CN100408852C

CN100408852C - 微电子机械的v型微阀的制作方法

Info

Publication number: CN100408852C
Application number: CNB2005100096221A
Authority: CN
Inventors: 邱成军; 曹茂盛; 张辉军; 曲伟; 孟丽娜
Original assignee: Heilongjiang University
Current assignee: Heilongjiang University
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2025-01-14
Also published as: CN1804396A

Abstract

微电子机械的V型微阀的制作方法。本发明包括：选用双面抛光P型(100)硅片厚度为330μm～550μm，双面氧化400nm，低温等离子体化学气相沉积，双面生长Si₃N₄200nm，双面光刻窗口，采用KOH水溶液腐蚀1-2小时，降温在40℃过腐蚀，直到穿通，去Si₃N₄保护层，最后采用HF溶液去除氧化层，从而得到正单向阀和与所述的正单向阀结构对称反向置放的反单向阀。本产品用于药物微量传送、燃料微量喷射、喷墨打印、微量化学分析领域，特别适用于大功率元件和超大集成电路冷却，在未来微量流体控制系统中，可用于化学气相淀积，分子束外延过程中气体的精确控制；低温学或超导体的冷却；气、液体的微量化学分析。

Description

微电子机械的V型微阀的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种基于微电子机械技术的V型有阀型微阀的结构及其制作方法，该产品属于微流体系统领域中的执行器。

背景技术：

现有的微机械系统(MEMS)作为一个新兴领域近年来得到了飞速发展，微流量系统是微机械系统的一个重要分支，主要用于微型化学分析和药物的微量注射。微型阀是微型流动系统中流向控制的重要执行元件，其性能对微泵的性能指标有直接影响。微型阀可分为有阀型和无阀型结构，微型阀要与微驱动器一起组成微泵。随着微机械加工技术的逐步成熟，迄今已有许多不同结构、不同材料的有阀型微阀制作成功。首例微型阀的报道出现在1986年，随后涌现出大量有关微型阀和微型泵的研究成果。1996年Anders Olsson首次提出利用收缩管/扩张管在硅上制作无阀泵，在“J.Micromech.Microeng”发表了“A valve-less planar pump isotropically etched in silicon”，这种泵没有可动阀体，它是利用流体流过收缩管或扩张管的不同压力损失差来实现流体单向输送。无阀型微阀的特点是结构简单，缺点是背压小、反向止流性能差。有阀微泵主要是基于不同致动原理的往复式薄膜泵。有阀型微阀多采用悬臂梁式结构，由于其单向性截止性好，背压大、响应快、尺寸小、可批量生产而在微型机械中被广泛采用。缺点是结构复杂、工艺难度大，加工精度要求高。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于微电子机械技术的V型有阀型微阀的结构及其改微阀的制作方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

微电子机械的V型微阀的制作方法，所述V型微阀的组成包括正单向阀和与所述的正单向阀结构对称反向置放的反单向阀，所述的正单向阀和反单向阀全部结构均形成在硅基底上，所述的正单向阀包括带有进水缝的进水口，所述反单向阀包括带有出水缝的出水口，所述的出水口两侧具有释放阀片，所述阀片的背面具有V型槽，其中，所述的制作方法的特征在于：选用厚度为330μm～550μm的双面抛光P型(100)硅片，双面氧化400nm，低温等离子体化学气相沉积，双面生长Si₃N₄ 200nm，双面光刻窗口，采用KOH水溶液腐蚀1-2小时，降温在40℃过腐蚀，直到穿通，去Si₃N₄保护层，最后采用HF溶液去除氧化层。

