CN106849747A - 一种mems压电超声泵 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS压电超声泵，涉及压电超声泵。提供结构简单紧凑、体积微小型化、流量大、可靠性高、适用于微流控装置中的流体驱动、计算机CPU芯片与微器件及微系统的散热、生物医疗中的给药注射、航空航天中的测控等领域的一种MEMS压电超声泵。设有上硅片、下硅片、压电陶瓷片；所述上硅片和下硅片结构相同，上硅片和下硅片为圆环形，上硅片和下硅片上设有圆环形流道，上硅片和下硅片键合后形成MEMS压电超声泵的腔体；所述腔体设有入水口和出水口，压电陶瓷片贴合在下硅片上，相邻压电陶瓷片有间隔，且极化方向相反；在压电陶瓷片上下两面施加振幅相同、相位差为90°的高频交流电压。
Description
技术领域
本发明涉及压电超声泵，尤其是涉及一种MEMS压电超声泵。
背景技术
压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
微机电系统(Microelectromechanical Systems,简称MEMS)是上世纪80年代以来在微电子技术基础上发展起来的一种先进的制造技术平台，最初是追求将微电子电路与作为传感或驱动用的微机械结构集成在一起而构成微系统，现在已发展成为一个多学科交叉的既有工程技术应用又有前沿科学与技术探索的新领域，涉及微电子、材料、机械学、力学、物理、化学、生物、医学等诸多学科。经过二十几年的快速发展，基于MEMS技术的许多器件如微型压力传感器、微加速度计、微喷墨打印头等已成功应用于汽车电子、消费电子、生物医学等领域。
MEMS工艺与传统的IC工艺有许多相似之处，如光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光工艺等。复杂的三维微机械结构难以用IC工艺实现，必须采用MEMS微加工技术制造。
MEMS微加工技术主要包括体硅微加工技术和表面微加工技术。体硅加工技术是指沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺，包括湿法刻蚀和干法刻蚀，是实现三维结构的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉积、光刻以及刻蚀工艺，通过在牺牲层薄膜上沉积结构层薄膜，然后去除牺牲层释放结构层实现可动结构。MEMS技术还有其他许多特殊的微加工技术，应用在不同场合。
压电泵分为压电薄膜泵与压电超声泵，压电超声泵在原理上不同于当前各种微流体驱动技术，它是利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声振动，在输送管道壁上激起行波，使管道内的液体产生行波声场，在雷诺切应力、声流、声辐射压力、管壁粘附力和液体分子间的作用力共同作用下，使液体沿行波方向运动，是一种新的微流体驱动技术。
公开号为US 4344743A的美国专利公开了一种压电驱动的薄膜泵，其腔室主要由一个弯曲的超薄的压电薄膜圆片组成，压电薄膜因施加电压的变化而伸缩，使腔室体积变化，从而驱动流体的流动。公开号为US 6450773 B1的美国专利公开了一种压电真空泵及其使用方法，其本质仍然是利用压电薄膜组成的腔体在电信号的施加下，通过改变其容积从而提供驱动力，实现真空。公开号为EP 2101060的欧洲专利公开了一种压电超声泵，主要是一个流体管，内部中空，流体管内有压电驱动器，压电驱动器前方是锥形的喷头。压电驱动器是一个多孔的圆环形结构，顶上的压电片与电源相连，电源施加交流电使压电片振动，当频率与压电驱动器固有频率相同时产生共振，使整个压电驱动器激发出超声波，超声波引起周围流体的振荡，锥形的喷头使得流体易出难进，从而驱动了流体流动。近年来，国内对压电超声泵的研究也逐渐增多。中国专利CN 101000050A公开了一种半钹型吸入式压电超声泵，主要包括，泵壳、密封胶圈、以及驱动部件，因采用半钹型驱动部件，在超声频率的信号源激励下，将压电陶瓷径向小幅超声振动放大为半钹型金属弹性体平锥顶沿轴向的大幅超声振动，并驱动流体沿出水管道内壁爬升，实现流体的驱动。中国专利CN 102996418A公开一种能实现双向流动的超声流微泵，它由多个声流微泵单元串接而成，每个声流微泵单元的流体腔包括入口腔、出口腔、声流腔和回流腔四部分形成H形腔体结构。当压电驱动器施加高频正弦电压时，底部压电片产生振动，近压电片的声流腔内出现了高强度超声场，它促使超声场内的液体沿着超声波的行进方向流动，形成净流动。
