CN211038979U

CN211038979U - 表贴式压电微泵

Info

Publication number: CN211038979U
Application number: CN201922330180.0U
Authority: CN
Inventors: 余怀强
Original assignee: CETC 26 Research Institute
Current assignee: CETC 26 Research Institute
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2020-07-17
Anticipated expiration: 2029-12-23

Abstract

本实用新型公开了一种表贴式压电微泵，泵体内入流沉腔和中心沉腔通过进液孔连通，中心沉腔和出流沉腔通过排液孔连通。泵体下表面的入出液口与入出流沉腔连通；压电振子安装在泵体上表面，压电振子底电极和顶电极分别通过导电通道从泵体下表面引出；泵体上表面设有将外露的底电极、顶电极和导电通道上端覆盖的绝缘层。在泵体上表面设有顶盖，顶盖将压电振子和泵体上表面封盖，顶盖和泵体上表面之间形成气压平衡腔，在入流沉腔与气压平衡腔之间之间设有气压平衡通道。泵体由四块设有孔道和型腔的基板构成。本压电微泵方便加工，具有体积小、重量轻、封装接口一体化集成、输出流量大、适于封闭流体回路的特点。

Description

表贴式压电微泵

技术领域

本实用新型涉及压电微泵，具体涉及一种表贴式压电微泵，属于微电子机械系统、流体驱动、微系统液冷散热以及生物医疗等技术领域。

背景技术

近年来，随着微机电系统（MEMS）技术快速发展，压电微泵因其体积小、功耗低、输出压力高等独特优势在热管理、生物医疗等技术领域受到广泛关注。例如，2016年电子科技大学罗文博等人在公开的发明专利（中国专利公开号为CN105977370，发明名称为“一种基于压电微泵的嵌入式制冷器件及其制备方法”）中提出了一种集成压电微泵的嵌入式制冷器件及其制备方法，以解决高密度集成微系统的一体化热管理技术问题，该发明专利提出了利用微加工工艺在每个发热芯片下方制作微流道和压电微泵，该压电微泵的压电陶瓷片置于压电微泵外表面，并采用了扩散/收缩管的无阀结构，属于一种传统的压电微泵。实际上，早在上世纪九十年代，压电微泵技术就得到了极为广泛的研究；例如，1995年，Gerlach和Wurmus两人发表的题为“Working principle and performance of the dynamicmicropump”论文就提出了一种基于扩散/收缩管的无阀压电微泵，该压电微泵采用玻璃与硅材料通过MEMS工艺制作而成；1996年，清华大学王晓浩等人在发表的题为“A PZT-drivenmicropump”会议文章中提出了一种基于外置压电双晶片的压电微泵，阀片采用了硅基悬臂梁结构；2002年，Schabmueller等人在发表的题为“Self-aligning gas/liquidmicropump”论文中提出了一种基于全硅工艺的无阀压电微泵，PZT陶瓷片置于微泵上表面。总之，利用硅基MEMS工艺制作的压电微泵具有轻薄化、小型化的特点，并且由于硅基MEMS工艺与集成电路（IC）工艺相兼容，压电微泵与其他电子器件一体化集成也更易实现。

不过，目前压电微泵存在着一些技术问题：一是接口问题，压电微泵的流体接口普遍通过管状结构实现流体出入转接，而给压电微泵供电的电学接口也大多采用“飞线”方式引出，压电微泵接口存在着体积大、集成度不高等缺点；二是作为驱动部件的压电振子置于压电微泵外表面，在流体回路内外存在较大压强差时，压电微泵会因压电振子无法振动而失效。因此，不仅需要从设计方面解决上述现有问题，而且还要从可制造性层面考虑如何利用硅基MEMS工艺等微加工技术手段完成制作，这也是近年来压电微泵技术一直面临的技术痛点之一。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种适用于封闭流体回路的表贴式压电微泵，本压电微泵方便加工，具有体积小、重量轻、封装接口一体化集成、输出流量大、适于封闭流体回路的特点。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

表贴式压电微泵，包括泵体、进液阀片、排液阀片、压电振子，所述泵体内设有中心沉腔、入流沉腔和出流沉腔，中心沉腔位于入流沉腔和出流沉腔上方，入流沉腔和中心沉腔通过进液孔连通，中心沉腔和出流沉腔之间通过排液孔连通；进液阀片安装在中心沉腔底部并将进液孔封盖，排液阀片安装在出流沉腔底部并将排液孔封盖；在泵体下表面分别设有入液口和出液口；入液口与入流沉腔连通，出液口与出流沉腔连通；压电振子安装在泵体上表面并位于中心沉腔正上方；压电振子下表面和泵体上表面之间设有底电极，压电振子上表面设有顶电极；其特征在于：底电极和顶电极分别通过泵体内竖直设置的导电通道从泵体下表面引出；泵体上表面设有绝缘层，绝缘层将外露的底电极、顶电极和导电通道上端部覆盖；

