CN1534193A - 带悬挂t字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵，具有开启能耗低、关闭承压大的特点，并采用阳极氧化电压切换技术和单晶硅薄膜转移技术制造，且制造技术能够简便灵活地同步集成制造微泵、微阀和微沟道网络，使新设计的单片硅膜微泵结构及其制造方法便于在单片型微流体系统中应用。

Description

带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵

技术领域

本发明涉及微电子机械系统(MEMS)领域，特别涉及气体液体硅膜微泵和制造方法，具体来说是涉及一种带悬挂T字型阀膜微阀构成的单片单向液体硅膜微泵及其制造方法。

背景技术

在已有硅膜微泵中的微阀大多包含硅弹性膜，微泵要开启微阀，需要克服阀膜的弹性力，使阀膜形变而产生一缝隙让流体通过。因此，开启微阀需要消耗一定的能量，这种能量消耗对微泵的效率有不利的影响。阀膜越厚，消耗的能量越大，微泵的效率就越低，然而，为确保微阀关闭时能够承受足够的压力又要求阀膜具有适当的厚度。可见，对已有的硅膜微泵的微阀结构而言，开启低耗能和关闭高承压对阀膜厚度的要求是相互矛盾的。所以，硅膜微泵需要一种开启能量低、关闭承压大的新型微阀结构。

另一方面，弹性膜微阀至少是双片结构的。如采用体硅微机械加工技术来制造的话，由这种结构的微阀构成的微泵需要三层、四层或更多层次的硅片或玻璃的键合来构成整体机构。这种多层次微泵结构不适用于片上型微系统的应用。

发明内容：

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵，所述的微泵由主衬底硅片、粘合介质、辅助衬底构成，所述的辅助衬底通过所述的粘合介质设置在所述主衬底硅片上方，具体的，在所述的主衬底硅片中设置有单一浅腔体，在所述的单一浅腔体两侧相对位置分别设置有入口微阀和出口微阀，所述的入口微阀与所述的出口微阀为带悬挂T字形阀膜的微阀，所述的入口微阀一侧与所述的单一浅腔体联通，在所述的入口微阀另一侧设置有入口微沟道，所述的入口微沟道制作在所述主衬底硅片中，所述的出口微阀一侧与所述的单一浅腔体连通，在所述的出口微阀的另一侧设置有出口微沟道，所述的出口微沟道制作在所述主衬底硅片中，在所述的主衬底硅片和所述辅助衬底之间设置有驱动结构，所述的驱动结构由腔体形变膜，上电极，下电极构成，所述的腔体形变膜设置在所述微阀上方，所述的下电极设置在腔体形变膜上方，所述的上电极设置在所述辅助衬底的下方，所述的上电极与所述的下电极之间有间隙。进一步的，所述的带悬挂T字形阀膜微阀由主衬底硅片和腔体形变膜构成，所述的腔体形变膜设置在所述主衬底硅片上方，具体的，在所述的主衬底硅片中设置有横臂嵌入槽与阀腔体，所述的横臂嵌入槽设置在所述阀腔体两侧上方，在所述的阀腔体另外两侧分别设置有微阀入口微沟道与微阀出口微沟道，在所述微阀入口微沟道上方设置有横档膜，在所述阀腔体中靠近所述微阀入口微沟道一侧设置有T字型阀膜，在所述的T字型阀膜上方左右两侧分别设置有上横臂，所述的T字型阀膜的上横臂设置在所述的横臂嵌入槽中。更具体的，所述的驱动结构为静电驱动方式，所述的驱动结构为压电驱动方式，所述的驱动结构为形变记忆合金驱动方式，更进一步的，所述的单一泵腔体的横截面为矩形，所述的单一泵腔体的横截面为圆形。

实现本发明所述的一种单片型单向液体微泵，采用的加工技术是改进的两项硅微泵加工技术：一是多次加工区域相互交叠的阳极氧化电压切换技术；二是单晶硅薄膜转移技术，所述的两项新型微泵加工技术均只在硅片的近表面体积内加工。

