CN1583542A - 微冷却测控系统及其加工方法 - Google Patents

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本发明涉及的是一种微冷却测控系统及其加工方法。它包括硅基片和玻璃片两层，硅基片表面上设置有微沟道和无阀微泵图形，玻璃片上设置有温度和流量传感器，硅片和玻璃片通过键合工艺粘接在一起。本发明产品的优点在于：结构简单，易于操作；易于批量生产；可靠性高；流量控制范围宽。本发明适用于纳、皮卫星环境热控、燃料控制和微电子芯片系统冷却等领域。

Description

微冷却测控系统及其加工方法
(一)技术领域
本发明专利涉及一种基于MEMS工艺设计的新型微型冷却测控系统，本发明也涉及一种微型冷却测控系统的加工方法。
(二)背景技术
在过去的十余年中，随着人们对微流体领域的各个分立器件(如微流量传感器、微泵、微阀、微通道等)研究的日趋完善，以及市场对高精度微流体控制系统的需求日益增加，微流量闭环控制系统成为MEMS中的研究热点之一。其工作原理可表述为：系统通过其中的传感器对流体状态进行检测，再将检测信号进行分析处理后，反馈给执行器进行动作，最终精确控制流体的流量。这种闭环控制系统中的各器件按组合方式的不同，主要可分为：组装式(Hybrid)和单片集成式(Monolithic)两大类。
组装式微流体控制系统主要是指先将系统所需的各器件独立加工，而后再简单地用精密机械方法组装成一整体。该系统主要包括硅压电(静电)驱动微泵/阀芯片(9mm×9mm)、硅流体传感器(6mm×12mm)各一个。各器件间主要依靠销、钉、粘合剂来组装连接。该系统通过调节方波输入信号，可获得40～80μl/min的双向流量。德国Braunschweig理工大学的R.Roβberg等研制的便携式微药剂注射系统也属于这种类型。显然这种系统集成度较低，装配难度较大，不利于大批量生产。
单片集成式微流体控制系统则是将微泵、微阀、微传感器及其它辅助器件(如微通道、过滤网、混合器等)与控制电路等采用微加工方法集成在同一基片(或电路板)上，以获得一整体性智能化芯片器件。例如，现已研制出的基于MCB(MixedCircuit Board)的氨水集成分析系统，即是典型的单片集成式微流体控制系统，其上层集成流体器件和检测元器件(微泵、微阀、流体传感器)、微流体通道，下层为控制电路。不同的流体通过各自的入口(微阀，有时还有过滤网)，经过各自的热气驱动微泵流出，其中各通道的流量均由各自的流量传感器检测，而后再通过电路控制器驱动微泵动作，最终达到控制各流体流量的目的。这种系统需要微阀门控制流体的进出，同时热气驱动微泵需要热源加热，因此结构复杂，流量控制范围也小。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，易于批量生产，并且具有大流量控制范围和高热通量的微冷却测控系统。本发明的目的还在于提供一种微冷却测控系统的加工方法。
本发明的目的是这样实现的：微冷却测控系统的组成包括硅基片和玻璃片两层，硅基片表面上设置有微沟道和无阀微泵图形，玻璃片上设置有温度和流量传感器，硅片和玻璃片通过键合工艺粘接在一起。
本发明的产品还可以包括这样一些结构特征：
1、所述的硅片上的无阀微泵腔体贯通，并且在贯通的无阀微泵腔体下方粘接有压电陶瓷膜片。
2、所述的压电陶瓷膜片同心粘接在无阀微泵腔体下方。
本发明的产品是这样加工制作的：首先在双面抛光硅片上生长二氧化硅，之后进行光刻，在硅上开出窗口，在光刻胶和SiO2的保护下深槽刻蚀Si片，在硅片上形成微沟道和无阀微泵图形，然后采用机械研磨的方法将腔体无阀微泵贯通，再采用电化学放电方法，在硅片扩散口和喷嘴出口处的圆形腔体位置上打系统注水口，最后将硅片放入浓硫酸溶液中在水浴环境下加热，除去光刻胶，再放入HF溶液中漂去SiO2；先在95玻璃上溅射一层8-12纳米Ti，再溅射0.05-0.15微米Pt，之后利用光刻剥离技术刻出铂电阻图形；利用阳极键合工艺将硅片和玻璃紧密结合在一起。其中在玻璃与硅键合过程中，采用与硅的热膨胀系数相当的7740玻璃，键合温度为380℃～450℃，电压为900V～1100V，最大电流80-100微安。
本发明专利中，硅基片是利用深槽刻蚀技术在硅片上刻蚀出微沟道和无阀微泵的图形，而微泵腔体是贯通的，这层结构作为整个系统芯片的底部；玻璃片是整个系统芯片的盖片，这一层制作有温度和流量传感器，两类传感器都采用金属铂薄膜电阻制作。玻璃片上带有金属薄膜的一侧与硅片上带有图形的一侧相对应，同时测温电阻与微沟道相对应，键合在一起。在腔体对应的位置上，同心地粘接压电陶瓷膜片，于是形成封闭结构。如果想实现芯片的大批量制作，只需要分别批量制作各层结构，然后键合即可。由于各层的批量制作技术和键合技术相对成熟，所以这种微冷却测控系统可以实现大批量制作。本系统芯片结构集成有利用逆压电效应驱动的无阀微泵，无阀微泵具有可以采用平面设计、结构简单、便于采用微机械加工技术加工、便于批量生产等优点；而且由于没有可动部分，使无阀微泵适用于各种流体，如气体、液体及带有固体微粒的液体等，并且减少了阻塞现象的发生，因此，和有阀微泵相比，无阀微泵更加可靠、耐用；同时压电膜片易于与基片结合、灵敏度高、结构简单、效率高，电压工作范围在0～150V，具有较宽的系统流量控制范围。
本发明的优点在于：
1、简单，易于操作；
2、易于批量生产；
3、可靠性高；
4、流量控制范围宽。
本发明的产品适用于纳、皮卫星环境热控、燃料控制和微电子芯片系统冷却等领域。
(四)附图说明
图1为刻有微沟道和无阀微泵图形的硅基片结构图；
图2为带有温度和流量传感器的玻璃片结构图；
图3为温度传感器结构示意图；
图4为流量传感器结构示意图；
图5键合后的系统芯片结构平面图。
(五)具体实施方案
流体系统的主体结构无阀微泵1和微沟道2采用深槽刻蚀技术制作；流量传感器3和温度传感器4采用金属铂薄膜结构实现，因此需要绘制两张光刻掩膜版。首先在双面抛光硅片上生长二氧化硅，作为深槽刻蚀工艺的掩膜层。其中，氧化炉温为1180℃，水域温度为95～97℃，氧气流量为1l/min。之后，进行光刻，由于掩膜版上的图案与光刻后衬底表面腐蚀出来的图案相反，所以选用负光刻胶，显影液用丙酮溶液。光刻工艺流程：涂胶＞前烘＞曝光＞显影＞坚膜＞腐蚀＞去胶。在硅上开出窗口，在光刻胶和SiO2的保护下深槽刻蚀Si片。无阀微泵1和微沟道2的刻蚀深度为50～200微米。然后，采用机械研磨的方法将腔体打成贯通。再采用电化学放电方法，在硅片扩散口和喷嘴出口处的圆形腔体位置上打孔，作为系统的注水口，其中30～40％的KOH溶液作为腐蚀液，探针头所加电压为80～120V。最后将硅片放入浓硫酸溶液中在60℃水浴环境下加热，除去光刻胶。再放入HF溶液中漂去SiO2。流量传感器3和温度传感器4采用金属铂薄膜电阻结构：第一步在衬底上涂胶并形成图形，要求不需要金属膜的区域覆有光刻胶；第二步在衬底-光刻胶结合体上淀积金属膜，先溅射一层8-10纳米Ti，再溅射0.1-0.12微米Pt，之后利用光刻剥离技术刻出铂电阻图形这样金属膜仅在需要它的区域与衬底相接触。最后，用不侵蚀金属膜的溶剂除去光刻胶。这样一来，光刻胶把它上面的金属膜剥离，而留下了形成图形的金属。利用阳极键合工艺将硅片和玻璃紧密结合在一起，确保器件的气密性。在玻璃——硅键合技术中，采用与硅的热膨胀系数相当的7740玻璃。键合温度为380℃～450℃，电压为900V～1100V，最大电流90微安左右。最后将压电驱动膜片同心地粘接到打通的微泵腔体下方。
系统芯片工作过程如下：
发热体置于硅片6一侧，而散热片置于硅片5一侧，因此硅片6一侧成为高温区，而5一侧成为低温区，冷却液为水。发热体将热量传递给硅片。控制电路输出的驱动信号使微泵工作，将水泵入高温区微沟道中，吸收硅片热量。当水从高温区流入低温区微沟道中时，便将一部分热量从高温区携带至低温区。在低温区通过散热片将这部分热量散发出去。如此循环，实现了发热体的散热。控制沟道中流体流速，可控制1从高温区携带到低温区的热量。沟道中的3与4可实时监测微沟道中的水流速度与硅基片温度，以实现智能化控制。

