CN113883041A - 一种基于压电振膜的高精度mems微泵 - Google Patents

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Abstract

一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵，涉及微泵技术领域，解决现有压电微泵采用PDMS材质，存在使微泵精度差，且体积较大等问题，MEMS微泵本体由基片通过刻蚀、键合工艺形成三层结构；三层结构由上至下分别为上层腔体层、中层腔体层和下层；上层腔体层与中层腔体层连通，上层腔体层的上表面设置有PZT压电薄膜；中层腔体层底部设置有进口阀门和出口；下层设置有出口阀门和进口；当电源驱动PZT压电薄膜向上振动时，流体通过进口阀门从进口流入由上层腔体层与中层腔体层连通的腔体，此时出口阀门关闭；当PZT压电薄膜向下振动时，流体通过出口阀门从出口流出由上层腔体层与中层腔体层连通的腔体，此时进口阀门关闭。整体尺寸小，更利于集成化。

Description

一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵
技术领域
本发明涉及微泵技术领域，具体涉及一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵。
背景技术
微流控芯片是利用微米级流体通道来处理流体的器件，近年来已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子等学科交叉的崭新研究领域。近十年中已经在国内外基础科研和应用科研中发挥了愈发重要的作用，尤其是在医学快速检测、给药等领域。给药微芯片是其中一个重要分支，已被广泛应用在医疗治疗中，发挥了举足轻重的作用，其可以有效地将药物运输到目标部位，以增加药物的局部可用性并减少由药物与其他器官和组织的相互作用引起的毒副作用。而微泵作为驱动流体的能量来源，是微流控系统中的不可或缺的重要环节。随着生物芯片技术的快速发展，对实现微流体的自动、精确的驱动要求更加迫切，同时微流体驱动的发展也影响着微流体器件的进一步集成和性能的提升。
目前，微泵可分为机械式泵和非机械式泵。机械式微泵依靠机械运动部件来传输、控制微流体，而非机械式微泵则是依靠各种物理作用或效应将某种非机械能转变为微流体的动能，实现微流体的驱动，这类微泵往往需要复杂的驱动电路或设备，这些外加部件往往增加了系统的复杂性，降低了系统的便携性，从而限制了微流体系统的应用。而机械式微泵由于其原理简单、控制方便、功耗小、响应速度较快等优点受到学者的密切关注。其中压电微泵由于其响应快、驱动力大、驱动功率低和工作频率宽等优点，目前文献中对压电微泵的研究和应用更加深刻全面。据文献报道，应用于医疗方面的压电微泵主要采用PDMS材质，而PDMS的材料属性使得微泵精度不够，且体积较大(Ma等于2015年制作的PDMS微泵尺寸为22.0mm×40.0mm×0.7mm)。
因此本申请设计了一种硅材质的生物兼容的MEMS压电驱动微泵，以满足对流量控制的高精度以及小体积的需求。为提高现有微泵的流量控制精度，进一步减小微泵体积，将其与医疗应用相结合。
发明内容
本发明为解决现有压电微泵采用PDMS材质，存在使微泵精度差，且体积较大等问题，提供一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵。
一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵，包括MEMS微泵本体以及PZT膜片，所述MEMS微泵本体由基片通过刻蚀、键合工艺形成三层结构；所述三层结构由上至下分别为上层腔体层、中层腔体层和下层；
所述上层腔体层与中层腔体层连通，所述上层腔体层的上表面设置有PZT压电薄膜；
所述中层腔体层加工有进口阀门和出液口；
所述下层腔体层加工有出口阀门和进液口；
当电源驱动PZT压电薄膜向上振动时，流体通过进口阀门从进液口流入由所述上层腔体层与中层腔体层连通的腔体，此时出口阀门关闭；
当PZT压电薄膜向下振动时，流体通过出口阀门从出液口流出由所述上层腔体层与中层腔体层连通的腔体，此时进口阀门关闭。
本发明的有益效果：
1、本发明所述的微泵材质为硅，生物兼容的同时比PDMS等聚合物制作的微泵精度高；
2、流量范围广，在保证精度的同时，除了可满足微小流量需求外，也可提供大流量；
3、本发明所述微泵的整体尺寸小，更利于集成化。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵的结构示意图；
图2为本发明所述的一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵的MEMS微泵本体结构示意图；
图3为本发明所述的一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵的MEMS微泵本体结构的爆炸图；
图4为MEMS微泵的下层腔体层示意图；
