CN104653854B - 温差致动式微阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温差致动式微阀，属于微电子机械领域，解决了致动器产生的致动力和位移不够大的问题，解决该问题的技术方案包括第一硅片、第二硅片和第三硅片，第二硅片包括固定部和可动部，第二硅片中设有温差致动结构和连接梁，连接梁分别与温差致动结构、可动部及固定部连接，温差致动结构包括第一臂、第二臂、第一电极和第二电极，第一臂靠近连接梁的端部、第二臂靠近连接梁的端部与连接梁三者连接在一起，第一臂的另一端与第一电极连接，第二臂的另一端与第二电极连接，第一臂的宽度比第二臂小，第一臂延伸的路径长度大于第二臂延伸的路径长度，第二臂与第二电极连接的那一端的宽度小于第二臂其它部分的宽度，本发明主要用于流体控制。

Description

温差致动式微阀

技术领域

本发明涉及基于微电子机械系统的硅阀，特别是一种温差致动式微阀。

背景技术

MEMS技术是近年来高速发展的一项高新技术，采用集成电路制造技术和微加工技术，把微结构、微传感器、微执行器、控制处理电路甚至接口、通信和电源等制作在一块或多块芯片上，具有收集信息、处理信息与执行指令的功能，在体积、重量、价格和功能上与传统机械结构相比具有十分明显的优势。通过 MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、微流体器件等在航空航天、汽车电子、消费电子、军事国防、工业控制、环境监控等领域中都有着十分广阔的应用前景，还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。

硅膨胀阀是微流体控制中的关键器件，在生物医疗、工业制冷等领域有着重要的应用。基于MEMS技术的硅膨胀阀，具有控制精确、灵敏度高、成本低、可批量化生产、稳定性可靠性好等优点。美国专利US7011378和US6523560公开了一种基于热驱动机制的硅膨胀阀，通过V型梁结构的电热膨胀作用驱动硅膨胀阀门阀口的开关部件，其致动器依靠V型梁结构，无法同时保证在流体通口处实现大的输出位移和输出推力，在有限的微阀尺寸下，难以很好地实现微阀对流体通路的控制作用。

发明内容

本发明所要达到的目的就是提供一种能够提供足够大的推力和位移的温差致动式微阀。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：温差致动式微阀,包括由第一硅片、第二硅片和第三硅片组成的阀体，第二硅片位于第一硅片和第三硅片之间，第一硅片和/或第三硅片设有阀口，所述第二硅片包括固定部和可动部，所述可动部具有用于连通阀口的连通腔，所述第二硅片中设有温差致动结构和连接梁，所述连接梁分别与温差致动结构、可动部及固定部连接，所述温差致动结构包括第一臂、第二臂、第一电极和第二电极，所述第一臂与第二臂并排设置且相互之间具有间隙，第一臂的两端和第二臂的两端分别相对应，第一臂靠近连接梁的端部、第二臂靠近连接梁的端部与连接梁三者连接在一起，第一臂远离连接梁的端部与第一电极连接，第二臂远离连接梁的端部与第二电极连接，第一电极和第二电极相互绝缘且均相对阀体固定并与阀体绝缘，所述第一臂的宽度比第二臂的宽度小，第一臂延伸的路径长度大于第二臂延伸的路径长度，所述第二臂与第二电极连接的那一端的宽度小于第二臂其它部分的宽度。

进一步的，所述连接梁包括位移放大部、连接部和位移传递部，所述位移放大部的一端与可动部连接、另一端与连接部的一端连接，所述连接部的另一端与固定部连接，所述位移传递部的一端与位移放大部的中部连接、另一端与温差致动结构连接。

进一步的，所述位移放大部连接位移传递部的位置到位移放大部与可动部连接的这一端部的距离为S1，位移放大部连接位移传递部的位置到位移放大部与连接部连接的这一端部的距离为S2，S1>S2。

