CN1047432C - 硅微热致动泵及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
一种硅微热致动泵，属液体变容式机械领域。本微型泵利用双金属热致动原理工作，由两片硅薄膜片组成在硅薄膜上蚀刻有泵腔，流体沟道和单向阀，并有由单晶硅薄膜，铝膜组成的双金属层，在单晶硅薄膜和铝膜之间有加热元件。本微型泵由于采用了双金属层热致动方式，及双面驱动结构，所以作用力大，驱动电压低，结构简单，易于集成，制造方便。
Description
本发明涉及硅微热致动泵，属液体变容式机械领域。
随着科学技术的发展，在电子工程，医疗工程，化学工程，生物工程中对微量元素的分析，微循环及冷却等方面都需要对微量流体的供给进行控制，微型泵作为一种微型执行器得到了广泛的研究和开发，目前已有多种不同驱动原理，不同结构的微型泵，如荷兰Twente大学研制的热气动薄膜泵(图1)，德国Fraunhofer研究所开发的静电致动微型薄膜泵(图2)，日本东北大学研制的压电致动薄膜泵(图3)。图1为荷兰Twente大学热气动薄膜泵结构图。该泵有两块玻璃基板1,2、三块硅片3,4,5组成，利用热气动原理致动、硅片3,4中加工有气室6，在硅片3,4之间有加热元件7，硅片5上有弹性薄膜8泵腔9和单向阀10,11。工作时加热元件7加热气室6中的气体，使之膨胀，压迫薄膜8向下运动，使泵腔9中的流体通过单向阀10流出。当停止加热，气室内的气体冷却，体积缩小，薄膜8回弹，使流体通过单向阀11进入泵腔9，如此循环加热、冷却、即使泵不断工作。
图2为德国Fraunholer研究所静电致动薄膜泵结构图。该泵由一块玻璃片12，三块硅片13,14,15组成。利用静电致动原理工作。玻璃片12和硅片13作为电极，在其间有一绝缘间隔层16，硅片13上开有泵腔17，硅片14,15上开有单向阀18,19。工作时在玻璃片12和硅片13上交替加上电场，使之产生相吸相斥的电场，该电场迫使硅片13的薄膜运动，当电场相斥，薄膜向下运动时，泵腔17内的流体即通过单向阀18排出，当电场为相吸时，薄膜向上运动，泵腔17内即通过单向阀19进入流体。图3为日本东北大学压电致动薄膜泵的结构图，该泵由二块玻璃片20,21、一片硅片22、一个压电晶体23组成。利用压电致动原理工作。两片玻璃片20,21之间夹有硅片22，硅片22上有泵腔24，玻璃片20上有一薄膜25并与压电晶体23相接触。工作时压电晶体23压迫薄膜25向下运动，迫使泵腔24内的流体经单向阀27流出，压电晶体断电时，薄膜25回弹，流体经单向阀26进入泵腔24如此循环工作。
上述几种微型泵由于需要多块元件组成，所以体积较大，结构复杂，装配困难，且驱动电压一般较高。
本发明的目的是提供一种结构简单，驱动电压低的微型泵。
本发明微型泵利用双金属层热致动原理工作，由两片硅薄膜片组成，在硅薄膜片上蚀刻有泵腔，流体沟道和单向阀，并有由硅薄膜、铝薄膜组成的双金属层。在硅薄膜、铝薄膜之间有加热元件，当加热元件通电时，双金属片动作，使泵腔变大，流体通过单向阀进入泵腔，停止通电后，双金属片恢复到原来状态使泵腔变小，压迫流体通过另一单向阀流出。
本发明微型泵硅薄膜片的制作工艺如下(见图5)：
1．首先在双面抛光N型100硅片上，双面热氧化生长8000ASiO240，低压化学气相淀积LPCVD1500A的Si3N441，这两层薄膜作为体硅异向腐蚀掩壁膜。(图5a)
2．正面进行光刻，等离子刻蚀出阀口的腐蚀窗口，使用KOH溶液40％进行异向腐蚀，深度为30μm。(图5b)
3．背面进行双面光刻，等离子刻蚀形成泵腔腐蚀窗口，第二次体硅腐蚀至泵腔单晶硅膜厚10μm左右，此时阀口处只剩下SiO2和Si3N4膜，它们将作为后续工艺的支撑薄膜。(图5c)
4．在背面低氧淀积，扩磷，厚度为1.5μm的SiO2，作为牺牲层材料；双面淀积2μm厚多晶硅，扩磷，浓度为RO=20Ω/□，退火，去除残余应力，正面光刻，等离子刻蚀形成驱动薄膜的加热电阻；背面光刻，刻蚀形成单向阀膜片，HF缓冲液中进行牺牲层腐蚀，释放阀膜片。(图5d)
5．在正面低压化学气相淀积LPCVD淀积Si3N4，厚1000A，光刻及等离子体刻蚀形成绝缘层。(图5e)
6．正面真空蒸发铝膜，厚度为5μm，光刻，腐蚀铝，形成双金属层及电极引线。(图5f)
下片的制作工艺与上片相似，所不同的是增加一次光刻用以形成流体沟道，另外，驱动薄膜及单向阀膜片位于同一面。在上下两硅片制作完成之后，分别在入口和出口处粘接一玻璃管道，最后将两硅片粘接一起组装成一个完整泵体。
本硅微热致动泵由于采用双金属层热致动方式，双面驱动结构，所以作用力大，驱动电压低，结构简单、易于集成，制造方便。
说明附图如下：
图1为荷兰Twente大学热气动薄膜泵结构图。
图2为德国franuhofer研究所静电致动薄膜泵结构图。
图3为日本东北大学压电致动薄膜泵结构图。
图4为本发明硅微热致动泵结构图。
图5本发明微型泵硅薄膜制作工艺过程图。
结合附图说明实施例如下：
本发明硅微热致动泵(图4)由两片硅薄膜片28,29组成，在上硅片28上用蚀刻法制有泵腔30和单向阀31，流体沟道32，在硅片外层，泵腔30的对应部位制有硅，铝双金属层35．具体工艺见前述制作工艺部分在下硅片29上除制有泵腔30，单向阀33，流体沟道34双金属层36外，还制有流体沟道37,38。将上、下两硅片组装后粘接在一起即成本发明硅微热致动泵。工作时，双金属层35,36中的发热元件39通电发热，使硅薄膜向上变形，使泵腔30变大，因此流体即通过沟道32单向阀31沟道37进入泵腔30，当停止通电后，双金属片35,36恢复原位，泵腔30缩小，所以流体即通过沟道38,34，单向阀33排出。如此反复工作。本微型泵的具体尺寸可为：
