CN104609357B - 一种微阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微阀，属于微电子机械领域，解决了微阀使用热执行器致动的稳定性问题，采用的主要技术方案包括壳体、阀体及外围磁体，阀体由第一层、第二层和第三层组成，第一层和/或第三层设有阀口共两个，第二层包括固定部和可动部，固定部与第一层和第三层固定连接，可动部通过第一支承梁和第二支承梁与固定部连接，第一支承梁在横向上的刚度大于在纵向上的刚度，第二支承梁在横向上的刚度小于在纵向上的刚度，可动部设有连接腔，第二层包括使可动部相对固定部转动的致动组件，本发明主要用于微流体的流量控制。

Description

一种微阀

技术领域

本发明涉及MEMS（微电子机械系统），特别是一种主动式微阀，可集成在硅晶圆或其它衬底上。

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。

微阀分为被动式微阀与主动式微阀。被动式微阀依靠阀两端的压差与流体的流动等来控制阀片的开闭，而主动式微阀通过微执行器来控制其开闭或通过流量大小。微阀被用来实现微流体的高效精确控制。对于主动式微阀，器件的驱动方式与驱动结构是其性能的关键。

现有一种采用热执行器的主动式硅微阀，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。但是，第一，热执行器会带来较大的应力；第二，如果微阀内部通以制冷剂等流体，由于传热的影响，流体流动状态会对热驱动形成扰动，影响微阀的稳定性；第三，热驱动需要电流流经体硅衬底本身，而掺杂单晶硅本身具有导电性，因此需要考虑体硅衬底各部分之间的电绝缘。

发明内容

本发明所要达到的目的就是提供一种基于电磁驱动原理的主动式微阀，提高稳定性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种微阀，包括壳体、设于壳体中的阀体及设于壳体外侧的外围磁体，所述阀体由依次层叠设置的第一层、第二层和第三层组成，所述第一层或第三层设有两个阀口或者第一层和第三层各设有一个阀口，所述第二层包括固定部和可动部，所述固定部与第一层和第三层固定连接，所述可动部通过连接组件与固定部连接，所述可动部设有连接腔，连接腔与阀口相对应，所述第二层还包括使可动部相对固定部转动的致动组件，所述连接组件包括第一支承梁和第二支承梁，所述第一支承梁的一端与固定部连接、另一端与可动部远离连接腔的一端连接，所述第一支承梁在横向上的刚度大于在纵向上的刚度，所述第二支承梁的一端与固定部连接、另一端与可动部靠近连接腔的一端连接，所述第二支承梁在横向上的刚度小于在纵向上的刚度；所述致动组件包括电极和导电体，所述电极设于固定部并设有两个，导电体的一端与一个电极电连接、然后沿着第一支承梁、可动部和第二支承梁延伸、另一端与另一个电极电连接，导电体位于可动部上的部分与可动部固定为一体。

进一步的改进，所述第二层为绝缘体，所述电极和导电体附着固定于第二层的表面。

进一步的改进，所述第二层为导电体或半导体，所述电极与固定部之间具有绝缘介质层，所述导电体与第一支承梁、可动部和第二支承梁之间具有绝缘介质层。

进一步的改进，所述电极和导电体设于第二层面向第一层的表面，所述导电体面对第一层的表面具有钝化保护层。

进一步的改进，所述第一支承梁沿直线横向延伸；或者，所述第一支承梁为方波状或蛇形管状且第一支承梁在横向上延伸的长度大于在纵向上延伸的长度。

进一步的改进，所述第二支承梁为方波状或蛇形管状且第二支承梁在横向上延伸的长度小于在纵向上延伸的长度。

进一步的改进，所述固定部具有通槽，所述可动部位于通槽中。

进一步的改进，所述两个电极相对可动部位于同一侧。

进一步的改进，所述第一层或第三层对应电极处设有电极通孔。

进一步的改进，所述外围磁体为永磁体或电磁铁。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：采用外围磁体进行电磁驱动的工作机理，可以产生并输出大的致动位移，实现流体控制；相比热驱动微阀，可以降低热应力；而且电磁驱动对流体介质的传热并不敏感，有利于提高稳定性；另外，电磁驱动不需要电流流经阀体本身，因此不需要考虑阀体三层结构之间的电绝缘。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种微阀的示意图；

