CN113266541B - 一种热驱动微型气体泵送器件及泵送器件加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微流控技术领域，公开一种热驱动微型气体泵送器件，包括：泵送本体，泵送本体上刻蚀形成有泵送流道以及位于泵送流道内的热源结构，热源结构包括沿泵送流道的延伸方向等间隔设置的多个加热柱，加热柱呈等腰三角形形状，多个加热柱的中轴线均位于泵送流道的中心线上；压电陶瓷薄膜，覆设于泵送流道的侧壁及加热柱的侧壁，压电陶瓷薄膜的厚度随接入电压的变化而变化；盖板，盖设于泵送本体上并将泵送流道覆盖。本发明提供的热驱动微型气体泵送器件通过设置泵送流道及热源结构，能够在热源结构和泵送流道之间形成稳定的温度场，实现气体的稳定泵送。本发明提供的泵送器件加工方法能便捷快速地加工上述热驱动微型气体泵送器件，经济性好。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种热驱动微型气体泵送器件及泵送器件加工方法。
背景技术
由温度场变化和不平衡动量引起的克努森力可作为运输稀薄气体的动力源。当气体被加热，体积膨胀比重变小时，冷气体会进行补充，使得气体由低温度场流向高低温度场，利用该原理制造的无运动部件微型致动器件广泛应用在气体分析和小型燃烧室、小型卫星和航天器的姿态调整装置及高空推进系统等领域中。
现有技术下的热驱动气体泵送器件一般为一系列窄流道和宽流道通过串联方式进行多级连接的结构。为了获得温度梯度，通常是将宽流道的其中一侧进行加热，使宽窄流道连接处一侧形成大温度梯度(＞100K)，从而诱导克努森力的产生，使流道中的气体流动。然而在实际操作中，巨大的温度梯度往往产生不稳定的热蠕变流，无法提供稳定的气体流速。另一方面，该类周期性热驱动结构一般通过改变驱动温度来控制气体的流速，但是由于温度梯度场控制困难，其无法主动调节气体泵送流速，易造成气体流向紊乱，局限性较大。
发明内容
基于以上所述，本发明的目的在于提供一种热驱动微型气体泵送器件，以解决现有技术下的热驱动泵送器件存在的气体流速和稳定性控制差的技术问题。
本发明的另一个目的在于提供一种泵送器件加工方法，其用于加工上述热驱动微型气体泵送器件，所加工的泵送器件具有更稳定的气体泵送效果。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种热驱动微型气体泵送器件，包括：
泵送本体，所述泵送本体上刻蚀形成有泵送流道以及位于所述泵送流道内的热源结构，所述热源结构包括沿所述泵送流道的延伸方向等间隔设置的多个加热柱，所述加热柱呈等腰三角形形状，且多个所述加热柱的中轴线均位于所述泵送流道的中心线上；
压电陶瓷薄膜，覆设于所述泵送流道的侧壁以及所述加热柱的侧壁，所述压电陶瓷薄膜的厚度随接入电压的变化而变化；
盖板，盖设于所述泵送本体上并将所述泵送流道覆盖。
作为一种热驱动微型气体泵送器件的优选方案，所述加热柱上刻蚀形成有开口向上的容腔，所述容腔内安装有电加热装置。
作为一种热驱动微型气体泵送器件的优选方案，所述加热柱周边的所述泵送流道的底壁上贴附有多个电加热片；
和/或，所述加热柱的上表面贴附有所述电加热片。
作为一种热驱动微型气体泵送器件的优选方案，所述泵送本体的制造材料为硅。
作为一种热驱动微型气体泵送器件的优选方案，所述压电陶瓷薄膜为锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)薄膜。
作为一种热驱动微型气体泵送器件的优选方案，贴附于所述泵送流道侧壁上的所述压电陶瓷薄膜的厚度大于贴附于所述加热柱侧壁上的所述压电陶瓷薄膜的厚度。
一种泵送器件加工方法，其包括：
在硅基片上经光刻、显现和刻蚀加工形成泵送流道和热源结构；
在硅基片上溅射钛层，在所述泵送流道和所述加热柱的各个壁面形成绝缘层；
在所述硅基片上溅射钙钛矿(LNO)层和铂层，在所述绝缘层的外侧形成缓冲和电极层；
在所述硅基片上溅射锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)层，在所述缓冲和电极层的外侧生长形成PZT层，使所述泵送流道内的所述PZT层生长至与所述加热柱平齐，所述加热柱上表面的所述PZT层生长至高于所述加热柱；
在所述PZT层上环绕所述加热柱镀铬，并图像化；
对所述PZT层进行刻蚀，直至刻蚀至所述泵送流道的底壁和所述加热柱的上表面正对的所述缓冲和电极层；
采用键合或粘结工艺将所述盖板盖设于所述硅基片上。
作为一种泵送器件加工方法的优选方案，形成所述绝缘层包括高温溅射钛离子和快速退火，所述绝缘层包括氧化钛和二氧化硅的混合物。
