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关于MEMS技术的应用分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-03-01 21:04:27 来源: 作者:用户75672    浏览次数:1    
摘要

1几种微制造技术的比较近年来,各种各样的微加工技术被应用于机械产品的生产上来,如表面微细加工,体微细加工,准分子激光刻蚀,LIGA以及精密机械加工等等。 表面微细加工的实现方法较多,或从传统精密加工改进发展(如金刚石车床,微型钻床,微型磨床等加工技术),或从特种加工技术衍生开发(如激光加工,离子束加工等),但更多的是基于半导体制造技术;硅基体微细加工一般采用腐蚀(刻蚀)的方法,包括化学腐蚀,等离子...

1几种微制造技术的比较

近年来,各种各样的微加工技术被应用于机械产品的生产上来,如表面微细加工,体微细加工,准分子激光刻蚀,LIGA以及精密机械加工等等。

表面微细加工的实现方法较多,或从传统精密加工改进发展(如金刚石车床,微型钻床,微型磨床等加工技术),或从特种加工技术衍生开发(如激光加工,离子束加工等),但更多的是基于半导体制造技术;硅基体微细加工一般采用腐蚀(刻蚀)的方法,包括化学腐蚀,等离子体刻蚀和反应溅射刻蚀等;LIGA技术是一种基于X射线光刻技术的三维微结构制造工艺,包括:深刻蚀X射线光刻,电铸及注塑复制等工序;准分子激光刻蚀法是近几年国际上出现的一项新技术,用来制作高深宽比聚合物材料的微机械结构,用该技术制作的微结构具有深宽比大,精度高及边缘整齐等优点;精密机械加工技术是利用刀具改变材料形状或破坏材料表层,以切屑形式去除来达到所要求的形状,如单晶金刚石刀具的车削与铣削,微细麻花钻的微钻孔技术和精微磨削技术等,超精密机加工的特点在于可实现复杂三维形体的加工。由于以上各种微加工技术各有其优缺点,且需要制造的微结构的形式,功能和应用场合各不相同,因此需要在具体的生产实践中对它们进行分析,比较,以期*佳地选择加工技术。

2微型热泵的原理及特点

微型热泵是根据传统热泵的工作原理,利用MEMS微加工技术生产出热泵系统的各个部件,并将这些部件及其传感器,控制器,电源等集成在一个微小体积范围内的微小机械。微型热泵的微型化技术是基于液体在微通道内流动所引起的强化传热传质,和传统热泵装置相比,微型热泵采用许多平行的微通道,这样热泵装置的体积和重量可以从根本上得到缩小。

微型换热器的影响微型热泵的主要特点如下:

(1)由于液体在微通道内流动时具有良好的传热传质性能,使得微型热泵的性能有明显的提高。我们可以从传热系数的定义简单看出,a=C/d,在层流时C一般为常熟,因此特征尺寸d越小,传热系数越大。在三种水力学通道直径不同的微型换热器中流道水速(质量流速)与加热功率之间的关系,流体之间的热传递功率随通道水力学直径的减小而升高。

(2)微型热泵使分布式空调成为可能,且更容易调节。这样就减少了管路和循环的损失。

(3)微型热泵加工困难,对加工精度要求极高。但随着当前MEMS技术的发展,微型热泵的生产已成为可能。

3基于MEMS技术的微型热泵系统

微型蒸汽压缩式热泵系统主要包括以下部件:微型压缩机,微型换热器和节流装置。节流装置可以选用微型毛细管,因此,微型热泵的制造主要是微型压缩机和微型换热器的制造。

3.1微型压缩机

微型压缩机多采用旋转式压缩机。旋转压缩机没有往复运动的传动机构,不需要吸气阀,零部件少,结构简单,容易制造,成本较低,同时操作简便,不维修运转周期长,易于实现自动化。

为了满足体积和重量的需求,ASPEN公司利用精密机械加工技术为他们的微型热泵系统制造了微型转子压缩机,如图2所示,该压缩机在38的环境下可以产生300W的制冷量,直径约2英寸,长27英寸,重量13磅,制冷剂:R134a,电压:24V或12VDC.

北京工业大学利用微细电火花加工技术制造微型旋转式压缩机。该压缩机采用铸铁和铝合金制造,重量为400g,在400的环境下可以产生300W的制冷量,制冷剂:R22,电压:24V或12VDC.

3.2微型换热器

美国西北太平洋国家实验室(PNNL)研制的微型蒸发器包括铜底层,图形化硅层和硼硅酸玻璃顶层,硅层由刻蚀方法加工而成,包括翅片和微通道,以提高传热效率,微通道宽约50~80m,翅片高度约30m.

挪威皇家科学院(SINTEF)利用MEMS技术研制了微型冷凝器,该冷凝器的通道是用硅制成的,硅的导热率和密度和铝接近,它的抗拉强度却比钢还要强。微通道是用光刻蚀技术制成的,制作时,按照需要在硅晶片上覆盖掩模,用氢氧化四甲基铵作蚀刻剂,硅层上下表面与硼硅酸玻璃板键合在一起,水通道的尺寸如图5中C放大图所示,上边为1017m,底边为500m,高为140m.

3.3微型热泵系统

ASPEN公司为美国军队研制了一种蒸汽压缩式微型热泵。该系统在38的环境下可以产生300W的制冷量,制冷系统共计约6磅,制冷系统大小:241mm1778mm9398mm。

4结论与展望

当前,微型热泵还处于实验室研制阶段,其中核心部件微型压缩机的加工手段多局限于精密机加工技术,但目前已经采用刻蚀技术加工出了微米数量级的微通道换热器。随着MEMS技术的发展及其在机械产品上的不断应用,微型热泵的制造将会更加完善,由于其高效,轻量化的性能优势,在军事,航空航天,医疗卫生等领域微型热泵必将显示出广阔的应用前景,另外,MEMS技术在机械产品上的应用也必定会带动MEMS技术的不断进步,使其更适合现代工业的发展需要。

 
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