图2为本发明阀体的爆炸图；

图3为第二层的第一种结构的俯视图（带电极和导电体）；

图4为图2中K-K向剖视图（导电体与第二层的第一种结构）；

图5为图2中K-K向剖视图（导电体与第二层的第二种结构）；

图6为图2中K-K向剖视图（导电体与第二层的第三种结构）；

图7为图2中K-K向剖视图（导电体与第二层的第四种结构）；

图8为第二层的第二种结构的俯视图；

图9为第二层的第三种结构的俯视图；

图10为第二层的第四种结构的俯视图；

图11为第二层的第五种结构的俯视图。

具体实施方式

如图1、2和3所示为本发明一种实施例，一种微阀，包括壳体2、设于壳体2中的阀体1及设于壳体2外侧的外围磁体3，阀体1由依次层叠设置的第一层11、第二层12和第三层13组成，第一层11设有两个阀口14，也可以在第三层13设置两个阀口14或者在第一层11和第三层13各设一个阀口14，视实际使用的不同情况来决定。

第二层12包括固定部121和可动部122，固定部121与第一层11和第三层13固定连接，可动部122通过第一支承梁123和第二支承梁124与固定部121连接，可动部122设有连接腔1221，连接腔1221与阀口14相对应，用于连通两个阀口14或错开阀口14来减小两个阀口14之间的流量或直接断开两个阀口14的连通状态。可动部122沿纵向延伸，第一支承梁123沿直线横向延伸，并且横向延伸的长度L大于其宽度W，第二支承梁124为方波状结构并且在横向上延伸的长度L1小于在纵向上延伸的长度L2。第一支承梁123的一端与固定部121连接、另一端与可动部122远离连接腔1221的一端连接，第一支承梁123在横向上的刚度大于在纵向上的刚度，第二支承梁124的一端与固定部121连接、另一端与可动部122靠近连接腔1221的一端连接，第二支承梁124在横向上的刚度小于在纵向上的刚度，这使得第一支承梁123和第二支承梁124具有明显的刚度差异，在第二层12所在平面内，由于W较小，而L2较大，所以第二支承梁124在横向上相比第一支承梁123而言具有较小的刚度，受到横向上的作用力容易产生形变，而第一支承梁123在横向是几乎不会产生形变；由于L1较小，并且在横向上设置了几段，所以第二支承梁124在纵向上延伸的部分在受到纵向上的作用力时产生的形变会比较小，而L较大，所以第一支承梁123在受到纵向上的作用力时会产生较大形变，所以结合起来说，在纵向上，第二支承梁124的刚度比第一支承梁123的刚度要大。若L相对W越大，则第一支承梁123在纵向上的刚度越小，同样，L2相对L1越大，第二支承梁124在横向上的刚度越小。

第二层12还包括电极125和导电体126，电极125设于固定部121并设有两个，两个电极125相对可动部122位于同一侧，导电体126的一端与一个电极125电连接、然后沿着第一支承梁123、可动部122和第二支承梁124延伸、另一端与另一个电极125电连接，导电体126位于可动部122上的部分与可动部122固定为一体，即导电体126位于可动部122上的部分与可动部122是随动的关系，导电体126位于可动部122上的部分任何部位受到外力作用会全部传递到可动部122，可以认为他们是一个整体，只是制造的材料可能不同或者说制造的材料相同，不过两者之间要绝缘。本实施例中，固定部121具有通槽1211，可动部122位于通槽1211中，而将第一支承梁123和第二支承梁124都设置在可动部122的同一侧，这样整个第二层12占用的空间比较小，结构相对紧凑，对于材料的使用量也会大大降低。第一层11对应电极125处设有电极通孔15，而应对实际情况，也可以将电极通孔15设置到第三层13上。壳体2设置在基座20上，在壳体2上设置两个外围电极21，两个外围电极21通过导线22分别与第二层12的两个电极125一一连接，外围磁体3可以采用电磁铁，能够根据使用需要开启并可调节磁场强度大小，而永磁体的成本低廉，也是一种选择。对应两个阀口14设置两条流体通道分别一一连接，例如在基座20中设置的通孔23或者外部连接的管道。

