專利名稱：硅微熱致動(dòng)泵及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅微熱致動(dòng)泵，屬液體變?nèi)菔綑C(jī)械領(lǐng)域。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在電子工程，醫(yī)療工程，化學(xué)工程，生物工程中對(duì)微量元素的分析，微循環(huán)及冷卻等方面都需要對(duì)微量流體的供給進(jìn)行控制，微型泵作為一種微型執(zhí)行器得到了廣泛的研究和開發(fā)，目前已有多種不同驅(qū)動(dòng)原理，不同結(jié)構(gòu)的微型泵，如荷蘭Twente大學(xué)研制的熱氣動(dòng)薄膜泵(圖1)，德國(guó)Fraunhofer研究所開發(fā)的靜電致動(dòng)微型薄膜泵(圖2)，日本東北大學(xué)研制的壓電致動(dòng)薄膜泵(圖3)。圖1為荷蘭Twente大學(xué)熱氣動(dòng)薄膜泵結(jié)構(gòu)圖。該泵有兩塊玻璃基板(1，2)、三塊硅片(3，4，5)組成，利用熱氣動(dòng)原理致動(dòng)、硅片(3，4)中加工有氣室(6)，在硅片(3，4)之間有加熱元件(7)，硅片(5)上有彈性薄膜(8)泵腔(9)和單向閥(10，11)。工作時(shí)加熱元件(7)加熱氣室(6)中的氣體，使之膨脹，壓迫薄膜(8)向下運(yùn)動(dòng)，使泵腔(9)中的流體通過(guò)單向閥(10)流出。當(dāng)停止加熱，氣室內(nèi)的氣體冷卻，體積縮小，薄膜(8)回彈，使流體通過(guò)單向閥(11)進(jìn)入泵腔(9)，如此循環(huán)加熱、冷卻、即使泵不斷工作。
圖2為德國(guó)Fraunholer研究所靜電致動(dòng)薄膜泵結(jié)構(gòu)圖。該泵由一塊玻璃片(12)，三塊硅片(13，14，15)組成。利用靜電致動(dòng)原理工作。玻璃片(12)和硅片(13)作為電極，在其間有一絕緣間隔層(16)，硅片(13)上開有泵腔(17)，硅片(14，15)上開有單向閥(18，19)。工作時(shí)在玻璃片(12)和硅片(13)上交替加上電場(chǎng)，使之產(chǎn)生相吸或相斥的電場(chǎng)，該電場(chǎng)迫使硅片(13)的薄膜運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電場(chǎng)相斥，薄膜向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，泵腔(17)內(nèi)的流體即通過(guò)單向閥(18)排出，當(dāng)電場(chǎng)為相吸時(shí)，薄膜向上運(yùn)動(dòng)，泵腔(17)內(nèi)即通過(guò)單向閥(19)進(jìn)入流體。圖3為日本東北大學(xué)壓電致動(dòng)薄膜泵的結(jié)構(gòu)圖，該泵由二塊玻璃片(20，21)、一片硅片(22)、一個(gè)壓電晶體(23)組成。利用壓電致動(dòng)原理工作。兩片玻璃片(20，21)之間夾有硅片(22)，硅片(22)上有泵腔(24)，玻璃片(20)上有一薄膜(25)并與壓電晶體(23)相接觸。工作時(shí)壓電晶體(23)壓迫薄膜(25)向下運(yùn)動(dòng)，迫使泵腔(24)內(nèi)的流體經(jīng)單向閥(27)流出，壓電晶體斷電時(shí)，薄膜(25)回彈，流體經(jīng)單向閥(26)進(jìn)入泵腔(24)如此循環(huán)工作。
上述幾種微型泵由于需要多塊元件組成，所以體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配困難，且驅(qū)動(dòng)電壓一般較高。
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)電壓低的微型泵。
本發(fā)明微型泵利用雙金屬層熱致動(dòng)原理工作，由兩片硅薄膜片組成，在硅薄膜片上蝕刻有泵腔，流體溝道和單向閥，并有由硅薄膜、鋁薄膜組成的雙金屬層。在硅薄膜、鋁薄膜之間有加熱元件，當(dāng)加熱元件通電時(shí)，雙金屬片動(dòng)作，使泵腔變大，流體通過(guò)單向閥進(jìn)入泵腔，停止通電后，雙金屬片恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)使泵腔變小，壓迫流體通過(guò)另一單向閥流出。
本發(fā)明微型泵硅薄膜片的制作工藝如下1.首先在雙面拋光N型(100)硅片上，雙面熱氧化生長(zhǎng)8000SiO2，低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)1500的Si3N4，這兩層薄膜作為體硅異向腐蝕掩壁膜。(圖4a)2.正面進(jìn)行光刻，等離子刻蝕出閥口的腐蝕窗口，使用KOH溶液(40％)進(jìn)行異向腐蝕，深度為30μm。(圖4b)3.背面進(jìn)行雙面光刻，等離子刻蝕形成泵腔腐蝕窗口，第二次體硅腐蝕至泵腔單晶硅膜厚10μm左右，此時(shí)閥口處只剩下SiO2和Si3N4膜，它們將作為后續(xù)工藝的支撐薄膜。(圖4c)4.在背面低氧淀積，擴(kuò)磷，厚度為1.5μm的SiO2，作為犧牲層材料；雙面淀積2μm厚多晶硅，擴(kuò)磷，濃度為R□＝20Ω/□，退火，去除殘余應(yīng)力，正面光刻，等離子刻蝕形成驅(qū)動(dòng)薄膜的加熱電阻；背面光刻，刻蝕形成單向閥膜片，HF緩沖液中進(jìn)行犧牲層腐蝕，釋放閥膜片。(圖4d)
