0引言
微型阀是微流体控制中的关键器件，在生物医疗、工业控制等领域有着重要的应用。常用微型阀种类繁多［1］，但处理对象多为细胞，DNA等微流体［2］，流量小，压强低，对致动器和微型阀结构的限制相对较小。微型阀的工业应用与医疗、生物领域相比还较少，主要在于传统的微型阀结构难以适应工业生产上高压大流量的应用环境［3，4］。继固体阀、热力阀、电子阀之后，基于MEMS技术的硅微阀流控芯片已成为工业供热通风与空气调节(heating，ventilationandairconditioning，HVAC)领域研究的热点［5］。本文设计了一种基于V型电热致动器［6，7］的新型硅微阀流控芯片，基于电热耦合理论对该芯片中的V型电热致动器进行优化设计。通过有限元工具ComsolMultiphysics对优化前后的V型电热致动器进行多物理场耦合仿真。结果表明:变截面的优化设计可以在保证致动效果(相同的致动位移)的条件下，改善致动器结构的温度分布，提高致动器的热平衡稳定性和结构稳定性。
1硅微阀流控芯片的结构
本文设计的硅微阀流控芯片结构如图1(a)所示，该流控芯片由三层硅晶圆键合(waferbonding)而成，电极口和阀口经各向异性腐蚀(anisotropicetching)形成于第一层和第三层硅片上，第二层为低阻硅材料，芯片结构如图1(b)所示，阵列的V型电热致动器和位移放大结构通过深反应离子刻蚀(deepreactiveionetching)技术一体形成于第二层硅片上。当在V型致动器的两端电极上施加电压后，由于焦耳热效应，阵列的V型梁受热膨胀，在中间直梁上产生初始致动力和致动位移，继而推动位移放大结构，并在位移放大结构末端的微型阀闸门处产生大的输出位移，从而控制阀口处流体的通断，实现对流体的控制作用。
2基于截面优化的V型电热致动器设计
在V型电热致动器的设计中，应使沿梁的延伸方向上高温区域温度分布更加均匀［8］，从而在保障硅微阀流控芯片致动性能的前提下降低V型梁电热致动器的最高温升，提升V型致动器的热平衡稳定性。国内外对V型电热致动器的优化研究中，变截面设计一直是热点，比较典型的有Shih-ChiChenAlex等人通过将梁沿长度方向上的设计为两端和中间部位均较窄的轮廓以获得优良的致动器的动态性能［9］;AnthonyGFowler等人通过假定V型梁的宽度随梁长度变化关系以提高致动器的灵敏度、线性度和噪声特性［10］;而AlexManHoKwan等人通过设计不一致的长度、宽度、倾斜角度的阵列型V型梁来改善致动器的致动性能［11］。实际上，对于同一V型梁上的各截面，I为定值，ΔTm为设计所需的温升极限，L是V型梁的整体长度，由实际芯片尺寸决定，则截面宽度只与β值与该截面在梁延伸方向上离电极区域的距离x有关。在硅微阀流控芯片中，取最高温升上限为ΔTm=700K，取L为5000μm，厚度t为400μm。由于实际过程中电流I为定值，取为0．8A，得到不同β值对应的温度、电流密度的变化曲线如图3所示(图例取1/β的数值)。随着β值的增大，温度分布由“抛物线”型向“台阶型”动性能的影响，影响结果的可信度。
3设计方法与模型构建
鉴于V型电热致动器两端电极区域温度与环境温度相同，而中间结合处温度最高，为了获得在最高温度附近更趋均匀的温度分布，最好将温度分布模型构建为台阶型而非抛物线型，如图2所示，取环境温度为T0(单位为K)，V型梁沿梁方向的总长度为L(单位为m)，沿梁方向的位移为x(单位为m)，设电极区域温度和周围环境温度相同，则有T(0)=T(L)=T∞=T0，而阵列V型梁中间结合处的温度最高，则有T(L/2)=Tmax，且有ΔTm=T(L/2)－T0．
4结果与讨论
硅微阀流控芯片工作在流体环境中，在致动器的电极上施加电压后，由于焦耳热效应，致动器由于受热膨胀而产生致动位移，是热—电—结构—流体全耦合过程，采用适当的设计，可以将硅微阀流控芯片设计为压力平衡的形式，在仿真过程中可忽略流体对致动器的阻力作用，在运用ComsolMultiphysics进行仿真时，采用热—电—结构耦合模型，并考虑致动器与周围流体的传导、对流和热辐射效应，可以有效模拟出致动器在流体场中的工作过程［12］。如图4所示，当在电极上施加电压为8．8V时，恒定截面梁的最高温升达到温升上限ΔTm=700K，如图4(a)，此时阵列V型梁的致动最大位移位于中间结合处的直梁上，为18．48μm，而图4(b)表示当等阻值的变截面V型梁(Non-uniformactuator)的致动位移达到与恒定截面V型梁(uniformactuator)的最大位移一致时的情况，此时变截面V型梁的最大位移也位于中间直梁上。当致动位移相同时，恒定截面V型梁和变截面V型梁的温度分布如图5所示，表明变截面V型梁中心轴线上的温度分布呈“台阶型”，而恒定截面V型梁呈“抛物线”型，优化后的V型梁的高温段更平缓且高温区域更宽，相比恒定截面V型梁更难达到温升的上限值，而优化后的V型梁的低温段与恒定截面梁的低温段相比低温区域更窄且曲线斜率更大，对V型梁的热膨胀影响相对更小。在达到恒定截面梁的最大位移时，恒定截面梁的温度达到温升上限值ΔTm=700K，而变截面梁的此时梁上的最高温升为650K，即在获得相同致动位移的前提下，变截面梁比恒定截面梁的最高温升下降7．14%。图6显示的是达到相同致动位移时恒定截面梁和变截面梁的应力分布情况，由图6(a)可知，恒定截面梁的最大应力出现在梁与电极的连接处，而变截面梁的最大应力比恒定截面梁更小;由图6(b)可知，变截面梁的应力分布比恒定截面梁的应力分布更为均匀，不会出现恒定截面梁在与电极连接处的应力集中现象，故优化后的应力分布更为均匀，结构稳定性更好。
5结论
本文设计了一种基于变截面V型电热致动器的硅微阀。结果表明:采用温度分布优化模型构建的变截面V型梁高温区域温度分布更均匀，且在未达到极限温升时即可达到恒定截面V型梁的极限致动位移，在致动位移相同的情况下可以降低硅微阀流控芯片内部的最高温度，改善硅微阀流控芯片内部的热平衡稳定性。优化后的V型致动器应力变化也更平缓，消除了在梁与电极接触区域的应力集中现象，提升了V型梁电热致动器的结构稳定性。采用温度分布优化模型构建的V型致动器在保障致动性能的情况下明显提高了致动器的稳定性和可靠性。
作者：李勇俊 张胜昌 段飞 邓宁 单位：清华大学微电子与纳电子学系 盾安人工环境股份有限公司
