CN104455629B - 一种微阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微阀，属于半导体节流阀，解决了微阀实际控制流量与设计产生偏差及整体功耗较大的问题，技术方案主要包括N型硅的第一硅片和第三硅片以及P型硅的第二硅片，第一硅片和第三硅片均设有外接电极，第一硅片或第三硅片设有流体入口，第一硅片或第三硅片设有流体出口，第二硅片包括第一固定部和第二固定部，第二固定部设有流体通道，流体通道中设有移动件，第二硅片具有与移动件连接的致动件，第一固定部通过致动件与第二固定部连接，第一固定部、第二固定部均与第一硅片和第三硅片连接形成PN结，第一固定部设有正电极，第二固定部设有负电极，第一硅片和第三硅片的外接电极的电位均高于正电极的电位，本发明用于流量调节。

Description

一种微阀

技术领域

本发明涉及基于MEMS技术的主动式微阀，可集成在硅晶圆上。

背景技术

MEMS（微电子机械系统）是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。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、工业、消费电子、汽车、军事、医疗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生物学等领域。

现有技术中有一种三层硅片的硅微阀，该微阀采用基于单晶硅的热执行器来产生致动。掺杂的半导体单晶硅，本身可实现可调制的导电。该微阀的热执行器是利用硅的热膨胀效应，使电流流过执行器的驱动硅梁，从而产生并输出微结构的致动位移。由于输出位移决定了节流器件通径的大小，微阀所控制的流量范围与该致动位移相关。

对于三层硅片连接的微阀结构，硅与硅的直接键合具有非常理想的连接强度。如图9所示，三层硅片中，第二层02位于第一层01与第三层03之间，其静止部分与至少第一层、第三层之一固定连接，也就是说，第二层的静止部分与第一层、第三层直接相连，从而产生经第二层静止部分流经第一层、第三层的通路。由此带来的一个问题是，第一层、第三层会对流经第二层的电流形成分流。除了流经第二层热执行器06的通路，存在由设置正电极04和负电极05的两个固定连接区域（第二层静止部分）流经第一层与第三层的电流通路，使流经热执行器的总电流产生分流。由于部分电流不流经第二层的热执行器，而流经第一层与第三层，至少会带来两个负面的效果：第一，流经热执行器的电流减小，使热执行器的硅梁的热膨胀降低，产生的致动位移减小，微阀实际控制流量与设计产生偏差；其次，第一层和第三层消耗更多的电能量，产生不必要的发热，影响整体功耗效率。

发明内容

本发明所要达到的目的就是提供一种可提高工作稳定性和降低整体功耗的微阀。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种微阀，包括由N型硅构成的第一硅片和第三硅片以及由P型硅构成的第二硅片，所述第二硅片位于第一硅片和第三硅片之间，所述第一硅片和第三硅片均设有外接电极，所述第一硅片或第三硅片设有流体入口，所述第一硅片或第三硅片设有流体出口，所述第二硅片包括相互分离的第一固定部和第二固定部，所述第二固定部设有连通流体入口和流体出口的流体通道，所述流体通道中设有可在流体通道中移动用于改变流体入口流量的移动件，所述第二硅片具有与移动件连接用于使移动件移动的致动件，所述致动件固定于第二固定部，所述第一固定部与致动件连接，所述第一固定部、第二固定部均与第一硅片和第三硅片连接形成PN结，所述第一固定部设有正电极，所述第二固定部设有负电极，所述第一硅片和第三硅片的外接电极的电位均高于正电极的电位。

进一步的，所述致动件包括连接梁、中轴和连接杆，所述连接梁对称分布于中轴一端的两侧，位于中轴靠近第一固定部一侧的连接梁与第一固定部连接，位于中轴靠近第二固定部一侧的连接梁与第二固定部连接，所述连接杆的一端与中轴的另一端连接、另一端与移动件连接，所述第二固定部设有容置中轴和连接杆的通槽，所述连接杆的中部设有与通槽的侧壁连接的支撑端，所述致动件、连接杆和移动件形成杠杆结构。

进一步的，所述中轴与连接杆垂直，所述移动件的移动方向与连接杆垂直。

进一步的，所述连接梁相对中轴倾斜，连接梁与中轴之间的锐角夹角位于连接梁远离连接杆的一侧。

进一步的，所述第一硅片面向第二硅片的表面对应致动件和移动件设有第一内凹槽，第三硅片面向第二硅片的表面对应致动件和移动件设有第二内凹槽，所述第一内凹槽、通槽和第二内凹槽形成容置致动件和移动件的空腔。