进一步的，所述位移传递部沿直线L1延伸，所述温差致动结构设有2N个， N为正整数，温差致动结构两两成对关于L1对称设置并且沿L1并排设置。

进一步的，所述位移传递部具有分叉与温差致动结构连接，同一个温差致动结构的第一臂和第二臂与同一个分叉连接。

进一步的，所述分叉沿直线延伸，分叉所在的直线相对L1倾斜。

进一步的，所述第一臂延伸的路径为方波状或蛇形管状或锯齿波状或正弦曲线或余弦曲线。

进一步的，所述第二臂沿直线延伸。

进一步的，所述第一硅片和/或第三硅片设有与第一电极电连接的第一引出电极以及与第二电极电连接的第二引出电极，第一引出电极和第二引出电极均与阀体绝缘。

进一步的，所述第二硅片设有通槽，通槽贯穿第二硅片与第一硅片连接的表面和第二硅片与第三硅片连接的表面，所述温差致动结构、连接梁和可动部设于通槽中。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：第一臂为延伸路径较长的细硅臂，第二臂为延伸路径较短的粗硅臂，即第一臂的横截面积要比第二臂的横截面积小，所以第一臂的电阻远大于第二臂的电阻，当第一电极和第二电极接通外部电源时，第一臂与第二臂形成串联关系，在第一臂和第二臂中流过相同的电流，第一臂产生的焦耳热会远大于第二臂产生的焦耳热，这样就使得第一臂的温度上升得较第二臂更快，就会实现温差，并且第一臂的膨胀速度和膨胀量都会大于第二臂的膨胀速度和膨胀量，由于第一臂的两端和第二臂的两端分别相对齐，同时第一电极和第二电极均相对阀体固定，就会使得第一臂和第二臂与连接梁连接的端部产生足够大的作用力和位移，这个位移就会由连接梁传递到可动部，使可动部产生位移，连通腔就能够与阀口连通或者断开，就能实现对流体流量的控制。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例一的分解图；

图2为实施例一中第二硅片的示意图；

图3为实施例一中温差致动结构的示意图；

图4为温差致动结构的第二种结构的示意图；

图5为温差致动结构的第三种结构的示意图；

图6为温差致动结构的第四种结构的示意图；

图7为实施例一中第三硅片的示意图；

图8为实施例一中第一硅片的示意图；

图9为本发明实施例二的第二硅片的示意图；

图10为本发明实施例三的第二硅片的示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示为本发明的温差致动式微阀,包括由第一硅片1、第二硅片2和第三硅片3组成的阀体8，第二硅片2位于第一硅片1和第三硅片3之间，第一硅片1设有阀口81，阀口81也可以设置在第三硅片3上，第二硅片2包括固定部21和可动部22，可动部22具有用于连通阀口81的连通腔221，可动部22 为用于控制连通腔221与阀口81连通与否的移动部件，第二硅片2中设有温差致动结构23和连接梁24。第二硅片2设有通槽25，通槽25贯穿第二硅片2与第一硅片1连接的表面和第二硅片2与第三硅片3连接的表面，温差致动结构 23、连接梁24和可动部22设于通槽25中，能够保证温差致动结构23、连接梁 24和可动部22具有足够的平移空间，而第一硅片1、第二硅片2和第三硅片3 键合之后形成密闭的阀腔，温差致动结构23、连接梁24和可动部22就在阀腔中移动，为了强化电隔离和机械隔离，使阀腔中各个部件的动作不受第一硅片1 和第三硅片3的影响，在第一硅片1面向第二硅片2的表面设置上凹槽10以及在第三硅片3面向第二硅片2的表面设置下凹槽30，上凹槽10和下凹槽30分别与第二硅片2上的通槽25对应，形状大小相同，第一硅片1、第二硅片2和第三硅片3键合之后，阀腔就更厚了，这样温差致动结构23、连接梁24和可动部22在阀腔中移动更不会与第一硅片1以及第三硅片3接触，上凹槽10和下凹槽30的厚度一般为10微米左右。第一硅片1和第三硅片3由掺杂N型单晶硅构成，第二硅片2由高掺杂P型的单晶半导体构成，以形成电隔离。第一硅片1、第二硅片2和第三硅片3的厚度为硅片原始厚度，可达数百微米，且微阀的主要构件的横向尺寸达上百微米，厚尺寸结构使微阀各部件能承载高流体压强。温差致动结构23、连接梁24和可动部22具有与第二硅片2相同的厚度，能实现同一平面内的大位移刚性运动。