下面结合图3来说明本实施例的工作原理。两个电极125分别连通电源ε的正、负极，可以再串联一可变电阻R用以调节电路中的电流大小。以对应第二支承梁124与固定部121连接处的电极125连通正极为例，电流i依次经过电极125、位于第二支承梁124上的那部分导电体126、位于可动部122上的那部分导电体126、位于第一支承梁123上的那部分导电体126和电极125，再流到电源ε的负极，由于磁场对载流导线在平面内产生与导线长度方向垂直的电磁作用力，而外围磁体3的存在，导电体126受到垂直其延伸方向的电磁作用力，而在方波状的第二支承梁124部分上的导电体126也呈方波状，Aa段与Bb段、Cc段与Dd段、Ee段与Ff段分别受到大小相等、方向相反的安培力而相互作用抵消，而Gg段会受到电磁作用力F磁，会传递到第一支承梁123和第二支承梁124上，由于F磁的方向为横向，而在这个方向上第一支承梁123的刚度大，第二支承梁124的刚度小，所以会造成第二支承梁124产生形变而第一支承梁123不产生形变，所以可动部122就会以第一支承梁123与固定部121的连接处为中心产生转动，使得连接腔1221的位置发生变化，使两个阀口14连通或减小流量或断开连通。

下面对电极125和导电体126具体制作进行说明。电极125和导电体126是采用导电性能较好的金属材料附着到第二层12上，情况根据第二层12的导电性能分为两种。本实施例的情况如图4所示，即是第一种情况，第二层12为导电材料或半导体材料制成，所以要在电极125与固定部121之间以及导电体126与第一支承梁123、可动部122和第二支承梁124之间均具有绝缘介质层128，绝缘介质层128可以采用氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺等适于微加工的绝缘材料，并且可以由两者或两者以上的组合形成。第二种情况即如图5所示，第二层12为绝缘材料制成，那么电极125和导电体126可以直接附着固定于第二层12的表面。而考虑到要避免导电体126与电极125所在金属层被玷污、划伤、自然氧化等情况发生，可以在导电体126表面设置钝化保护层127，在本实施例的这种情况下，电极125和导电体126设于第二层12面向第一层11的表面，所以如图6所示，在导电体126面对第一层11的表面设置钝化保护层127。同理，图7所示即是在第二层12为绝缘体的情况下，在导电体126面对第一层11的表面设置了钝化保护层127。第二层12可以采用硅、硼硅玻璃、金属、塑料、陶瓷及其它所有可适于微加工的体材料，并根据导电性能来区分使用。而电极125和导电体126可以采用纯铝、铝硅、铬、钛、钨、金等材料或是两者或两者以上的组合形成。

而第二支承梁124的结构除了上述实施例中的方波状结构外，也可以采用图8所示的蛇形管状结构，或者采用如图9所示的锯齿波状结构。而第一支承梁123除了沿直线延伸的结构外，也可以采用图9所示的蛇形管状结构，或者方波状结构，只是第一支承梁123在横向上延伸的长度大于在纵向上延伸的长度，使得第一支承梁123在横向上的刚度要相对较大。另外第一支承梁123和第二支承梁124也可以相应设置在可动部122的两侧，而两个电极125也相应设置在可动部122的两侧，如图11所示，只是这样的结构占用的空间较大，会造成一定程度的浪费。

