CN100449149C - 微加工涡卷式压缩机和相关技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个微机械加工的器件，微涡卷压缩机装配件含动涡卷和定涡卷，完整的内置微马达驱动动涡卷，由静电力侧面驱动。微器件的加工方法。该微装置可以用作为微步进马达，也可用作为生物传感器。

Description

微加工涡卷式压缩机和相关技术

技术领域

本发明涉及微电子机械系统和微加工技术，具体涉及微涡卷压缩机，其相关技术涉及步进式静电侧面驱动，顶端方向和径向柔量配合静电防泄漏法和生物传感器。

背景技术

涡卷压缩机的概念由Creux在1905年提出。由于需要几近完美的共轭螺旋线设计、加工，误差必须被控制在数个微米，因此，直到20世纪70年代计算机控制的精密加工应用之前，在很长一段时间无法付诸实施。除了上述制造难度外，设计方面的问题，比如磨损和泄漏的预防也是一个原因。根据涡卷压缩机的概念，两个复杂的涡卷叶片必须保持时刻接触，从而会导致磨损。

例如：如图1所示：定涡卷1从起点到终点旋线的角度是1080度，并与动涡卷漩线4有三个相切点，由此形成了3段曲线，形成了3个新月形压力区。当动涡卷移动时，媒介从低压区不断连续地被挤压到高压区，新月形连续地变小，最终从中间排出。与此同时，流动媒体试图从高压泄流回到低压区，见图2之6和图3之14，即顶部泄漏和侧面泄漏。在两个泄漏机理中，顶端泄漏对压缩机的全部效率有更大的影响。在宏观涡卷压缩机的设计上，加入了润滑剂以防止泄漏和磨损。

即使遇到上述困难，人们还是被涡卷压缩机的固有优点所吸引，现在该技术已经获得了大范围的成功和广泛认可。其主要优点中：首先是移动部件数目较少因而更可靠。第二是机械效率更高，特别是在部分负载的情况下。第三：较低的运行噪音，由于是不断连续地压缩，所以压力的跳动小；第四：压缩机不再需要入口和出口阀门，两相接触的叶片起到了阀门作用。

微电子机械系统(MEMS)是单晶硅IC制造技术的一个派生技术，较容易满足涡卷压缩机在复杂曲线条件下关于精度的误差要求。过去，制造一个高且直的墙、或深且直的洞有困难，特别是洞口很小的时候。一个微机械加工技术LIGA，是一个好的候选技术来制造高纵深比洞，具有直而平滑的侧边轮廓。但是LIGA是一个昂贵的加工方法，需要好的X光同步加速器。在过去的十几年间，深度反应离子刻蚀技术取得了长足的进步，可以满足以上要求，且成本较低。

设想中的MEMS压缩机整体尺寸是很小的，在几十到几百微米左右。在各压力区之间进行适当的密封和驱动压缩机是中心议题，这也是本发明设计所要解决的。人们不希望解决了一个压缩机的问题而同时又产生另外一个同样棘手的问题：即设计微型马达并把它和压缩机装配起来。在本发明中，驱动马达和压缩机是内置一体的。

近年来，MEMS在生物医学领域的应用引起很大的关注。大多数的MEMS材料是生物匹配的，但是润滑剂就不确定了。生物流体非常容易在微压缩机的狭窄通道里引起阻塞。自适应的间隙控制和密闭又不使用润滑剂对生物应用是必需的。该发明解决了这一生物应用的要求。各种MEMS泵和压缩机的设想都已被提出过，却未能涉及到涡卷式微压缩机。

参考文献(1)E·Morishita，M·Sugihara and T·Nakamura，“Scroll CompressorDynamics，”Bulletin of JSME，Vol.·29，No·248，1986

(2)Duli Yu，T.Ameel，R.Warrington，“Thermal and Statics Finite Element Analysisof Fixed Scroll Deformation，”13th International Compressor EngineeringConference at Purdue，C-13，July 23-26，1996