作为一种泵送器件加工方法的优选方案，所述缓冲和电极层中，所述LNO层为缓冲层，所述铂层为电极层。
作为一种泵送器件加工方法的优选方案，在对所述PZT层刻蚀过程中，采用离子束刻蚀(IBE)工艺对所述PZT层进行刻蚀。
本发明的有益效果为：
本发明提供的热驱动微型气体泵送器件通过蚀刻工艺加工出具有特殊形状的泵送流道及热源结构，泵送流道中的每一壁面都是等温表面，摆脱了温度梯度约束，利用热驱动中的热边缘和辐射流能够获得稳定的气体传输，另一方面，利用压电陶瓷薄膜的厚度随电压变化的特性，能够调节加热结构与泵送流道的侧壁之间的相对尺寸，从而能够调节泵送流道的克努森系数，进而实现对气体流速的主动调节。
本发明提供的泵送器件加工方法采用微机电系统加工热驱动微型气体泵中的泵送流道及热源结构，加工工艺更简便且加工尺寸更准确，能够实现泵送器件对气体流速更精确的调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的热驱动微型气体泵送器件的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的热驱动微型气体泵送器件的内部结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的热驱动微型气体泵送器件除去盖板后的俯视图；
图4是本发明实施例一提供的热驱动微型气体泵送器件的泵送原理图；
图5是本发明实施例二提供的热驱动微型气体泵送器件除去盖板后的俯视图；
图6是本发明实施例三提供的泵送器件加工方法的流程图；
图7是本发明实施例三提供的泵送器件加工方法的过程图一；
图8是本发明实施例三提供的泵送器件加工方法的过程图二；
图9是本发明实施例三提供的泵送器件加工方法的过程图三；
图10是本发明实施例三提供的泵送器件加工方法的过程图四；
图11是本发明实施例三提供的泵送器件加工方法的过程图五；
图12是本发明实施例三提供的泵送器件加工方法的过程图六；
图13是本发明实施例三提供的泵送器件加工方法的过程图七；
图14是本发明实施例三提供的泵送器件加工方法的过程图八。
图中标示如下：
1、泵送本体；11、泵送流道；12、加热柱；2、压电陶瓷薄膜；3、盖板；4、电加热装置；5、电加热片；6、绝缘层；7、缓冲和电极层；8、铬层。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
实施例一
如图1-图4所示，本发明实施例提供一种热驱动微型气体泵送器件，用于高效稳定地泵送稀薄气体。该热驱动微型气体泵送器件包括：泵送本体1，泵送本体1上刻蚀形成有泵送流道11以及位于泵送流道11内的热源结构，热源结构包括沿泵送流道11的延伸方向等间隔设置的多个加热柱12，加热柱12呈等腰三角形形状，且多个加热柱12的中轴线均位于泵送流道11的中心线上；压电陶瓷薄膜2，覆设于泵送流道11的侧壁以及加热柱12的侧壁，压电陶瓷薄膜2的厚度随接入电压的变化而变化；盖板3，盖设于泵送本体1上并将泵送流道11覆盖。
本实施例提供的热驱动微型气体泵送器件设置有泵送流道11，并且在泵送流道11内周期性地设置有加热柱12，泵送流道11的侧壁和加热柱12的侧壁均为等温表面，且加热柱12的侧壁温度高于泵送流道11侧壁的温度，使得泵送流道11的侧壁与多个加热柱12的侧壁之间存在周期性的温度差，从而在泵送流道11内创造了一个非常稳定的温度梯度，使得气体能够均匀稳定地沿泵送流道11从加热柱12的顶角侧一端流向底边侧一端。并且，泵送流道11侧壁和加热柱12的侧壁上覆设的压电陶瓷薄膜2通过厚度变化能够精确调节加热柱12侧壁与泵送流道11侧壁之间的宽度，以调节气体流动路径的宽度以及泵送流道11内的克努森系数，从而实现对气体流速的精确调节。
本实施例中泵送本体1优选地选用硅基片，且采用微机电系统(MEMS)制造工艺在泵送本体1上刻蚀加工出泵送流道11和热源结构，以保证结构的精确性。当然在其他实施例中泵送本体1也可以选用其他合适的物质制造，本发明在此不做限定。
泵送流道11和热源结构之间存在温度梯度，以利用克努森力泵输送气体。为实现热源结构的加热功能，本实施例中，在加热柱12上刻蚀有开口朝上的容腔，在容腔内安装有电加热装置4，以对加热柱12的侧壁进行加热，并同时保证加热柱12的三个侧壁的温度的一致性。优选地，电加热装置4选用热电阻。
加热柱12为等腰三角形结构，且加热柱12的轴线与泵送流道11的中心线共线，即加热柱12顶角位于泵送流道11的中心线上，加热柱12的两个侧边相对于泵送流道11的中心线对称，加热柱12的底边垂直于泵送流道11的中心线。加热柱12的该种结构能够使气体沿加热柱12的两侧对称流动，保证气体流动的稳定性。