上述的微电子机械的V型微阀的制作方法，所述的进水缝、出水缝、以及阀片均采用硅的微机械加工，经过硅的各向异性刻蚀工艺腐蚀后制备，一次腐蚀后就形成阀片的结构。

上述的微电子机械的V型微阀的制作方法，通过所述的腐蚀形成两个穿通槽，穿通槽的大口端分别作为进水口和出水口，小口端作为进水缝和出水缝。

该发明的工作原理是：

在正单向阀[1]和反单向[2]的进水口[3]、出水缝[6]处接两个管道，管道与外部系统相连接，为进水口[3]提供液体输入，两个阀的背面压力小于正面压力时，反单向阀[2]截止，正单向[1]导通，吸入液体；两个阀的背面压力小于正面压力时，正单向阀[1]截止，反单向阀[2]导通，排出液体。当微阀与驱动元件结合，整体构成微泵，靠驱动元件提供驱动力，导致两个阀的正面和背面存在压力差，通过正反两个阀门的连续作用导致液体的单向流动，就实现了液体泵送的目的。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明设计制作的V型有阀型微阀与其他有阀型微阀相比，制作工艺简单更适于微型泵的微流量系统应用。微阀部分无须键合技术，防止了有缝隙造成的泄漏。在微阀与驱动元件结合形成的微型泵中，减少了键合次数，克服了加工、装配工艺复杂的缺点，降低了加工精度要求。一次各向异性腐蚀工艺即可制作出V型有阀型微阀，同时在阀片厚度控制上减少了重掺杂自停止所带来的附加的光刻、扩散工艺，消除了残余应力对阀片开关性能的影响。

2.本产品的发明使微型泵的多层结构简化，从原来的三、四层结构减少到两层。减少了硅基底材料的使用，进一步降低成本，同时降低了加工制作中的对准工艺难度，增加了成品率。

3.本发明采用半导体微机械加工工艺具有结构和工艺简单、体积小、成本低，具有流量可控性强，可批量生产，功耗低等优点，适于控制介质粒径小于阀中缝尺寸的液体微流量系统，此微阀与微泵结合，可广泛用于药物微量传送、燃料微量喷射、喷墨打印以及微量化学分析等领域，特别适用于大功率元件和超大集成电路的冷却方面。在未来微量流体控制系统发展中，有望用于化学气相淀积，分子束外延过程中气体的精确控制；低温学或超导体的冷却；气、液体的微量化学分析。集成电路冷却。

4.采用MEMS工艺手段研制的V型结构的被动阀完全采用硅材料，在硅基底上利用二氧化硅和氮化硅做掩蔽层，双面光刻后，仅需一次腐蚀即可成功的制作出该微型被动阀。本发明具有结构及制备工艺简单，低成本、体积小、流量可控性强的特点，此外，合理利用各向异性腐蚀的特点可灵活控制阀片厚度，克服了传统有阀型被动阀加工制作复杂，精度要求高的缺点，另外，采用的微机械加工技术与半导体平面工艺技术相兼容，容易集成，适应于大批量生产。

5.本发明的关键是利用(100)晶向硅各向异性腐蚀夹角为54°44′20″的特性，通过调整尺寸，使(100)晶面蚀刻在侧面的连接处停止，形成V型凹槽[11]/[12]和[13]/[14]的同时，还可制造出两个穿通槽。两个穿通槽的大口端分别作为进水口[3]和出水口[4]，小口端作为进水缝[5]和出水缝[6]。

6.该微型阀的流量范围可根据不同用户的需求，通过改变进水缝[5]和出水缝[6]的结构尺寸设计，控制系统的流量，同时对阀片[7]/[8]、[9]/[10]的尺寸加以调整，还可增强微阀的单向性能。

附图说明：

图1具有V型微阀的侧剖面结构示意图

图2为V型微阀结构的俯视图

图3为本产品的工作原理图(黑箭头所示为进水方向)。

图4为本产品的工作原理图(黑箭头所示为进水方向)。

本发明的具体实施方式：

实施例1：

微电子机械的V型微阀，其组成包括：正单向阀[1]和与所述的正单向阀结构对称反向置放的反单向阀[2]，所述的正单向阀和反单向阀全部结构均形成在硅基底上，其中正单向阀[1]包括进水口[3]、进水缝[5]、阀片[7]/[8]以及两个V型槽[11]/[12]；反单向阀[2]包括出水口[4]、出水缝[6]、阀片[9]/[10]以及两个V型槽[13]/[14](见附图1)。