发明内容

本发明的目的，在于提供一种微加工涡卷式压缩机和相关加工技术，包括一个微机械加工的器件，微涡卷压缩机装配件含动涡卷和定涡卷，完整的内置微马达驱动动涡卷，由静电力侧面驱动，以及微器件的加工方法。

本发明的技术方案如下。

一个微加工装置，包含一个定涡卷部件，该定涡卷部件包括底板、电传导线、底板边缘的圆形外壳和涡卷壁，包括定涡卷壁中的电极；动涡卷包括底板和涡卷壁，构成一个完整的微结构——微涡卷装置，其压缩机和微马达为一体，提供双功能：同时进行驱动和压缩。

所述的微涡卷装置，通过使用差分电压产生侧吸引力以驱动动涡卷的方法，包括：

a)在瞬时接触点施加静电力以防止泄露和运动组件的滑脱；

b)在与瞬时接触点相邻的节点上施加更高的电压并在涡卷的运动方向上提供一个扭矩；

c)连续交替使用a)和b)的力量，并将气体或液体驱向出口的方法；

上述方法中，反向驱动可以把压缩机变成真空机。

一个制造涡卷和金属电极和将金属电极连接到控制电路上的一个方法。

一种通过在外壳和动涡卷板之间应用静电力以防止液体从外壳泄漏的密封方法。

处理由磨损件导致磨损的方法，通过在静涡卷和动涡卷盖板中的电极之间施加电压，所提到的盖板和顶端被互相吸引从而防止泄露；顶端和底板可能的磨损仍然会使该装置以同样的机理有效，并且不会减弱它的功能，称为顶端进动磨合机理；同样，在静涡卷底板和动涡卷顶端之间施加电压以防止另外一端的泄漏。

侧向进动磨合机理：在电极和动涡卷壁的接触点上施加电压，动涡卷壁被吸引向静涡卷壁，可以防止两个压力袋之间的侧壁的泄漏；进一步的磨损仍然将会使该机理有效。

将微涡卷压缩机和其他微通道：如硅片上的微通道键合在一起，特别是微涡卷压缩机的出口和微通道的多通道入口交合一体的方法。

该微涡卷结构可以变成一个纯粹的微步进式马达，每一步的尺寸由电极间格尺寸决定；在马达功能中，其中一个涡卷叶片的高度短于其它叶片，不形成压力口袋；因此，通过侧静电驱动法，动涡卷本质上变成了一个旋转体，通过将动涡卷底板硅片和其他硅片连接在一起，可以将许多的微结构附着在动涡卷上，发挥曲轴的作用；在马达功能中，微涡卷结构可以被真空封装；在马达功能中，微涡卷结构可以被润滑气体或液体填充。

