阅读说明：本技术 集成于pcb上的压电致动微驱动器的制备方法 (Method for preparing piezoelectric actuating micro driver integrated on PCB ) 是由 王令 王文斌 李涛 邹光南 于 2020-11-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及微流体机械技术领域,具体是集成于PCB上的压电致动微驱动器的制备方法,所述制备方法包括对PCB泵体进行清洗,去除泵体上的杂质；对泵体的上下表面进行图形化处理；在泵体上刻蚀有沉孔,并将该沉孔的底部进行截切打磨,形成泵腔；从泵腔的截切面向下刻蚀有两个通孔,分别作为进液口和出液口；再次对开凿后的泵体进行清洗,并保持干燥；在位于泵腔外沿的泵体表面固定有一层圆环形焊盘；在圆盘形焊盘上方焊接有相应的圆盘形压电单晶执行器；将压电单晶执行器的负极与系统电源地相连,将压电陶瓷表面通过导线引出与系统电源正极相连。本发明所制备的压电致动微驱动器经过PCB电装工艺焊接而成,构成的腔室与流道密封性好。(The invention relates to the technical field of microfluid machinery, in particular to a preparation method of a piezoelectric actuating micro-driver integrated on a PCB (printed Circuit Board), which comprises the steps of cleaning a PCB pump body and removing impurities on the pump body; carrying out graphical processing on the upper surface and the lower surface of the pump body; etching a counter bore on the pump body, and cutting and polishing the bottom of the counter bore to form a pump cavity; two through holes are etched downwards from the truncation surface of the pump cavity and respectively used as a liquid inlet and a liquid outlet; cleaning the cut pump body again and keeping the pump body dry; a layer of annular bonding pad is fixed on the surface of the pump body positioned on the outer edge of the pump cavity; a corresponding disc-shaped piezoelectric single crystal actuator is welded above the disc-shaped bonding pad; the cathode of the piezoelectric single crystal actuator is connected with a system power ground, and the surface of the piezoelectric ceramic is led out through a lead to be connected with the anode of the system power. The piezoelectric actuating micro-driver prepared by the invention is formed by welding through a PCB (printed circuit board) electric fitting process, and the formed cavity has good sealing performance with a flow channel.)

集成于PCB上的压电致动微驱动器的制备方法

技术领域

本发明涉及微流体机械技术领域，具体是集成于PCB上的压电致动微驱动器及其的制备方法。

背景技术

微驱动器作为低轨卫星微流控系统的一个动力部件，起着控制微流道内流体流动和流向的作用，进而达到控制推进系统和液冷系统性能的能力。

目前，微流控系统的驱动方式普遍采用外置微驱动器进行驱动，需要外置驱动微驱动器的电源线和输送冷却剂的管路，使得整个系统的集成度较低，而且管路中存在较大的压力损失，造成微驱动器的驱动力和控制能力降低，无法适用于低轨卫星微流控系统。为了解决这些问题，国内外学者主要对微驱动器的驱动方式、加工工艺与结构设计进行研究。根据微驱动器的驱动方式，分为压电驱动式、静电驱动式、电磁驱动式以及热气动驱动式等。基于逆压电效应的压电致动微驱动器不仅具有以微升为单位驱动液体的能力，而且具有结构简单、驱动力大与电磁干扰弱的优点，压电致动微驱动器适合与微流控系统其它部件实现集成化。一些学者为了减小微驱动器的体积，开始研究微驱动器的加工工艺，分为硅加工技术、玻璃和石英加工以及高分子聚合物加工工艺。尽管以硅和高分子聚合物构成的微驱动器的体积比金属加工的微驱动器的体积小，但液冷系统仍需要配置管路，且难与微流控系统其它部件实现集成化，未解决微驱动器控制能力弱与集成度低的问题。中国发明专利申请200810069378.1提出一种具有主动精确控制能力的微驱动器，能达到极低的流量和极高的控制精度，但并未讨论微驱动器的加工工艺和集成方法。

到目前为止，对于如何将微驱动器与微流控其它部件实现集成鲜有有效的方案，微驱动器在系统中仍存在控制能力弱与集成程度低的问题。中国发明专利申请2019111079950提出了一种集成于PCB上的压电致动流体泵；在流体泵的集成结构以及泵体自身结构优化上做出了新的突破，但是该结构采用一个泵作用单元和至少两个压电致动流体泵，并且在其上方安装有多个压电单晶执行器，其结构复杂，集成度非常低。

本单位所提出的申请号为202010044191.7的专利一种低轨卫星微流控系统的压电致动微驱动器成功解决了集成度的问题，该压电致动微驱动器包括PCB泵体和压电单晶执行器，所述PCB泵体由PCB加工制得，所述压电单晶执行器包括压电陶瓷和铜基片，所述压电陶瓷粘接在所述铜基片上方；所述PCB泵体中间向下设置有沉孔，所述铜基片焊接在所述PCB泵体上，所述PCB泵体的沉孔与所述铜基片构成泵腔，所述PCB泵体具有进液口和出液口，所述进液口和出液口与所述泵腔连通，所述泵腔的下底面倾斜设置，所述进液口在竖直方向上的高度高于出液口。

