CN112814880B - 实现注入电荷驱动的微泵芯片结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现注入电荷驱动的微泵芯片结构，包括泵腔体和两个扩展腔体和两个被动阀构成，所述的微泵芯片由上极板和下极板通过熔融材料层键合构成，所述的上极板和下极板均由键合框架和通过矩形环弹簧支撑的悬挂矩形板构成，且上极板和下极板的键合框架内都连接在键合框架上的连续无孔复合薄膜。采用了本发明的实现注入电荷驱动的微泵芯片结构，以静电排斥力取代弹簧力作为驱动的回复力设计，使得弹簧力可做独立设计，避免了设计过程中的许多冲突，还可发挥弹簧力的作用来改进微泵的性能。利用这种特性，可对微泵进行紧凑设计，即可避免极板互撞，增加长期可靠性；并充分减小无用泵腔体空间，增加微泵的有效压缩，进一步提高微泵的整体性能。

Description

实现注入电荷驱动的微泵芯片结构

技术领域

本发明涉及微电子机械系统领域，尤其涉及MEMS气体微泵芯片设计领域，具体是指一种实现注入电荷驱动的微泵芯片结构。

背景技术

到目前为止，对于MEMS微泵，人们尝试了很多驱动方法，包括静电式、压电式、热气动式、记忆合金式、双金属式、电磁式和相变式等(详见《医疗卫生装备》2010年02月，第31卷，第02期，第46页)，但仍没有获得完全理想的驱动原理。电容式静电驱动原理的最突出的优点是功耗低、结构简单、易与IC工艺相容、适合批量生产。然而，其最大的缺点是驱动电压高(高到200V)，严重限制了研制的微泵在微系统中的应用；而且，高电压还带来了系列可靠性问题。电容式静电驱动的静电力来自于对电容充电后在平行的两极板上聚积的异种电荷产生的相互吸引力；而极板间的恢复力来自于悬挂极板的悬臂所产生的弹性力。在极板从平衡位置启动运动时，电容极板间距最大，电容最小。在同样的驱动电压下，极板上所充电荷量最少，产生的静电力最小。此时，唯有增加驱动电压来增大静电力。然而，在高电压驱动下，在两极板相互靠近过程中，由于间距减小，电容增大，极板上所充电荷量急剧增大，静电力迅速增大，这造成两极板强力互撞，增加了极板碎裂等的可靠性风险。为减小这些风险和增加恢复力，需要增大弹簧力；但反过来又需要增加驱动电压来启动极板运动。可见，静电力和回复力在设计时是相互牵制的，不能独立设计。而且，在较高的驱动电压下，易于造成介质的击穿；以及，在高压的反复作用下，因强场激发陷入介质内的电荷随时间积累，积累电荷会产生足够静电吸引力，造成极板的黏联，从而影响回复弹簧力的有效驱动。这也是一种可靠性问题。由上述可知，所有述及的电容式静电驱动存在的缺陷均来自于电容式静电驱动原理本身，是其固有缺陷。如想要从根本上克服这些固有缺陷，需要从改变驱动原理本身入手。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足可靠性高、实用性好、适用范围较为广泛的实现注入电荷驱动的微泵芯片结构。

为了实现上述目的，本发明的实现注入电荷驱动的微泵芯片结构如下：

该实现注入电荷驱动的微泵芯片结构，其主要特点是，所述的芯片结构包括泵腔体和两个扩展腔体和两个被动阀构成，所述的微泵芯片由上极板和下极板通过熔融材料层键合构成，所述的上极板和下极板均由键合框架和通过矩形环弹簧支撑的悬挂矩形板构成，且上极板和下极板的键合框架内都连接在键合框架上的连续无孔复合薄膜；所述的泵腔体由键合框架内两复合薄膜之间隔离所形成的空间构成，所述的两个扩展腔体为复合膜运动行程扩展腔体，与所述的泵腔体构成泵体，所述的扩展腔体分别通过打孔的玻璃板覆盖。

较佳地，所述的泵体的左侧有气体输入被动阀，由气体引导管、阀簧片、阀座和气体进口构成，在泵体的右侧有气体输出被动阀，由气体引导管和阀座、阀簧片和气体出口构成，气体输入被动阀和气体输出被动阀通过内部气体微通道与泵腔体连接，所述的气体进口和气体出口有气体胶管接头，便于气体在输入和输出端点的引入引出控制。

较佳地，所述的芯片结构具有两块悬挂矩形板，对称布置两组驱动单元阵列，所述的驱动单元阵列由多个注入电荷驱动单元构成，所述的驱动单元均由电荷注入极、电荷存储极、电荷注入控制窗口、电荷注入控制极和电荷注入窗口构成，所述的电荷注入控制极和电荷注入极构成本驱动单元的屏蔽体。