在泵体上表面设有顶盖，顶盖将压电振子封盖的同时将至少部分泵体上表面一起封盖，顶盖和压电振子及被封盖的泵体上表面之间的空腔形成气压平衡腔，在入流沉腔与气压平衡腔之间或者出流沉腔与气压平衡腔之间设有连通两者的气压平衡通道。

2、为方便加工，所述顶盖由下表面具有顶部沉腔的基板一构成，泵体由从上往下的基板二、基板三、基板四和基板五组装而成；其中基板二下表面设有主型腔、上下贯穿的气压平衡孔和导电通孔；基板三设有上下贯穿的气压平衡孔、导电通孔、排液孔以及局部减薄形成的悬臂结构的进液阀片，进液阀片下表面与基板三下表面平齐；基板四下表面设有入流沉腔、出流沉腔、上下贯穿的气压平衡孔、导电通孔、进液孔以及在出流沉腔底部减薄形成的悬臂结构的排液阀片，入流沉腔或者出流沉腔与基板四上的气压平衡孔通过通道连通，排液阀片上表面与基板四上表面平齐；基板五上设有上下贯穿的入液口、出液口和导电通孔；基板二、基板三和基板四上的气压平衡孔上下正对连通形成所述气压平衡通道，基板二、基板三、基板四和基板五上的导电通孔至少为两道，分别用于与底电极和顶电极电连接，各道导电通孔分别上下正对连通形成金属通孔，金属通孔内设置导电材料形成导电通道；所述底电极、压电振子、顶电极和绝缘层依次设置在基板二上表面；

基板三上的进液阀片将基板四上的进液孔封盖，基板四上的排液阀片将基板三上的排液孔封盖；基板二的主型腔和基板三减薄形成进液阀片后留下的空腔合围形成中心沉腔，基板五上表面将基板四的入流沉腔、出流沉腔、气压平衡孔以及入流沉腔或者出流沉腔与基板四气压平衡孔连通的通道封闭。

优选地，在基板三的下表面位于排液孔周围设有环形凹槽，环形凹槽和排液孔之间形成排液环形凸沿，排液阀片贴在排液环形凸沿上以将排液孔封盖，排液环形凸沿用于防止排液阀片与泵体吸附。

同样地，在基板四的上表面位于进液孔周围设有环形凹槽，环形凹槽和进液孔之间形成进液环形凸沿，进液阀片贴在进液环形凸沿上以将进液孔封盖，进液环形凸沿用于防止进液阀片与泵体吸附。

更进一步地，在顶盖底面、泵体结构顶面和底面分别设有图形化金属层，其中顶盖底面的图形化金属层为与泵体顶面焊接的金属层；泵体结构顶面的图形化金属层为每个导电通道上端设置的导电通道上端焊盘和与顶盖底面焊接的金属层；其中底电极和顶电极分别与对应的导电通道上端焊盘连接；泵体结构底面的图形化金属层包括接地焊盘、入液口周围的入液口焊盘、出液口周围的出液口焊盘、每个导电通道下端设置的导电通道下端焊盘；顶盖底面和泵体顶面通过金属层焊接连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型将压电微泵复杂的内部结构通过五块基板组装而成，每块基板都是常规的直孔、沉腔加工，这些都可以采用现有成熟的加工工艺简单完成，有利于微泵定制化、批量化、低成本加工。

2、将压电振子封闭在泵腔内部，同时将压电振子电极通过导电通道连接到微泵底部，使得微泵出入液接口、电学接口均位于泵的底部，从而实现了表贴式适于封闭流体回路的压电微泵，具有结构简单紧凑、一体化集成度高、使用方便等优点。

