一种刀闸微型阀装置的制作方法

本发明涉及微机电系统领域的硅阀。

背景技术：

微型阀是微流体控制中的关键器件，在生物医疗、工业控制等领域有着重要的应用。基于MEMS技术的微型阀，具有控制精确、成本低、可批量生产、稳定性可靠性好等优点。

闸微型阀由于结构的优势能够适应高压大流量的工作环境，逐渐成为微型阀工业应用中的研究热点，而闸微型阀中致动器、闸门及流体通道的结构设计，一直是闸微阀结构设计的关键所在。

专利US7011378和专利US6523560提出了采用全硅厚度的阵列V型电热致动器的致动形式，形成硅层平面内移动的闸门控制平面外流体运动的结构。虽采用电热致动形式保证了致动位移和输出作用力，但是致动结构和闸门均处于流体腔室内，致动效果容易受到流体热传导及流体压力的影响，且三层硅-硅键合的结构形式在国内工艺条件下还欠成熟，成品率及产品效果难以保证。

专利US20070090314设计并制造了单刀闸微型阀，通过集成双晶片压电执行器，形成面外刀闸控制面内流体的结构，其闸门和流体通道均形成于单层硅片内部，采用双面深硅刻蚀技术与硅-硅键合技术，形成无密闭空腔的两层微型阀结构。由于双面深硅刻蚀技术得到的结构抗干扰能力较差，在进行硅-硅键合过程中容易破坏而使得成品率较低，再加上该双层微型阀中未形成密闭的流体腔室，在闸微阀致动过程中流体泄露量难以维持在工业允许范围，因此需要对该结构进行必要的改进。

技术实现要素：

本发明所要达到的目的就是提供一种新型刀闸微阀装置，解决双层硅微阀结构形式下实现硅微阀低泄露和高抗干扰能力相结合的难题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种新型刀闸微阀装置，由上下两层硅片键合而成，第一层硅片设有上下贯穿的电极口，第一层硅片底面设有空腔，所述空腔内设有移动构件，所述移动构件设有闸门和压电致动部，所述移动构件包括第一移动构件和第二移动构件，第二层硅片设有上下贯通的流体入口，流体出口和控制端口，第二层硅片顶面设有凹槽，所述凹槽内设有流体通道，所述流体通道包括入流通道和出流通道，所述入流通道一端为流体入口，另一端为受第一移动构件上第一闸门控制的第一流体通口，所述出流通道一端为流体出口，另一端为受第二移动构件上第二闸门控制的第二流体通口，在第一层硅片和第二层硅片键合后，第一层硅片的空腔与第二层硅片的流体入口、流体出口、控制端口、凹槽以及第一层硅片的底面和第二层硅片的顶面，组成闸微阀内的流体的密闭腔室。

优选的，所述移动构件为T型悬臂梁，所述T型悬臂梁由横梁和纵梁组成，所述纵梁向下凸出形成闸微阀的闸门，所述横梁上安装有压电致动器。

优选的，所述压电致动器形成于横梁上，由上下两个电极和压电材料构成，且压电材料处于上下两个电极之间，外部电压通过贯穿于第一层硅片的电极口施加到压电致动器的上下电极上。

优选的，第二层硅片上的凹槽包括一字型纵槽以及与纵槽垂直交叉的两条横槽，流体入口和流体出口设置在两条横槽的异侧端。

优选的，第一层硅片上的空腔包括一字型纵腔和设于纵腔两端异侧与纵腔垂直的横腔，T型悬臂梁的横梁位于横腔内，纵梁位于纵腔内。

本发明通过设计的入流通道，出流通道，使得在第一流体通口和第二流体通口处流体的运动方向均与硅层平面平行，而第一闸门和第二闸门在施加驱动电压时，其闸门运动方向均与硅层平面垂直。因此，在闸微阀致动过程中，闸门的致动力和流体在闸门前后壁面上的静压力垂直，不存在相互抵消的情况，从而使得闸门的致动不会受流体流动的影响，可以适应高压大流量的工作环境。

而且，通过将闸门和流体通道分别设计在两层不同的硅片上，使得闸门经过压电致动器的作用产生垂直于硅层平面的致动力和位移，而流体通过流体通道形成平行于硅层平面的流动方向，这样，就使得闸门致动方向与流体流动方向垂直，并提高了结构的抗干扰能力；通过内部密闭腔室的形成，实现了微阀的低泄露要求；再通过采用压电致动器，实现了闸门在垂直于流体流动方向的有效运动。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是本发明刀闸微阀在第一移动构件处的剖面结构图；

