专利名称：一种硅基微型侧喷口合成射流器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硅基微型侧喷口合成射流器，还涉及这种硅基微型侧喷口合成射流器的制作方法。
背景技术：
合成射流器是流动控制领域中重要的器件之一，它采用压电、静电或电磁等驱动方式使其弹性膜片产生悬置振动，从而引起腔体体积的周期性变化，由此将外界气体不断地通过喷口吸入和排出空腔，在不需额外气源的情况下产生合成式射流，实现流场的主动控制。参照图9。文献“专利号为US 6，457，654的美国专利Micromachined synthetic jet actuators and applications thereof”公开了一种压电式合成射流器，该合成射流器采用MEMS刻蚀技术在硅基体上加工出合成射流器的腔体8和喷口 I结构，再用粘接的方法将悬置膜片2和压电激励器11与上述结构进行装配，完成器件加工。由于采用了湿法刻蚀技术，器件的腔体8和喷口 I结构的竖直剖面几何形状是是两个尖角相对的锥形。这在相同外部尺寸条件下，减小了腔体体积和喷口孔径，影响了器件产生的合成射流的速度和能量。目前还有的方案是将喷口和腔体以及振动膜片分开来加工，这样降低了成品率，也提高了加工难度。
发明内容
本发明为了克服现有技术带来的不足，提供一种硅基微型侧喷口合成射流器及其制作方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案一种硅基微型侧喷口合成射流器，从上往下依次包括玻璃片9、硅基体10和驱动装置；硅基体10上的不贯穿孔形成腔体8 ;所述腔体8通过硅基体10侧壁上的喷口 I与外界连通；硅基体10上腔体8的不贯穿部分形成悬置膜片2 ;驱动装置使得悬置膜片2产生振动；定义器件的上下方向为z方向，喷口 I的轴向为y方向，利用右手定则确定X方向，建立空间坐标系；其特征在于所述喷口 I为非双锥形的侧喷口，其具体形式为喷口 I的水平截面轮廓为矩形，同时所述喷口 I的中心线垂直于腔体8侧壁；或者喷口 I的水平截面轮廓为平行四边形，同时所述喷口 I的中心线与腔体8侧壁夹角为45° ;或者喷口 I的水平截面轮廓为弧形，同时所述喷口 I的中心线通过腔体8圆心；或者喷口 I的水平截面轮廓为小端位于外壁的单锥形；或者喷口 I的水平截面轮廓为小端位于外壁的弧形；或者喷口 I的水平截面轮廓为轴对称双曲线。所述的合成射流器水平截面形状是正方形或矩形。所述的腔体水平截面形状是正方形、矩形或圆形。
所述的喷口 I外端面X方向长度为O. 5mm 3mm, y方向长度是100 μ m 200 μ m, z方向长度是100 μ m 180 μ m。所述的驱动装置由压电片5和贴附于其上下表面的上电极3和下电极6组成。一种硅基微型侧喷口合成射流器的制作方法，包括如下步骤步骤I :采用低压化学气相沉积法在硅基体2上表面溅射一层金属膜；步骤2 :在金属膜上光刻形成掩膜；步骤3:刻蚀金属膜；步骤4 :采用感应耦合等离子刻蚀形成侧喷口 I、腔体8和悬置膜片2 ；步骤5 :在硅基体10上制作驱动装置11 ；步骤6 :玻璃片9与硅基体10进行粘合。步骤7:划片。本发明的有益效果是由于采用喷口侧面布置的形式，通过感应耦合等离子刻蚀可以一次性形成腔体、悬置膜片和喷口，提高了器件成品率并降低了加工难度；同时侧喷口合成射流器是侧喷口端面贴附于基座，而正喷口合成射流器是硅基体大端面贴附于基座， 这样侧喷口相对于正喷口又减小了喷口端面面积，有利于阵列安装。喷口的水平截面轮廓不局限于矩形，还有单锥形和弧形，有中心线垂直于腔体侧壁的垂直喷口，有中心线与腔体侧壁成45°角的斜喷口，还有一种具有两个水平截面为矩形的喷口的合成射流器，这种设计更有利于气流的运动，避免了两个尖角相对的锥形喷口带来的缺点，提高了器件产生的合成射流的速度和能量。下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
图I是本发明一种硅基微型侧喷口合成射流器结构示意图。图2是实施例I中硅基微型侧喷口合成射流器俯视图。图3是实施例2中硅基微型侧喷口合成射流器俯视图。图4是实施例3中硅基微型侧喷口合成射流器俯视图。图5是喷口形式为水平截面轮廓为小端位于外壁的单锥形的硅基微型侧喷口合成射流器示意图。图6是喷口形式为水平截面轮廓为小端位于外壁的弧形的硅基微型侧喷口合成射流器示意图。图7是喷口形式为水平截面轮廓为轴对称双曲线的硅基微型侧喷口合成射流器