附图说明

图1为本实用新型气压平衡孔位于入流沉腔一侧的表贴式压电微泵剖面结构示意图。

图2为本实用新型气压平衡孔位于出流沉腔一侧的表贴式压电微泵剖面结构示意图。

图3为本实用新型表贴式压电微泵制作工艺流程图。

图4为本实用新型表贴式压电微泵三维结构底面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

本实用新型表贴式压电微泵，其结构可以参见图1和图2，包括泵体、进液阀片、排液阀片、压电振子，所述泵体内设有中心沉腔、入流沉腔和出流沉腔，入流沉腔和出流沉腔位于同一高度，中心沉腔位于入流沉腔和出流沉腔上方，入流沉腔和中心沉腔通过进液孔连通，中心沉腔和出流沉腔之间通过排液孔连通；进液阀片安装在中心沉腔底部并将进液孔封盖，排液阀片安装在出流沉腔底部并将排液孔封盖；在泵体下表面分别设有入液口和出液口；入液口与入流沉腔连通，出液口与出流沉腔连通；压电振子安装在泵体上表面并位于中心沉腔正上方；压电振子下表面和泵体上表面之间设有底电极，压电振子上表面设有顶电极；其特征在于：底电极和顶电极分别通过泵体内的导电通道从泵体下表面引出；泵体上表面设有绝缘层，绝缘层将外露的底电极、顶电极和导电通道上端部覆盖；

为方便加工，所述顶盖由下表面具有顶部沉腔的基板一构成，泵体由从上往下的基板二、基板三、基板四和基板五组装而成；其中基板二下表面设有主型腔、上下贯穿的气压平衡孔和导电通孔；基板三设有上下贯穿的气压平衡孔、导电通孔、排液孔以及局部减薄形成的悬臂结构的进液阀片，进液阀片下表面与基板三下表面平齐；基板四下表面设有入流沉腔、出流沉腔、上下贯穿的气压平衡孔、导电通孔、进液孔以及在出流沉腔底部减薄形成的悬臂结构的排液阀片，入流沉腔或者出流沉腔与基板四上的气压平衡孔通过通道连通，排液阀片上表面与基板四上表面平齐；基板五上设有上下贯穿的入液口、出液口和导电通孔；基板二、基板三和基板四上的气压平衡孔上下正对连通形成所述气压平衡通道，基板二、基板三、基板四和基板五上的导电通孔至少为两道，分别用于与底电极和顶电极电连接，各道导电通孔分别上下正对连通形成金属通孔，金属通孔内设置导电材料形成导电通道；所述底电极、压电振子、顶电极和绝缘层依次设置在基板二上表面；

本实用新型表贴式压电微泵按如下步骤，同时请参见图3。

1）准备五块大小一致（厚度可以有差异）的基板，按从上往下依次为基板一1、基板二2、基板三3、基板四4和基板五5，基板厚度约为500微米，见图3（a）；通常五块基板材料相同，实施例选择硅或者玻璃；五块基板材料也可以不同，比如一些是硅，一些是玻璃。

2）根据上述压电微泵结构特点对五块基板进行孔道和型腔的设计；具体如下，可以参见图3（b），基板一1下表面设计有一个顶部沉腔6，形成顶盖20；基板二2下表面设计有主型腔7、上下贯穿的气压平衡孔8和导电通孔26；基板三3设计有上下贯穿的气压平衡孔8、导电通孔26、排液孔11以及局部减薄形成的悬臂结构的进液阀片9，进液阀片9下表面与基板三3下表面平齐；基板四4下表面设计有入流沉腔15、出流沉腔14、上下贯穿的气压平衡孔8、导电通孔26、进液孔12以及在出流沉腔底部减薄形成的悬臂结构的排液阀片10，入流沉腔或者出流沉腔与基板四上的气压平衡孔通过通道连通，排液阀片10上表面与基板四4上表面平齐；基板五5上设计有上下贯穿的入液口16、出液口17和导电通孔26；基板二2、基板三3和基板四4上的气压平衡孔8上下正对连通，以保证后续在基板键合后它们在垂直方向可串联形成完整的气压平衡通道；基板二2、基板三3、基板四4和基板五5上的导电通孔26至少为两道，分别用于与压电振子的底电极和顶电极电连接；其中底电极和顶电极对应的导电通孔可以是一个，也可以为多个，通常不止一个，其中一个为主导电通孔，另外的为备用导电通孔，当主导电通孔出现故障时，可以启用备用导电通孔。各导电通孔26分别上下正对连通，以保证后续在基板键合后它们在垂直方向可串联形成完整的金属通孔；

3）按步骤2）设计的各基板结构特点分别对五块基板进行加工，加工出设计的相应孔道和型腔；所述加工工艺包括光刻和刻蚀；所述刻蚀工艺为干法刻蚀或者湿法刻蚀；在基板二、基板三、基板四上制作上述结构需要通过反复多次光刻与刻蚀；由于光刻是用来制作刻蚀的掩膜，因此一次光刻只能刻蚀一个深度，该图形涉及制作多的深度，故需要多次光刻与刻蚀来实现。