上述的微电子机械的V型微阀，所述的两侧的释放阀片之间的角度以及V形槽的角度为晶向硅各向异性腐蚀夹角，最佳角度为54°44′20″，所述的阀片的厚度为两V型槽之间的间距减去所述的进水缝的宽度或者所述的出水缝宽度后，所得数值的一半。

上述的微电子机械的V型微阀，所述的阀片为，矩形阀片短边的最佳长度为1/2COS54°44`20``。

下面结合附图再进行一些细节的描述：

本发明的整体材料完全采用硅材料，主体结构包括：正单向阀即正向导通反向截止阀[1]和反单向阀即反向导通正向截止阀[2]。正单向阀[1]和反单向阀[2]是结构对称反向置放的两个阀门。

进水口[3]处用来接外部进水管道，出水缝[6]处用来接外部泵水管道。在V型槽[11]和[12]之间的区域制作进水口[3]和进水缝[5]，释放阀片[7]和[8]；同时在V型槽[13]和[14]之间的区域制作出水口[4]和出水缝[6]，释放阀片[9]和[10]。若微阀的正面和背面存在压力差，阀片就会形变，使阀导通或者截止。

无压力作用时，进水缝[5]及出水缝[6]呈常开状态。当进水口[3]处压力大于进水缝[5]处压力时，压力作用到阀片[7]/[8]上后，由于应力的影响，进水缝[5]中心的形变要超过进水缝[5]边缘的形变，使正单向阀[1]导通；由于两个正单向阀[1]、反单向阀[2]阀是反向放置，此时，出水口[4]处压力小于出水缝[6]处，反单向阀[2]截止(见附图3)。如果改变压力作用方向，情形会相反，正单向阀[1]截止，反单向阀[2]导通(见附图4)。

实施例2：

实施例1所述的微电子机械的V型微阀的制作方法，选用双面抛光P型(100)硅片厚度为330μm～550μm，双面氧化400nm，低温等离子体化学气相沉积，双面生长Si₃N₄200nm，双面光刻窗口，采用KOH水溶液腐蚀1-2小时，降温在40℃过腐蚀，直到穿通，腐蚀时间取决于刻通硅基底材料厚度所需的时间，腐蚀高度为硅片的厚度，穿通后去Si₃N₄保护层，最后采用HF溶液去除氧化层。

下面结合附图再进行一些细节的描述：

实现本发明的硅片，厚度可以为330μm～550μm，其中V型槽[11]/[12]、[13]/[14]的图形不严格限定，可采用矩形或者正方形，其图形短边的

(α＝54°44′20″)就是阀片的长度。进水口[3]、出水口[4]的长度为1200μm～1800μm，宽度500μm～800μm，进水缝[5]、出水缝[6]宽5～30μm，单个阀片[7]/[8]、[9]/[10]厚度尺寸为2～10μm。

Claims

1. 一种微电子机械的V型微阀的制作方法，所述V型微阀的组成包括正单向阀和与所述的正单向阀结构对称反向置放的反单向阀，所述的正单向阀和反单向阀全部结构均形成在硅基底上，所述的正单向阀包括带有进水缝的进水口，所述反单向阀包括带有出水缝的出水口，所述的出水口两侧具有释放阀片，所述阀片的背面具有V型槽，其中，所述的制作方法的特征在于：选用厚度为330μm～550μm的双面抛光P型(100)硅片，双面氧化400nm，低温等离子体化学气相沉积，双面生长Si₃N₄200nm，双面光刻窗口，采用KOH水溶液腐蚀1-2小时，降温在40℃过腐蚀，直到穿通，去Si₃N₄保护层，最后采用HF溶液去除氧化层。

2. 根据权利要求1所述的微电子机械的V型微阀的制作方法，其特征是：所述的进水缝、出水缝、以及阀片均采用硅的微机械加工，经过硅的各向异性刻蚀工艺腐蚀后制备，一次腐蚀后就形成阀片的结构。