微光學(xué)器件的氣動(dòng)膜片式微滴噴射制造技術(shù)研究.pdf

1、近代光學(xué)和光電子技術(shù)的迅猛發(fā)展使光電子儀器及其元件發(fā)生了巨大的變化，微型化和智能化成為實(shí)現(xiàn)這一變化的主要發(fā)展方向，由此誕生了一門嶄新的學(xué)科——微光學(xué)(micro-optics)。微光學(xué)器件在幾乎所有的工程應(yīng)用領(lǐng)域，尤其在現(xiàn)代國(guó)防科技領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。然而，微光學(xué)器件的實(shí)際制作水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論設(shè)計(jì)水平，加工問題已成為阻礙其迅速發(fā)展和應(yīng)用的巨大障礙。因此，針對(duì)微光學(xué)器件制作的高效率、大批量、低成本制造技術(shù)是各國(guó)學(xué)者競(jìng)

2、相研究的重要課題。
　　 微滴噴射是一種通過產(chǎn)生微米級(jí)的液滴實(shí)現(xiàn)微量流體精確分配的技術(shù)，屬于非接觸直寫式制作技術(shù)的范疇，作為一種增材式制造方法，它不僅可以節(jié)約材料、減少工藝步驟、提高生產(chǎn)效率，而且具有極好的環(huán)境兼容性，并能與計(jì)算機(jī)控制緊密結(jié)合，直接噴射制作復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，可以滿足未來制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)環(huán)境保護(hù)、材料利用率以及工藝靈活性等諸多方面的要求。
　　 本文提出了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的用于微光學(xué)器件制作的氣動(dòng)膜片式微

3、滴噴射技術(shù)。該技術(shù)融合了壓電噴射裝置和氣壓直接驅(qū)動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維修及拆卸方便、驅(qū)動(dòng)功率大以及可靠性優(yōu)良的特點(diǎn)。本文在構(gòu)建氣動(dòng)膜片式微滴噴射平臺(tái)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了氣動(dòng)膜片式噴射機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究，所做的工作闡述如下：
　　 首先，以膜片模態(tài)、載荷-撓度特性、膜片與液體的固-液耦合關(guān)系為理論基礎(chǔ)，運(yùn)用非平衡伯努利方程和質(zhì)量守恒方程建立了氣動(dòng)膜片式噴射過程的數(shù)學(xué)模型，獲得輸入氣壓與膜片變形、腔內(nèi)壓力以及噴嘴出口流體速度的關(guān)

4、系，并以此作為優(yōu)化微噴射裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)的理論依據(jù)。
　　 其次，構(gòu)建了包括微噴射裝置、電磁閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、圖像在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的氣動(dòng)膜片式微滴噴射系統(tǒng)。重點(diǎn)研究了玻璃噴嘴的可控制作技術(shù)和基于延時(shí)觸發(fā)的圖像采集與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用來獲取微液滴噴射形成和沉積成型過程的圖像信息，運(yùn)用數(shù)字圖像處理方法計(jì)算出液滴大小、飛行距離與速度。
　　 接著，基于Fluent 6.3中的VOF 模型

5、模擬了噴射形成主液滴及衛(wèi)星滴的全過程，探討了微液滴形成的規(guī)律。利用噴射平臺(tái)進(jìn)行了微液滴噴射的一致性分析，研究了設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制參數(shù)與液滴大小及噴射速度的關(guān)系。此外，以不同物理性質(zhì)的溶液為對(duì)象進(jìn)行了粘度及表面張力對(duì)液體噴射過程影響的實(shí)驗(yàn)研究。
　　 然后，利用能量守恒的分析方法對(duì)微液滴碰撞基板后的各個(gè)過程進(jìn)行理論研究，運(yùn)用反彈閾值公式根據(jù)微液滴碰撞前的初始條件判定碰撞后的變形狀態(tài)。此外，通過實(shí)驗(yàn)方法得到不同物理性質(zhì)的微液滴在多種

6、潤(rùn)濕性基板上的沉積過程，并分析了液滴物理性質(zhì)、液滴與基板的相互作用對(duì)微液滴沉積過程的影響，為噴射制作中的沉積過程提供了理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　 最后，利用紫外固化膠完成了直徑為75～400μm 微透鏡陣列的制作。對(duì)平均直徑為333.28 μm的9×9 微透鏡陣列進(jìn)行檢測(cè)，其尺寸偏差約為1.6％，表面平均粗糙度約為0.243nm，焦距計(jì)算平均值為389.07 μm、均勻性誤差為1.6％，利用玻羅板測(cè)得焦距平均值為482.04 μm、