较佳地，所述的上极板的悬挂矩形板包括第一驱动单元阵列和第二驱动单元阵列，所述的下极板的悬挂矩形板包括第三驱动单元阵列和第四驱动单元阵列，所述的第一驱动单元阵列、第二驱动单元阵列、第三驱动单元阵列和第四驱动单元阵列均分别通过至少两个驱动单元构成。

较佳地，所述的第一驱动单元阵列的每个驱动单元的电荷注入极并联连接至NMOS管K1的漏极，其源极接地，栅极与时钟脉冲T1相接，每个驱动单元的电荷注入控制极并联连接至NMOS管K2的漏极，其源极接地，栅极与时钟脉冲T1相接，且所有驱动单元均预先注存正电荷；

所述的第二驱动单元阵列的每个驱动单元的电荷注入极并联后连接到NMOS管K3的漏极，源极接地，栅极与时钟脉冲T2相接，每个驱动单元的电荷注入控制极并联后连接到NMOS管K4的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T2，且所有单元预先注存负电荷；

所述的第三驱动单元阵列的每个单元的电荷注入极并联后连接到NMOS管K1的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T1，每个单元的电荷注入控制极并联后连接到NMOS管K2的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T1，且所有单元预先注存负电荷；

所述的第四驱动单元阵列的每个单元的电荷注入极并联后连接到NMOS管K3的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T2，每个单元的电荷注入控制极并联后连接到NMOS管K4的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T2，且所有单元预先注存负电荷。

较佳地，所述的第一驱动单元阵列和第三驱动单元阵列构成第一驱动阵列组，上极板上注存有正电荷，下极板注存有负电荷，选择电荷屏蔽控制下，产生静电吸引力；所述的第二驱动单元阵列和所述的第四驱动单元阵列构成第二驱动阵列组，上极板上注存有负电荷，下极板注存有负电荷，选择电荷屏蔽控制下，产生静电排斥力。

较佳地，所述的驱动单元阵列通过预先注存电荷和静电选择屏蔽，实时控制存储电荷的静电感生电荷的产生和消亡，实时切换极板间的静电吸引力和静电排斥力，驱动四方极板往复运动，不断反复完成气体的吸入和压出，完成微泵的气体泵入和泵出。

采用了本发明的实现注入电荷驱动的微泵芯片结构，以静电排斥力取代弹簧力作为驱动的回复力设计，使得弹簧力可做独立设计，避免了设计过程中的许多冲突，还可发挥弹簧力的作用来改进微泵的性能。利用这种特性，可对微泵进行紧凑设计，即可避免极板互撞，增加长期可靠性；还可减小微泵芯片尺寸；并充分减小无用泵腔体空间，增加微泵的有效压缩，进一步提高微泵的整体性能。在IC系统电源下工作，避免了电容型静电驱动需要额外的高电压驱动，以及避免了由于高电压所引致的电容型静电驱动具有的可靠性固有缺陷。注入电荷静电驱动原理能避免电容型静电驱动存在可靠性，注入电荷静电驱动原理能制造出性能更良好的、更具有实用性的、更高长期可靠性的微泵。

附图说明

图1为本发明的实现注入电荷驱动的微泵芯片结构的MEMS微泵剖面结构示意图。

图2为本发明的实现注入电荷驱动的微泵芯片结构的注入电荷静电驱动原理说明示意图。

图3为本发明的实现注入电荷驱动的微泵芯片结构的极板间静电力Fe和微泵泵量与预先注入电荷密度Qi的关系示意图。

图4a为本发明的实现注入电荷驱动的微泵芯片结构的极板运行速度随环形弹簧长度变化在极板运行各点上的分布示意图。

图4b为本发明的实现注入电荷驱动的微泵芯片结构的极板运行耗时随环形弹簧长度变化在极板运行各点上的分布示意图。

图5和图6为本发明的实现注入电荷驱动的微泵芯片结构的微泵加工工艺剖面示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该实现注入电荷驱动的微泵芯片结构，其中包括泵腔体和两个扩展腔体和两个被动阀构成，所述的微泵芯片由上极板和下极板通过熔融材料层键合构成，所述的上极板和下极板均由键合框架和通过矩形环弹簧支撑的悬挂矩形板构成，且上极板和下极板的键合框架内都连接在键合框架上的连续无孔复合薄膜；所述的泵腔体由键合框架内两复合薄膜之间隔离所形成的空间构成，所述的两个扩展腔体为复合膜运动行程扩展腔体，与所述的泵腔体构成泵体，所述的扩展腔体分别通过打孔的玻璃板覆盖。