在设计和加工基板三3时，在基板三3的下表面位于排液孔11周围加工出环形凹槽，环形凹槽和排液孔之间形成环形凸沿13，排液阀片10贴在环形凸沿13上以将排液孔11封盖，环形凸沿13用于防止排液阀片与泵体吸附。同样地，在加工基板四4时，在基板四4的上表面位于进液孔12周围加工出环形凹槽，环形凹槽和进液孔之间也形成环形凸沿13，进液阀片9贴在对应的环形凸沿13上以将进液孔12封盖，进液口周围的环形凸沿13用于防止进液阀片与泵体吸附。

该步骤完成后的状态见图3（b）。

4）将基板二2、基板三3、基板四4与基板五5上下正对叠放并通过键合工艺连接在一起，形成泵体18，基板二2、基板三3和基板四4上的气压平衡孔8上下正对连通形成完整的气压平衡通道80；基板二2、基板三3、基板四4和基板五5上的导电通孔26上下正对连通形成完整的金属通孔260；

基板三上的进液阀片9将基板四上的进液孔12封盖，基板四上的排液阀片10将基板三上的排液孔11封盖；基板二的主型腔7和基板三减薄形成进液阀片后留下的空腔合围形成中心沉腔81，基板五5上表面将基板四的入流沉腔15、出流沉腔14、气压平衡孔8以及入流沉腔或者出流沉腔与基板四气压平衡孔连通的通道封闭；

相邻两基板之间采用图形化的中间层19连接以保证两基板之间键合强度以及液体气密性。

所述键合工艺为金金键合，此时中间层材料为金；也可以为共晶焊键合，此时中间层材料为金锡合金；或者采用回流焊键合，此时中间层材料为锡铅合金；或者采用苯并环丁烯（BCB）、压敏胶（PSA）等聚合物中间层材料通过加温、加压等方式实现基板之间连接。

各基板与中间层在键合前通过工装夹具进行对准堆叠，保证边缘平齐。

该步骤完成后的状态见图3（c）。

5）通过溅射或化学镀工艺在每个金属通孔260内壁上沉积金属种子层，再通过电镀工艺沉积对应金属以填充金属通孔，形成导电通道261，所述金属材料为铜或金；

6）通过蒸发或溅射工艺在基板一底面、步骤5）得到的泵体结构顶面和底面分别制作图形化金属层，其中基板一1底面的图形化金属层为与泵体顶面焊接的金属层21；泵体结构顶面的图形化金属层为压电振子底电极22、导电通道上端焊盘25和与基板一底面焊接的金属层21，压电振子底电极22位于基板二主型腔正上方；其中底电极22与底电极对应的导电通道上端焊盘25连接；如果与底电极对应的导电通道上端焊盘有多个，则底电极与每个底电极对应的导电通道上端焊盘连接；泵体结构底面的图形化金属层包括接地焊盘23、出入液口周围的出入液口焊盘24、每个导电通道下端设置的导电通道下端焊盘25；基板一底面和泵体顶面相互焊接的金属层21正对设置；

该步骤完成后的状态见图3（d）。

7）在步骤6）得到的泵体结构顶面对应基板二主型腔位置形成压电振子27，压电振子27位于压电振子底电极22上并与压电振子底电极22连接，然后在压电振子27上制作压电振子顶电极28，顶电极与顶电极对应的所有导电通道上端焊盘连接；并在压电振子顶电极28上覆盖绝缘层29；

压电振子27可以通过溅射工艺生长的压电薄膜而形成；或者直接采用PZT压电陶瓷片，该PZT压电陶瓷片通过粘合剂直接粘接在泵体结构顶部对应位置。

压电振子顶电极28通过溅射工艺制作而成，溅射工艺具有良好的台阶覆盖性，压电振子顶电极28可以从压电振子27上表面经侧壁连续的覆盖到泵体顶面并连接至与顶电极对应的所有导电通道上端焊盘。

其中，绝缘层29为通过化学气相沉积生长的聚对二甲苯薄膜材料；绝缘层将压电振子侧面、上表面、顶电极和所有导电通道上端焊盘全覆盖。聚对二甲苯具有优异的电绝缘性能、水汽阻隔性能、生物兼容性、化学惰性以及保形覆盖性，厚度可为一微米至数十微米。在沉积该绝缘层前先利用干膜或光刻胶材料遮盖住泵体底部所有金属图形、入液口、出液口、导电通道以及待键合的金属层，绝缘层沉积完成后通过丙酮或其他去胶溶液去掉光刻胶或干膜，以达到绝缘层材料的选择性涂覆。