进一步的，所述致动件和移动件的厚度小于第二硅片的厚度，并且致动件和移动件面向第一硅片的表面和面向第三硅片的表面均位于第二硅片面向第一硅片的表面和面向第三硅片的表面之间。

进一步的，所述第一硅片的外接电极的电位高于正电极的电位，第一硅片的外接电极的电位与正电极的电位之间的电势差低于第一固定部与第一硅片形成的PN结的反向击穿电压，所述第三硅片的外接电极的电位高于正电极的电位，第三硅片的外接电极的电位与正电极的电位之间的电势差低于第一固定部与第三硅片形成的PN结的反向击穿电压。

进一步的，所述正电极设于第一固定部面向第一硅片的表面，所述负电极设于第二固定部面向第一硅片的表面，所述第一硅片设有对应正电极和负电极供正电极和负电极连接电源的电极通孔；

或者，所述正电极设于第一固定部面向第三硅片的表面，所述负电极设于第二固定部面向第三硅片的表面，第三硅片设有对应正电极和负电极的电极通孔；

或者，所述正电极设于第一固定部面向第一硅片的表面，所述负电极设于第二固定部面向第三硅片的表面，所述第一硅片设有对应正电极的电极通孔，所述第三硅片设有对应负电极的电极通孔；

或者，所述正电极设于第一固定部面向第三硅片的表面，所述负电极设于第二固定部面向第一硅片的表面，所述第三硅片设有对应正电极的电极通孔，所述第一硅片设有对应负电极的电极通孔。

进一步的，所述第一硅片设有流体入口和流体出口；或者，所述第三硅片设有流体入口和流体出口；或者，所述第一硅片设有流体入口，所述第三硅片设有流体出口；或者，所述第三硅片设有流体入口，所述第一硅片设有流体出口。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：通过P型和N型硅片形成的PN结的特性，对第一硅片和第三硅片连接的电位高于第二硅片的正电极所连接的电位，使PN结处于反偏截止状态，第一固定部与第一硅片以及第一固定部与第三硅片之间几乎不导通，所以电流几乎不从第一硅片和第三硅片中流过，而是从致动件流到第二固定部的负电极，这样流经致动件的电流足够大，使致动件的热膨胀程度得到保证，产生足够的致动位移使移动件移动，从而使微阀实际控制流量达到设计水平，提高了微阀工作的稳定性，另外，由于第一硅片和第三硅片中几乎没有电流流过，消耗的电能量自然就少，不会产生不必要的发热，降低了微阀的整体功耗。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种实施例的结构示意图；

图2为图1所示实施例中第二硅片的结构示意图；

图3为图1所示实施例三层硅片连接的示意图；

图4为图3中A-A向剖视图；

图5为图1所示实施例中各电极的电位连接情况示意图；

图6为图1所示实施例在未实施PN结反偏截止时三层硅片中电流通路示意图；

图7为图6的等效电路图；

图8为图1所示实施例在PN结处于反偏截止后的等效电路图；

图9为现有的一种微阀示意图。

具体实施方式

如图1至4所示为本发明一种实施例，一种微阀，包括由N型硅构成的第一硅片1、由N型硅构成的第三硅片3以及由P型硅构成的第二硅片2，第一硅片位于最上方，第二硅片位于第一硅片和第三硅片之间，这里将第二硅片与第一硅片接触的表面称之为上表面，第二硅片与第三硅片接触的表面称之为下表面，而第一硅片与第二硅片接触的表面为下表面，第一硅片上与下表面相对的则为上表面，相应的第三硅片与第二硅片接触的表面为上表面，第三硅片上与上表面相对的表面则为下表面。第一硅片和第三硅片均设有外接电极63，外接电极一般设置在第一硅片和第三硅片不与第二硅片接触的表面即可，如本实施例中的第一硅片的上表面和第三硅片的下表面，或者设在第一硅片的侧面及第三硅片的侧面。第一硅片设有流体入口41和流体出口42，流体入口41和流体出口42采用最简单的结构，即直接贯穿第一硅片的上、下表面设置，流体入口41和流体出口42的截面形状可以是圆形、方形或其他多边形或曲线边的不常见的形状等，这里采用方形。另外，流体入口和流体出口可以都设置在第三硅片上；或者，在第一硅片上设流体入口，第三硅片上设流体出口；或者，在第三硅片上设流体入口，第一硅片上设流体出口。不管流体入口和流体出口设置在第一硅片还是第三硅片，要求就是这两者通过流体通道连通。