图2是本发明刀闸微阀在第二移动构件处的剖面结构图；

图3是第一层硅片水平剖面结构图；

图4是第二层硅片水平剖面结构图。

具体实施方式

该新型刀闸微型阀由两层硅片键合而成，如图1至图4所示，第一层硅片 1设有上下贯穿的电极口，第一层硅片底面设有空腔，所述空腔内设有移动构件，所述移动构件设有闸门和压电致动部。第二层硅片2上设有上下贯通的流体入口21，流体出口22和控制端口，第二层硅片顶面设有凹槽，所述凹槽内形成流体通道。在第一层硅片和第二层硅片键合后，第一层硅片的空腔与第二层硅片上的流体入口、流体出口、控制端口、凹槽以及第一层硅片的底面和第二层硅片的顶面，组成闸微阀内的流体的密闭腔室。

所述移动构件包括第一移动构件31和第二移动构件32，所述流体通道包括入流通道和出流通道，所述入流通道一端为流体入口21，另一端为受第一移动构件上第一闸门控制的第一流体通口211，所述出流通道一端为流体出口22，另一端为受第二移动构件上第二闸门控制的第二流体通口221。第一流体通口 211和第二流体通口221是在第二层硅片上的竖直口，当闸门在垂直方向上往下运动时，该口被闸门的垂直端面所关闭。

所述移动构件为T型悬臂梁，所述T型悬臂梁由横梁和纵梁组成，所述纵梁向下凸出形成闸微阀的闸门，所述横梁上安装有压电致动器形成压电致动部。第一T型悬臂梁31包括第一闸门311，第一横梁312上安装的第一压电致动器 313，第二T型悬臂梁32包括第二闸门321，第二横梁322上安装的第二压电致动器323。第一层硅片对应第一压电致动器设有第一电极口13，对应第二压电致动器设有第二电极口14。

由于闸门纵梁处向下凸出形成厚梁区域，而横梁则为相对较薄的薄梁区域，厚梁与薄梁的宽度比约为3:1，厚度比约为4:1，形成了T型的悬臂梁可动结构，压电致动器紧贴在薄梁区域，由电极和压电材料构成，且压电材料处于上下两个电极之间，外部电压通过贯穿于第一硅片的电极口施加到压电致动器的上下电极上，由于压电材料的逆压电效应，在上下电极上施加电压时，压电材料会发生变形，带动悬臂梁上的闸门产生动作，实现闸门的开启或关闭。

第二层硅片2上的凹槽包括一字型纵槽23以及与纵槽垂直交叉的两条横槽24，流体入口和流体出口设置在两条横槽的异侧端。第一层硅片1上的空腔包括一字型纵腔11和设于纵腔两端异侧与纵腔垂直的横腔12，T型悬臂梁的横梁位于横腔内，纵梁位于纵腔内。

第一层硅片与第二层硅片键合后，流体通道，流体入口，流体出口，控制端口及第一层硅片的空腔、第二层硅片的凹槽共同组成闸微阀内部的流体腔室，在闸微阀开启或关闭的过程中，通过压电致动器控制闸门的动作，从而控制流体腔室内的流体流动。

当闸微阀开启时，在第一压电致动器313的上下电极不施加电压而在第二压电致动器323上施加电压，在第一流体通口211处的第一闸门311处于开启状态，而第二流体通口221处的第二闸门321处于关闭状态。此时，流体经流体入口21流入闸微阀后，在入流通道的导引下流过第一流体通口211而在第二流体通口221处被阻断，出流通道中不再有流体通过，从而使得流体被阻隔在入流通道和滞留通道中，在流体入口21压力作用下，由控制端口流出，对外部施加控制作用。

而当闸微阀关闭时，在第一压电致动器313的上下电极上加载一定的电压而在第二压电致动器323上不施加电压，此时在第一流体通口211处的第一闸门311处于关闭状态，而在第二流体通口221处的第二闸门321处于开启状态。从而使流体经入流通道进入流体腔室的路径在第一流体通口211处被阻断，由于控制端口的压强较流体出口22的压强大，以致流体从控制端口，经滞留通道、第二流体通口和出流通道向流体出口回流。