泵腔尺寸：3mm×3mm×0.7mm 单向阀出口：0.1mm×0.1mm
双金属层厚度：铝膜5μm 单晶硅膜10μm
输入功率：0.45w 工作电压：0-50V
频 率：0-10Hz 电 流：100mA
驱动器电阻：450Ω
Claims (2)
1、一种在硅薄膜片上蚀刻有泵腔，流体沟道和单向阀的硅微热致动泵，其特征是用由单晶硅薄膜，铝薄膜组成的双金属层热致动原理工作，硅薄膜片为两片，在单晶硅薄膜和铝薄膜之间有加热元件。
2、一种硅微热致动泵的制造工艺，其特征是由下述工序组成，
1．首先在双面抛光N型硅片上，双面热氧化生长8000ASiO2，低压化学气相淀积(LPCVD)1500A的Si3N4，这两层薄膜作为体硅异向腐蚀掩壁膜；
2．正面进行光刻，等离子刻蚀出阀口的腐蚀窗口，使用KOH溶液40％进行异向腐蚀，深度为30μm：
3．背面进行双面光刻，等离子刻蚀形成泵腔腐蚀窗口，第二次体硅腐蚀至泵腔单晶硅膜厚10μm左右，此时阀口处只剩下SiO2和Si3N4膜，它们将作为后续工艺的支撑薄膜；
4．在背面低氧淀积，扩磷，厚度为1.5μm的SiO2，作为牺牲层材料；双面淀积2μm厚多晶硅，扩磷，浓度为R0=20Ω/口，退火，去除残余应力，正面光刻，等离子刻蚀形成驱动薄膜的加热电阻；背面光刻，刻蚀形成单向阀膜片，HF缓冲液中进行牺牲层腐蚀释放阀膜片；
5．在正面低压化学气相淀积(LPCVD)淀积Si3N4，厚1000A，光刻及等离子体蚀刻形成绝缘层；
6．正面真空蒸发铝膜，厚度为5μm，光刻，腐蚀铝，形成双金属层及电极引线。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100335784C (zh) * | 2003-12-05 | 2007-09-05 | 清华大学 | 微型薄膜泵 |
| CN100540896C (zh) * | 2006-08-11 | 2009-09-16 | 中国科学院电子学研究所 | 一种新型自吸微型泵 |
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| CN101377191B (zh) * | 2007-08-30 | 2012-02-15 | 研能科技股份有限公司 | 流体输送装置的制造方法 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1320275C (zh) * | 2003-05-06 | 2007-06-06 | 王勤 | 具有双向过压保护功能的微量薄膜泵及其应用 |
| CN100458152C (zh) * | 2004-03-24 | 2009-02-04 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种微机械往复膜片泵 |
| CN101581291B (zh) * | 2008-05-16 | 2012-03-21 | 研能科技股份有限公司 | 流体输送装置 |
| CN105526135B (zh) * | 2015-12-08 | 2018-02-06 | 北京有色金属研究总院 | 一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵及其制备方法 |
| CN107339228A (zh) * | 2017-06-26 | 2017-11-10 | 歌尔股份有限公司 | 微流泵浦结构、系统及制作方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1014563B (zh) * | 1985-02-01 | 1991-10-30 | 松下电器产业株式会社 | 磁带加载装置 |
| US5375979A (en) * | 1992-06-19 | 1994-12-27 | Robert Bosch Gmbh | Thermal micropump with values formed from silicon plates |
-
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1014563B (zh) * | 1985-02-01 | 1991-10-30 | 松下电器产业株式会社 | 磁带加载装置 |
| US5375979A (en) * | 1992-06-19 | 1994-12-27 | Robert Bosch Gmbh | Thermal micropump with values formed from silicon plates |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100335784C (zh) * | 2003-12-05 | 2007-09-05 | 清华大学 | 微型薄膜泵 |
| CN100540896C (zh) * | 2006-08-11 | 2009-09-16 | 中国科学院电子学研究所 | 一种新型自吸微型泵 |
| CN101377191B (zh) * | 2007-08-30 | 2012-02-15 | 研能科技股份有限公司 | 流体输送装置的制造方法 |
| WO2009152775A1 (zh) * | 2008-06-20 | 2009-12-23 | 微创医疗器械(上海)有限公司 | 一种微型泵 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1132317A (zh) | 1996-10-02 |
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