示意图。图8是形式为两个喷口分别沿腔体前后侧壁伸出的硅基微型侧喷口合成射流器
示意图。图9是现有技术压电式合成射流器结构示意图。图中，I-喷口，2-悬置膜片，3-上电极，4-上电极引线，5-压电片，6-下电极，7-下
电极引线，8-腔体，9-玻璃片，10-硅基体，11-驱动装置。
具体实施方式
实施例I :参阅图2，一种硅基微型侧喷口压电式合成射流器，其水平截面形状是正方形，从上往下依次包括玻璃片9、硅基体10和驱动装置；硅基体10上的不贯穿孔形成腔体8 ;所述腔体8水平截面形状是正方形，腔体8通过硅基体10侧壁上的喷口 I与外界连通；硅基体 10上腔体8的不贯穿部分形成悬置膜片2 ;驱动装置使得悬置膜片2产生振动，所述的驱动装置由压电片5和贴附于其上下表面的上电极3和下电极6组成；定义器件的上下方向为 z方向，喷口 I的轴向为y方向，利用右手定则确定X方向，建立空间坐标系；其特征在于 所述喷口 I为非双锥形的侧喷口，其具体形式为喷口 I的水平截面轮廓为矩形，同时所述喷口 I的中心线垂直于腔体8侧壁；所述的喷口 I外端X方向长度为O. 5mm, y方向长度是
150 μ m,z方向长度是150 μ m。
该实施例中硅基微型侧喷口压电式合成射流器的制作方法，包括如下步骤
步骤I :采用低压化学气相沉积法在硅基体2上表面溅射一层铝膜；
步骤2 :在铝膜上光刻形成掩膜；
步骤3 :刻蚀铝膜；
步骤4 :采用感应耦合等离子刻蚀形成侧喷口 I、腔体8和悬置膜片2 ；
步骤5 :在硅基体10上制作驱动装置；包括如下子步骤
子步骤I :采用键合的方法将上下表面分别有银电极的压电片5和硅基体10进行粘合；
子步骤2:减薄压电片5;
子步骤3 :湿法刻蚀出上电极3 ；
子步骤4 :用低压化学气相沉积法在压电片的下表面沉积一层银作为下电极6 ;
子步骤5:焊接上下电极引线；
步骤6 :玻璃片9与硅基体10进行粘合；
步骤7 :划片。
实施例2
参阅图3，一种硅基微型侧喷口压电式合成射流器，其水平截面形状是正方形，从
上往下依次包括玻璃片9、硅基体10和驱动装置；硅基体10上的不贯穿孔形成腔体8 ;所述腔体8水平截面形状是正方形，腔体8通过硅基体10侧壁上的喷口 I与外界连通；硅基体 10上腔体8的不贯穿部分形成悬置膜片2 ;驱动装置使得悬置膜片2产生振动，所述的驱动装置由压电片5和贴附于其上下表面的上电极3和下电极6组成；定义器件的上下方向为 z方向，喷口 I的轴向为y方向，利用右手定则确定X方向，建立空间坐标系；其特征在于 所述喷口 I为非双锥形的侧喷口，其具体形式为喷口 I的水平截面轮廓为平行四边形，同时所述喷口 I的中心线与腔体8侧壁夹角为45° ;所述的喷口 I外端面X方向长度为1mm， Y方向长度是200 μ m, z方向长度是180 μ m。该实施例中硅基微型侧喷口压电式合成射流器的制作方法，包括如下步骤步骤I :采用低压化学气相沉积法在硅基体2上表面溅射一层铜膜；步骤2 :在铜膜上光刻形成掩膜；步骤3 :刻蚀铜膜；步骤4 :采用感应耦合等离子刻蚀形成侧喷口 I、腔体8和悬置膜片2 ；
步骤5 :在硅基体10上制作驱动装置；包括如下子步骤
子步骤I :采用键合的方法将上下表面分别有银电极的压电片5和硅基体10进行粘合；
子步骤2 :减薄压电片5;
子步骤3 :湿法刻蚀出上电极3 ；
子步骤4 :用低压化学气相沉积法在压电片的下表面沉积一层钼作为下电极6 ；
子步骤5 :焊接上下电极引线；
步骤6 :玻璃片9与硅基体10进行粘合。
步骤7 :划片。
实施例3
参阅图4,一种硅基微型侧喷口压电式合成射流器，其水平截面形状是正方形，从
上往下依次包括玻璃片9、硅基体10和驱动装置；硅基体10上的不贯穿孔形成腔体8 ;所述腔体8水平截面形状是圆形，腔体8通过硅基体10侧壁上的喷口 I与外界连通；硅基体10 上腔体8的不贯穿部分形成悬置膜片2 ;驱动装置使得悬置膜片2产生振动，所述的驱动装置由压电片5和贴附于其上下表面的上电极3和下电极6组成；定义器件的上下方向为z 方向，喷口 I的轴向为y方向，利用右手定则确定X方向，建立空间坐标系；其特征在于所述压电片5的水平截面形状为圆形，所述喷口 I为非双锥形的侧喷口，其具体形式为喷口 I的水平截面轮廓为弧形，同时所述喷口 I的中心线通过腔体8圆心；所述的喷口 I外端面 X方向长度为O. 5mm, y方向长度是100 μ m, z方向长度是150 μ m。该实施例中硅基微型侧喷口压电式合成射流器的制作方法，包括如下步骤