然而该申请并未讨论所述压电致动微驱动器的加工工艺和集成方法，不清楚该微驱动器是如何制备的，并且在制备压电单晶执行器时，需要采用环氧胶将铜基片和环氧胶之间进行粘接；铜基片与环氧胶的热膨胀系数相差较大，环氧胶的热膨胀系数为54×10^{- 6}in/in/℃，铜基片的热膨胀系数为17.5×10^-6in/in/℃；二者在温度较高情况下的形变差异很大，将会产生一定的形变应力；影响整体压电单晶执行器的挠度；不利于流体的泵入泵出。

发明内容

本发明的目的在于提供集成于PCB上的压电致动微驱动器的制备方法，能降低其与微流控系统其它部件集成的难度，使得微驱动器直接作用于微流道，提高了微驱动器的控制能力与系统的集成程度。

具体的，本发明所采用的技术方案包括集成于PCB上的压电致动微驱动器的制备方法。

在本发明的第一方面，本发明提供了一种集成于PCB上的压电致动微驱动器的制备方法，所述制备方法包括：

对PCB泵体进行清洗，去除PCB泵体上的杂质；

对所述PCB泵体的上表面和下表面进行图形化处理，并形成沉孔的掩膜图案和通孔的掩膜图案；

根据所述沉孔的掩膜图案，在所述PCB泵体上刻蚀有沉孔，并将该沉孔的底部进行截切打磨，形成泵腔；

根据所述通孔的掩膜图案，从泵腔的截切面向下刻蚀有两个通孔，分别作为进液口和出液口；

再次对开凿后的PCB泵体进行清洗，去除PCB泵体上的杂质，并保持干燥；

在位于泵腔外沿的PCB泵体表面固定有一层圆环形焊盘；

在所述圆盘形焊盘上方焊接有相应大小的圆盘形压电单晶执行器；

将压电单晶执行器的负极与系统电源地相连，将压电陶瓷表面通过导线引出与系统电源正极相连。

进一步的，所述对所述PCB泵体的上表面和下表面进行图形化处理，并形成沉孔的掩膜图案和通孔的掩膜图案包括：

在PCB泵体的上表面和下表面均涂覆光刻胶；

对所述光刻胶进行光刻，在上表面刻蚀出沉孔的掩膜图案，在下表面刻蚀出通孔的掩膜图案。

本发明具有下述优点：

1、本发明提供的压电致动微驱动器的制备方法，不需要复杂的化学方法制备微驱动器，就能够比较容易地得到符合条件的微驱动器；

2.本发明所制备的压电致动微驱动器经过PCB电装工艺焊接而成，构成的腔室与流道密封性好，且电子元件不与液体直接接触，无漏液导致的电子元件失效问题；

3.本发明所制备的压电致动微驱动器在压电陶瓷表面镀有金属层；通过中间金属层的介入，不仅解决了环氧胶所带来高温形变应力，还能够降低连接温度和压力，同时也可以起到抑制和改变接头产物的作用。

附图说明

图1是本发明集成于PCB上的压电致动微驱动器的制备方法流程图；

图2是本发明的制备掩膜的方法流程图；

图3是本发明的焊接圆盘形压电单晶执行器的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1给出了集成于PCB上的压电致动微驱动器的控制方法，所述控制方法包括：

101、对PCB泵体进行清洗，去除PCB泵体上的杂质；

首先选择出一块厚度合适的PCB加工板，对PCB加工板进行一些加工后则可以形成PCB泵体；对PCB泵体进行清洗主要是为了去除PCB泵体表面的杂质，本实施例中主要采用有机溶剂和去离子水的半水清洗方式，在这个过程中添加一定量的活性剂、添加剂组成的清洗剂对PCB进行清洗；去除PCB表面的杂质后，需要对其进行烘干，保持PCB泵体的干燥。

102、对所述PCB泵体的上表面和下表面进行图形化处理，并形成沉孔的掩膜图案和通孔的掩膜图案；

对于形成掩膜的过程，如图2所示，所述过程包括以下内容：

201、在PCB泵体的上表面和下表面均涂覆光刻胶，对其进行预烘，采用电子束照射对其曝光，曝光后使其显影；

202、对显影后的光刻胶进行光刻，在上表面刻蚀出沉孔的掩膜图案，在下表面刻蚀出通孔的掩膜图案。

本实施例在提供PCB泵体的基础上，将PCB泵体的上下表面都形成掩膜材料层；对所述掩膜材料层图形化；形成图形区以及与所述图形区相邻的遮挡区，在所述图形区形成至少一个贯穿所述掩膜材料层的通孔，且将图形化后的剩余掩膜材料层作为掩膜图形层作为后续工艺；当然在本发明中，需要形成两个通孔分别作为进出液口。

