专利名称：一种微阀及其构成的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子机械系统，尤其涉及一种微阀以及由其构成的装置。
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基于微电子机械系统(MEMS)加工技术的微阀是微型流动系统中流 向控制的重要执行元件，主要用于微型化学分析和药物注射，其性能对微泵 的性能有直接影响。微阀按原理一般可分为两种类型主动阀和被动阀两类。 被动阀的工作特点是无需外来的致动力，仅利用流体本身参数的变化，如流 动方向，流动压力等即可实现阀状态的改变。被动阀的体积可大幅度下降至 与芯片匹配的程度，相应加工和集成话难度亦有所降低，但其功能相对较为 简单，不能实现复杂的操作，应用场合有一定的局限。主动阀的原理是利用 致动器产生的致动力实现阀的开闭和切换操作。 一般包括流体出入口、致动 器以及响应致动器而移动到时流体出入口打开或关闭的阀部件。主动阀的优
点是致动器动作切实可靠，致动力较强，阀的密闭形好；也可用于单向阀，
也可用于切换阀的制作；由于阀的开闭或切换操作可主动进行，最适合进行 切换阀的操作。目前文献报道的主动阀结构复杂，制作步骤也很复杂，并且 大多主动阀都是采用薄膜来作为阀门，这会导致微阀较差的密闭性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、制作工艺步骤少低成本的主动型结 构的微阀及其制造方法。
本发明的另一目的是提供一种使用微阀的外释药系统。 本发明的再一目的是提供一种由微阀构成的微泵。
为达到上述目的，本发明的一种微阀，包括 一硅基板，形成有贯通 所述硅基板的一阀塞孔穴、位于所述阀塞孔穴两侧的至少两阀锚孔穴以及
位于所述阀塞孔穴和所述阀锚孔穴之间的至少两连接臂孔穴；一阀塞，具有至少两阀锚，以及连接所述阀塞和阀锚的连接臂，其中所 述阀塞、阀锚和连接臂分别与阀塞孔穴、阀锚孔穴和连接臂孔穴相匹配，并 且所述阀塞、阀锚和连接臂由聚合物一体形成。
所述微阀还包括一致动器，用于致动所述阀塞在所述孔穴中上下移动。
优选地，所述的孔穴具有54.74度的侧壁。
优选地，所述致动器为磁致动器、压电致动器、热气致动器或静电致 动器。
优选地，所述聚合物为硅橡胶。 所述聚合物中还添加有磁性材料。
本发明还提供一种制造上述微阀的方法，所述方法包括以下步骤 Sl:对硅基板进行各向异性地刻蚀，产生微阀各部件相应的孔穴； S2:用液体聚合物填充所述产生的孔穴，形成关闭状态的微阀； S3:在液体聚合物凝固之后，所述形成的微阀在外部力的作用下张开阀塞。
所述步骤Sl进一步地包括刻蚀成阀塞孔穴；在所述阀塞孔穴的两 侧刻蚀成至少两阀锚孔穴；以及在所述阀塞孔穴和所述阀锚孔穴之间刻蚀 成至少两连接臂孔穴。
所述步骤Sl中之前还包括使用氮化硅、氧化硅进行掩模刻蚀，或者 使用氮化硅和氧化硅进行双层掩模刻蚀。
所述步骤S3中使用金属基板上的竖杆使微阀的阀塞张开。
本发明的微阀可应用到可移植性的外释药系统，因此提供一种用于皮 肤的外释药系统，包括上述结构的微阀；
套在所述微阀上的由聚合物制成的护套；
位于所述微阀和护套之间由聚合物制成的隔断，所述隔断形成的空间
内填充所要释放的药；
位于护套外部用于使所述微阀的阀塞打开的致动器。 本发明还提供一种半导体器件，所述半导体器件包括具有上述结构的微阀。
本发明还提供一种微泵，包括两个上述结构的微阀，所述两微阀彼 此倒置放置连接在一起；以及
5用于致动所述微阀的致动器。
由上述技术方案可知，微阀采用硅晶体的结构，能够使其具有非常小的 尺寸，并且由于制作步骤简单、结构简单，使其制造成本低，适合进行大规 模的晶体制造。另外，本发明在设计时采用具有侧壁的阀塞结构，使其阀塞 与阀塞孔穴能够很好的匹配在一起，具有良好的密封性能。
