一種mems微閥及其制作工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種MEMS微閥及其制作工藝，涉及MEMS【技術(shù)領(lǐng)域】，解決了現(xiàn)有微閥制作工藝要求高、承壓能力差的技術(shù)問題，本發(fā)明MEMS微閥包括第一硅層，由（111）晶向的單晶硅材料制成，并且具有流體入口和流體出口；第二硅層，由（111）晶向的單晶硅材料制成，并且具有形成在第二硅層表面的外流道和帶有內(nèi)流道的剛性部件，所述剛性部件容置于外流道內(nèi)并能在開閥位置與閉閥位置之間移動(dòng)，第二硅層包括鍵合部和密封部，第二硅層通過鍵合部與第一硅層鍵合，流體入口和流體出口位于第一硅層的非鍵合區(qū)域，外流道位于第一硅層非鍵合區(qū)域與密封部之間，剛性部件的上表面與第一硅層非鍵合區(qū)域的下表面之間形成緩沖液隙，剛性部件的下表面與密封部內(nèi)壁面之間形成懸浮液隙。
【專利說明】—種MEMS微閥及其制作工藝
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))微閥及其制作工藝，特別是基于MEMS技術(shù)的微閥，屬于MEMS【技術(shù)領(lǐng)域】。
【【背景技術(shù)】】
[0002]MEMS (Micro-Electro-Mechanic System,微電子機(jī)械系統(tǒng))是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、微流體器件等在航空航天、消費(fèi)電子、軍事等領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景，還被廣泛應(yīng)用于微流控芯片與合成生物學(xué)等領(lǐng)域。
[0003]作為流體控制的關(guān)鍵器件，硅微閥在高壓高流量的工業(yè)制冷中有著突出的應(yīng)用前景，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械控制閥，MEMS娃微閥具有響應(yīng)速度快、控制精確、可靠性好、成本低、可批量化生產(chǎn)、穩(wěn)定性好等突出的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]目前已被公開的多數(shù)微閥依靠膜或其它形式的薄層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)閥進(jìn)口與閥出口之間的流體控制，無法應(yīng)用于高壓高流量的工業(yè)流體控制，例如制冷流體控制。這是因?yàn)橛珊硕煽芍?，如果微結(jié)構(gòu)在承壓方向上的剛度不夠，則會(huì)發(fā)生很大的形變甚至超出形變范圍，造成結(jié)構(gòu)損壞，因此，該類微閥結(jié)構(gòu)無法用于高壓工業(yè)流體的控制。美國專利US4895500公開了一種典型的雙層結(jié)構(gòu)微閥，依靠可彎曲的懸臂梁來控制閥口(包括入口與出口)的通斷，該微閥存在如下局限性:一、可彎曲的懸臂梁為柔性構(gòu)件，其承受載荷的壓強(qiáng)范圍有限，高壓流體極易使微閥無法關(guān)斷流體，或發(fā)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞，比如懸臂梁構(gòu)件根部折斷；二、該微閥靠柔性動(dòng)作模態(tài)來輸出運(yùn)動(dòng)位移，但位移量有限，導(dǎo)致該微閥控制的流量范圍非常有限；三、該微閥在制造過程中，通過局部重?fù)礁g來獲得懸臂梁結(jié)構(gòu)，容易導(dǎo)致很大的殘余應(yīng)力，影響到晶圓之間的鍵合連接，甚至嚴(yán)重影響成品率。
[0005]對(duì)于柔性構(gòu)件控制流量的微閥難以應(yīng)用于高壓高流量工業(yè)流體控制的問題，現(xiàn)有技術(shù)有提出如下方案:采用厚硅進(jìn)行多層封接，因?yàn)?，厚硅具有較大的剛度，能承載較高的流體壓強(qiáng)，利用厚硅作為剛性構(gòu)件實(shí)現(xiàn)滑閥結(jié)構(gòu)，剛性構(gòu)件產(chǎn)生剛性模態(tài)的移動(dòng)，達(dá)到打開或遮蔽閥口的目的，而不再是利用膜或薄層結(jié)構(gòu)的彎曲等柔性模態(tài)來實(shí)現(xiàn)流體通斷或流量調(diào)節(jié)，能極大的提高器件承壓的能力。