一种微涡卷叶片的制造方法，包括：SOI晶片作为起始材料；各向异性的蚀刻晶片形成曲线和涡卷叶片；蚀刻在硅的二氧化硅层停止。

微涡卷叶片制造电极的方法，

方法一：

a)SOI晶片作为出发材料，和

b)各向异性的从反面刻蚀，并停留在二氧化硅层

c)各向异性的刻蚀二氧化硅层

d)各向异性硅蚀刻到指定深度形成深洞

e)洞里绝缘层等厚度沉积，二氧化硅为首选

f)洞内金属电镀工艺，首选金；

方法二：

a)SOI晶片作为出发材料，和

b)layer；各向异性的从反面(后方)刻蚀，并停留在二氧化硅层

c)各向异性的从正面蚀刻，并停留在二氧化硅层

d)各向异性的刻蚀二氧化硅层打通深洞

e)洞内壁面绝缘层等厚度沉积，二氧化硅首选

f)洞内金属电镀，首选金

g)平面氮化硅物沉淀在正面。

一个开缝电极设计是：

a)电极的内侧面是暴露于流动工质的。

b)这些电极被特意交替放置于常规的电极之间

c)低电压被引至开缝电极，以测量工质电化学性质的变化，如生物流体。

附图说明

图1为平面开放状态涡卷图。

图2为三维涡卷图。

图3为关闭状态涡卷图。

图4(1)为步骤1，是以SOI晶片作为出发材料，各向异性的从反面(后方)刻蚀，并停留在二氧化硅层，各向异性的刻蚀二氧化硅层继续各向异性硅蚀刻到指定深度形成深洞；

图4(2)为步骤2，系去掉于正面顶部的二氧化硅，洞里绝缘层等厚度沉积，二氧化硅为首选；图4(3)为步骤3；步骤3为洞内金属电镀工艺，首选金，表面涂层于正面顶部。

图5为定涡卷卷壁的电极工艺设计1示意图。

图6(1)为步骤1，各向异性的从反面刻蚀，并停留在二氧化硅层；各向异性的从正面蚀刻，并停留在二氧化硅层；各向异性的刻蚀二氧化硅层打通深洞；图6(2)为步骤2，洞内壁面绝缘层等厚度沉积，二氧化硅首选；图6(3)为步骤3，洞内金属电镀；图6(4)为步骤4；平面氮化硅物沉淀在正面。

图7为SOI硅片微加工动涡卷叶片，DRIE刻蚀停留在二氧化硅层。

图8为顶端轴向柔量配合防泄漏的示意图。

图9为径向柔量配合防泄漏的示意图。

图9a为基于电极工艺设计1的开缝电极设计。

图9b为基于电极工艺设计2的开缝电极设计。

图中箭头的标号示意：

1.定涡卷，2.定涡卷盖板，3.出口，4.动涡卷，5.动涡卷侧壁，6.叶片顶端和顶端泄漏，7.在定涡卷叶片里的电极，8.电压V1，9.电压V2，10.电压V3，11.压力区I，12.压力区II，13.压力区III，14.侧泄漏，15.硅，16.绝缘层，17.金属导体，18.表面涂层氮化硅，19.叶片，20.基板，21.二氧化硅层，22.轴向泄漏，23.吸引力，24.径向泄漏，25.吸引力。

具体实施方式

在常规的大尺寸压缩机应用中，涡卷和马达是两个分离的部件，驱动扭矩的递送是通过曲轴或其他连接机构来实现的。为了防止动涡卷的自转又加上了欧丹环。用于计算力、扭矩和功率等的通用公式，已经在参考文献1中列出。而更详细的计算方法如采用有限元方法已在文献2中介绍。这些公式和方法可以提供优化的设计参数。由于本发明独特的驱动方法不需要加入欧丹环(必要时，可以非常容易地加入欧丹环)。去掉欧丹环可以减少摩擦。

在图3中，静电力将动涡卷吸向定涡卷，形成初始接触点V1，在V1点上施加一个较低的电压V1。在V1点的附近，间隙仍然很小，如施加一个高电压V2、V3、甚至V4，可以形成一个很强的吸引力，因此，接触点依次滚动到V2、V3、V4直至出口。整个驱动原理类似无滑动摩擦驱动，当接触点变成V2时，电压下降。以这种方式有序前进，工质被连续压缩至出口。同样的驱动方法也适用于多卷数的压缩机同时形成的多个接触点上。请注意：高电压V2和V3也可以施加在逆方向上。如果这样，压缩机就会不断地增加工质的体积，使微结构变成了真空泵。假如出现阻塞，施加更低的电压V1可以越过阻塞点。

MEMS涡卷压缩机其基板的直径尺寸一般在100-1000微米，它的涡卷数目一般在2-3圈。在微加工中，卷数并不受到很大限制。叶片高度一般在100-1000微米，递送流体的尺寸可小至1-100皮升(10-12升)。

在定涡卷的基板上可以开多个出口，而不仅仅是一个在中央的出口，而且每个出口的孔径也可以大小不一。与此同时，这些出口可以和另一硅片上的微流道键合在一起，键合方法可以是热压键合或者是阳极键合，如此一来，涡卷压缩机可以成为一个多流道系统的开关。