本发明的微阀结构能用于止回阀，所述止回阀是个单向阀，具有一个方 向流动而另一个方向截止的特性。本发明的微阀能够应用到人体和动物体内， 制成可移植性的外释药系统，使用本发明微阀的外释药系统，可以周期性地 控制药物的释放，从而进行主动型的药物注射。
通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、 特征和优点将更加明显。
图1为本发明的一种微阀的张开状态结构示意图2为图1所示微阀的闭合状态结构示意图3为本发明的一种制造微阀的方法流程图4为本发明的一种用于外释药系统的微阀结构示意图5为图4所示的微阀注入药物操作的示意图6为图5所示的微阀的使用状态图7为本发明的一种微泵的结构示意图8为图7所述的微泵使用状态图9为本发明的具有另一种张起装置的微阀的制造方法流程图10为本发明的一个说明用于张起微阀并经过晶片级的大规模处理的
阵列金属竖杆的结构示意图。
具体实施例方式
下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只 用于举例说明，并不用于限制本发明。
本发明提供一种主动型结构的微阀，该微阀使用连接在其上的能够垂直 地在孔穴中上下移动的塞子来实现微阀的开合，所述塞子的移动能通过致动 装置来实现，所述致动装置可以磁力控制的致动器，或者电控制的致动器。图1为本发明微阀的张起状态示意图，图2为所述微阀的闭合状态示意
图。如图1和2所示，微阀100的主体部件固定在一个硅基板107里，所述 硅基板107作为基底经过各向异性地刻蚀，形成具有54.74度斜度的侧壁的 结构，所述硅基板107具有不同的深度孔穴，优选地，所述硅基板107形成 有贯通所述硅基板的一阀塞孔穴、位于所述阀塞孔穴两侧的至少两阀锚孔穴 以及位于所述阀塞孔穴和所述阀锚孔穴之间的至少两连接臂孔穴。
所述微阀IOO主体部件包括一个阀塞101，连接臂103以及阀锚105。其 中所述阀塞通过两个连接臂与两侧的阀锚相连接，并且所述阀塞、连接臂以 及阀锚都位于所述硅基板107的相应孔穴里面。
这里应理解到的是本发明的微阀的阀锚为两个，但不局限于两个，可以 是两个以上，比如说是四个阀锚，相应地，所述的连接臂与阀锚的数目一致。
所述微阀IOO还包括一个用于使所述微阀移动的致动器，该致动器为磁 致动器、压电致动器、热气致动器或者静电致动器。
优选地，所述微阀IOO和其部件由聚合物材料制成，该聚合物材料使所 述微阀IOO和其部件不与其他化学成分发生反应，并且具备一定的弹性，使 其微阀的各部件能够进行伸縮性地进入所述硅基板107内的相应孔穴。所述 微阀IOO能够上下移动，从而张开(popup)起来，使液体流过微阀100。图 2表明微阀100处于关闭状态，其中所述微阀100通过阀锚105保持在适当 位置。当所述微阀100处于张开状态时，阀锚105用来控制所述微阀100保 持在适当位置上。当继续保持阀塞101在适当位置时，所述连接臂103支撑 阀塞101的张开。
图3为本发明所述微阀的制造方法，所述制造方法包括对硅基板进行 刻蚀的步骤201;液体聚合物的填充孔穴的步骤202;以及张起微阀的阀塞的 步骤203。
在对硅基板进行刻蚀的步骤201中，先使用诸如氮化硅，氧化硅的掩模， 或者使用氮化硅和氧化硅的双层掩模，来保护未被刻蚀的地方。
在对硅基板进行刻蚀的步骤201中，通常使用对铝和铝合金腐蚀性强的 强碱性溶液的介质进行各向异性地刻蚀，以KOH (氢氧化钾)、tmah (氢氧 化四甲铵)溶液为代表。并且，在对硅基板107进行刻蚀时，会造成不同深度的各种形状的孔穴。优选地，刻蚀造成了阀塞孔穴、位于所述阀塞两侧的 阀锚孔穴以及用于连接所述阀锚到阀塞上的连接臂孔穴。