发明内容
本发明的目的在于提供结构简单紧凑、体积微小型化、流量大、可靠性高、适用于微流控装置中的流体驱动、计算机CPU芯片与微器件及微系统的散热、生物医疗中的给药注射、航空航天中的测控等领域的一种MEMS压电超声泵。
本发明设有上硅片、下硅片、压电陶瓷片；所述上硅片和下硅片结构相同，上硅片和下硅片为圆环形，上硅片和下硅片上设有圆环形流道，上硅片和下硅片键合后形成MEMS压电超声泵的腔体；所述腔体设有入水口和出水口，压电陶瓷片贴合在下硅片上，相邻压电陶瓷片有间隔，且极化方向相反；在压电陶瓷片上下两面施加振幅相同、相位差为90°的高频交流电压。
所述上硅片的外径可为10mm，内径可为3mm，圆环形流道的宽度可为2mm，圆环形流道的深度可为0.8mm，上硅片和下硅片的高度可均为2mm。
所述入水口和出水口可采用矩形入水口和出水口。
所述压电陶瓷片可采用PZT压电陶瓷片，压电陶瓷片可采用扇形压电陶瓷片，所述扇形压电陶瓷片的内外径与上硅片和上硅片相同，每片扇形压电陶瓷片的圆心角可为10～90°，压电陶瓷片的高度可为3mm，压电陶瓷片的数量可为4～30片，优选20片，压电陶瓷片对应的频率可为352.12Hz，所以在压电陶瓷片上施加的交流电的频率为352.12Hz，相邻的压电陶瓷片相位差为90°，在此行波驱动下，MEMS压电超声泵的驱动流量可达103.8mm3/s。具体的PZT压电陶瓷的片数由所设计的泵的超声工作频率确定。
本发明的基本工作原理为压电效应及其逆压电效应，本发明采用的压电材料为压电陶瓷PZT，在压电陶瓷上施加电压会产生位移，施加交流电压时则会产生驻波波形，而施加振幅相同，相位差为90°的交流电压时，则会产生行波，从而驱动泵内流体流动。
所述上硅片和下硅片可采用以下方法制备：
(1)硅片标准清洗；
(2)在硅片上铺光刻胶，曝光后刻出压电超声泵的基本的内部和外形结构；
(3)采用低温等离子刻蚀出压电超声泵的内部和部分外形结构；
(4)去胶和端面化学机械抛光；
(5)上硅片和下硅片直接键合；
(6)光刻出上硅片压电超声泵的外形和内部的内径孔；
(7)刻蚀出上硅片压电超声泵完整的外形和内部的内径；
(8)去胶；
(9)光刻出下硅片压电超声泵的外形和内部的内径孔；
(10)刻蚀出下硅片压电超声泵完整的外形和内部的内径；
(11)去胶并标准清洗后获得完整的超声压电泵；
(12)采用强力胶，把压电陶瓷片粘贴在下硅片的底部。
本发明利用压电陶瓷片在交流电压下振动激发行波的原理来驱动流体，泵的腔体采用MEMS技术设计加工制造，结构简单紧凑，体积微小型化，流量大，可靠性高，适用于微流控装置中的流体驱动、计算机CPU芯片与微器件及微系统的散热、生物医疗中的给药注射、航空航天中的测控等领域，应用前景广阔。
本发明不同于传统机械泵，本发明借助压电效应，采用PZT压电陶瓷激发的超声波为驱动力驱动流体流动。其优点在于整体结构更简单、体积更小、驱动由电信号控制、灵敏度更高、驱动过程易于调控、材料屈服强度高，故使用寿命更长；驱动流量更高。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图。
图2为本发明实施例的上硅片和下硅片结构示意图。
图3为本发明实施例的PZT压电陶瓷片的分布图。
图4本发明实施例的PZT压电陶瓷片的极化图。
具体实施方式
参见图1～4，本发明实施例设有上硅片1、下硅片2、压电陶瓷片5；所述上硅片1和下硅片2结构相同，上硅片1和下硅片2为圆环形，上硅片1和下硅片2上设有圆环形流道，上硅片1和下硅片2键合后形成MEMS压电超声泵的腔体；所述腔体设有入水口3和出水口4，压电陶瓷片5贴合在下硅片2上，相邻压电陶瓷片5有间隔，且极化方向相反；在压电陶瓷片5上下两面施加振幅相同、相位差为90°的高频交流电压。
所述上硅片1的外径为10mm，内径为3mm，圆环形流道的宽度为2mm，圆环形流道的深度为0.8mm，上硅片1和下硅片2的高度均为2mm。