该步骤完成后的状态见图3（e）。

8）采用回流焊或共晶焊工艺将顶盖20与步骤7）得到的泵体18通过步骤6）预先制作的金属层21焊接在一起，以将压电振子27和气压平衡通道封盖，顶盖20和压电振子及被封盖的泵体上表面之间的空腔形成所述气压平衡腔30；焊料层材料为金锡或者锡铅；该步骤完成后的状态见图3（f）。

9）通过有机溶剂清洗后，即完成表贴压电微泵的制作。

图4为本实用新型最后制作得到的表贴式压电微泵一个实施例的底面立体图。从图4可以看出，接地焊盘23位于泵体下表面中部位置，入液口16和出液口17位于泵体下表面对角位置，导电通道焊盘25有八个，底电极和顶电极分别对应四个。

所述出液口17、入液口16形状为方形或圆形，对应的出液口焊盘、入液口焊盘为围绕出液口、入液口四周设置的封闭环形或其他闭环带状。在后续装配压电微泵时，通过该闭环带状与待装工件直接焊接即可实现两者连接并起到良好的密封作用，无需使用额外的接头。

本实用新型的上述实施例仅仅是为说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims

1.表贴式压电微泵，包括泵体、进液阀片、排液阀片、压电振子，所述泵体内设有中心沉腔、入流沉腔和出流沉腔，中心沉腔位于入流沉腔和出流沉腔上方，入流沉腔和中心沉腔通过进液孔连通，中心沉腔和出流沉腔之间通过排液孔连通；进液阀片安装在中心沉腔底部并将进液孔封盖，排液阀片安装在出流沉腔底部并将排液孔封盖；在泵体下表面分别设有入液口和出液口；入液口与入流沉腔连通，出液口与出流沉腔连通；压电振子安装在泵体上表面并位于中心沉腔正上方；压电振子下表面和泵体上表面之间设有底电极，压电振子上表面设有顶电极；其特征在于：底电极和顶电极分别通过泵体内竖直设置的导电通道从泵体下表面引出；泵体上表面设有绝缘层，绝缘层将外露的底电极、顶电极和导电通道上端部覆盖；

2.根据权利要求1所述的表贴式压电微泵，其特征在于：所述顶盖由下表面具有顶部沉腔的基板一构成，泵体由从上往下的基板二、基板三、基板四和基板五组装而成；其中基板二下表面设有主型腔、上下贯穿的气压平衡孔和导电通孔；基板三设有上下贯穿的气压平衡孔、导电通孔、排液孔以及局部减薄形成的悬臂结构的进液阀片，进液阀片下表面与基板三下表面平齐；基板四下表面设有入流沉腔、出流沉腔、上下贯穿的气压平衡孔、导电通孔、进液孔以及在出流沉腔底部减薄形成的悬臂结构的排液阀片，入流沉腔或者出流沉腔与基板四上的气压平衡孔通过通道连通，排液阀片上表面与基板四上表面平齐；基板五上设有上下贯穿的入液口、出液口和导电通孔；基板二、基板三和基板四上的气压平衡孔上下正对连通形成所述气压平衡通道，基板二、基板三、基板四和基板五上的导电通孔至少为两道，分别用于与底电极和顶电极电连接，各道导电通孔分别上下正对连通形成金属通孔，金属通孔内设置导电材料形成导电通道；所述底电极、压电振子、顶电极和绝缘层依次设置在基板二上表面；

3.根据权利要求2所述的表贴式压电微泵，其特征在于：在基板三的下表面位于排液孔周围设有环形凹槽，环形凹槽和排液孔之间形成排液环形凸沿，排液阀片贴在排液环形凸沿上以将排液孔封盖，排液环形凸沿用于防止排液阀片与泵体吸附。

4.根据权利要求2所述的表贴式压电微泵，其特征在于：在基板四的上表面位于进液孔周围设有环形凹槽，环形凹槽和进液孔之间形成进液环形凸沿，进液阀片贴在进液环形凸沿上以将进液孔封盖，进液环形凸沿用于防止进液阀片与泵体吸附。

5.根据权利要求2所述的表贴式压电微泵，其特征在于：在顶盖底面、泵体结构顶面和底面分别设有图形化金属层，其中顶盖底面的图形化金属层为与泵体顶面焊接的金属层；泵体结构顶面的图形化金属层为每个导电通道上端设置的导电通道上端焊盘和与顶盖底面焊接的金属层；其中底电极和顶电极分别与对应的导电通道上端焊盘连接；泵体结构底面的图形化金属层包括接地焊盘、入液口周围的入液口焊盘、出液口周围的出液口焊盘、每个导电通道下端设置的导电通道下端焊盘；顶盖底面和泵体顶面通过金属层焊接连接。