接下来对第二硅片2的具体结构进行详细说明。参照图2和图3，以第二硅片2竖直放置，温差致动结构23沿竖直方向设置为例来说明。温差致动结构23 包括第一臂231、第二臂232、第一电极233和第二电极234，第一臂231与第二臂232并排设置且相互之间具有间隙235，第一臂231的上端和第二臂232的上端在同一水平高度h1，第一臂231的下端和第二臂232的下端在另一相同的水平高度h2。连接梁24包括位移放大部241、连接部242和位移传递部243。位移放大部241的一端与可动部22连接、另一端与连接部242的一端连接，连接部242的另一端与固定部21连接，位移传递部243的一端与位移放大部241 的中部连接、另一端与温差致动结构23连接，这样位移传递部243的位移方向与可动部22的位移方向相同。位移放大部241连接位移传递部243的位置到位移放大部241与可动部22连接的这一端部的距离为S1，位移放大部241连接位移传递部243的位置到位移放大部241与连接部242连接的这一端部的距离为 S2，S1>S2。位移传递部243沿直线L1延伸，L1在图3中表现为水平线，即位移传递部243水平设置。温差致动结构23设有6个，温差致动结构23两两成对关于L1对称设置并且沿L1并排设置，在本实施例中即3个温差致动结构23 在L1下方，3个温差致动结构23在L1上方，上下对称设置。

第一臂231靠近连接梁24的端部、第二臂232靠近连接梁24的端部与连接梁24三者连接在一起，第一臂231远离连接梁24的端部（位于L1下方的温差致动结构23中第一臂231的下端远离连接梁24，位于L1上方的温差致动结构23中第一臂231的上端远离连接梁24）与第一电极233连接，第二臂232远离连接梁24的端部（位于L1下方的温差致动结构23中第二臂232的下端远离连接梁24，位于L1上方的温差致动结构23中第二臂232的上端远离连接梁24）与第二电极234连接。

以图3中位于L1下方的温差致动结构23为例，具体是第一臂231的上端与第二臂232的上端连接为一体，然后又与位移传递部243连接为一体，为了设置多个温差致动结构23与位移传递部243连接，位移传递部243具有分叉244，在同一个温差致动结构23中，第一臂231的上端与第二臂232的上端连接为一体后与分叉244连接为一体，第一臂231的下端与第一电极233连接，第二臂 232的下端与第二电极234连接。第一电极233和第二电极234相互绝缘且均相对阀体8固定并与阀体8绝缘，具体是第一电极233和第二电极234的四周分别形成穿透整个第二硅片2的嵌槽，嵌槽中可填充绝缘物质236，如绝缘胶、二氧化硅等，使得第一电极233、第二电极234以及第二硅片2之间形成电隔离。第一臂231的宽度W1比第二臂232的宽度W2小，即W1<W2，第一臂231延伸的路径长度大于第二臂232延伸的路径长度，第二臂232与第二电极234连接的那一端的宽度W2’小于第二臂232其它部分的宽度，即W2’<W2，例如W2’： W2=1:6，并且宽度为W2’的部分与宽度为W2的部分的长度比为1：5为佳。分叉244沿直线延伸，考虑整体结构的紧凑性及位移传递的有效性，分叉244所在的直线L2相对L1倾斜，并且L2与L1的锐角夹角α（位于L1下侧）和第一臂231都是位于分叉244的左侧，L2与L1的钝角夹角β（位于L1下侧）和第二臂232都是位于分叉244的右侧。本实施例中，第一臂231延伸的路径为方波状，第二臂232沿直线延伸，这样第一臂231延伸的路径长度比第二臂232延伸的路径长度大一倍以上。除此之外，第一臂231也可以如图4所示沿蛇形管状延伸，或者第一臂231如图5所示沿锯齿波延伸，或者第一臂231如图6 所示沿正弦曲线延伸，当然沿余弦曲线延伸也是可行的。