具体的，采用多次加工区域相互交叠的阳极氧化电压切换技术的加工所述的微泵制造方案如下：

首先是在所述主衬底硅片上对所述的阀膜释放硅槽进行刻蚀与填充，具体工艺如下：a)所述硅槽图形光刻，b)等离子刻蚀深硅槽，c)硅槽二氧化硅填充；

第二是所述的横臂嵌入槽腐蚀，具体工艺如下：光刻浅硅腐蚀区窗口，在低的阳极氧化电压下形成一定厚度的多孔硅膜，将阳极氧化电压切换到高电压下对已形成的多孔硅膜下的单晶硅进行短时间腐蚀，腐蚀深度控制在0.1-1.0微米内；

第三是所述泵腔体与所述微沟道区的深硅腐蚀，具体工艺如下：跨接光刻泵腔体和微沟道区图形，在低的阳极氧化电压下形成同样厚度的多孔硅膜，再将阳极氧化电压切换到高电压下对已形成的多孔硅膜下的单晶硅进行一定时间的腐蚀，然后，在多孔硅膜上沉淀一层绝缘膜之后就形成了微泵腔体和微沟道；

第四是所述阀腔体的深硅腐蚀，具体工艺如下：跨接光刻阀腔体区图形，使用与所述第三步相同的阳极氧化电压切换技术，所述主衬底硅片上硅的腐蚀深度要比所述泵腔体的深度大10微米以上；

第五是所述驱动结构的制备；

第六是阀膜图形刻蚀；

第七是粘合图形光刻；

第八是与所述辅助衬底进行对准粘合；

第九是阀膜释放，具体工艺方法如下：将温度为50-70℃的二氧化硅稀释蚀液由所述微沟道注入进所述的微泵中，将支撑所述阀膜的二氧化硅腐蚀掉，使所述阀膜释放。

采用单晶硅薄膜转移技术的加工所述的微泵制造方案是：具体的，首先是所述横臂嵌入槽的浅单晶硅刻蚀；第二是所述阀腔体区单晶硅预刻蚀；第三是所述的泵腔体，所述的微沟道及所述的阀腔体单晶硅腐蚀；第四是SOI硅片上多晶硅阀膜图形制备；第五是所述SOI硅片与所述主衬底硅片键合；第六是所述SOI衬底硅的腐蚀，第七是所述驱动结构制备，第八是对所述的阀膜进行释放，所述的SOI技术是在绝缘体上制造半导体硅的技术。

所述硅微泵的结构设计表明，本发明专利所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵具有开启能耗低、关闭承压大的特点，解决了弹性阀膜型微泵结构中存在的微阀开启能耗对微泵效率不良影响的问题。而且，本发明利用所述的新型微阀设计的微泵是单片型的，并采用两种具有很强的微流体系统的集成制造能力、简单、灵活的新型硅微泵制造工艺方法制造，因此，本发明所述的微泵及其制造方法都有利于促进单片型微流体系统的发展。

附图说明

图1是本发明所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵的空间结构图。

图2是本发明所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵中悬挂T字型阀膜微阀的局部空间结构图。

图3是本发明所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵的A-A截面图。

图4是本发明所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵的B-B截面图。

图5是本发明所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵采用多次加工区域相互交叠的阳极氧化电压切换技术制造的工艺剖面图。

图6是本发明所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵采用单晶硅薄膜转移技术制造的工艺剖面图。