Claims (5)

1、一种微冷却测控系统，其特征是：它包括硅基片和玻璃片两层，硅基片表面上设置有微沟道和无阀微泵图形，玻璃片上设置有温度和流量传感器，硅片和玻璃片通过键合工艺粘接在一起。
2、根据权利要求1所述的微冷却测控系统，其特征是：所述的硅片上的无阀微泵腔体贯通，并且在贯通的无阀微泵腔体下方粘接有压电陶瓷膜片。
3、根据权利要求2所述的微冷却测控系统，其特征是：所述的压电陶瓷膜片同心粘接在无阀微泵腔体下方。
4、一种微冷却测控系统的加工方法，其特征是：首先在双面抛光硅片上生长二氧化硅，之后进行光刻，在硅上开出窗口，在光刻胶和SiO2的保护下深槽刻蚀Si片，在硅片上形成微沟道和无阀微泵图形，  然后采用机械研磨的方法将腔体无阀微泵贯通，再采用电化学放电方法，在硅片扩散口和喷嘴出口处的圆形腔体位置上打系统注水口，最后将硅片放入浓硫酸溶液中在水浴环境下加热，除去光刻胶，再放入HF溶液中漂去SiO2；先在95玻璃上溅射一层8-12纳米Ti，再溅射0.05-0.15微米Pt，之后利用光刻剥离技术刻出铂电阻图形；利用阳极键合工艺将硅片和玻璃紧密结合在一起。
5、根据权利要求4所述的微冷却测控系统的加工方法，其特征是：在玻璃与硅键合过程中，采用与硅的热膨胀系数相当的7740玻璃，键合温度为380℃～450℃，电压为900V～1100V，最大电流80-100微安。
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