步骤I :采用低压化学气相沉积法在硅基体2上表面溅射一层钛膜；
步骤2 :在钛膜上光刻形成掩膜；
步骤3 :刻蚀钛膜；
步骤4 :采用感应耦合等离子刻蚀形成侧喷口 I、腔体8和悬置膜片2 ；
步骤5 :在硅基体10上制作驱动装置11 ;包括如下子步骤
子步骤I :采用键合的方法将上下表面分别有银电极的压电片5和硅基体10进行粘合；
子步骤2:减薄压电片5;
子步骤3 :湿法刻蚀出上电极3 ；
子步骤4 :用低压化学气相沉积法在压电片的下表面沉积一层金作为下电极6 ;
子步骤5:焊接上下电极引线；
步骤6 :玻璃片9与硅基体10进行粘合。
步骤7 :划片。
依次参阅图5、6、7、8，除了以上三种实施方式外，本发明的喷口 I具体形式还可以
为喷口 I水平截面轮廓为小端位于外壁的单锥形或者弧形，同时所述喷口 I的中心线垂直于腔体8侧壁；或者喷口 I水平截面轮廓为轴对称双曲线；或者喷口 I为两个，其水平截面均为矩形，两个喷口 I分别沿腔体前后侧壁伸出。
权利要求
1.一种硅基微型侧喷口合成射流器，从上往下依次包括玻璃片9、硅基体10和驱动装置；硅基体10上的不贯穿孔形成腔体8 ;所述腔体8通过硅基体10侧壁上的喷口 I与外界连通；硅基体10上腔体8的不贯穿部分形成悬置膜片2 ;驱动装置使得悬置膜片2产生振动；其特征在于所述喷口 I为非双锥形的侧喷口。
2.一种如权利要求I所述的硅基微型侧喷口合成射流器，其特征在于所述喷口 I的水平截面轮廓为矩形，同时所述喷口 I的中心线垂直于腔体8侧壁。
3.—种如权利要求I所述的硅基微型侧喷口合成射流器，其特征在于所述喷口 I的水平截面轮廓为平行四边形，同时所述喷口 I的中心线与腔体8侧壁夹角为45°。
4.一种如权利要求I所述的硅基微型侧喷口合成射流器，其特征在于所述喷口 I的水平截面轮廓为弧形，同时所述喷口 I的中心线通过腔体8圆心。
5.一种如权利要求I所述的硅基微型侧喷口合成射流器，其特征在于所述喷口 I的水平截面轮廓为小端位于外壁的单锥形。
6.一种如权利要求I所述的硅基微型侧喷口合成射流器，其特征在于所述喷口 I的水平截面轮廓为小端位于外壁的弧形。
7.—种如权利要求I所述的硅基微型侧喷口合成射流器，其特征在于所述喷口 I的水平截面轮廓为轴对称双曲线。
8.—种如权利要求I 7所述之一的娃基微型侧喷口合成射流器,其特征在于所述喷口 I外端面X方向长度为O. 5mm 3mm, y方向长度是100 μ m 200 μ m, z方向长度是 100 μ m 180 μ m。
9.一种如权利要求I所述的娃基微型侧喷口合成射流器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤步骤I :采用低压化学气相沉积法在硅基体2上表面溅射一层金属膜；步骤2 :在金属膜上光刻形成掩膜；步骤3 :刻蚀金属膜；步骤4 :采用感应耦合等离子刻蚀形成侧喷口 I、腔体8和悬置膜片2 ；步骤5 :在硅基体10上制作驱动装置11 ；步骤6 :玻璃片9与硅基体10进行粘合。步骤7 :划片。
全文摘要
本发明公开了一种硅基微型侧喷口合成射流器及其制作方法。公知的该类型合成射流器采用湿法刻蚀技术，喷口的竖直剖面几何形状是两个尖角相对的锥形，加工难度大、射流能量低。本发明采用感应耦合等离子刻蚀将喷口加工在腔体侧璧并与之贯通，可同时加工出腔体、悬置膜片和喷口。喷口的水平截面轮廓为矩形、小端位于外壁的单锥形或者弧形，同时所述喷口的中心线垂直于腔体侧壁；或喷口中心线与腔体侧壁成45°；或喷口为两个，其水平截面均为矩形，两个喷口分别沿腔体前后侧壁伸出。由于同时加工出腔体、悬置膜片和喷口，提高了成品率，同时喷口侧置减小了器件阵列安装的面积，并将喷口水平截面轮廓加工为上述形状，有利于提高射流器的致动性能。
文档编号B05B1/02GK102601009SQ20121007620
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者侯辉, 姜澄宇, 王树山, 苑伟政, 邓进军, 马炳和 申请人:西北工业大学