图中1是带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵的整体结构，2是主衬底硅片，3是辅助衬底，4是粘合介质、5是腔体形变膜，6是入口微阀，7是出口微阀、8是入口微沟道，9是出口微沟道，10是单一浅腔体，11是下电极，12是上电极，13是入口微沟道，14是衬底阀腔体壁、15是T字型阀膜，16是阀腔体，17是横档膜，18是微阀出口微沟道，19是T字型阀膜的上横臂、20是横臂嵌入槽，21是绝缘介质，22是空气间隙，23是二氧化硅介质，24是氮化硅介质，25是阀膜释放硅槽，26是浅硅腐蚀区，27是腐蚀掩膜，28是横臂嵌入槽刻蚀区，29是释放介质，30是单晶硅薄膜，31是硅衬底，32是压电薄膜，33是压电驱动金属电极。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示，本发明一种带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵的具体结构，由主衬底硅片2、粘合介质4、辅助衬底3构成，所述的辅助衬底3通过所述的粘合介质4设置在所述主衬底硅片2上方，具体的，在所述的主衬底硅片2中设置有单一浅腔体10，在所述的单一浅腔体10两侧相对位置分别设置有入口微阀6和出口微阀7，所述的入口微阀6与所述的出口微阀7为带悬挂T字形阀膜的微阀，所述的入口微阀6一侧与所述的单一浅腔体10联通，在所述的入口微阀6另一侧设置有入口微沟道8，所述的入口微沟道8制作在所述主衬底硅片2中，所述的出口微阀7一侧与所述的单一浅腔体10连通，在所述的出口微阀7的另一侧设置有出口微沟道13，所述的出口微沟道13制作在所述主衬底硅片中，在所述的主衬底硅片2和所述辅助衬底3之间设置有驱动结构，所述的驱动结构由腔体形变膜5，上电极12，下电极11构成，所述的腔体形变膜5设置在所述微阀上方，所述的下电极11设置在所述腔体形变膜5上方，所述的上电极12设置在所述辅助衬底3的下方，所述的上电极12与所述的下电极11之间有间隙。进一步的，所述的带悬挂T字形阀膜微阀由主衬底硅片2和腔体形变膜5构成，所述的腔体形变膜5设置在所述主衬底硅片2上方，具体的，在所述的主衬底硅片2中设置有横臂嵌入槽20与阀腔体16，所述的横臂嵌入槽20设置在所述阀腔体16两侧上方，在所述的阀腔体16另外两侧分别设置有微阀入口微沟道13与微阀出口微沟道9，在所述微阀入口微沟道9上方设置有横档膜17，在所述阀腔体16中靠近所述微阀入口微沟道9一侧设置有T字型阀膜15，在所述的T字型阀膜15上方左右两侧分别设置有上横臂19，所述的T字型阀膜15与衬底阀腔体壁14接触，所述的T字型阀膜15的上横臂19设置在所述的横臂嵌入槽20中。更具体的，所述的驱动结构为静电驱动方式，所述的驱动结构为压电驱动方式，所述的驱动结构为形变记忆合金驱动方式，更进一步的，所述的单一泵腔体10形状为矩形，所述的单一泵腔体10形状为圆形。

实施例1

如图5所示，采用多次加工区域相互交叠的阳极氧化电压切换技术制造本发明所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵的加工过程如下：

1.所述的阀膜释放硅槽的刻蚀与填充：选用0.01-0.015Ωcm的低阻P型硅片2；LPCVD淀积氮化硅24，厚度0.2～0.3微米；硅槽图形光刻，硅槽宽度为0.2～1.2微米；等离子刻蚀深硅槽，高温局部氧化，用热生长二氧化硅24填满硅槽。

2.所述阀膜硅嵌槽腐蚀：去除经局部氧化后的氮化硅，并对硅片进行化学机械抛光；LPCVD淀积氮化硅24，厚度0.2～0.3微米；光刻浅腐蚀区图形26；将硅阳极氧化电压置于低电压，形成多孔硅膜5，厚5～20微米；再将硅阳极氧化电压切换至高电压，进行浅硅腐蚀，深度为0.1～0.2微米。

3.泵腔体与微沟道区的深硅腐蚀：LPCVD淀积氮化硅24，厚度0.2～0.3微米；光刻泵腔体和微沟道区图形，刻蚀图形与浅硅腐蚀图形交叠；将硅阳极氧化电压置于低电压，形成多孔硅膜5，厚5～20微米；再将硅阳极氧化电压切换至高电压，进行深硅腐蚀，深度为10～50微米。

4.阀腔体的深硅腐蚀：LPCVD淀积氮化硅24，厚度0.2～0.3微米；光刻阀腔体区图形，刻蚀图形与浅硅腐蚀图形交叠；将硅阳极氧化电压置于低电压，形成多孔硅膜5，厚5～20微米；再将硅阳极氧化电压切换至高电压，进行深硅腐蚀，深度为20～60微米，6为进口微阀，7为出口微阀。

