[发明专利]硅微热致动泵及其制造工艺

说明书

本发明涉及硅微热致动泵，属液体变容式机械领域。

随着科学技术的发展，在电子工程，医疗工程，化学工程，生物工程中对微量元素的分析，微循环及冷却等方面都需要对微量流体的供给进行控制，微型泵作为一种微型执行器得到了广泛的研究和开发，目前已有多种不同驱动原理，不同结构的微型泵，如荷兰Twente大学研制的热气动薄膜泵(图1)，德国Fraunhofer研究所开发的静电致动微型薄膜泵(图2)，日本东北大学研制的压电致动薄膜泵(图3)。图1为荷兰Twente大学热气动薄膜泵结构图。该泵有两块玻璃基板1,2、三块硅片3,4,5组成，利用热气动原理致动、硅片3,4中加工有气室6，在硅片3,4之间有加热元件7，硅片5上有弹性薄膜8泵腔9和单向阀10,11。工作时加热元件7加热气室6中的气体，使之膨胀，压迫薄膜8向下运动，使泵腔9中的流体通过单向阀10流出。当停止加热，气室内的气体冷却，体积缩小，薄膜8回弹，使流体通过单向阀11进入泵腔9，如此循环加热、冷却、即使泵不断工作。

图2为德国Fraunholer研究所静电致动薄膜泵结构图。该泵由一块玻璃片12，三块硅片13,14,15组成。利用静电致动原理工作。玻璃片12和硅片13作为电极，在其间有一绝缘间隔层16，硅片13上开有泵腔17，硅片14,15上开有单向阀18,19。工作时在玻璃片12和硅片13上交替加上电场，使之产生相吸相斥的电场，该电场迫使硅片13的薄膜运动，当电场相斥，薄膜向下运动时，泵腔17内的流体即通过单向阀18排出，当电场为相吸时，薄膜向上运动，泵腔17内即通过单向阀19进入流体。图3为日本东北大学压电致动薄膜泵的结构图，该泵由二块玻璃片20,21、一片硅片22、一个压电晶体23组成。利用压电致动原理工作。两片玻璃片20,21之间夹有硅片22，硅片22上有泵腔24，玻璃片20上有一薄膜25并与压电晶体23相接触。工作时压电晶体23压迫薄膜25向下运动，迫使泵腔24内的流体经单向阀27流出，压电晶体断电时，薄膜25回弹，流体经单向阀26进入泵腔24如此循环工作。

上述几种微型泵由于需要多块元件组成，所以体积较大，结构复杂，装配困难，且驱动电压一般较高。

本发明的目的是提供一种结构简单，驱动电压低的微型泵。

本发明微型泵利用双金属层热致动原理工作，由两片硅薄膜片组成，在硅薄膜片上蚀刻有泵腔，流体沟道和单向阀，并有由硅薄膜、铝薄膜组成的双金属层。在硅薄膜、铝薄膜之间有加热元件，当加热元件通电时，双金属片动作，使泵腔变大，流体通过单向阀进入泵腔，停止通电后，双金属片恢复到原来状态使泵腔变小，压迫流体通过另一单向阀流出。

本发明微型泵硅薄膜片的制作工艺如下(见图5)：

1．首先在双面抛光N型100硅片上，双面热氧化生长8000ASiO₂40，低压化学气相淀积LPCVD1500A的Si₃N₄41，这两层薄膜作为体硅异向腐蚀掩壁膜。(图5a)

2．正面进行光刻，等离子刻蚀出阀口的腐蚀窗口，使用KOH溶液40％进行异向腐蚀，深度为30μm。(图5b)

3．背面进行双面光刻，等离子刻蚀形成泵腔腐蚀窗口，第二次体硅腐蚀至泵腔单晶硅膜厚10μm左右，此时阀口处只剩下SiO₂和Si₃N₄膜，它们将作为后续工艺的支撑薄膜。(图5c)

4．在背面低氧淀积，扩磷，厚度为1.5μm的SiO₂，作为牺牲层材料；双面淀积2μm厚多晶硅，扩磷，浓度为RO=20Ω/□，退火，去除残余应力，正面光刻，等离子刻蚀形成驱动薄膜的加热电阻；背面光刻，刻蚀形成单向阀膜片，HF缓冲液中进行牺牲层腐蚀，释放阀膜片。(图5d)

5．在正面低压化学气相淀积LPCVD淀积Si₃N₄，厚1000A，光刻及等离子体刻蚀形成绝缘层。(图5e)

6．正面真空蒸发铝膜，厚度为5μm，光刻，腐蚀铝，形成双金属层及电极引线。(图5f)

下片的制作工艺与上片相似，所不同的是增加一次光刻用以形成流体沟道，另外，驱动薄膜及单向阀膜片位于同一面。在上下两硅片制作完成之后，分别在入口和出口处粘接一玻璃管道，最后将两硅片粘接一起组装成一个完整泵体。

本硅微热致动泵由于采用双金属层热致动方式，双面驱动结构，所以作用力大，驱动电压低，结构简单、易于集成，制造方便。

说明附图如下：

图1为荷兰Twente大学热气动薄膜泵结构图。