第二硅片包括相互分离的第一固定部21和第二固定部22，相互分离是指两者之间不会直接导通，在实际生产中，整个第二硅片的结构都是连成一体的结构，具体是在第二硅片中挖出贯穿第二硅片上、下表面的贯通槽将第二硅片分成第一固定部和第二固定部，本实施例中第一固定部被第二固定部围住并通过贯通槽分隔开来不会直接电导通，第二固定部设有可连通流体入口和流体出口的流体通道43，流体通道中设有可在流体通道中移动用于改变流体入口流量的移动件52，流体通道43的形状一般是直线型，不仅方便生产加工，而且也便于移动件移动，而移动件的主要功能是节流，只要移动件上有个表面对应流体入口并随着移动件的移动来改变流体入口的开度，从而进行流量调节，所以形状不需特定，可以相应采用相对简单的结构，便于加工，例如本实施例中的流体通道采用矩形槽、移动件为长方体状，移动件也可以是其他多面体，有一点要说明，为了保证致动效果，移动件应当尽量不与第一硅片、第二硅片和第三硅片接触，即电流不会从移动件中流过。此外第二硅片具有与移动件连接用于使移动件移动的致动件51，致动件固定于第二固定部，第一固定部与致动件连接，这样，第一固定部就能通过致动件与第二固定部电导通，如图2中箭头所示。第一固定部、第二固定部均与第一硅片和第三硅片连接形成PN结，即第一固定部的上表面与第一硅片的下表面之间形成PN结，第一固定部的下表面与第三硅片的上表面之间形成PN结，第二固定部的上表面与第一硅片的下表面之间形成PN结，第二固定部的下表面与第三硅片的上表面之间形成PN结。第一固定部设有正电极61，第二固定部设有负电极62，第一硅片和第三硅片的外接电极的电位均高于正电极的电位，具体原理见后续描述。

致动件包括连接梁511、中轴512和连接杆513，连接梁对称分布于中轴一端的两侧，每一侧设置三根且沿中轴的轴向平行分布，连接梁的数量并不作限定，可以根据需要改变。位于中轴靠近第一固定部一侧的连接梁与第一固定部连接，位于中轴靠近第二固定部一侧的连接梁与第二固定部连接，连接杆的一端与中轴的另一端连接、另一端与移动件连接，第二固定部设有容置中轴和连接杆的通槽221，连接杆的中部设有与通槽的侧壁连接的支撑端514，致动件、连接杆和移动件形成杠杆结构，支撑端优选是与中轴位于连接杆的同一侧，这样占用空间较小，支撑端一来是辅助支撑连接杆，防止移动件向第一硅片或第三硅片方向移动，二来是当作杠杆结构的支撑点，是将连接杆连接中轴的这一端的位移放大传递到连接杆连接移动件的这一端，所以支撑端与中轴的距离要比支撑端到移动件的距离短，支撑端与中轴的距离越短，杠杆结构的放大效果越显著。在制作工艺上，整个第二硅片是一个一体成型的部件，包括第一固定部、第二固定部、致动件和移动件都是一体成型的结构。首先优选的结构是中轴与连接杆垂直，移动件的移动方向与连接杆垂直，这样致动件产生的形变能最大化，可以更加可靠地传递给移动件，使移动件的反应更加迅速、位移更加准确。其次优选的结构是连接梁相对中轴倾斜，连接梁与中轴之间的锐角夹角位于连接梁远离连接杆的一侧，这样在相同空间范围内，连接梁的长度更长，受热形变产生的微小位移能够得到扩大化，使移动件能够迅速反应，至于倾斜方向，则是根据移动件相对流体通道的初始位置来决定的，结合图2看，在本实施例中，移动件的初始位置相对位于流体通道的下端，致动件受热形变后使中轴向下移动，然后通过连接杆传递到移动件使移动件向上移动。如果将连接梁与中轴之间的锐角夹角主设置在位于连接梁靠近连接杆的一侧，那连接梁受热形变后，中轴是向上移动的，通过连接杆的作用，会使移动件向下移动，所以移动件的初始位置需要设置在流体通道的上端，这样的结构也是可以的。