5.静电驱动电极制备：淀积氮化硅24，厚度0.2～0.3微米；电子束淀积金属铝膜，厚度为0.9微米；电极图形11反刻；PECVD淀积氮化硅，厚度0.2～0.3微米，作为隔离介质。

6.阀膜图形刻蚀：光刻阀膜图形，反应离子刻蚀氮化硅24。

7.粘合图形光刻：淀积磷硅玻璃作为粘合介质4，厚度在0.1～2微米之间；粘合图形光刻。

8.对准粘合：将制备好的主衬底硅片2，依照所述主衬底上的粘合图形4对准低温键合在一起。

9.阀膜释放：将温度为60℃的二氧化硅稀释蚀液由微沟道注入进微泵中，将支撑阀膜的二氧化硅腐蚀掉，使阀膜释放。

实施例2

如图6所示，采用单晶硅薄膜转移技术制造本发明所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵的加工过程如下：

1.阀膜嵌槽刻蚀：选择(100)或(110)晶向的硅片，对电阻率无限制；高温湿氧氧化，二氧化硅27厚度为0.6微米；阀膜嵌槽28图形光刻；浅硅湿法刻蚀，刻蚀深度为3～5微米。

2.阀腔体区硅预刻蚀：  去除原有二氧化硅掩膜；再次高温湿氧氧化，二氧化硅27厚度为1.2微米；LPCVD淀积氮化硅24，厚0.2～0.3微米，光刻微泵腔体、微阀腔体和微沟道图形；等离子体刻蚀氮化硅24，光刻阀腔体区图形6和7；阀腔体区硅湿法刻蚀，深度为10～20微米。

3.泵腔体、微沟道、阀腔体腐蚀：漂去预刻蚀后的硅片上的二氧化硅，打开微泵腔体和微沟道刻蚀窗口；微泵腔体、微阀腔体和微沟道图形区的深硅湿法刻蚀，深度为20～50微米，去除硅片上的氮化硅和二氧化硅，此步骤同时完成微泵腔体10、进出口微阀腔体6和7、进出口微沟道8和9空间区的硅刻蚀。

4.SOI硅片31上阀膜图形制备：选择SOI硅片31，二氧化硅上的硅膜30厚5～20微米，电阻率为5～10Ωcm；淀积磷硅玻璃厚1.0～3.0微米，作为阀膜的释放介质；释放介质图形光刻，淀积厚多晶硅膜，厚度5～20微米；光刻阀膜图形15和横档膜7。

5.SOI硅片键合：将制备好图形的SOI硅片31对准常压键合到刻蚀好硅图形的主衬底硅片2上。

6.SOI衬底硅的腐蚀：键合后，用碱性或酸性蚀液将SOI上的衬底硅刻蚀掉。

7.压电驱动结构制备：去除SOI原有的二氧化硅；淀积二氧化硅，厚度0.2～0.3微米；电子束淀积金属膜，厚度为0.3～1.0微米；下电极图形33反刻；淀积并光刻压电膜32；再次淀积金属膜并光刻上电极图形33。

8.阀膜释放：将温度为60℃的二氧化硅稀释蚀液由微沟道注入进微泵中，将阀膜图形下的磷硅玻璃腐蚀掉，使阀膜释放。

Claims (9)

1、一种带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵，由主衬底硅片、粘合介质、辅助衬底构成，所述的辅助衬底通过所述的粘合介质设置在所述主衬底硅片上方，其特征在于：在所述的主衬底硅片中设置有单一浅腔体，在所述的单一浅腔体两侧相对位置分别设置有入口微阀和出口微阀，所述的入口微阀与所述的出口微阀都为悬挂T字形阀膜的微阀，所述的入口微阀一侧与所述的单一浅腔体联通，在所述的入口微阀另一侧设置有入口微沟道，所述的入口微沟道制作在所述主衬底硅片中，所述的出口微阀一侧与所述的单一浅腔体连通，在所述的出口微阀的另一侧设置有出口微沟道，所述的出口微沟道制作在所述主衬底硅片中，在所述的主衬底硅片和所述辅助衬底之间设置有驱动结构，所述的驱动结构由腔体形变膜，上电极，下电极构成，所述的腔体形变膜设置在所述微阀上方，所述的下电极设置在所述腔体形变膜上方，所述的上电极设置在所述辅助衬底的下方。