所述入水口3和出水口4采用矩形入水口和出水口。
所述压电陶瓷片5采用PZT压电陶瓷片，压电陶瓷片5采用扇形压电陶瓷片，所述扇形压电陶瓷片的内外径与上硅片1和上硅片2相同，每片扇形压电陶瓷片的圆心角为10～90°，压电陶瓷片5的高度为3mm，压电陶瓷片5的数量为20片，压电陶瓷片5对应的频率为352.12Hz，所以在压电陶瓷片5上施加的交流电的频率为352.12Hz，相邻的压电陶瓷片5相位差为90°，在此行波驱动下，MEMS压电超声泵的驱动流量达103.8mm3/s。具体的PZT压电陶瓷的片数由所设计的泵的超声工作频率确定。
本发明的基本工作原理为压电效应及其逆压电效应，本发明采用的压电材料为压电陶瓷PZT，在压电陶瓷上施加电压会产生位移，施加交流电压时则会产生驻波波形，而施加振幅相同，相位差为90°的交流电压时，则会产生行波，从而驱动泵内流体流动。
在压电陶瓷片5上下两面施加振幅相同、相位差为90°的高频交流电压，由于逆压电效应PZT压电陶瓷片5产生形变，激发行波，行波驱动泵内流体流动，施加交流电的频率不同，激发的行波形态也不同。
以下给出具体工艺过程，其中选用大小为4英寸，厚度为500μm的P(100)硅片为基底：
(1)硅片标准清洗：硅片在涂胶前需要进行标准清洗，以有效去除残留在硅片表面的有机、无机和金属颗粒。
(2)以SU8-25为光刻胶光刻出压电超声泵的内部和外形结构，胶层厚约为50μm；
(3)采用低温等离子刻蚀出压电超声泵的内部和部分外形结构，SF6流速为130sccm，RF功率为1000W，刻蚀深度为400μm。硅片的刻蚀速率约为2μm/min，硅片和SU8-25光刻胶刻蚀速率选择性比为50︰1；
(4)去胶和端面化学机械抛光：采用发烟硫酸来去除残余SU8-25胶模。在发烟硫酸的刻蚀作用下，交联SU8-25胶模表面被腐蚀成粘稠状的小碎片，然后再置于H2SO4和H3PO4的混合酸中反复超声清洗数次。为提升后续的键合质量和强度，采用化学机械抛光对端面进行粗抛和精抛，抛光后表面粗糙度小于1nm。
(5)下硅片直接键合：键合前硅片进行清洗，其中键合压力为2000N，退火温度为1000℃，退火时间为60min。
(6)光刻出上硅片压电超声泵的外形和内部的内径孔；
(7)刻蚀出上硅片压电超声泵完整的外形和内部的内径，刻蚀深度为100μm；
(8)去胶；
(9)光刻出下硅片压电超声泵的外形和内部的内径孔；
(10)刻蚀出下硅片压电超声泵完整的外形和内部的内径，刻蚀深度为100μm；
(11)去胶并标准清洗后获得完整的超声压电泵；
(12)采用强力胶，如502胶，将压电陶瓷片粘贴在下硅片的底部。
Claims (10)
1.一种MEMS压电超声泵，其特征在于设有上硅片、下硅片、压电陶瓷片；所述上硅片和下硅片结构相同，上硅片和下硅片为圆环形，上硅片和下硅片上设有圆环形流道，上硅片和下硅片键合后形成MEMS压电超声泵的腔体；所述腔体设有入水口和出水口，压电陶瓷片贴合在下硅片上，相邻压电陶瓷片有间隔，且极化方向相反；在压电陶瓷片上下两面施加振幅相同、相位差为90°的高频交流电压。
2.如权利要求1所述一种MEMS压电超声泵，其特征在于所述上硅片的外径为10mm，内径为3mm。
3.如权利要求1所述一种MEMS压电超声泵，其特征在于所述圆环形流道的宽度为2mm，圆环形流道的深度为0.8mm。
4.如权利要求1所述一种MEMS压电超声泵，其特征在于所述上硅片和下硅片的高度均为2mm。
5.如权利要求1所述一种MEMS压电超声泵，其特征在于所述入水口和出水口采用矩形入水口和出水口。
6.如权利要求1所述一种MEMS压电超声泵，其特征在于所述压电陶瓷片采用PZT压电陶瓷片。
7.如权利要求1所述一种MEMS压电超声泵，其特征在于所述压电陶瓷片采用扇形压电陶瓷片。
8.如权利要求1所述一种MEMS压电超声泵，其特征在于所述扇形压电陶瓷片的内外径与上硅片和上硅片相同，每片扇形压电陶瓷片的圆心角为10～90°，压电陶瓷片的高度为3mm。
9.如权利要求1所述一种MEMS压电超声泵，其特征在于所述压电陶瓷片的数量为4～30片。
10.如权利要求9所述一种MEMS压电超声泵，其特征在于所述压电陶瓷片的数量为20片。
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