結構剛性變大故位移量並無相對增加。
A novel technique for the fabrication of electromagnetic micro actuator and micro pump is proposed. The constituent parts of the designed actuator are comprised of a diaphragm, a micro-coils, and a magnet. When an electrical current is applied through the micro-coils, a magnetic force between the magnet and the coil is produced and causes the diaphragm to deflect, which becomes the source of actuation. Photo-lithography, Electron Beam Evaporation, and Electroplating are used in the fabrication process. The structure of the actuating device uses PDMS as the vibrating diaphragm, polyimide as the insulating layer and electroplated copper as the coils. The diaphragm deflection can be regulated by varying the current passed through the micro-coil and hence the actuating effects can be controlled. In this study, three types of micro coils are presented as the micro actuator 75 μm line width with 90 μm spacing,100 μm line width with 120 μm spacing and 125 μm line width with 150 μm spacing, respectively. The proposed micro actuator has a maximum displacement of 30.33 μm. The micro-channel dimensions are 11.35 mm long and 50 μm deep. The experimental results indicate a maximum flow rate of 1.4 ml/s with a driving frequency of 60 Hz and a coil current of 0.36 A.
目錄

封面內頁
簽名頁
授權書………………………………………………...………….…... iii
中文摘要……………………………………………………..….….... iv
英文摘要……………………………………………………………… v
誌謝……………………………………………………………...….... vi
目錄………………………………………………………….……..... vii
圖目錄…………………………………………………………….….. xi
表目錄……………………………………………………….…...…. xiv
符號說明…………………………………………………..……...…. xv

第一章 緒論
1.1 前言……………………………………..…..………. 1
1.2 微機電系統之概述與發展…………………………. 2
1.3 微型致動器發展之概述……………………………. 2
1.4 微型幫浦發展之概述…………………………....…. 3
1.5 文獻回顧……………………………………..……... 3
1.6 研究動機與目的……………………………......…... 6
第二章 微型致動器
2.1 研究目的…………………………………..…..……. 9
2.2 致動器微小化之優點………………………………. 9
2.3 微型致動器之類型………………………………... 10
2.3.1 電磁式致動器…………………..….…...…. 10
2.3.2 電熱式致動器…………………….….…..... 12
2.3.3 靜電式致動器……………………..………. 15
2.3.4 壓電式致動器……………………..…......... 16
第三章 微型幫浦
3.1 研究目的…………………………….…….…......... 17
3.2 微型幫浦之類型………………………….…...…... 17
3.2.1 壓電式微幫浦………………….…….......... 18
3.2.2 靜電式微幫浦……………….……...….….. 19
3.2.3 熱驅動式微幫浦………………….......…… 20
3.2.4 記憶合金式微幫浦………………….......… 20
3.2.5 電磁式微幫浦……………………………... 21
3.3 微幫浦之應用…………………………………....... 21
第四章 微型電磁式致動器製程技術
4.1 研究目的………………………………….……...... 24
4.2 電鍍技術………………………………….……….. 24
4.3 電鍍銅金屬……………………...…….................... 24
4.4 銅鍍液之種類…………………………………....... 25
4.5 電鍍控制條件………………………………...….... 26
4.6 適用於電鍍的光阻……………………………....... 27
4.7 電鍍基本配備…………………………………....... 28
4.8 PDMS之特性概述………………………...….…... 28
4.9 製程步驟簡介……………………….…………….. 30
4.9.1 蒸鍍種子層……………………….……...... 31
4.9.2 厚膜光阻微影製程……………………...… 32
4.9.3 電鍍線圈通道………………………….….. 36
4.9.4 定義線圈圖形……………………….…...... 37
4.9.5 蒸鍍線圈………………………….….……. 40
4.9.6 電鍍線圈………………………………....... 43
4.9.7 PDMS薄膜製程…………………………... 45
4.9.8 電鍍磁性薄膜……………………….…...... 46
4.9.9 線圈與上層板結合………………………... 50
第五章 微型電磁式微幫浦設計與製造
5.1 研究背景…………………………………….…...... 52
5.2 BOE蝕刻液之概述……………………………...... 52
5.3 製程簡介………………………………………....... 53
5.3.1 玻片清洗………………………….….……..... 54
5.3.2 定義流道……………………….…….…..... 54
5.3.3 BOE蝕刻…………………….……..…..…. 55
5.3.4 上板孔徑定義……………………………... 56
5.3.5 流道接合……………………….………….. 57
5.4 微型幫浦結合……………………………….…...... 57
第六章 結果與討論
6.1 微型電磁式致動器………………………….…...... 59
6.1.1 磁場強度………………………….……...... 59
6.1.2 磁場梯度…………………….…………….. 62
6.1.3 位移量測………………………….……….. 64
6.2 微型電磁式微幫浦……………………………....... 67
6.2.1 不同電流下流率量測………….……....….. 69
6.2.2 不同頻率下流率量測………………....…... 75
第七章 結論
7.1 結論…………………………………………..…..... 77
7.2 未來與展望…………………………………..……. 78
參考文獻…………………………………………………………….. 79
參考文獻

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