压电陶瓷薄膜2覆设于泵送流道11和加热柱12的侧壁，压电陶瓷薄膜2通过微机电系统采用溅射的方式覆盖在泵送流道11和加热柱12的侧壁。优选地，压电陶瓷薄膜2选用锆钛酸铅(Pb(Zr11xTix)O3，即PZT)压电陶瓷薄膜。对压电陶瓷薄膜2施加不同大小的恒定电场可以调节其厚度，从而能够改变加热柱12与泵送流道11侧壁之间的尺寸，进而调节气体流速。本实施例中，覆盖于泵送流道11侧壁上的压电陶瓷薄膜2的厚度大于覆设于加热柱12侧壁上的压电陶瓷薄膜2的厚度。
盖板3采用键合或者粘结的工艺密封盖设于泵送本体1的上方，且盖板3将泵送流道11密封覆盖，以形成相对密封的气体泵送通道。盖板3选用与泵送本体1相同的材质制造。优选地，盖板3选用硅材质制成。
本实施例提供的热驱动微型气体泵送器件的工作方式如图3和图4所示，其工作原理为：加热装置工作，使得加热柱12的侧壁温度升高，加热柱12周边与泵送流道11的进口处形成温度梯度，气体从泵送流道11进口流向加热柱12，由于加热柱12顶角的分流作用，气流沿加热柱12的两侧边流动并经过加热柱12与泵送流道11的侧壁之间流向后方，由于多个加热柱12等间隔设置，气流周期性地流过多个加热柱12并最终流出泵送流道11的出口，气流的整体流向如A→B所示。
气体的泵送流速受加热柱12与泵送流道11侧壁之间的相对尺寸以及泵送流道11的克努森数(Kn)有关。如图3所示，覆盖有压电陶瓷薄膜2的加热柱12的长度和宽度分别为H和L,两个加热柱12的间距为D，加热柱12与泵送流道11的侧壁的间距为W。一般地，H及L的取值在100～200μm之间，D的取值在50～150μm之间，设置于泵送流道11侧壁上的压电陶瓷薄膜2的厚度的变化范围在0.5～50μm之间，设置于加热柱12侧壁上的压电陶瓷薄膜2的厚度的变化范围在0.5～10μm之间。
气体的泵送流速与W/L的值相关，L为定值，一般情况下，当压电陶瓷薄膜2厚度增大而导致W/L变小时，气体的流速增大，当W/L＝0.4时，气体的流速达到最大。控制压电陶瓷薄膜2的驱动电压来控制压电陶瓷薄膜2的厚度，以调节W/L的值，可灵活调节气体的流速。
气体的流速还与泵送流道11的Kn相关，可通过调节Kn来调节气体的泵送流速。以氩气为例，一般情况下，当Kn<0.5时，气体流速随Kn的减小而增大，当Kn＝0.15时，气体流速达到最大。Kn的定义如下：
Kn＝λ/ωeff，式中，
ωeff＝L+W-(HL/2)/Lp；且
Lp＝H+D，
其中，λ为气体的平均自由路径，λ与气体性质有关。从上式可知，当压电陶瓷薄膜2厚度增大时，H×L增大，Lp基本为定值，导致ωeff增大，故Kn减小，气体的流速增大，实际应用中可根据需要工况调节压电陶瓷薄膜2的厚度以调节气体的泵送流速。
实施例二
如图5所示，本实施例提供的泵送器件的结构与实施例一提供的泵送器件的结构基本相同，所不同之处在于本实施例中热源结构的具体结构及加热原理与实施例一中存在不同。
具体地，本实施例中，加热柱12为实心结构，在加热柱12周边的泵送流道11的底壁上贴附有多个电加热片5，和/或，在加热柱12的上表面贴附有电加热片5，以同时从加热柱12的上下两侧同时对加热柱12进行加热，提升加热柱12侧壁的温度，以创造与泵送流道11进口之间的温度梯度来泵送气体。
实施例三
如图6-图14所示，本实施例提供一种泵送器件加工方法，用于加工如实施例一或实施例二所提供的热驱动微型气体泵送器件。现以加工实施例一所提供的热驱动微型气体泵送器件为例进行描述，该泵送器件加工方法包括以下步骤：
在硅基片上经光刻、显现和刻蚀加工形成泵送流道11和热源结构；
在硅基片上溅射钛层，在泵送流道11和加热柱12的各个壁面形成绝缘层6；
在硅基片上溅射钙钛矿(LNO)层和铂层，在绝缘层6的外侧形成缓冲和电极层7；
在硅基片上溅射锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)层，在缓冲和电极层7的外侧生长形成PZT层，使泵送流道11内的PZT层生长至与加热柱12平齐，加热柱12上表面的PZT层生长至高于加热柱12；
在PZT层上环绕加热柱12镀铬，并图像化；
对PZT层进行刻蚀，直至刻蚀至泵送流道11的底壁和加热柱12的上表面正对的缓冲和电极层7；
采用键合或粘结工艺将盖板3盖设于硅基片上。
进一步地，形成绝缘层6包括高温溅射钛离子和快速退火，钛离子和硅基片的表层在高温下氧化形成氧化钛和二氧化硅，氧化钛和二氧化硅的混合物构成绝缘层6。
