CN1081294C - 采用形状记忆合金/硅双层驱动膜结构的微泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用形状记忆合金/硅双层驱动膜结构的微泵，它由NiTi形状记忆合金薄膜1及Si薄膜2构成的双层驱动膜、泵腔体3、进水泵4和出水阀5等组成。该微泵采用在泵腔体材料Si上直接沉淀形状记忆合金NiTi薄膜，形成NiTi/Si可双向运动的驱动膜，并运用微细图形化技术对结构进行优化设计。具有结构及制备工艺简单、输出流量大、驱动频率高、可控性强、功耗低、寿命长的特点。

Description

采用形状记忆合金/硅双层驱动膜结构的微泵

本发明涉及一种薄膜压缩型微泵，尤其涉及一种采用形状记忆合金/硅双层驱动膜结构的微泵，属于微流体传输与控制、微机械技术领域。

微流量系统能精确检测和控制每分钟微升量级的流量，在药物微量输送、燃料微量喷射、细胞分离、集成电子元件冷却以及微量化学分析等方面有着重要的应用前景，作为该系统核心部分的微泵，目前较多的是薄膜型压缩微泵。它的流量的控制是通过驱动膜的往复运动引起泵腔体的体积变化而实现的。驱动膜的驱动原理有压电、静电、电磁、热气动、热流动、双金属效应和形状记忆效应驱动等。压电、静电、电磁属于高频驱动，相应泵的流量较大，但所需的驱动电压通常在上百伏，难以与IC电路的工作电压相匹配。而热气动、热流动、双金属、形状记忆效应驱动属低频驱动，相应的泵的流量也较小，最大仅在40-50ul/min左右。在以上各种驱动方式中形状记忆合金薄膜驱动功密度达5×10⁷J/m³，比其他静电、压电、电磁、气动、双金属的驱动功密度要大近两个数量级，具有应变大，驱动力大的优点，被公认为是一种较理想的驱动方式。其中，用形状记忆合金薄带或丝来制作此类驱动器，虽然输出驱动力比用薄膜制备的要大，但制备工艺与硅微细加工工艺不能完全兼容，而且耗电大，驱动频率也不如薄膜的高。美国Case Western Reserve大学研制的用形状记忆合金薄膜驱动的微泵是目前国际上公布的唯一此类微泵(Thin-film shape-memory alloyactuated micropumps.Journal of Microelectromechanicals ystems，1998，7(2)：245-251)。在他们的研究中采用两种驱动膜结构，一种是用两组对称、互补的记忆合金薄膜结构实现双向位移的，但是由于形状记忆合金薄膜本身又是泵腔体的封闭膜，工作介质只能采用介电常数高的液体。另一种是用聚烯亚胺薄膜代替第一种结构中的产生向上运动的形状记忆合金薄膜驱动机构，虽然解决了电隔离的问题，但驱动位移明显下降。以上两种驱动方法结构都较复杂(整个微泵为5层硅结构)，需要两组加热控制系统或引入聚烯亚胺薄膜制备工艺，增加了制造和装配的复杂性。另外，其最大的不足是形状记忆合金薄膜没有实现图形化，因此在驱动功率和驱动频率没有完全体现出形状记忆合金薄膜的优越性。

本发明的目的是提供一种采用形状记忆合金/硅(NiTi/Si)双层驱动膜结构的微泵，它具有结构及工艺简单、功耗小、输出流量大、可控制性强、工作寿命长的特点。

本发明是用形状记忆合金薄膜驱动的微泵。本发明的驱动结构为NiTi/Si双层膜驱动结构，它是利用形状记忆合金薄膜大的应力应变输出和Si薄膜良好的弹性偏置力实现双向位移的。NiTi薄膜晶化后，室温下为马氏体结构，驱动膜处于平直状态。奥氏体时，驱动膜因形状恢复引发的内应力而下凹，马氏体时，上述应力因马氏体形变而释放，在硅反向弹性偏置力的作用下，驱动膜又回复到最初的平直状态。工作时，通过施加脉冲电流使NiTi薄膜围绕相变温度交替加热—冷却，薄膜的晶体结构随温度变化在马氏体和奥氏体之间按一定频率改变，驱动膜便可产生垂直方向的往复运动。在本发明中，运用微细图形化技术和NiTi/Si驱动结构的特点，对形状记忆合金NiTi薄膜的驱动图形进行了优化设计，不仅减少了微泵所需的驱动功率，而且NiTi/Si驱动膜形变量和泵腔体的体积变化量增加，提高了驱动效率，增加了输出流量。本发明中采用金-硅键合方法对微阀中的阀盖与阀座进行键合，最小程度减少了由于键合中所引起的泵腔体的固有体积增加和泵的压缩比减小，并且提高了键合的可靠性。