靠不产生压力区，这个微装置也可以变成一个微步进电机，其步长由电极的间隔控制。当一个叶片的高度被有意设计成低于另外一个叶片时，就不能形成压力区；但与此同时，动涡卷还是被驱动了，并可以传递扭矩。假如有一个微结构与动涡卷的基板键合在一起，那么它就变成了一个链接机构去驱动其他的微装置。作为一个微型马达，润滑剂可以被添加进来，因为无需考虑可能引起的污染问题。

在设计中，SOI硅片被优选成起始材料，涡线的二维特征可被很自如的印在模板上，然后从正面深度刻蚀在硅片上形成叶片，该单向刻蚀将停止在二氧化硅膜层上，如图6所示。这样动涡卷的叶片就制成了，定涡卷也同样。再从背面刻蚀，由深度反应等离子刻蚀，可以制成基板，刻蚀将同样停止在上面提到的二氧化硅层上，至此该微结构已经准备就绪，由DRIE法刻蚀二氧化硅膜层，最后脱体释放。深度反应等离子刻蚀步骤的遮光模板可以是氧化层或较厚的感光材料光刻胶。

由于氮化硅诱人的抗磨损特性，在硅片的正面首先沉积氮化硅以保护顶端。其他抗磨损材料如碳化硅、特氟纶等，亲水性、厌水性材料也可以考虑。一般两个叶片的高度是一致的，当磨损发生时就会产生叶片的高度不均匀一致，当此现象发生时，由于涡卷底板相对于叶片轴向较柔软，静电力就会将底板吸至叶片顶端并使底板发生微小的弹性变形，致密地紧压在叶片顶端从而阻止泄漏。这就被称为顶端柔量配合防泄漏法，如图8所示。同理，动涡卷会被吸向定涡卷叶片，叶片在径向相对柔软，静电力可使其在径向弹性变形，这样就可以防止侧向的泄漏，其机理被称为侧向柔量配合防泄漏法，如图9所示。由于其独特的驱动和密封方发，没有初始磨合期。

至少有两个方法制造导电电极，电极制造方法之一(见图4)，其工艺可以分为3个主要步骤：

步骤一：

a)SOI晶片作为出发材料，和

b)各向异性的从反面(后方)刻蚀，并停留在二氧化硅层

c)各向异性的刻蚀二氧化硅层

d)各向异性硅蚀刻到指定深度形成深洞

步骤二：e)洞里绝缘层等厚度沉积，二氧化硅为首选

步骤三：f)洞内金属电镀工艺，首选金。加工完成的电极示意图见图5。电极制造方法之二，以SOI晶片作为出发材料，主要分为以下四个步骤：

步骤一：a)各向异性的从反面(后方)刻蚀，并停留在二氧化硅层

b)各向异性的从正面蚀刻，并停留在二氧化硅层

c)各向异性的刻蚀二氧化硅层打通深洞

步骤二：d)洞内壁面绝缘层等厚度沉积，二氧化硅首选

步骤三：e)洞内金属电镀，首选金

步骤四：f)平面氮化硅物沉淀在正面。

其它类型的起始材料也可以用来制造微涡卷压缩机，本发明并不试图罗列所有的可能性，详解所有的工艺细节。SOI硅片只不过是更方便用来制造微涡卷压缩机。其他类型的硅片功能可以变成如同SOI硅片。定涡卷电极的填充材料也可以是多晶体硅，因为多晶体硅可以导电。动涡卷基板的材料可以是玻璃或其他光学透明材料.

在基板的背面已经有绝缘体存在，如二氧化硅。最后金属线将从电极引出至基板的边缘地带以便和控制电路相联接。其他的连接方法齐插针法，球点栅格焊接法也同样可以采用。

在另外一个电极外形设计中，电极是单侧开缝而不是一个深洞，具体设计见图9a和9b。感应开缝电极被特意放在两个常规的驱动电极之间，以交替顺序出现：常规的深洞电极——更改过的开缝电极。设计开缝电极的目的是把低电压(0.1 to 10伏)引导至开缝电极，使其暴露表面与工质相互作用，其应用可以是DNA识别和DNA排序，以及其他生物医学领域如定点定时定量药物递送系统。其优点是：1.生物流体的驱动和感应是一体的；几乎没有死体积，且样品流体体积很小，只需要润湿表面即可；2.快速：待试验物样品和流体被挤压至测试电极表面，形成极小的流体薄膜；3.成本低。