作为本发明的优选实施方式，所述的泵体的左侧有气体输入被动阀，由气体引导管、阀簧片、阀座和气体进口构成，在泵体的右侧有气体输出被动阀，由气体引导管和阀座、阀簧片和气体出口构成，气体输入被动阀和气体输出被动阀通过内部气体微通道与泵腔体连接，所述的气体进口和气体出口有气体胶管接头，便于气体在输入和输出端点的引入引出控制。

作为本发明的优选实施方式，所述的芯片结构具有两块悬挂矩形板，对称布置两组驱动单元阵列，所述的驱动单元阵列由多个注入电荷驱动单元构成，所述的驱动单元均由电荷注入极、电荷存储极、电荷注入控制窗口、电荷注入控制极和电荷注入窗口构成，所述的电荷注入控制极和电荷注入极构成本驱动单元的屏蔽体。

作为本发明的优选实施方式，所述的上极板的悬挂矩形板包括第一驱动单元阵列和第二驱动单元阵列，所述的下极板的悬挂矩形板包括第三驱动单元阵列和第四驱动单元阵列，所述的第一驱动单元阵列、第二驱动单元阵列、第三驱动单元阵列和第四驱动单元阵列均分别通过至少两个驱动单元构成。

作为本发明的优选实施方式，所述的第一驱动单元阵列的每个驱动单元的电荷注入极并联连接至NMOS管K1的漏极，其源极接地，栅极与时钟脉冲T1相接，每个驱动单元的电荷注入控制极并联连接至NMOS管K2的漏极，其源极接地，栅极与时钟脉冲T1相接，且所有驱动单元均预先注存正电荷；

所述的第二驱动单元阵列的每个驱动单元的电荷注入极并联后连接到NMOS管K3的漏极，源极接地，栅极与时钟脉冲T2相接，每个驱动单元的电荷注入控制极并联后连接到NMOS管K4的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T2，且所有单元预先注存负电荷；

所述的第三驱动单元阵列的每个单元的电荷注入极并联后连接到NMOS管K1的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T1，每个单元的电荷注入控制极并联后连接到NMOS管K2的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T1，且所有单元预先注存负电荷；

所述的第四驱动单元阵列的每个单元的电荷注入极并联后连接到NMOS管K3的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T2，每个单元的电荷注入控制极并联后连接到NMOS管K4的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T2，且所有单元预先注存负电荷。

作为本发明的优选实施方式，所述的第一驱动单元阵列和第三驱动单元阵列构成第一驱动阵列组，上极板上注存有正电荷，下极板注存有负电荷，选择电荷屏蔽控制下，产生静电吸引力；所述的第二驱动单元阵列和所述的第四驱动单元阵列构成第二驱动阵列组，上极板上注存有负电荷，下极板注存有负电荷，选择电荷屏蔽控制下，产生静电排斥力。

作为本发明的优选实施方式，所述的驱动单元阵列通过预先注存电荷和静电选择屏蔽，实时控制存储电荷的静电感生电荷的产生和消亡，实时切换极板间的静电吸引力和静电排斥力，驱动四方极板往复运动，不断反复完成气体的吸入和压出，完成微泵的气体泵入和泵出。

本发明的具体实施方式中，基于注入电荷静电驱动方式而设计的MEMS气体微泵。所述的注入电荷静电驱动方式是发明人新提出的注入电荷静电驱动原理。目的是要消除电容式静电驱动原理的固有缺陷，使静电驱动在MEMS中成为一种更完美的驱动方法。所述的注入电荷静电驱动原理，其核心就是要将产生驱动静电力的电荷通过预先注入存储在极板上，然后采用屏蔽原理控制其感应电荷的生成或消亡而在极板间产生吸引力或排斥力，驱动两极板泵体隔膜做往复运动；在输入输出被动阀的联合作用下，完成微泵功能。

采用了新的注入电荷静电驱动原理，整过泵气过程控制由IC系统电源完成，不需要更高的驱动电源，完全克服了电容型静电驱动需高电压驱动的固有缺陷，使静电驱动趋于完美。本发明所设计的MEMS气体微泵具更好性能、更具实用性、有更好的可靠性。

本发明的芯片结构包括一个泵腔体和两个扩展腔体。所述的泵腔体结构由键合在一起的上下极板上的悬挂隔离薄膜通过垫高框架所形成的空间构成。在上下两块用矩形环弹簧悬挂的四方板上布置着上下对称的两组注入电荷静电驱动单元阵列，而所述的对称驱动单元阵列通过预先注存电荷和静电选择屏蔽，实时控制着存储电荷的静电感生电荷的产生和消亡，从而实现极板间的静电吸引力和静电排斥力的实时切换，驱动着悬挂四方极板往复运动，不断反复完成气体的吸入和压出。在输入输出被动微阀的配合下，完成微泵的气体泵入和泵出功能。

