CN107188109A - 一种低驱动电压凹面电极静电执行器及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微机电技术领域，尤其涉及一种低驱动电压凹面电极静电执行器及制作方法，静电执行器包括：由弹性薄膜作为上电极和由塑性薄膜作为凹面电极，上电极的下表面和凹面电极的上表面之间形成封闭空间；电极或凹面电极的上、下表面均为绝缘薄膜。制作方法包括：分别对具有硅厚度和氧化层厚度的两个SOI片进行、清洗、热氧化、气相沉积氮化层后进行曝光、刻蚀后进行键合，最后通过填充环氧树脂胶并固化收缩效应或通过真空吸盘抽空形成凹面结构。本发明的凹面电极静电执行器可用于泵腔的执行器或主动式阀门的执行器，不仅简化微泵加工工艺，而且能够使以往微泵高于100V的驱动电压降低到几十伏，大大增加了静电式微泵的驱动力。

Description

一种低驱动电压凹面电极静电执行器及制作方法
技术领域
本发明属于微机电技术领域，尤其涉及一种低驱动电压凹面电极静电执行器及制作方法。
背景技术
基于微机电技术的微型泵是微流体系统中的关键部件微泵作为微流体系统的驱动部件，在生物、化学、医疗、检疫以及国防等方面构建微分析系统(μTAs)有着广泛的用途。迄今为止，已有多种基于不同原理或结构类型的微泵问世。与传统工艺相比，应用微机电技术可在很大程度上降低微型泵的成本，提高其使用寿命和精度。现有机械式振动膜微泵的执行器多采用压电驱动方式或静电驱动方式。微泵泵腔薄膜在驱动力作用下往复运动，使腔体压力交替变化，在阀门和泵腔的共同作用下，实现泵浦功能。
静电式微泵可以采用全硅的工艺，并且能够与IC工艺相兼容，在批量化生产上有很大的优势，且其驱动力较大、功耗低，有很大的应用前景。但是，由于通常所采用的平行电极执行器，在静电作用下实现平面电极的吸合，所需要的驱动电压偏高、驱动频率较高其振幅小，限制了其在诸多领域的应用。因此，降低驱动电压对于静电式微泵的应用有重要的意义。
发明内容
针对以往静电驱动电压过高的问题，本发明提供一种低驱动电压凹面电极静电执行器，包括：由弹性薄膜作为上电极和由塑性薄膜作为凹面电极，上电极的下表面和凹面电极的上表面之间形成闭合运动空间。
所述上电极或凹面电极的上、下表面均为绝缘薄膜。
所述上电极由具有弹性的硅薄膜层构成，其厚度为10-50微米。
所述凹面电极由具有塑性形变能力的硅薄膜层构成，其厚度为10-80微米。
所述封闭空间内的中心凹点下凹距离为5-50微米。
所述绝缘薄膜的材料为氧化硅或氧化铝。
所述上电极的下表面或凹面电极的上表面经过粗糙处理，形成厚度为10-100纳米的粗糙面。
一种低驱动电压凹面电极静电执行器的制作方法，包括：
步骤1、选取两片具备一定硅厚度和氧化层厚度的SOI片用于制作上电极和凹面电极，分别标记为SOI-T片和SOI-B片；
步骤2、将两种SOI片分别进行标准RCA清洗后，进行湿法热氧化并采用低压化学气相沉积生长氮化层；
步骤3、将SOI-T片进行曝光和浅刻蚀工艺后，形成图形标记；将底电极区域进行刻蚀，以方便与引线相连；将器件层硅与泵腔体层硅进行键合，形成完整微泵腔体，键合完后对SOI-T底层硅进行减薄；
步骤4、将SOI-B片上表面进行曝光和浅刻蚀工艺，形成图形标记，并在电极形变区进行表面粗糙处理，然后将底电极区域进行刻蚀，以方便与引线相连；
步骤5、在SOI-B背底面相应于曲面电极部分进行光刻、深刻蚀微加工，直至刻蚀至SOI内部氧化硅层；
步骤6、将刻蚀好的SOI-B与已经与泵体部分键合的SOI-T底部进行直接键合；
