专利名称：硅微热致动泵及其制造工艺的制作方法
技术领域：
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，使之产生相吸或相斥的电场，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1.首先在双面抛光N型(100)硅片上，双面热氧化生长8000SiO2，低压化学气相淀积(LPCVD)1500的Si3N4，这两层薄膜作为体硅异向腐蚀掩壁膜。(图4a)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4b)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4c)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R□＝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4d)
5.在正面低压化学气相淀积(LPCVD)淀积Si3N4，厚1000，光刻及等离子体刻蚀形成绝缘层。(图4e)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4f)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。
说明附图如下图1为荷兰Twente大学热气动薄膜泵结构图。
图2为德国franuhofer研究所静电致动薄膜泵结构图。
图3为日本东北大学压电致动薄膜泵结构图。
图4为本发明硅微热致动泵结构图。
图5本发明微型泵硅薄膜制作工艺过程图。
结合
实施例如下本发明硅微热致动泵(图4)由两片硅薄膜片(28，29)组成，在上硅片(28)上用蚀刻法制有泵腔(30)和单向阀(31)，流体沟道(32)，在硅片外层，泵腔(30)的对应部位制有硅，铝双金属层(35)，(具体工艺见前述制作工艺部分)在下硅片(29)上除制有泵腔(30)，单向阀(33)，流体沟道(34)双金属层(36)外，还制有流体沟道(37，38)。将上、下两硅片组装后粘接在一起即成本发明硅微热致动泵。工作时，双金属层(35，36)中的发热元件(39)通电发热，使硅薄膜向上变形，使泵腔(30)变大，因此流体即通过沟道(32)单向阀(31)沟道(37)进入泵腔(30)，当停止通电后，双金属片(35，36)恢复原位，泵腔(30)缩小，所以流体即通过沟道(38，34)，单向阀(33)排出。如此反复工作。本微型泵的具体尺寸可为泵腔尺寸3mm×3mm×0.7mm 单向阀出口0.1mm×0.1mm
双金属层厚度铝膜5μm 单晶硅膜10μm输入功率0.45w工作电压0-50V频率0-10Hz 电流100mA驱动器电阻450Ω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。
权利要求
1.一种硅微热致动泵，其特征是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，并有由单晶硅薄膜，铝薄膜组成的双金属层，在单晶硅薄膜和铝薄膜之间有加热元件。
2.一种硅微热致动泵所用硅薄膜的制造工艺，其特征是由下述工序组成，<1.>首先在双面抛光N型(100)硅片上，双面热氧化生长8000SiO2，低压化学气相淀积(LPCVD)1500的Si3N4，这两层薄膜作为体硅异向腐蚀掩壁膜。<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。<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。<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R□＝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。<5.>在正面低压化学气相淀积(LPCVD)淀积Si3N4，厚1000A，光刻及等离子体蚀刻形成绝缘层。<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。
全文摘要
一种硅微热致动泵，属液体变容式机械领域。本微型泵利用双金属热致动原理工作，由两片硅薄膜片组成在硅薄膜上蚀刻有泵腔，流体沟道和单向阀，并有由单晶硅薄膜，铝膜组成的双金属层，在单晶硅薄膜和铝膜之间有加热元件。本微型泵由于采用了双金属层热致动方式，及双面驱动结构，所以作用力大，驱动电压低，结构简单，易于集成，制造方便。
文档编号H01L21/302GK1132317SQ95117829
公开日1996年10月2日 申请日期1995年12月8日 优先权日1995年12月8日
发明者周兆英, 杨岳, 叶雄英, 李勇 申请人:清华大学