驱动单元的结构的每个驱动单元由电荷注入电极、电荷注入窗口、电荷存储电极、电荷注入控制窗口和电荷注入控制电极构成；同时，注入电极和注入控制电极又是该驱动单元的屏蔽体；注入电极和控制电极被引出，分别与相应的NMOS管之一端连接，而这NMOS管的另一端与地相连。

注入电荷静电驱动，首先，出厂前，预先选择注入足量的异种或同种的电荷到两组驱动单元阵列的存储极上；然后，工作时，两组交错时钟脉冲作用于连接的NMOS管上，选择在两个极板上的不同对应驱动单元屏蔽体的接地与否，控制在两个极板上对应驱动单元的感应电荷的消亡或产生，从而，在两极板间产生静电吸引力或静电排斥力，驱动两极板相对往复运动。

驱动单元的对称分布如下：在两个四方极板上对称分布着两对驱动单元组，分别用于预先存储足量的异种电荷或同种电荷；所述的驱动单元组重复分布在两个极板上的设定区域，而构成驱动单元的二维阵列，以便产生足够的静电吸引力或静电排斥力。

电荷选择预先注入如下：在芯片加工完成后，需要通过分别引出的注入电极和注入控制电极，以F-N隧道效应(Fowler-Nordheim tunneling)原理为注入方法，从所述的每个驱动单元中的控制窗口和注入窗口，向指定驱动单元阵列区域注入设定的电荷类型和足量的电荷。

存储电荷的选择屏蔽如下：MEMS微泵运行时，两组时钟脉冲交错控制着两组MOS开关晶体管的导通与关断，分别选择控制着两个驱动单元组的屏蔽体的接地和断开，以此控制着在两极板上异种感生电荷或同种感生电荷的生成和消失，从而，在两极板间产生静电吸引力或静电排斥力，使两极板产生相互靠近和相互远离的往复运动。

在输入输出被动微阀的联动配合下的微泵，在两组交错时钟脉冲的控制下，设计微泵完成了气体从入口吸入气体经输入被动阀进入到泵腔体(t1时段)；然后气体再从泵腔体压出经输出被动阀由出口流出(t2时段)。在这时钟控制周期(t＝t1+t2)里，构成泵腔体的上、下复合薄膜经历了如下行程：在扩展泵腔体内，从弹性力与静电排斥力的平衡位置处，在静电吸引力的作用下，两隔膜相向靠近，压出气体，至两隔膜贴合在一起(或是处在弹簧力与静电吸引力的平衡位置)；再在静电排斥力作用下，使两隔膜分开，逆向而行，吸入气体，经静态平衡点，最后再到弹性力与静电排斥力的平衡位置停下。在此期间，泵腔体容积的变化量就近似是泵出气体量或泵入气体量。

本发明设计的MEMS微泵芯片如图1所示。所述的微泵芯片由一个泵腔体1、两个扩展腔体81和82、两个被动阀21和22构成。所述的微泵芯片由上极板11和下极板12通过熔融材料层71和72键合构成。所述的上、下极板均是由键合框架41或42，和用矩形环弹簧31或32支撑的悬挂矩形板51或52构成，且两块极板上的键合框架内都是连接在键合框架上的连续无孔复合薄膜。所述的泵腔体1是由键合框架内两复合薄膜之间隔离所形成的空间构成。81和82是复合膜运动行程扩展腔体，与所述的泵腔体1一起构成泵体。所述的扩展腔体分别用打孔的玻璃板91和92覆盖，其中打孔的目的是要减小复合膜运动过程中在扩展腔体内产生的空气阻尼，以提高微泵的工作频率。

在泵体的左侧设计有气体输入被动阀21，它由气体引导管211、阀簧片212、阀座214和气体进口213构成。而在泵体的右侧设计有气体输出被动阀22，它由气体引导管和阀座221、阀簧片222和气体出口223构成。输入输出阀通过内部气体微通道与泵腔体连接(结构图中未示出)。所述的气体入口和气体出口设计有气体胶管接头，便于气体在输入和输出端点的引入引出控制。对于实际MEMS应用系统，需设计相应的气体微管道，构成气体的接入通道和气体的输出通道，实现微泵在微系统内的闭环应用。

在所述的两块悬挂的矩形板上对称布置着两组驱动单元阵列。所述的驱动单元阵列由众多注入电荷驱动单元如61～68构成。每个所述的驱动单元均由电荷注入极2、电荷存储极3、电荷注入控制窗口4、电荷注入控制极5和电荷注入窗口6构成。而电荷注入控制极5和电荷注入极2又构成本驱动单元的屏蔽体。电荷通过注入窗口和注入控制窗口，采用F-N隧道效应(Fowler-Nordheim tunneling)原理，预先注入适量电荷，并存储在电荷存储极上。