步骤7、将SOI-B片上的深硅刻蚀区域填充环氧树脂胶，然后用玻璃与SOI-B片进行键合或粘接；由于顶层硅薄膜因环氧树脂胶的固化收缩效应而形成凹面结构；凹面收缩的幅度可通过环氧树脂的成分调节来实现。
所述步骤7还可通过下列方法进行替换：
对键合好的SOI-B片面置入真空吸盘上抽真空，SOI-B面的曲面电极薄膜形成凹面的塑性形变，最后对背面进行封装处理。
所述凹面的塑性形变的幅度可通过真空压力大小来调节。
本发明的有益效果在于：本发明的凹面电极静电执行器，可用于泵腔的执行器也可用于主动式阀门的执行器。与以往平面结构静电执行器相比，本发明所述凹面电极静电执行器不仅可以简化MEMS微泵的加工工艺，而且能够使以往MEMS微泵高于100V的驱动电压降低到几十伏，大大增加了静电式微泵的驱动力。
附图说明
图1为曲面电极静电执行器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
一种低驱动电压凹面电极静电执行器，如图1所示，包括：由弹性薄膜作为上电极02和由可产生塑性形变薄膜作为凹面电极07，上电极的下表面和凹面电极的上表面之间形成闭合空间。04为起结构支撑作用的Si层。
所述上电极02为硅薄膜层，其厚度为10-50微米，其上、下层分别为具有绝缘性能的氧化硅薄膜01、05，以保护上电极02，其厚度为200-400纳米。
所述凹面电极07为硅薄膜层，其厚度为10-80微米，其剖面为向下凹进的弧形结构，其中心凹进距离为5-50微米；凹面电极，通过使平整的硅薄膜形成塑性形变的方法实现。
所述凹面电极07，其上、下层为具有绝缘性能的氧化硅薄膜07、03，以保护凹面电极07，其厚度为200-400纳米。
所述具有绝缘性能的氧化硅薄膜05、06，其表面采用微纳加工工工艺进行粗糙化处理，形成粗糙厚度为几十纳米的表面。
所述氧化硅薄膜05、06，形成粗糙厚度为几十纳米的表面，其目的在于降低与下表面的黏连性，提高静电驱动力。
所述凹面电极静电执行器，其上凹面电极层由键合工艺键合而成。
实施例1
首先选取器件层硅厚度分别为20微米和40微米、氧化层厚度为300纳米的SOI片分别用作上电极层和凹面电极层，为方便表述该两种SOI片分别标记为SOI-T片和SOI-B片。
将上述两种SOI片分别进行标准RCA清洗(半导体标准清洗工艺)后，进行湿法热氧化并采用低压化学气相沉积生长氮化层。其中氧化层厚度为200纳米、氮化层厚度为100纳米。
将SOI-T片进行曝光和浅刻蚀工艺后，形成图形标记。将底电极区域进行刻蚀，以方便与引线相连。然后将器件层硅与泵腔体层硅进行键合。形成完整微泵腔体。键合完后对SOI-T底层硅进行减薄使底层硅层剩余5-10微米。
将SOI-B片上表面进行曝光和浅刻蚀工艺，形成图形标记，并在电极形变区进行表面粗糙处理。然后将底电极区域进行刻蚀，以方便与引线相连。
在SOI-B背底面相应于曲面电极部分进行光刻、深刻蚀等微加工。直至刻蚀至SOI内部氧化硅层。
将刻蚀好的SOI-B与已经与泵体部分键合的SOI-T底部进行直接键合。
将SOI-B片上的深硅刻蚀区域填充环氧树脂胶，然后用玻璃与SOI-B片进行键合或粘接。由于顶层硅薄膜因环氧树脂胶的固化收缩效应而形成凹面结构。凹面收缩的幅度可通过环氧树脂的成分调节来实现。
实施例2
首先选取器件层硅厚度分别为20微米和40微米、氧化层厚度为300纳米的SOI片分别用作上电极层和凹面电极层，为方便表述该两种SOI片分别标记为SOI-T片和SOI-B片。
将上述两种SOI片分别进行标准RCA清洗(半导体标准清洗工艺)后，进行湿法热氧化并采用低压化学气相沉积生长氮化层。其中氧化层厚度为200纳米、氮化层厚度为100纳米。