5.在正面低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)淀積Si3N4，厚1000，光刻及等離子體刻蝕形成絕緣層。(圖4e)6.正面真空蒸發(fā)鋁膜，厚度為5μm，光刻，腐蝕鋁，形成雙金屬層及電極引線。(圖4f)下片的制作工藝與上片相似，所不同的是增加一次光刻用以形成流體溝道，另外，驅(qū)動(dòng)薄膜及單向閥膜片位于同一面。在上下兩硅片制作完成之后，分別在入口和出口處粘接一玻璃管道，最后將兩硅片粘接一起組裝成一個(gè)完整泵體。
說(shuō)明附圖如下圖1為荷蘭Twente大學(xué)熱氣動(dòng)薄膜泵結(jié)構(gòu)圖。
圖2為德國(guó)franuhofer研究所靜電致動(dòng)薄膜泵結(jié)構(gòu)圖。
圖3為日本東北大學(xué)壓電致動(dòng)薄膜泵結(jié)構(gòu)圖。
圖4為本發(fā)明硅微熱致動(dòng)泵結(jié)構(gòu)圖。
圖5本發(fā)明微型泵硅薄膜制作工藝過(guò)程圖。
結(jié)合


實(shí)施例如下本發(fā)明硅微熱致動(dòng)泵(圖4)由兩片硅薄膜片(28，29)組成，在上硅片(28)上用蝕刻法制有泵腔(30)和單向閥(31)，流體溝道(32)，在硅片外層，泵腔(30)的對(duì)應(yīng)部位制有硅，鋁雙金屬層(35)，(具體工藝見前述制作工藝部分)在下硅片(29)上除制有泵腔(30)，單向閥(33)，流體溝道(34)雙金屬層(36)外，還制有流體溝道(37，38)。將上、下兩硅片組裝后粘接在一起即成本發(fā)明硅微熱致動(dòng)泵。工作時(shí)，雙金屬層(35，36)中的發(fā)熱元件(39)通電發(fā)熱，使硅薄膜向上變形，使泵腔(30)變大，因此流體即通過(guò)溝道(32)單向閥(31)溝道(37)進(jìn)入泵腔(30)，當(dāng)停止通電后，雙金屬片(35，36)恢復(fù)原位，泵腔(30)縮小，所以流體即通過(guò)溝道(38，34)，單向閥(33)排出。如此反復(fù)工作。本微型泵的具體尺寸可為泵腔尺寸3mm×3mm×0.7mm 單向閥出口0.1mm×0.1mm
雙金屬層厚度鋁膜5μm 單晶硅膜10μm輸入功率0.45w工作電壓0-50V頻率0-10Hz 電流100mA驅(qū)動(dòng)器電阻450Ω本硅微熱致動(dòng)泵由于采用雙金屬層熱致動(dòng)方式，雙面驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，所以作用力大，驅(qū)動(dòng)電壓低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成，制造方便。
權(quán)利要求
1.一種硅微熱致動(dòng)泵，其特征是用雙金屬層熱致動(dòng)原理工作，由兩片硅薄膜片組成，在硅薄膜片上蝕刻有泵腔，流體溝道和單向閥，并有由單晶硅薄膜，鋁薄膜組成的雙金屬層，在單晶硅薄膜和鋁薄膜之間有加熱元件。
2.一種硅微熱致動(dòng)泵所用硅薄膜的制造工藝，其特征是由下述工序組成，<1.>首先在雙面拋光N型(100)硅片上，雙面熱氧化生長(zhǎng)8000SiO2，低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)1500的Si3N4，這兩層薄膜作為體硅異向腐蝕掩壁膜。<2.>正面進(jìn)行光刻，等離子刻蝕出閥口的腐蝕窗口，使用KOH溶液(40％)進(jìn)行異向腐蝕，深度為30μm。<3.>背面進(jìn)行雙面光刻，等離子刻蝕形成泵腔腐蝕窗口，第二次體硅腐蝕至泵腔單晶硅膜厚10μm左右，此時(shí)閥口處只剩下SiO2和Si3N4膜，它們將作為后續(xù)工藝的支撐薄膜。<4.>在背面低氧淀積，擴(kuò)磷，厚度為1.5μm的SiO2，作為犧牲層材料；雙面淀積2μm厚多晶硅，擴(kuò)磷，濃度為R□＝20Ω/□，退火，去除殘余應(yīng)力，正面光刻，等離子刻蝕形成驅(qū)動(dòng)薄膜的加熱電阻；背面光刻，刻蝕形成單向閥膜片，HF緩沖液中進(jìn)行犧牲層腐蝕釋放閥膜片。<5.>在正面低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)淀積Si3N4，厚1000A，光刻及等離子體蝕刻形成絕緣層。<6.>正面真空蒸發(fā)鋁膜，厚度為5μm，光刻，腐蝕鋁，形成雙金屬層及電極引線。
全文摘要
一種硅微熱致動(dòng)泵，屬液體變?nèi)菔綑C(jī)械領(lǐng)域。本微型泵利用雙金屬熱致動(dòng)原理工作，由兩片硅薄膜片組成在硅薄膜上蝕刻有泵腔，流體溝道和單向閥，并有由單晶硅薄膜，鋁膜組成的雙金屬層，在單晶硅薄膜和鋁膜之間有加熱元件。本微型泵由于采用了雙金屬層熱致動(dòng)方式，及雙面驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，所以作用力大，驅(qū)動(dòng)電壓低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成，制造方便。
文檔編號(hào)H01L21/302GK1132317SQ95117829
公開日1996年10月2日 申請(qǐng)日期1995年12月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月8日
發(fā)明者周兆英, 楊岳, 葉雄英, 李勇 申請(qǐng)人:清華大學(xué)