[0006]例如:美國專利US7011378、US6523560公開了一種三層結(jié)構(gòu)的微閥，并公開了如下結(jié)構(gòu):“一種微閥由第一層、第二層與第三層組成，第二層定義流域并位于第一層與第三層之間”?；谠搶＠麑?duì)微閥的描述，利用三層晶圓分別作為流體腔體結(jié)構(gòu)的上壁層、中間層(包括可運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu))、下壁層，并使三層緊密地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)密閉的腔體結(jié)構(gòu)，中間層的執(zhí)行器推動(dòng)硅剛性構(gòu)件移動(dòng)，達(dá)到打開或遮蔽閥口的目的。
[0007]晶圓之間的結(jié)合可分為無中間介質(zhì)的直接鍵合與有中間介質(zhì)的非直接鍵合兩種類型，但直接鍵合比非直接鍵合更適于形成微閥。要實(shí)現(xiàn)晶圓的直接鍵合，對(duì)晶圓材料具有嚴(yán)格的平整度要求，以具有高鍵合強(qiáng)度的硅硅直接鍵合為例，對(duì)于硅片表面平整度的要求很高，一般來說，要實(shí)現(xiàn)理想的硅硅鍵合，所用的硅片在2 X 2 ^ V的區(qū)間內(nèi)用他1測(cè)得的微粗糙度不能大于111111。三層晶圓之間的直接鍵合比兩層晶圓之間的直接鍵合有著更苛刻的材料平整度要求與更高的工藝實(shí)現(xiàn)難度，很容易成為制造工藝的瓶頸。同樣具有高承壓能力，相比采用三層晶圓鍵合制作的硅微閥，采用兩層晶圓鍵合制作的硅微閥材料成本更省、工藝難度更低、工藝實(shí)現(xiàn)過程更簡化。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0008]本發(fā)明為克服現(xiàn)在技術(shù)的不足提出一種1213微閥及其制作工藝，簡化微閥工藝，降低工藝實(shí)現(xiàn)難度和材料成本，并且能滿足高壓高流量的工業(yè)流體控制等方面的應(yīng)用需求。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0010]1、一種1213微閥，包括:
[0011]第一硅層，由(111)晶向的單晶硅材料制成，并且具有流體入口和流體出口 ；
[0012]第二硅層，由(111)晶向的單晶硅材料制成，并且具有形成在第二硅層表面的外流道和帶有內(nèi)流道的剛性部件，所述剛性部件容置于外流道內(nèi)并能在開閥位置與閉閥位置之間移動(dòng)；
[0013]第二硅層包括鍵合部和密封部，第二硅層通過鍵合部與第一硅層鍵合，流體入口和流體出口位于第一硅層的非鍵合區(qū)域，外流道位于第一硅層非鍵合區(qū)域與密封部之間，剛性部件的上表面與第一硅層非鍵合區(qū)域的下表面之間形成緩沖液隙，剛性部件的下表面與密封部內(nèi)壁面之間形成懸浮液隙。
[0014]進(jìn)一步的，所述剛性部件的上表面與第二硅層的鍵合面平齊，所述第一硅層非鍵合區(qū)域的下表面設(shè)有內(nèi)凹槽；
[0015]或者所述剛性部件的上表面低于第二硅層的鍵合面，所述第一硅層非鍵合區(qū)域的下表面與第二硅層的鍵合面平齊；
[0016]或者所述剛性部件的上表面低于第二硅層的鍵合面，所述第一硅層非鍵合區(qū)域的下表面設(shè)有內(nèi)凹槽。
[0017]進(jìn)一步的，所述密封部內(nèi)壁面分布有若干凸起，以使流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生向上的作用力托持剛性部件。
[0018]進(jìn)一步的，所述第一硅層上還設(shè)有流體壓力檢測(cè)口，所述流體壓力檢測(cè)口位于流體入口和流體出口之間。
[0019]進(jìn)一步的，所述第二硅層的外流道內(nèi)還設(shè)有致動(dòng)肋、傳動(dòng)脊和位移放大梁，所述致動(dòng)肋連接于傳動(dòng)脊與外流道側(cè)壁之間，所述位移放大梁連接于傳動(dòng)脊與剛性部件之間，所述第二硅層上設(shè)有一對(duì)電極，所述致動(dòng)肋受熱驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)脊，傳動(dòng)脊通過位移放大梁帶動(dòng)剛性部件移動(dòng)。