在所述上极板的悬挂矩形板上，驱动单元61和65构成第一驱动单元阵列，其中，每个单元的电荷注入极并联后连接到NMOS管K1的漏极(源极接地，栅极接时钟脉冲T1)，每个单元的电荷注入控制极并联后连接到NMOS管K2的漏极(源极接地，栅极接时钟脉冲T1)，且所有单元预先注存正电荷；而驱动单元63和67构成第二驱动单元阵列，其中，每个单元的电荷注入极并联后连接到NMOS管K3的漏极(源极接地；栅极接时钟脉冲T2)，每个单元的电荷注入控制极并联后连接到NMOS管K4的漏极(源极接地，栅极接时钟脉冲T2)，并且，所有单元预先注存负电荷。

同样的，在所述下极板的悬挂矩形板上，驱动单元62和66构成第三驱动单元阵列，其中，每个单元的电荷注入极并联后连接到NMOS管K1的漏极(源极接地，栅极接时钟脉冲T1)，每个单元的电荷注入控制极并联后连接到NMOS管K2的漏极(源极接地，栅极接时钟脉冲T1)，且所有单元预先注存负电荷；而驱动单元64和68构成第四驱动单元阵列，其中，每个单元的电荷注入极并联后连接到NMOS管K3的漏极(源极接地；栅极接时钟脉冲T2)，每个单元的电荷注入控制极并联后连接到NMOS管K4的漏极(源极接地，栅极接时钟脉冲T2)，并且，所有单元预先注存负电荷。

所述的第一驱动单元阵列和所述的第三驱动单元阵列构成第一驱动阵列组。在这阵列组中，上极板上注存有正电荷，下极板注存有负电荷。在选择电荷屏蔽控制下，可产生静电吸引力。而所述的第二驱动单元阵列和所述的第四驱动单元阵列构成第二驱动阵列组。这阵列组中，上极板上注存有负电荷，下极板注存有负电荷。在选择电荷屏蔽控制下，可产生静电排斥力。所述的选择电荷屏蔽控制原理如图2所示。

在时钟脉冲的t2时段，NMOS管K1和K2不导通，K3和K4导通。所述的第二驱动阵列组中各驱动单元的屏蔽体接地，所以，它们的电荷存储极上的电荷被屏蔽；而所述的第一驱动单元阵列组中的各驱动单元的屏蔽体浮空，所以，它们的电荷存储极上的电荷就会在电荷注入极外表面上感生出相应电荷：上极板感生出正电荷；而在下极板感生出负电荷。因此，在上、下极板之间产生了静电吸引力。

在时钟脉冲的t1时段，NMOS管K1和K2导通，K3和K4不导通。所述的第一驱动阵列组中各驱动单元的屏蔽体接地，所以，它们的电荷存储极上的电荷被屏蔽；而所述的第二驱动单元阵列组中的各驱动单元的屏蔽体浮空，所以，它们的电荷存储极上的电荷就会在电荷注入极外表面上感生出相应电荷：上极板感生出负电荷；而在下极板也感生出负电荷。因此，在上、下极板之间产生了静电排斥力。

对于在时钟脉冲的t2时段，在泵腔体上、下极板间产生的静电吸引力作用下，所述的悬挂的两矩形板做相向而行运动，相互靠近，直至贴在一起。这期间，泵腔体内的气体被压缩，对外呈正压压力：压力致使所述的输入阀簧片被贴在所述的输入阀座上，气体被阻挡，气体不能流出气体入口；但，同时，压力却致使输出阀簧片向气体出口方向弯曲，气体也顺势流出气体出口。

而对于在时钟脉冲的t1时段，在泵腔体上、下极板间产生的静电排斥力作用下，所述的悬挂的两矩形板做逆向而行运动，相互远离，经静态平衡点，直至在扩展腔体内的静电排斥力和弹簧力平衡点停止。这期间，泵腔体内的气体被卸压，对外呈负压对气体产生吸力。吸力致使所述的输出阀簧片被贴在所述的输出阀座上，输出阀腔体外的气体被阻挡，无气体从输出口流入泵腔体内；但，同时，吸力却致使输入阀簧片向气体管道方向弯曲，气体则从气体入口流入，经气体管道进入泵腔体。