然后，在步骤202中，液体聚合物注入到所述刻蚀造成的各种孔穴中， 然后凝固下来。优选地，液体聚合物注入到所述微阀各部件相应的孔穴中， 凝固之后，就制成闭合状态下的微阀。这里适合本发明的聚合物为如聚二甲
基硅氧烷PDMS (polydimethylsiloxanes)的硅橡胶。所述聚合物与恶劣的化 学物质、酸、碱以及溶剂都不发生反应。在另一个实施例中，所述聚合物中 混合有磁性材料。
在步骤203中，液体聚合物凝固后，制成的微阀在外部机械装置的作用 下能够张起，这里，使用致动器或者其它的装置，使所述微阀的阀塞和连接 臂机械地张开起来，但所述阀锚仍固定在硅基板的孔穴中，如图2所示，表 现为微阀打开时的状态。
本发明的微阀能够用作止回阀，允许液体或气体单方向流通，而在相反 方向截止。本发明的微阀也可用在可移植的外释药中，移植到人和哺乳动物 的体内。
图4-6说明了本发明的微阀用在可移植的外释药系统中的一个实施例。 在这个例子中，微阀能够插入到用户皮肤311内，这里所述的微阀包括一聚 合物护套301、聚合物隔断303、需要的药物305以及由聚合物和金属材料混 合物制成的阀塞307。图5是本发明的微阀使用状态示意图，如图5所示， 在使用的时候，药305能够通过一针刀309导入到阀塞307的与聚合物护套 301的中间部分。如图6所示，当想要释放药305， 一磁源313，诸如电磁圈， 位于用户的皮肤上，通过调整，磁源313正好对着阀塞。由于在所述阀塞307 中存在金属材料，因此所述磁源313能够吸引阀塞307，弓l起所述阀塞的移 动，而所述阀塞307的移动造成药305的释放。当磁源移走之后，阀塞307 移动回到关闭的状态。其中所述阀塞在关闭到打开位置间的移动，可以通过 连接在阀塞上的弹性连接臂和阀锚进行。
图7和图8是本发明的一个由微阀组成的微泵的实施例。在该微泵中， 两个微阀401和403以相反方向位于微泵的两侧，如图7所示，微阀401和 403呈倒置状态。在使用时，如图8所示， 一个致动器407，诸如压电致动器，
8位于微泵的上面。所述致动器407压縮微泵里面腔体部分409处的液体，所 述409处的液体流动并推动微阀403打开和通过微阀403，并进一步地进入 微泵的部分419处。由于微阀401和403的结构， 一个微阀打开的时候另一 个则保持闭合。相反地，微泵在相反方向，也能接收由于致动器作用下的液 体，在这种情况下，先前在微泵部分415处的液体移动到所述微泵的腔409 内，这样，需要打开先前关闭的微阀401，而同时关闭先前打开的微阀405。 从而，微阀401和403都能够被打开和关闭。
图9是本发明微阀张起装置的另一个实施例。微阀在制作使用时，经常 是进行大规模的晶片处理，因此，微阀使用图9中所示的金属竖杆来使其张 起。和图3所示的方法一样， 一个硅基板首先进行各向异性地刻蚀(步骤501 )， 接着用如PDMS的液体聚合物去填充刻蚀造成的孔穴(步骤502)，然后通 过使用竖杆509使所述阀塞张起来(步骤503)。所述竖杆509，优选地，是 金属材料制成的，如铝或不锈钢。所述竖杆509能位于一个也由金属制成的 台子507上。优选地，所述台子507具有足够大的尺寸，以使能够容纳矩阵 竖杆，这里所述的矩阵竖杆的数目相应于矩阵微阀的数目。
图10是一个说明用于张起微阀并经过晶片级的大规模处理的阵列金属 竖杆的实施例。阵列微阀601使用图2所示的方法制造在硅基底603上，微 阀的张起通过使用阵列金属竖杆607来引起，而所述阵列金属竖杆607浇铸 在金属基板605上，所述金属基板605可以由如铝或不锈钢的金属材料制成。
