纳升级高频压电驱动喷射阀的温度时空分布与优化研究

Piezoelectric dispensing has features of high frequency and micro volume. It is the key technology of microelectronics packaging. The developing trend of consumer electronics requires higher frequency and higher consistency of dispensing technology. The higher frequency the piezoelectric jet valve works at, the higher temperature of piezo stack rises up. With the limit of piezo stack’s permissible temperature, the temperature rise becomes the bottleneck of the development of the piezoelectric jet technology..This project studies heat generating and transferring mechanism of the piezo stack driven by high frequency pulse. The influence of the driving voltage, working frequency and duty circle on the heat generating is analyzed, and the temperature rising model is established. Based on temperature distribution of the piezoelectric jet valve in time and space, the influence of structure, temperature and electrical parameters of piezoelectric jet valve on the volume and consistency of the jetting droplets is studied. Then, the structure of the piezoelectric jet valve is optimized to reduce the cross effect between the heat sources and the thermal deformation of the key parts. The temperature control system of the fluid channel is optimized to improve the fluid temperature consistency. It provides important theoretical and technical basis for higher frequency piezoelectric dispensing technology.

压电驱动喷射点胶具有高频、微量的特征，是电子信息制造业的关键技术。消费电子产品的发展对纳升级喷射点胶技术的频率和一致性提出了更高的要求。压电驱动喷射阀工作频率越高，压电堆温升越大。受压电堆允许工作温度的限制，其温升成为制约压电驱动喷射点胶技术发展的瓶颈。.本课题拟研究高频脉冲驱动下压电堆的发热与传热机制，分析驱动电压、工作频率、占空比等参数对压电堆发热量的影响，建立温升模型；基于压电驱动喷射阀温度场时空分布特征，研究喷射阀结构、流道温度和压电堆驱动参数对液滴体积一致性的影响规律；在此基础上，优化压电堆驱动参数，改进传热方式，降低温升；优化压电驱动喷射阀结构，减少热源之间的交互影响，控制压电堆的温度波动；优化温控系统传感器与热电阻分布与电流控制，减小流体的温度波动。为开发更高频压电驱动点胶技术提供重要理论和技术支持。

压电驱动微量流体分配技术具有高效、微量的特点，被广泛应用于微电子封装、生物医药等领域。压电驱动喷射阀工作频率越高，压电堆温升越大，不仅影响喷射阀的性能，甚至导致压电堆损坏。为了解决这一问题，本课题从理论上研究了高频脉冲驱动工况下压电堆发热与传热机制和高频压电驱动喷射阀温度场分布与变化规律，技术上研究了基于模糊PID的流道温度自适应控制方法，设计了喷射阀流道自适应精密温控系统，实现了流道温度高精度高一致性控制。应用方面，基于本课题研究的关键温控方法，研制了新型模块式压电驱动喷射阀，实现了胶液高频、微量、高一致性分配。主要研究成果如下：.①高频脉冲驱动工况下压电堆发热与传热机制：研究了驱动电压、占空比，上升沿和下降沿等驱动参数对压电堆温升的影响规律；研究并揭示了不同传热方式对压电堆温升的影响；在此基础上建立了压电堆温升预测模型。.②高频压电驱动喷射阀温度场分布于变化规律：基于压电驱动喷射阀高频工况下的热机耦合模型，建立了压电堆热特性的有限元模型，研究喷射阀结构对温度场分布和零件热变形的影响。.③研究了基于模糊PID的流道温度自适应控制方法，设计了基于单片机的温控硬件系统，设计了模糊PID的温度控制软件，实现了流道温度高精度自适应控制。.④基于本课题的研究成果，改进了原压电喷射阀存在的问题，设计了新型模块式压电驱动高频微量喷射阀，实现了流体高频、高一致性分配，验证了本课题研究的方法和建立的模型。