在单侧开缝电极表面上生长碳纳米管是可能的。

在关键零部件微涡卷压缩机的帮助下，制造一个完整的微制冷系统是顺理成章的。其他的零部件如热交换器，膨胀阀，管路系统相对而言是较易设计和制造的。

随着MEMS低温工艺的发展，把控制和信号处理电路集成在同一SOI硅片上是完全可能的。特别是MEMS微涡卷式压缩机制造工艺并不需要键合工艺，因此更利于设计一个和集成电路工艺完全相容的干法工艺。本发明使得硅片实验室和微完整分析系统成为切实可行的设计。

以上是本发明的全部介绍，但很大范围的改变和替换是可预期的，特别在本发明公开后。在某些情况下，使用人可能只需使用本发明的一些要点而不必应用其他的要点就可实现功能应用。因此，只要任何方式方法和本发明的范围一致的话，应该在广义上来理解所有专利声明的权益。

Claims (10)

1.一种微涡卷装置，包含一个定涡卷和动涡卷，其特征在于：该定涡卷包括基板、电传导线、基板边缘的圆形外壳和涡卷壁，并包括定涡卷壁中的电极，电极为深洞电极或开缝电极；定涡卷的基板上开有出口；动涡卷包括底板和涡卷壁，该微涡卷装置具有压缩机和马达的功能，或作为马达进行驱动，或作为压缩机进行压缩。

2.根据权利要求1所述的微涡卷装置，其特征在于：定涡卷基板上开有多个出口，出口孔径大小不一，这些出口和另一硅片上的微流道键合在一起。

3.根据权利要求1或2所述的微涡卷装置，其特征在于：所述基板的直径尺寸在100-1000微米，微涡卷装置的定涡卷数目在2-3圈。

4.根据权利要求1所述的微涡卷装置，其特征在于：该微涡卷装置是一个微步进式马达。

5.根据权利要求4所述的微涡卷装置，其特征在于：在马达功能中，其中一个涡卷叶片的高度短于其它叶片，不形成压力口袋，通过将动涡卷底板硅片和其他硅片连接在一起，将许多的微结构附着在动涡卷上，发挥曲轴的作用。

6.根据权利要求4所述的微涡卷装置，其特征在于：在马达功能中，微涡卷装置被真空封装。

7.根据权利要求4所述的微涡卷装置，其特征在于：在马达功能中，微涡卷装置被润滑气体或液体填充。

8.通过使用差分电压产生侧吸引力以驱动如权利要求1中所述的微涡卷装置的动涡卷的方法，包括：

a)在定涡卷上的瞬时接触点施加静电力以防止泄露和运动组件的滑脱；

b)在与瞬时接触点相邻的节点上施加更高的电压并在涡卷的运动方向上提供一个扭矩；

c)连续交替使用a)和b)的力量，并将气体或液体驱向出口，

上述方法中，反向驱动能够把压缩机变成真空机。

9.对权利要求1的微涡卷装置中由磨损件导致的磨损进行处理的方法，其特征在于：通过在定涡卷和动涡卷盖板中的电极之间施加电压，所提到的盖板和定涡卷的顶端被互相吸引从而防止泄露，在定涡卷底板和动涡卷顶端之间施加电压以防止另外一端的泄漏；在电极和动涡卷壁的接触点上施加电压，动涡卷壁被吸引向定涡卷壁，防止两个压力袋之间的侧壁的泄漏。

10.根据权利要求1所述的微涡卷装置，其特征在于，所述的开缝电极：

a)电极的内侧面是暴露于流动工质的

b)这些电极被交替放置于深洞电极之间

c)0.1到10伏的电压被引至开缝电极，以测量工质电化学性质的变化。

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