由制作工艺决定，一般整个第二硅片的厚度是一样的，这个厚度是指第二硅片的上表面到下表面之间的尺寸，也就是说致动件和移动件的厚度和第一固定部及第二固定部的厚度是相同的。所以为了避免致动件、移动件与第一硅片和第三硅片直接接触导致电导通，采用如下第一种结构：在第一硅片面向第二硅片的表面对应致动件和移动件设有第一内凹槽11，第三硅片面向第二硅片的表面对应致动件和移动件设有第二内凹槽31，第一内凹槽、通槽和第二内凹槽形成容置致动件和移动件的空腔。当然也可以采用第二种结构：将致动件和移动件的厚度设置成小于第二硅片的厚度，并且致动件和移动件面向第一硅片的表面和面向第三硅片的表面均位于第二硅片面向第一硅片的表面和面向第三硅片的表面之间，也就是致动件和移动件的上表面位于第一硅片的下表面下方，两者之间具有间隙；致动件和移动件的下表面位于第三硅片的下表面下方，两者之间同样具有间隙，也能够保证致动件、移动件不与第一硅片和第三硅片直接接触。相对的，第一种结构比第二种结构更容易实现，加工成本相对较低，是优选的结构。当然了，上述两种结构同时实施，效果更好，只是加工工艺上难度增加了。

由于第一硅片和第三硅片将第二硅片夹在中间，所以在设置正电极和负电极的位置要设置相应的结构使正电极和负电极能够连接到外接电源，本实施例中，正电极设于第一固定部面向第一硅片的表面，即上表面，负电极设于第二固定部面向第一硅片的表面，即上表面，相应的，第一硅片设有对应正电极和负电极供正电极和负电极连接电源的电极通孔64，电极通孔是采用最简单的结构形式：贯穿第一硅片的上、下表面形成，截面形状不限定，如方形或圆形或其他多边形或曲线边的不常见的形状等，第一硅片不与正电极和负电极直接接触，为了便于导线与正电极、负电极焊接，可以将电极通孔做大点，使正电极和负电极露出来。如果正电极设于第一固定部面向第三硅片的表面，即下表面，负电极设于第二固定部面向第三硅片的表面，即下表面，第三硅片设有对应正电极和负电极的电极通孔；如果正电极设于第一固定部面向第一硅片的表面，即上表面，负电极设于第二固定部面向第三硅片的表面，即下表面，第一硅片设有对应正电极的电极通孔，第三硅片设有对应负电极的电极通孔；如果正电极设于第一固定部面向第三硅片的表面，即下表面，负电极设于第二固定部面向第一硅片的表面，即上表面，第三硅片设有对应正电极的电极通孔，第一硅片设有对应负电极的电极通孔。

如图5所示，第一硅片的外接电极的电位V1++高于正电极的电位V+，第一硅片的外接电极的电位与正电极的电位之间的电势差低于第一固定部与第一硅片形成的PN结的反向击穿电压，第三硅片的外接电极的电位V3++高于正电极的电位V+，第三硅片的外接电极的电位与正电极的电位之间的电势差低于第一固定部与第三硅片形成的PN结的反向击穿电压。从图6中可以看到，当正电极和负电极都连接导线与外部电源电导通，总路电流为i，形成三条通路，第一条通路：正电极-第一固定部-第一硅片-第二固定部-负电极，流经电流为i1；第二条通路：正电极-第一固定部-致动件-第二固定部-负电极，流经电流为i2；第三条通路：正电极-第一固定部-第三硅片-第二固定部-负电极，流经电流为i3，i=i1+i2+i3，等效电路图见图7，其中R1为第一硅片的等效电阻，R21为第一固定部的等效电阻，R22为致动件的等效电阻，R23为第二固定部的等效电阻，R3为第三硅片的等效电阻。因此在相同的电压的情况下，由于第一条通路和第三条通路的存在，流经第一条的通路电流i2自然就少了，因此会产生背景技术中所提到的问题，而增加了外接电极之后，在第一硅片的外接电极上接入V1++，在第三硅片的外接电极上接入V3++，V1++﹥V+，V3++﹥V+，而PN结具有正向导通、反偏截止的单向导电特性，而电流又是从高电位流向低电位，此时低电位接在P区，即第二硅片的第一固定部，高电位接在N区，即第一硅片和第三硅片，PN结处于反偏截止的状态，电流基本上不能从高电位通过PN结流向低电位，等效电路图如图8所示，也就是说i1和i3很小，小到可以忽略不计，i1≈0，i3≈0，因此接在正电极和负电极之间的电流几乎都是从第二条通路中流过，即i2≈i，而根据焦耳定律Q=I×I×R，流经致动件的电流i2增大，致动件的发热量自然就增大，所以致动件的热膨胀程度得到保证，产生足够的致动位移使移动件移动，从而使微阀实际控制流量达到设计水平，提高了微阀工作的稳定性，另外，由于第一硅片和第三硅片中几乎没有电流流过，消耗的电能量自然就少，不会产生不必要的发热，降低了微阀的整体功耗。