根据上述实施例，本发明的微阀适用于大规模的晶片处理，因此任何在 半导体器件使用本发明的微阀就应该落入本发明的保护范围内。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是 说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而 不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细 节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利 要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
权利要求
1. 一种微阀，其特征在于，所述微阀包括一硅基板，形成有贯通所述硅基板的一阀塞孔穴、位于所述阀塞孔穴两侧的至少两阀锚孔穴以及位于所述阀塞孔穴和所述阀锚孔穴之间的至少两连接臂孔穴；一阀塞，具有至少两阀锚和连接所述阀塞和阀锚的连接臂，其中所述阀塞、阀锚和连接臂分别与阀塞孔穴、阀锚孔穴和连接臂孔穴相匹配，并且所述阀塞、阀锚和连接臂由聚合物一体形成。
2. 根据权利要求1所述的微阀，其特征在于，所述孔穴具有54.74度的侧壁。
3. 根据权利要求1所述的微阀，其特征在于，所述聚合物为硅橡胶。
4. 根据权利要求l-3任意一项所述的微阀，其特征在于，所述聚合物 中还添加有磁性材料。
5. 根据权利要求1所述的微阀，其特征在于，所述微阔还包括一致动 器，用于致动所述阀塞在所述孔穴中上下移动。
6. 根据权利要求5所述的微阀，其特征在于，所述致动器为磁致动器、 压电致动器、热气致动器或静电致动器。
7. —种制造权利要求1所述微阀的方法，其特征在于，所述方法包括 以下步骤Sl:对硅基板进行各向异性地刻蚀，产生微阀各部件相应的孔穴；S2:用液体聚合物填充所述产生的孔穴，形成关闭状态的微阀；S3:在液体聚合物凝固之后，所述形成的微阀在外部力的作用下张开阀塞。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步地 包括刻蚀成阀塞孔穴；在所述阀塞孔穴的两侧刻蚀成至少两阀锚孔穴； 以及在所述阀塞孔穴和所述阀锚孔穴之间刻蚀成至少两连接臂孔穴。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤Sl中之前还 包括使用氮化硅、氧化硅进行掩模刻蚀，或者使用氮化硅和氧化硅进行双 层掩模刻蚀。
10. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中使用一金属基板上的竖杆使微阀的阀塞张开以露出阀塞孔穴。
11. 一种用于皮肤的外释药装置，其特征在于，包括 如权利要求1-4所述的微阀； 套在所述微阀的阀塞上的由聚合物制成的护套；位于所述微阀的阀塞和护套之间由聚合物制成的隔断，所述隔断形成的空间内填充所要释放的药；位于护套外部用于致动所述微阀的致动器。
12. —种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括权利要求1-4 任一项所述的微阀。
13. —种微泵，其特征在于，所述微泵包括两个如权利要求l-4任一项所述的微阀，所述两微阀彼此倒置放置连 接在一起；以及用于致动所述微阀的致动器。
全文摘要
本发明公开了一种微阀及其构成的装置，所述微阀包括一硅基板，具有阀塞、阀锚以及连接臂孔穴；一阀塞，具有至少两阀锚和连接所述阀塞和阀锚的连接臂，所述阀塞、阀锚和连接臂分别与阀塞、阀锚和连接臂孔穴相匹配，并且由聚合物一体形成。本发明的微阀结构简单，制造成本低，适合大规模制造，并适用于药物注射系统。
文档编号F16K7/00GK101446356SQ200810177979
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月26日 优先权日2007年11月26日
发明者张燕妮, 郑庆祥, 晨 钞 申请人:香港理工大学