图5为MEMS微泵的中层腔体层示意图；
图6为MEMS微泵的上层腔体层示意图；
图7为PZT薄膜示意图。
具体实施方式
结合图1至图7说明本实施方式，一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵，满足医疗应用中对流量控制的高精度以及小体积的需求。
压电式微泵是基于压电晶体的逆压电效应，其工作原理是压电晶体在电压作用下产生形变，且变形和电压之间呈线性关系，基于这种效应可以实现将电效应转换成机械效应。其结构示意图如图1所示。本实施方式所述的一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵包括MEMS微泵，包括本体以及PZT膜片，整个微泵分为三层结构。第一层为腔体层，PZT薄膜4位于整个微泵的最顶层，腔体上部很薄。
所述MEMS微泵本体由基片通过刻蚀、键合工艺形成三层结构；所述三层结构由上至下分别为上层腔体层7、中层腔体层8和下层腔体层9；
所述上层腔体层7与中层腔体层8连通，所述上层腔体层7的上表面设置有PZT压电薄膜4；所述中层腔体层8加工有进口阀门2和出液口6；所述下层腔体层加工有出口阀门5和进液口1；
当电源驱动PZT薄膜4向上振动时，流体通过进口阀门2从进液口1流入腔体中，此时出口阀门5关闭；当PZT薄膜4向下振动时，流体通过出口阀门5从出液口6流出腔体，此时进口阀门2关闭。以确保PZT薄膜4驱动腔体的灵敏度。第二层为进口阀门2与出液口6，第三层为出口阀门5与进液口1。阀门属于精细结构，阀门结构为悬臂梁结构。
本实施方式中，还包括对所述MEMS微泵的制作方法，具体工艺实现过程为：
上层腔体层7：采用ICP(深反应离子刻蚀)工艺干法刻蚀将硅片中心刻蚀出一个比PZT膜片4直径稍大的圆形凹槽，该孔不刻透。
中层腔体层8：先刻蚀出一个约2-3mm的较小的圆孔(微泵出液口6)和一个约5-6mm的较大的圆孔，在刻蚀一定深度后，刻蚀到硅片厚度约等于阀门厚度(100-300um)时停止刻蚀，将阀门结构用光刻胶保护住，再继续刻蚀，直到将圆孔刻通。
下层腔体层9：先刻蚀出一个约2-3mm的较小的圆孔(微泵进液口1)和一个约5-6mm的较大的圆孔，在刻蚀一定深度后，刻蚀到硅片厚度约等于阀门厚度(100-300um)时停止刻蚀，将阀门结构用光刻胶保护住，再继续刻蚀，直到将圆孔刻通。
PZT薄膜4：定制大小、厚度适宜的薄膜，薄膜直径约5mm，厚度约0.2mm。
将上、中、下三层腔体进行硅硅键合，并将PZT薄膜4贴到上层腔体层7表面，即可完成MEMS压电微泵的制作。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵，其特征是：包括MEMS微泵本体以及PZT膜片，所述MEMS微泵本体由基片通过刻蚀、键合工艺形成三层结构；所述三层结构由上至下分别为上层腔体层、中层腔体层和下层腔体层；
所述上层腔体层与中层腔体层连通，所述上层腔体层的上表面设置有PZT压电薄膜；
所述中层腔体层加工有进口阀门和出液口；
所述下层腔体层加工有出口阀门和进液口；
当电源驱动PZT压电薄膜向上振动时，流体通过进口阀门从进液口流入由所述上层腔体层与中层腔体层连通的腔体，此时出口阀门关闭；
当PZT压电薄膜向下振动时，流体通过出口阀门从出液口流出由所述上层腔体层与中层腔体层连通的腔体，此时进口阀门关闭。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵，其特征在于：还包括所述MEMS微泵的制作方法，该方法具体由以下步骤实现：
步骤一、制备上层腔体层；
选择硅基片，采用ICP工艺干法刻蚀将硅基片刻蚀为圆形凹槽结构，作为上层腔体层；
步骤二、制备中层腔体层；
选择硅基片，先刻蚀出微泵出液口，再刻蚀一个圆孔，刻蚀厚度等于进口阀门厚度时停止刻蚀，采用光刻胶进行保护，再继续刻蚀，直到将圆孔刻通；中层腔体层制作完成；
步骤三、制备下层腔体层；
选择硅基片，先刻蚀出微泵进液口，再刻蚀一个圆孔，当刻蚀厚度等于出口阀门厚度时停止刻蚀，将所述出口阀门采用光刻胶进行保护，再继续刻蚀，直到将圆孔刻通；下层腔体层制作完成；
步骤四、将制备好的上层腔体层、中层腔体层和下层腔体层进行硅硅键合，最后将PZT薄膜贴到上层腔体层的表面，完成MEMS压电微泵的制作。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵，其特征在于：所述出口阀门和进口阀门的结构为悬臂梁结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵，其特征在于：所述中层腔体层的出液口和下层腔体层的进液口均为2-3mm的圆孔。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电振膜的高精度MEMS微泵，其特征在于：所述PZT薄膜的直径为5mm，厚度为0.2mm。
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