103、根据所述沉孔的掩膜图案，在所述PCB泵体上刻蚀有沉孔，并将该沉孔的底部进行截切打磨，形成泵腔；

利用腐蚀的方式按照沉孔的掩膜图案在所述PCB泵体上刻蚀出沉孔，这个沉孔比通孔大得多，沉孔将作为后续的PCB泵体中的储液装置进行使用；本发明采用干湿结合法对PCB泵体进行腐蚀，并按照掩膜图案对沉孔的底部进行打磨。

104、根据所述通孔的掩膜图案，从泵腔的截切面向下开凿刻蚀有两个通孔，分别作为进液口和出液口；

与上述实施例相似，本实施例同样采用干湿结合法对PCB泵体进行腐蚀，并按照通孔的掩膜图案对泵腔底部继续进行腐蚀。

105、再次对开凿后的PCB泵体进行清洗，去除PCB泵体上的杂质，并保持干燥；

本实施例采用超声波清洗机进行清洗，超声波清洗机利用超高频在液体介质中转化为动能的作用，产生空化效应，形成无数的微小气泡，然后撞击物体表面，使表面污垢脱落，从而达到清洗的效果。清洗的时间设定为15分钟。

106、在位于泵腔外沿的PCB泵体表面固定有一层圆盘形焊盘；

圆盘形焊盘广泛用于规则排列的单双面印制板中，本发明中的圆盘形焊盘可以直接是PCB泵体的一部分，也可以是单独所设计的一部分；本实施例中，为了便于后续焊接处理，本发明中的圆盘形焊盘与所述PCB泵体为一个整体结构，且该整体结构的表面是一个平整结构。

107、在所述圆盘形焊盘上方焊接有相应大小的圆盘形压电单晶执行器；

利用压电单晶执行器所具备的压电陶瓷和铜基片的结构，将铜层、锡层和焊盘层形成稳定的固支边结构。

在一个优选实施例中，为了减少环氧胶和铜基片之间的应力影响，对铜基片与压电陶瓷的连接方式进行了改进，如图3所示，本发明提供了如下改进方式：

701、切割出与圆盘形焊盘大小一致的铜基片；

在本实施例中，为了保证铜基片稳固在铜基片上，所述铜基片可以比焊盘稍小，但是所述铜基片比所述压电陶瓷大。

702、采用夹具将所述铜基片固定，并通过激光辐射加热铜基片的表面；

本实施例通过激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，能够尽可能的释放大部分的应力。

703、通过控制激光脉冲参数，以激光点焊的方式将所述铜基片焊接在所述圆盘形焊盘上，并通过加载法释放焊接应力；

本实施例通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。激光束由柔性光纤导引输送，随后再以焊接头将光束投射在焊缝上。激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，可以不活泼的保护气体以防熔池氧化。

704、在压电陶瓷表面镀有银电极浆料，并在高温下烧结；

本实施例可以用银电极浆料，银电极浆料与压电陶瓷能形成良好耦合，使得其中的接触电阻较小，另外，本发明可以在惰性气体氛围下以800℃左右烧结30min。

705、通过焊接方式连接铜基片和烧结后的压电陶瓷。

在经过上述的处理后，避免了环氧胶和金属层之间所带来的高温形变应力，由于压电陶瓷和金属在热膨胀系数和弹性模量上的差异，粘接接头容易产生较大的残余应力，导致接头性能下降，因而本发明采用镀金属膜的中间层方式改变压电陶瓷的性能。由于中间层的介入，不仅可以缓解接头的残余应力，还能够降低连接温度和压力，同时也可以起到抑制和改变接头产物的作用。

此时，本发明就可以直接将铜基片与烧结后的压电陶瓷进行焊接固定了，形成了焊盘-锡层-铜层-锡层-镀银层的固支边结构；由于锡层和镀银层均具备导电性，并且镀银层的延展性非常好，所以使用本发明制备出的压电致动微驱动器不仅具有较大的变形，且很好的与电极相连接；而且还能够抑制不同材料所带来的形变应力，增强压电单晶执行器的挠度特性；提高泵体泵入泵出的效率。

108、将压电单晶执行器的负极与系统电源地相连，将压电陶瓷表面通过导线引出与系统电源正极相连。

由于压电单晶执行器表面镀有银层，所以本发明不需要再重新涂覆导电胶引出引线，可以直接从银层引出引线。

本发明通过驱动圆盘形压电单晶执行器的有序动作即提供周期性的信号实现流体的自注入、泵入和泵出。流体通过进液口流入泵腔，最终于出液口流出，始终在PCB内流动，不会与电子元件直接接触，无漏液导致的电子元件失效问题。

可以理解的是，本发明中，所述集成于PCB上的压电致动微驱动器及其制备、控制方法中的相应特征可以相互引用，本发明不再一一赘述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。