由于本发明采用了以上措施，与现有技术相比，具有结构及制备工艺简单，输出流量大、驱动频率高、流量可控性强、功耗低、寿命长的特点。此外，本发明采用微细加工和微机械技术相兼容的材料和工艺制造，体积小、成本低、容易和其他微检测和微控制元件集成，适应于大批量生产，具有可观的应用前景。

本发明的外形尺寸为6mm*6mm*1.5mm，NiTi/Si驱动膜尺寸为3mm*3mm*15-20μm。与国际上唯一的同类微泵相比，在驱动面积相同的条件下，最大流量之比为：340∶50μl/min；最高驱动频率之比为：100Hz∶1.2Hz；在输出流量相同时，驱动功率之比为0.1∶0.6W；本发明的工作寿命已超过400小时，NiTi/Si驱动膜的往复振动次数已超过5千万次(寿命数据国外未有报道)。

图1为本发明采用NiTi/Si双层驱动膜结构的微泵的结构示意图。

图2为本发明的NiTi薄膜图形优化结构图。

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细说明。

本发明是由NiTi/Si双层驱动膜、泵腔体及两个单向硅薄片被动阀组成的出水阀和进水阀所构成。图1为本微泵的结构示意图。它是由NiTi形状记忆合金薄膜1及Si薄膜2构成的双层驱动膜；泵腔体3；进水阀4；出水阀5；及进水口6和出水口7组成。驱动膜位于泵腔体3的顶部，驱动膜的形变导致了泵腔体体积和压力的变化。即通电加热时，驱动膜向下位移，使泵腔体3的体积减小，压力增加。当压力大于出水阀5的预应力及出水口7外的压力时，阀被打开，液体从出水口7流出。当停止加热后，驱动膜向上运动，相应的泵腔体体积增加，压力减小。当进水口6压力大于进水阀4的预张力和泵腔体内的压力时，进水阀4开启，液体被泵入泵腔体。随着驱动膜周期性的运动，液体也不断地被抽入和泵出。微泵的流量范围可通过驱动膜和阀的尺寸设计来控制。而一旦泵的设计确定后，泵的流量在一定范围内可通过改变施加的功率和频率来调节。

NiTi/Si驱动膜中的NiTi薄膜1是采用磁控射频溅射的方法，沉积在厚度约为500μm，直径为76.2mm，[100]取向的Si衬底上，溅射靶材为富Ti的NiTi合金靶。沉积得到的薄膜成分：钛含量的原子百分比为51.5％，镍含量的原子百分比为48.5％；厚度为4-7μm。Si薄膜厚度为NiTi薄膜的1.5-3倍。在此厚度比范围内，驱动膜的位移最大。用双面自对准光刻的方法和KOH硅各向异性腐蚀剂在NiTi图形的背面开腐蚀掩膜窗口并刻蚀至所需的Si膜厚度。NiTi薄膜的的图形优化结构是采用化学刻蚀的方法实现的。图2是该结构的示意图。NiTi电阻条8的宽度约为50-60μm，间隔9宽度约为20-30μm。NiTi薄膜驱动图形位于泵腔体3的顶部，其尺寸不大于腔体的外框，这样可充分利用有效驱动面积，提高驱动效率。进出水阀4，5均采用被动式单向硅悬臂阀，阀悬臂和阀座分别制作在两片Si片上。阀悬臂与阀片采用金-硅共晶的方法键合。用溅射金薄膜作为键合剂，可精确控制金膜的厚度，用光刻和化学腐蚀法保留仅需键合处的金膜，最小程度上减小了由键合引起的泵腔体固有体积的增加，并且增加了键合的可靠性。

Claims (5)

1.一种采用形状记忆合金/硅双层驱动膜结构的微泵，由形状记忆合金NiTi薄膜驱动元件、泵腔体、进水和出水两个硅微阀组成，其特征在于：在泵腔体(3)顶部的材料Si(2)上直接沉积形状记忆合金NiTi薄膜(1)，形成NiTi/Si可双向运动的驱动膜。

2.根据权利要求1所述的采用形状记忆合金/硅双层驱动膜结构的微泵，其特征在于：对NiTi/Si双向驱动膜中的NiTi薄膜(1)进行了图形化处理。

3.根据权利要求2所述的采用形状记忆合金/硅双层驱动膜结构的微泵，其特征在于：对NiTi薄膜(1)的图形化结构中，NiTi电阻条(8)的宽度为50-60μm，间隔(9)的宽度为20-30μm，该图形化结构的尺寸大小在泵腔体(3)的外框(10)范围之内。

4.根据权利要求1所述的采用形状记忆合金/硅双层驱动膜结构的微泵，其特征在于：NiTi薄膜(1)的厚度为4-7μm，Si薄膜(2)的厚度为NiTi薄膜(1)的1.5-3倍。

5.根据权利要求1所述的采用形状记忆合金/硅双层驱动膜结构的微泵，其特征在于：在对硅微阀(4，5)的阀悬臂和阀座进行键合时，采用金-硅共晶键合技术。

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