进一步地，在缓冲和电极层7中，LNO层作为缓冲层，用于粘附PZT层，促进PZT薄膜的生长结晶，铂层作为电极层，用于对PZT层施加控制电压。
进一步地，在对PZT层刻蚀加工过程中，采用离子束刻蚀(IBE)工艺对PZT层进行刻蚀，以保证刻蚀加工的精确性和泵送器件的整体加工质量。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种热驱动微型气体泵送器件，其特征在于，包括：
泵送本体(1)，所述泵送本体(1)上刻蚀形成有泵送流道(11)以及位于所述泵送流道(11)内的热源结构，所述热源结构包括沿所述泵送流道(11)的延伸方向等间隔设置的多个加热柱(12)，所述加热柱(12)呈等腰三角形形状，且多个所述加热柱(12)的中轴线均位于所述泵送流道(11)的中心线上，气体沿所述泵送流道(11)从所述加热柱(12)的顶角侧一端流向底边侧一端；
压电陶瓷薄膜(2)，覆设于所述泵送流道(11)的侧壁以及所述加热柱(12)的侧壁，所述压电陶瓷薄膜(2)的厚度随接入电压的变化而变化；
盖板(3)，盖设于所述泵送本体(1)上并将所述泵送流道(11)覆盖。
2.根据权利要求1所述的热驱动微型气体泵送器件，其特征在于，所述加热柱(12)上刻蚀形成有开口向上的容腔，所述容腔内安装有电加热装置(4)。
3.根据权利要求1所述的热驱动微型气体泵送器件，其特征在于，所述加热柱(12)周边的所述泵送流道(11)的底壁上贴附有多个电加热片(5)；
和/或，所述加热柱(12)的上表面贴附有所述电加热片(5)。
4.根据权利要求1所述的热驱动微型气体泵送器件，其特征在于，所述泵送本体(1)的制造材料为硅。
5.根据权利要求1所述的热驱动微型气体泵送器件，其特征在于，所述压电陶瓷薄膜(2)为锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)薄膜。
6.根据权利要求1所述的热驱动微型气体泵送器件，其特征在于，贴附于所述泵送流道(11)侧壁上的所述压电陶瓷薄膜(2)的厚度大于贴附于所述加热柱(12)侧壁上的所述压电陶瓷薄膜(2)的厚度。
7.一种泵送器件加工方法，用于加工如权利要求1-6任一项所述的热驱动微型气体泵送器件，其特征在于，包括：
在硅基片上经光刻、显现和刻蚀加工形成泵送流道(11)和热源结构；
在硅基片上溅射钛层，在所述泵送流道(11)和所述加热柱(12)的各个壁面形成绝缘层(6)；
在所述硅基片上溅射钙钛矿(LNO)层和铂层，在所述绝缘层(6)的外侧形成缓冲和电极层(7)；
在所述硅基片上溅射锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)层，在所述缓冲和电极层(7)的外侧生长形成锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)层，使所述泵送流道(11)内的所述锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)层生长至与所述加热柱(12)平齐，所述加热柱(12)上表面的所述锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)层生长至高于所述加热柱(12)；
在所述锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)层上环绕所述加热柱(12)镀铬，并图像化；
对所述锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)层进行刻蚀，直至刻蚀至所述泵送流道(11)的底壁和所述加热柱(12)的上表面正对的所述缓冲和电极层(7)；
采用键合或粘结工艺将所述盖板(3)盖设于所述硅基片上。
8.根据权利要求7所述的泵送器件加工方法，其特征在于，形成所述绝缘层(6)包括高温溅射钛离子和快速退火，所述绝缘层(6)包括氧化钛和二氧化硅的混合物。
9.根据权利要求7所述的泵送器件加工方法，其特征在于，所述缓冲和电极层(7)中，钙钛矿(LNO)层为缓冲层，所述铂层为电极层。
10.根据权利要求7所述的泵送器件加工方法，其特征在于，在对所述锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)层刻蚀过程中，采用离子束刻蚀(IBE)工艺对所述锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)层进行刻蚀。
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