如图7所示，第三硅片3设有与第一电极233电连接的第一引出电极E1以及与第二电极234电连接的第二引出电极E2，第三硅片3与第二硅片2固定连接好，第一引出电极E1就紧贴第一电极233，第二引出电极E2则紧贴第二电极 234，第一引出电极E1和第二引出电极E2均与阀体8绝缘，外接电源能够连接第一引出电极E1和第二引出电极E2给温差致动结构23供电。对应本实施例中温差致动结构23的布置位置，第一引出电极E1和第二引出电极E2分别设置6 个，也是成对上下布置。第一引出电极E1和第二引出电极E2也可以设置到第一硅片1上，或者，第一引出电极E1设置到第一硅片1上，第二引出电极E2 设置到第三硅片3上，或者，第一引出电极E1设置到第三硅片3上，第二引出电极E2设置到第一硅片1上。

如图8所示，本实施例中阀口81设置了两个，分别是流体入口811和流体出口812，流体入口811和流体出口812对应可动部22设置，另外还设置了控制端口82，控制端口82由于需要保持常通，因此对应位移放大部241设置，连通腔221也相应延伸到位移放大部241与控制端口82连通。以控制外部装置的常闭阀为例，具有两种工作模式，当第一电极233和第二电极234上不加电压时，温差致动结构23不产生致动作用，微阀此时处于闭合状态，即流体入口811 因与连通腔221错开而关闭，而流体出口812、控制端口82与连通腔221连通，连通腔221中无流体；而当第一电极233和第二电极234加上电压时，温差致动结构23产生致动作用，可动部22产生平移，从而使得微阀的流体入口811 与连通腔221连通，流体出口812因与连通腔221错开而关闭，流体经流体入口811经过连通腔221，再由控制端口82流出，对外部装置产生控制作用。若是仅是用于控制管路中的流体流量或通断，则设置两个阀口81用于流体的进出，不需要控制端口82，仅通过可动部22的平移来改变两个阀口81与连通阀的错位情况就能实现管路的连通或断开或流量的大小。

下面结合实施例一来说明本发明的工作原理。

当第一电极233和第二电极234加上电压时，电极233、电极234以及第一臂与第二臂形成串联连接的电路，由于第一臂231的宽度W1比第二臂232的宽度W2小，即W1<W2，第一臂231延伸的路径长度大于第二臂232延伸的路径长度，所以第一臂231的电阻远大于第二臂232的电阻，而第一臂231和第二臂 232的材料相同，在相同的电流作用下，第二臂232消耗功率小而升温慢，第一臂231消耗功率大而升温快，从而出现温差，导致第一臂231和第二臂232受热膨胀不一致，第一臂231的膨胀速度和膨胀量都会大于第二臂232的膨胀速度和膨胀量，同时由于第二臂232与第二电极234连接的那一端的宽度W2’小于第二臂232其它部分的宽度，即W2’<W2，因此第二臂232与第二电极234 连接的那一端的刚度较小，容易产生形变。而第一臂231连接第一电极233的端部和第二臂232连接第二电极234的端部固定，热膨胀产生第一臂231和第二臂232的长度差会驱动第一臂231和第二臂232相连接的端部沿着垂直于两臂的方向运动，在该方向上产生一定量的推力和位移，推力和位移的方向是从第一臂231这一侧指向第二臂232那一侧，从图2中来看的话，推力和位移的方向就是由左向右。而这个推力和位移传递到位移传递部243，再通过位移放大部241放大传递到可动部22，位移放大部241的放大作用原理和杠杆原理相同，连接部242与位移放大部241的一端连接，使得位移放大部241的这一端成为支点，假设位移传递部243的位移为d，可动部22的位移为D，那么从理论上讲d/D=S2/S1，S1>S2，所以D>d。分叉244的作用不仅是连接温差致动结构23，而且在设置多个温差致动结构23之后，能够使得整体结构更加紧凑，而多个温差致动结构23产生的推力和位移能够有效叠加起来共同传递给位移传递部243，最终使可动部22得到足够大的位移和作用力。