综上所述，在两组交错时钟脉冲的控制下，设计微泵完成了从入口吸入气体，经输入阀进到泵腔体(t1时段)；然后气体再从泵腔体压出，经输出阀由出口流出(t2时段)。在这个时钟控制周期(t＝t1+t2)里，构成泵腔体的上、下复合薄膜经历了如下行程：从弹性力与静电排斥力的平衡位置，在静电吸引力的作用下，两隔膜相向靠近，压出气体，经静态平衡点，至两隔膜贴合在一起(或处在弹簧力与静电吸引力的平衡位置，以防止隔膜互拍。但需注意，气体为可压缩流质，应尽量设计为最小死空间，即应尽量让两隔膜贴合)；再在静电排斥力作用下，使两隔膜分开，逆向而行，吸入气体，经静态平衡点，最后再到弹性力与静电排斥力的平衡位置处停下。在此期间，泵腔体容积的变化量就近似是泵出气体量或泵入气体量。所以，泵流量取决于泵控频率、静态泵腔体体积与扩展腔体的设计以及预注入电荷量等。图3是估算的静电力和最大泵量与预先注入电荷量间的特性。随着注入电荷量的增加，静电力增加；泵量随之呈线性增强，可达每秒毫升量级。这个参数值表明设计泵芯片具有实用价值。

决定具体泵量还取决于输入微阀的充气和输出微阀排气的能力，需要仔细设计，以便输入输出微阀能与泵腔体的设计相匹配。相关设计方法属已有技术，不过多赘述。

从所述微泵工作原理和结构设计，本发明的另一个特征就是最小无用泵腔体空间(即为不能充分压缩的空间部分)设计方法，核心是泵腔体由垫高键合形成。设计目标是，在做相向压缩行程中，两复合隔膜需要接触贴合，然后，再开始逆向分离行程。原因是因为泵流质气体是可压缩的，无用空间体积过大会造成有效泵出量损失，从而影响微泵的整体性能。

本发明所设计的MEMS微泵芯片的加工制造工艺分为三段：一是上极板硅片的加工；二是下极板硅片的加工；三是加工好的上、下极板硅片的键合加工。

请参阅图5和图6所示，其是设计微泵的整个加工工艺剖面示意图。在图5中，包括了所述的一、二段工艺。上极板硅片和下极板硅片在前期的加工，直到驱动单元加工完成都是相同的。首先，选用低阻(<0.1Ohm.cm)<100>双面抛光单晶硅片；热氧化约10000A，如图5中的(a)所示。淀积厚多晶硅层(5000A～10000A)；上、下极板泵体隔膜结构光刻，如图5中的(b)所示。在本次光刻中，还会定义进、出口被动微阀和引线孔位置。结合CMP技术，再分别淀积三层多晶硅(每层厚度1500A～5000A)，主要通过各层多晶硅光刻，以形成注入电荷静电驱动单元二维阵列P1，如图5中的(c)所示。在所述的阵列每个驱动单元中，加工有电荷注入控制极、电荷存储极和电荷注入极。在所述的电荷注入控制极和电荷存储极之间加工有电荷注入控制窗口(其中隔离热氧化层厚度100A～300A)；而在电荷存储极和电荷注入极之间设置有电荷注入窗口(其中隔离热氧化层厚度60A～150A)。同时，在这步骤，也会定义屏蔽体的各引出线。这个步骤之后，上极板直接用LPCVD淀积氮化硅保护已有结构，厚度1500A～3000A。然后，淀积腔体垫高层(形成键合框架)LTO，厚度10000A～50000A，并光刻LTO形成在上极板的腔体结构部分，如P2；再次淀积氮化硅(1500A～3000A)，同样是保护结构，如图5中的(d1)所示。但下极板需首先光刻开通气体通道P3；之后，相同地，用LPCVD淀积氮化硅和淀积腔体垫高层(形成键合框架)LTO和光刻形成下极板的腔体结构部分，并再次淀积氮化硅，如图5中的(d2)所示。淀积粘合介质层P5。由于内部引线采用多晶硅，能承受较高温度，所以，可选用BPSG作为粘合介质，利用熔融特性进行硅片的粘合。最后，采用双面光刻，对正面的粘合层进行图形刻蚀，同时，打开上、下极板硅片背面刻蚀窗口，如图5中的(e1)和(e2)所示。至此，上、下极板硅片加工完成。

在进行键合前，还需要光刻制备上、下极板的盖板，如图5中的(f1)和(f2)。在盖板刻有孔阵P6。当微泵上、下隔膜运动时，扩展腔体通过孔阵释放气体压缩和收缩产生的阻尼，以提高微泵的工作频率。同时，在下盖，开有引线导出孔(剖面图中未示出)；而在上盖，还安装有气体的进出口接头P7，是一种平头接头，保持接触面的平整性。气体通过胶管和进、出接头形成气体通路。在构成微系统时，在整体设计时，是通过微气体管道构成气路进行系统连通的。