第二层以硅为例，说明本发明的制造工艺：（1）在硅表面形成合适的光刻胶图形；（2）在硅表面整体淀积一层绝缘介质层薄膜，一层金属层（即电极和导电体），一层钝化保护层；（3）用去胶性溶液将光刻胶及其附属叠层剥离掉，只剩余直接附着在硅上的绝缘介质层/金属层/钝化保护层；（4）再光刻一次，定义出包括绝缘介质层/金属层/钝化保护层在内的如图3所示的图形，图形表面覆盖的厚胶层作为DRIE刻蚀的掩膜保护；（5）采用DRIE（深反应离子刻蚀）工艺将第二层没有厚胶保护的部分刻穿，第二层12的结构释放；（6）将刻蚀好的第一层、第三层与第二层键合。

从上述描述中可以看出所谓的横向和纵向是参照图3更加方便地来描述第二层12的具体结构时采用的相对方向，其中横向是指第一支承梁123沿直线延伸时的方向，即图3的水平方向，纵向自然是在第二层12所在的平面上垂直横向的方向，也是第一支承梁123的宽度方向及可动部122的延伸方向，即图3的竖直方向。除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，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)

1.一种微阀，包括壳体（2）、设于壳体中的阀体（1）及设于壳体外侧的外围磁体（3），所述阀体由依次层叠设置的第一层（11）、第二层（12）和第三层（13）组成，所述第一层或第三层设有两个阀口（14）或者第一层和第三层各设有一个阀口，所述第二层包括固定部（121）和可动部（122），所述固定部与第一层和第三层固定连接，所述可动部通过连接组件与固定部连接，所述可动部设有连接腔（1221），连接腔与阀口相对应，所述第二层还包括使可动部相对固定部转动的致动组件，其特征在于：所述连接组件包括第一支承梁（123）和第二支承梁（124），所述第一支承梁的一端与固定部连接、另一端与可动部远离连接腔的一端连接，所述第一支承梁在横向上的刚度大于在纵向上的刚度，所述第二支承梁的一端与固定部连接、另一端与可动部靠近连接腔的一端连接，所述第二支承梁在横向上的刚度小于在纵向上的刚度；所述致动组件包括电极（125）和导电体（126），所述电极设于固定部并设有两个，导电体的一端与一个电极电连接、然后沿着第一支承梁、可动部和第二支承梁延伸、另一端与另一个电极电连接，导电体位于可动部上的部分与可动部固定为一体。

2.根据权利要求1所述的微阀，其特征在于：所述第二层为绝缘体，所述电极和导电体附着固定于第二层的表面。

3.根据权利要求1所述的微阀，其特征在于：所述第二层为导电体或半导体，所述电极与固定部之间具有绝缘介质层（128），所述导电体与第一支承梁、可动部和第二支承梁之间具有绝缘介质层。

4.根据权利要求1或2或3所述的微阀，其特征在于：所述电极和导电体设于第二层面向第一层的表面，所述导电体面对第一层的表面具有钝化保护层（127）。

5.根据权利要求1或2或3所述的微阀，其特征在于：所述第一支承梁沿直线横向延伸；或者，所述第一支承梁为方波状或蛇形管状且第一支承梁在横向上延伸的长度大于在纵向上延伸的长度。

6.根据权利要求1或2或3所述的微阀，其特征在于：所述第二支承梁为方波状或蛇形管状且第二支承梁在横向上延伸的长度小于在纵向上延伸的长度。

7.根据权利要求1或2或3所述的微阀，其特征在于：所述固定部具有通槽（1211），所述可动部位于通槽中。

8.根据权利要求1所述的微阀，其特征在于：所述两个电极相对可动部位于同一侧。

9.根据权利要求1或8所述的微阀，其特征在于：所述第一层或第三层对应电极处设有电极通孔（15）。

10.根据权利要求1或2或3所述的微阀，其特征在于：所述外围磁体为永磁体或电磁铁。