实施例二：

如图9所示，本实施例与实施例一类似，区别就在于，位移传递部243与位移放大部241的端部连接，而连接部242则与位移放大部241的中部连接，同样能够实现位移放大效果，只是位移传递部243的位移方向与可动部22的位移方向相反。

实施例三：

如图10所示，本实施例与实施例一类似，区别就在于，位移传递部243连接在位移放大部241的一侧，而连接部242则连接在位移放大部241的另一侧，同样能够实现位移放大效果，而且本实施例相对实施例一作出的改变，也能应用到实施例二中。但是本实施例相对实施例一和二而言，占用的空间较大。

除上述优选实施例外，本发明还有其它的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明权利要求书中所定义的范围。

Claims (10)

1.温差致动式微阀,包括由第一硅片（1）、第二硅片（2）和第三硅片（3）组成的阀体（8），第二硅片位于第一硅片和第三硅片之间，第一硅片和/或第三硅片设有阀口（81），所述第二硅片包括固定部（21）和可动部（22），所述可动部具有用于连通阀口的连通腔（221），所述第二硅片中设有温差致动结构（23）和连接梁（24），所述连接梁分别与温差致动结构、可动部及固定部连接，其特征在于：所述温差致动结构包括第一臂（231）、第二臂（232）、第一电极（233）和第二电极（234），所述第一臂与第二臂并排设置且相互之间具有间隙（235），第一臂的两端和第二臂的两端分别相对应，第一臂靠近连接梁的端部、第二臂靠近连接梁的端部与连接梁三者连接在一起，第一臂远离连接梁的端部与第一电极连接，第二臂远离连接梁的端部与第二电极连接，第一电极和第二电极相互绝缘且均相对阀体固定并与阀体绝缘，所述第一臂的宽度比第二臂的宽度小，第一臂延伸的路径长度大于第二臂延伸的路径长度，所述第二臂与第二电极连接的那一端的宽度小于第二臂其它部分的宽度。

2.根据权利要求1所述的温差致动式微阀，其特征在于：所述连接梁包括位移放大部（241）、连接部（242）和位移传递部（243），所述位移放大部的一端与可动部连接、另一端与连接部的一端连接，所述连接部的另一端与固定部连接，所述位移传递部的一端与位移放大部的中部连接、另一端与温差致动结构连接。

3.根据权利要求2所述的温差致动式微阀，其特征在于：所述位移放大部连接位移传递部的位置到位移放大部与连接部连接的这一端部的距离为S1，位移放大部连接位移传递部的位置到位移放大部与连接部连接的这一端部的距离为S2，S1>S2。

4.根据权利要求2或3所述的温差致动式微阀，其特征在于：所述位移传递部沿直线L1延伸，所述温差致动结构设有2N个，N为正整数，温差致动结构两两成对关于L1对称设置并且沿L1并排设置。

5.根据权利要求4所述的温差致动式微阀，其特征在于：所述位移传递部具有分叉（244）与温差致动结构连接，同一个温差致动结构的第一臂和第二臂与同一个分叉连接。

6.根据权利要求5所述的温差致动式微阀，其特征在于：所述分叉沿直线延伸，分叉所在的直线相对L1倾斜。

7.根据权利要求1所述的温差致动式微阀，其特征在于：所述第一臂延伸的路径为方波状或蛇形管状或锯齿波状或正弦曲线或余弦曲线。

8.根据权利要求1或7所述的温差致动式微阀，其特征在于：所述第二臂沿直线延伸。

9.根据权利要求1所述的温差致动式微阀，其特征在于：所述第一硅片和/或第三硅片设有与第一电极电连接的第一引出电极（E1）以及与第二电极电连接的第二引出电极（E2），第一引出电极和第二引出电极均与阀体绝缘。

10.根据权利要求1所述的温差致动式微阀，其特征在于：所述第二硅片设有通槽（25），通槽贯穿第二硅片与第一硅片连接的表面和第二硅片与第三硅片连接的表面，所述温差致动结构、连接梁和可动部设于通槽中。