当上、下极板硅片加工完成后，进入硅片键合工艺步骤，如图6所示。采用图形对准，利用淀积的BPSG的在一定温度下熔融特性，把上、下极板硅片键合在一起，如图6中的(a)所示。为减小泵芯片的厚度和便于DRIE刻蚀硅片，把下极板硅片减薄到300um～100um，并做抛光，然后，氧化(1000A～2000A)和淀积氮化硅1500A～3000A，再采用双面光刻的方法，把图形再次转移到减薄后的下极板硅片的背面，如图6中的(b)所示。同样，把上极板硅片减薄到300um～100um，并做抛光，然后，氧化(1000A～2000A)和淀积氮化硅1500A～3000A，再采用双面光刻的方法，把图形再次转移到减薄后的上极板硅片的背面，如图6中的(c)所示。采用TSV(硅通孔)技术，完成引线的引出到下极板硅片的背面(未在图中示出引线部分)；并用光刻胶保护好引出线和pad，同时还光刻出下极板扩展窗口，采用DRIE技术，把下极板的扩展腔体打开，并用RIE干法刻蚀技术蚀去在扩展腔体窗口内暴露出来的二氧化硅，让下极板上的泵体隔离膜释放出来；之后，用干法去掉光刻胶，如图6中的(d)所示。再把制备好的下盖玻璃片黏贴在下极板上，把下极板的扩展腔体覆盖起来，如图6中的(e)所示。同样，也是采用DRIE技术，把上极板的扩展腔体打开，让上极板扩展腔体区和进、出气体微阀区的二氧化硅暴露出来，如图6中的(f)所示。继续用气化HF把露出来的二氧化硅蚀去，并直到把进出气体微阀阀片释放完成为止，如图6中的(g)所示。最后，黏贴上盖在上极板的背面，如图6中的(h)所示。至此，键合工艺完成。

采用激光划片，把键合后的合成微泵园片划成芯片。并对芯片进行电荷的预注入(也可由客户根据自身应用的需要，可决定自己所需要的电荷预注入量，以调整微泵的性能)和必要的测试，就获得了最终的采用注入电荷驱动原理驱动的微泵芯片产品。

对于更深入研究，可采用不同泵腔体大小和进、出微阀设计、不同腔体深度设计、不同的预注入电荷量设计，并结合具体应用微系统需要进行设计，以形成系列带微泵的芯片产品，满足不同领域的微泵应用需求，推动涉及微泵的MEMS微系统的产业化发展。

由于所述的采用静电排斥力取代弹簧力作为驱动的回复力设计，使得弹簧力可做独立设计，避免了设计过程中的许多冲突，而且，还可发挥弹簧力的作用来改进微泵的性能。图4显示的就是这种良好作用的实际例子。图4a显示的是极板运行速度在行程中各点的随所述的环形弹簧长度变化的特性；而图4b是行程中各点所消耗的时间特性。从图4a中可见，弹簧长度的变化会引起极板运行速度明显的变化，尤其是在极限情况，可调低两极板在接触点附近的速度，从而避免了两极板间的强力互撞，可提高微泵的长期可靠性。同时，图4b显示，弹簧长度的变化所引起的行程总耗时变化很微小，只有仅1微秒的变化。利用这种特性，可对微泵进行紧凑设计(如小弹簧长度设计)，即可避免极板互撞，增加长期可靠性；还可减小微泵芯片尺寸；并充分减小无用泵腔体空间，增加微泵的有效压缩，进一步提高微泵的整体性能。

所述的弹簧力的独立设计可为微泵设计者带来十分灵巧的方法来优化设计，这是本发明中提出的注入电荷驱动原理的优异性能之一。从前面设计的微泵工作原理可知，所设计的微泵一直是在IC系统电源下工作，因此，避免了电容型静电驱动需要额外的高电压驱动，以及避免了由于高电压所引致的电容型静电驱动具有的可靠性固有缺陷。这是因为，和电容型静电驱动原理不同，对于所述的注入电荷静电驱动原理来说，由于微泵在工作期间被驱动的两极板没有与电源相连，极板上电荷保持不变，极板间电场并不随两极板的相互靠近而增强。因而，不会产生高电场，从而极板间不会产生强力互撞；也不会因强电场而产生电荷陷入介质层而造成极板黏联。以上就是为什么所述的注入电荷静电驱动原理能避免电容型静电驱动存在可靠性固有缺陷的原因。可以相信，所述的注入电荷静电驱动原理能制造出性能更良好的、更具有实用性的、更高长期可靠性的微泵。