将SOI-T片进行曝光和浅刻蚀工艺后，形成图形标记。将底电极区域进行刻蚀，以方便与引线相连。然后将器件层硅与泵腔体层硅进行键合。形成完整微泵腔体。键合完后对SOI-T底层硅进行减薄使底层硅层剩余5-10微米。
将SOI-B片上表面进行曝光和浅刻蚀工艺，形成图形标记，并在电极形变区进行表面粗糙处理。然后将底电极区域进行刻蚀，以方便与引线相连。
在SOI-B背底面相应于曲面电极部分进行光刻、深刻蚀等微加工。直至刻蚀至SOI内部氧化硅层。
将刻蚀好的SOI-B与已经与泵体部分键合的SOI-T底部进行直接键合。
对键合好的SOI-B片面置入真空吸盘上抽真空。在一定的真空压力下，SOI-B面的曲面电极薄膜形成凹面的塑性形变。凹面形变的幅度可通过真空压力大小来调节。最后对背面进行封装处理。
上述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种低驱动电压凹面电极静电执行器，其特征在于，包括：由弹性薄膜作为上电极和由塑性薄膜作为凹面电极，上电极的下表面和凹面电极的上表面之间形成封闭空间。
2.根据权利要求1所述静电执行器，其特征在于，所述上电极或凹面电极的上、下表面均为绝缘薄膜。
3.根据权利要求1所述静电执行器，其特征在于，所述上电极由具有弹性的硅薄膜层构成，其厚度为10-50微米。
4.根据权利要求1所述静电执行器，其特征在于，所述凹面电极由具有塑性形变能力的硅薄膜层构成，其厚度为10-80微米。
5.根据权利要求1所述静电执行器，其特征在于，所述封闭空间内的中心凹点下凹距离为5-50微米。
6.根据权利要求2所述静电执行器，其特征在于，所述绝缘薄膜的材料为氧化硅或氧化铝。
7.根据权利要求1所述静电执行器，其特征在于，所述上电极的下表面或凹面电极的上表面经过粗糙处理，形成厚度为10-100纳米的粗糙面。
8.一种低驱动电压凹面电极静电执行器的制作方法，其特征在于，包括：
步骤1、选取两片具备一定硅厚度和氧化层厚度的SOI片用于制作上电极和凹面电极，分别标记为SOI-T片和SOI-B片；
步骤2、将两种SOI片分别进行标准RCA清洗后，进行湿法热氧化并采用低压化学气相沉积生长氮化层；
步骤3、将SOI-T片进行曝光和浅刻蚀工艺后，形成图形标记；将底电极区域进行刻蚀，以方便与引线相连；将器件层硅与泵腔体层硅进行键合，形成完整微泵腔体，键合完后对SOI-T底层硅进行减薄；
步骤4、将SOI-B片上表面进行曝光和浅刻蚀工艺，形成图形标记，并在电极形变区进行表面粗糙处理，然后将底电极区域进行刻蚀，以方便与引线相连；
步骤5、在SOI-B背底面相应于曲面电极部分进行光刻、深刻蚀微加工，直至刻蚀至SOI内部氧化硅层；
步骤6、将刻蚀好的SOI-B与已经与泵体部分键合的SOI-T底部进行直接键合；
步骤7、将SOI-B片上的深硅刻蚀区域填充环氧树脂胶，然后用玻璃与SOI-B片进行键合或粘接；由于顶层硅薄膜因环氧树脂胶的固化收缩效应而形成凹面结构；凹面收缩的幅度可通过环氧树脂的成分调节来实现。
9.根据权利要求8所述静电执行器的制作方法，其特征在于，所述步骤7还可通过下列方法进行替换：
对键合好的SOI-B片面置入真空吸盘上抽真空，SOI-B面的曲面电极薄膜形成凹面的塑性形变，最后对背面进行封装处理。
10.根据权利要求8所述静电执行器的制作方法，其特征在于，所述凹面的塑性形变的幅度可通过真空压力大小来调节。
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