2、根据权利要求1所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵，其特征在于：所述的带悬挂T字形阀膜微阀由主衬底硅片和腔体形变膜构成，所述的腔体形变膜设置在所述主衬底硅片上方，在所述的主衬底硅片中设置有横臂嵌入槽与阀腔体，所述的横臂嵌入槽设置在所述阀腔体两侧上方，在所述的阀腔体另外两侧分别设置有微阀入口微沟道与微阀出口微沟道，在所述微阀入口微沟道上方设置有横档膜，在所述阀腔体中靠近所述微阀入口微沟道一侧设置有T字型阀膜，在所述的T字型阀膜上方左右两侧分别设置有上横臂，所述的T字型阀膜的上横臂设置在所述的横臂嵌入槽中。

3、根据权利要求1所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵，其特征在于：所述的驱动结构为静电驱动方式。

4、根据权利要求1所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵，其特征在于：所述的驱动结构为压电驱动方式。

5、根据权利要求1所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵，其特征在于：所述的驱动结构为形变记忆合金驱动方式。

6、根据权利要求1所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵，其特征在于：所述的单一泵腔体的横截面为矩形。

7、根据权利要求1所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵，其特征在于：所述的单一泵腔体的横截面为圆形。

8、制造如权利要求1所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微的方法，其特征在于：

首先是在所述主衬底硅片上对所述的阀膜释放硅槽进行刻蚀与填充，具体工艺如下：a)所述硅槽图形光刻，b)等离子刻蚀深硅槽，c)硅槽二氧化硅填充；

第二是所述的横臂嵌入槽腐蚀，具体工艺如下：光刻浅硅腐蚀区窗口，在低的阳极氧化电压下形成一定厚度的多孔硅膜，将阳极氧化电压切换到高电压下对已形成的多孔硅膜下的单晶硅进行短时间腐蚀，腐蚀深度控制在0.1-1.0微米内；

第三是所述泵腔体与所述微沟道区的深硅腐蚀，具体工艺如下：跨接光刻泵腔体和微沟道区图形，在低的阳极氧化电压下形成同样厚度的多孔硅膜，再将阳极氧化电压切换到高电压下对已形成的多孔硅膜下的单晶硅进行一定时间的腐蚀，然后，在多孔硅膜上沉淀一层绝缘膜之后就形成了微泵腔体和微沟道；

第四是所述阀腔体的深硅腐蚀，具体工艺如下：跨接光刻阀腔体区图形，使用与所述第三步相同的阳极氧化电压切换技术，所述主衬底硅片上硅的腐蚀深度要比所述泵腔体的深度大10微米以上；

第五是所述驱动结构的制备；

第六是阀膜图形刻蚀；

第七是粘合图形光刻；

第八是与所述辅助衬底进行对准粘合；

第九是阀膜释放，具体工艺方法如下：将温度为50-70℃的二氧化硅稀释蚀液由所述微沟道注入进所述的微泵中，将支撑所述阀膜的二氧化硅腐蚀掉，使所述阀膜释放。

9、制造如权利要求1所述的带悬挂T字形阀膜微阀的单片型单向液体微泵的方法，其特征在于：首先是所述横臂嵌入槽的浅单晶硅刻蚀；第二是所述阀腔体区单晶硅预刻蚀；第三是所述的泵腔体，所述的微沟道及所述的阀腔体单晶硅腐蚀；第四是SOI硅片上多晶硅阀膜图形制备；第五是所述SOI硅片与所述主衬底硅片键合；

第六是所述SOI衬底硅的腐蚀，第七是所述驱动结构制备，第八是所述的阀膜释放。

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