采用了本发明的实现注入电荷驱动的微泵芯片结构，以静电排斥力取代弹簧力作为驱动的回复力设计，使得弹簧力可做独立设计，避免了设计过程中的许多冲突，还可发挥弹簧力的作用来改进微泵的性能。利用这种特性，可对微泵进行紧凑设计，即可避免极板互撞，增加长期可靠性；还可减小微泵芯片尺寸；并充分减小无用泵腔体空间，增加微泵的有效压缩，进一步提高微泵的整体性能。在IC系统电源下工作，避免了电容型静电驱动需要额外的高电压驱动，以及避免了由于高电压所引致的电容型静电驱动具有的可靠性固有缺陷。注入电荷静电驱动原理能避免电容型静电驱动存在可靠性，注入电荷静电驱动原理能制造出性能更良好的、更具有实用性的、更高长期可靠性的微泵。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (2)

1.一种实现注入电荷驱动的微泵芯片结构，其特征在于，所述的芯片结构包括泵腔体和两个扩展腔体和两个被动阀构成，所述的微泵芯片由上极板和下极板通过熔融材料层键合构成，所述的上极板和下极板均由键合框架和通过矩形环弹簧支撑的悬挂矩形板构成，且上极板和下极板的键合框架内都连接在键合框架上的连续无孔复合薄膜；所述的泵腔体由键合框架内两复合薄膜之间隔离所形成的空间构成，所述的两个扩展腔体为复合膜运动行程扩展腔体，与所述的泵腔体构成泵体，所述的扩展腔体分别通过打孔的玻璃板覆盖；

所述的芯片结构具有两块悬挂矩形板，对称布置两组驱动单元阵列，所述的驱动单元阵列由多个注入电荷驱动单元构成，所述的驱动单元均由电荷注入极、电荷存储极、电荷注入控制窗口、电荷注入控制极和电荷注入窗口构成，所述的电荷注入控制极和电荷注入极构成本驱动单元的屏蔽体；

所述的上极板的悬挂矩形板包括第一驱动单元阵列和第二驱动单元阵列，所述的下极板的悬挂矩形板包括第三驱动单元阵列和第四驱动单元阵列，所述的第一驱动单元阵列、第二驱动单元阵列、第三驱动单元阵列和第四驱动单元阵列均分别通过至少两个驱动单元构成；

所述的第一驱动单元阵列的每个驱动单元的电荷注入极并联连接至NMOS管K1的漏极，其源极接地，栅极与时钟脉冲T1相接，每个驱动单元的电荷注入控制极并联连接至NMOS管K2的漏极，其源极接地，栅极与时钟脉冲T1相接，且所有驱动单元均预先注存正电荷；

所述的第二驱动单元阵列的每个驱动单元的电荷注入极并联后连接到NMOS管K3的漏极，源极接地，栅极与时钟脉冲T2相接，每个驱动单元的电荷注入控制极并联后连接到NMOS管K4的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T2，且所有单元预先注存负电荷；

所述的第三驱动单元阵列的每个单元的电荷注入极并联后连接到NMOS管K1的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T1，每个单元的电荷注入控制极并联后连接到NMOS管K2的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T1，且所有单元预先注存负电荷；

所述的第四驱动单元阵列的每个单元的电荷注入极并联后连接到NMOS管K3的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T2，每个单元的电荷注入控制极并联后连接到NMOS管K4的漏极，源极接地，栅极接时钟脉冲T2，且所有单元预先注存负电荷；

所述的第一驱动单元阵列和第三驱动单元阵列构成第一驱动阵列组，上极板上注存有正电荷，下极板注存有负电荷，选择电荷屏蔽控制下，产生静电吸引力；所述的第二驱动单元阵列和所述的第四驱动单元阵列构成第二驱动阵列组，上极板上注存有负电荷，下极板注存有负电荷，选择电荷屏蔽控制下，产生静电排斥力；

所述的驱动单元阵列通过预先注存电荷和静电选择屏蔽，实时控制存储电荷的静电感生电荷的产生和消亡，实时切换极板间的静电吸引力和静电排斥力，驱动四方极板往复运动，不断反复完成气体的吸入和压出，在输入被动阀和输出被动阀的配合下，完成微泵的气体泵入和泵出。

2.根据权利要求1所述的实现注入电荷驱动的微泵芯片结构，其特征在于，所述的泵体的左侧有气体输入被动阀，由气体引导管、阀簧片、阀座和气体进口构成，在泵体的右侧有气体输出被动阀，由气体引导管和阀座、阀簧片和气体出口构成，气体输入被动阀和气体输出被动阀通过内部气体微通道与泵腔体连接，所述的气体进口和气体出口有气体胶管接头，便于气体在输入和输出端点的引入引出控制。

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