除上述优选实施例外，正电极设置在第二固定部，负电极设置在第一固定部也同样可以实现本发明的发明目的，换句话说，第一固定部和第二固定部的命名只是为了区别不同的结构，第二硅片中大面积的部分也可以称为第一固定部，位于第一固定部范围内的则称为第二固定部。所以本发明还有其他等同的实施方式，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 (9)

1.一种微阀，包括由N型硅构成的第一硅片(1)和第三硅片(3)以及由P型硅构成的第二硅片(2)，所述第二硅片位于第一硅片和第三硅片之间，其特征在于：所述第一硅片和第三硅片均设有外接电极(63)，所述第一硅片或第三硅片设有流体入口(41)，所述第一硅片或第三硅片设有流体出口(42)，所述第二硅片包括相互分离的第一固定部(21)和第二固定部(22)，所述第二固定部设有连通流体入口和流体出口的流体通道(43)，所述流体通道中设有可在流体通道中移动用于改变流体入口流量的移动件(52)，所述第二硅片具有与移动件连接用于使移动件移动的致动件(51)，所述致动件固定于第二固定部，所述第一固定部与致动件连接，所述第一固定部、第二固定部均与第一硅片和第三硅片连接形成PN结，所述第一固定部设有正电极(61)，所述第二固定部设有负电极(62)，所述第一硅片和第三硅片的外接电极的电位均高于正电极的电位。

2.根据权利要求1所述的微阀，其特征在于：所述致动件包括连接梁(511)、中轴(512)和连接杆(513)，所述连接梁对称分布于中轴一端的两侧，位于中轴靠近第一固定部一侧的连接梁与第一固定部连接，位于中轴靠近第二固定部一侧的连接梁与第二固定部连接，所述连接杆的一端与中轴的另一端连接、另一端与移动件连接，所述第二固定部设有容置中轴和连接杆的通槽(221)，所述连接杆的中部设有与通槽的侧壁连接的支撑端(514)，所述致动件、连接杆和移动件形成杠杆结构。

3.根据权利要求2所述的微阀，其特征在于：所述中轴与连接杆垂直，所述移动件的移动方向与连接杆垂直。

4.根据权利要求2所述的微阀，其特征在于：所述连接梁相对中轴倾斜，连接梁与中轴之间的锐角夹角位于连接梁远离连接杆的一侧。

5.根据权利要求2所述的微阀，其特征在于：所述第一硅片面向第二硅片的表面对应致动件和移动件设有第一内凹槽(11)，第三硅片面向第二硅片的表面对应致动件和移动件设有第二内凹槽(31)，所述第一内凹槽、通槽和第二内凹槽形成容置致动件和移动件的空腔。

6.根据权利要求2或5所述的微阀，其特征在于：所述致动件和移动件的厚度小于第二硅片的厚度，并且致动件和移动件面向第一硅片的表面和面向第三硅片的表面均位于第二硅片面向第一硅片的表面和面向第三硅片的表面之间。

7.根据权利要求1至5任一所述的微阀，其特征在于：所述第一硅片的外接电极的电位高于正电极的电位，第一硅片的外接电极的电位与正电极的电位之间的电势差低于第一固定部与第一硅片形成的PN结的反向击穿电压，所述第三硅片的外接电极的电位高于正电极的电位，第三硅片的外接电极的电位与正电极的电位之间的电势差低于第一固定部与第三硅片形成的PN结的反向击穿电压。

8.根据权利要求1至5任一所述的微阀，其特征在于：所述正电极设于第一固定部面向第一硅片的表面，所述负电极设于第二固定部面向第一硅片的表面，所述第一硅片设有对应正电极和负电极供正电极和负电极连接电源的电极通孔(64)；

或者，所述正电极设于第一固定部面向第三硅片的表面，所述负电极设于第二固定部面向第三硅片的表面，第三硅片设有对应正电极和负电极的电极通孔；

或者，所述正电极设于第一固定部面向第一硅片的表面，所述负电极设于第二固定部面向第三硅片的表面，所述第一硅片设有对应正电极的电极通孔，所述第三硅片设有对应负电极的电极通孔；

或者，所述正电极设于第一固定部面向第三硅片的表面，所述负电极设于第二固定部面向第一硅片的表面，所述第三硅片设有对应正电极的电极通孔，所述第一硅片设有对应负电极的电极通孔。

9.根据权利要求1至5任一所述的微阀，其特征在于：所述第一硅片设有流体入口和流体出口；或者，所述第三硅片设有流体入口和流体出口；或者，所述第一硅片设有流体入口，所述第三硅片设有流体出口；或者，所述第三硅片设有流体入口，所述第一硅片设有流体出口。