[0020]本發(fā)明還提出了一種1213微閥的制作工藝，包括如下步驟:
[0021]0、設(shè)置第一硅層和第二硅層；
[0022]在第二硅層上表面刻蝕出內(nèi)流道；
[0023]在第二硅層上表面部分淀積掩膜；
[0024]在第二硅層上表面未淀積掩膜部分初步刻蝕出外流道，以形成包括剛性部件在內(nèi)的微動(dòng)機(jī)械部件；
[0025]5 )、在第二硅層上表面和外流道內(nèi)壁面上沉積保護(hù)層；
[0026]6)、刻蝕第二硅層上表面和外流道底壁上沉積的保護(hù)層，保留外流道兩側(cè)壁上的保護(hù)層；
[0027]7)、刻蝕外流道底壁；
[0028]8)、在外流道底部通過溶液腐蝕形成懸浮液隙，以使包括剛性部件在內(nèi)的微動(dòng)機(jī)械部件能夠在外流道中運(yùn)動(dòng)；
[0029]9)、去除第二硅層上淀積的掩膜和剩余的保護(hù)層，并淀積形成電極；
[0030]10)、刻蝕第一硅層；
[0031]11)、將第一娃層置于第二娃層上，并通過鍵合使第一娃層與第二娃層之間緊密接八口 ο
[0032]本發(fā)明的有益效果:
[0033]本發(fā)明的MEMS微閥采用剛性部件的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)流體入口和流體出口導(dǎo)通或者斷開，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)開閥或者閉閥，相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的剛性部件由于自身具備較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因而能承載較高的流體壓強(qiáng)而不損壞；另外，通過位移放大梁將原始輸出位移進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大，能實(shí)現(xiàn)水平平面內(nèi)剛性部件的大位移剛性運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大微閥的流量控制范圍，使得本發(fā)明能適用于高壓高流量的工業(yè)流體控制，比如制冷流體控制。
[0034]本發(fā)明的MEMS微閥為兩層結(jié)構(gòu)，相對(duì)目前的三層硅晶圓封接形成的微閥，本發(fā)明微閥可以大幅降低對(duì)材料平整度以及環(huán)境潔凈度的要求，降低工藝難度與復(fù)雜度，克服工藝瓶頸，提高成品率，由于減少了一層晶圓材料，降低材料成本。
[0035]本發(fā)明的這些特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)在下面的【具體實(shí)施方式】、附圖中詳細(xì)的揭露。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0036]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明:
[0037]圖1為本發(fā)明微閥實(shí)施例一的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖2為本發(fā)明微閥實(shí)施例一在開閥狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖3為本發(fā)明微閥實(shí)施例一在閉閥狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖4為本發(fā)明微閥實(shí)施例一在控制原理示意圖；
[0041]圖5為本發(fā)明微閥實(shí)施例二在開閥狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖6為本發(fā)明微閥實(shí)施例二在閉閥狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖7 (a)-圖7 (j)為本發(fā)明微閥的制作流程圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0044]本發(fā)明提出一種MEMS微閥,包括第一娃層和第二娃層，第一娃層具有流體入口和流體出口，第二硅層上具有形成在第二硅層表面的外流道和帶有內(nèi)流道的剛性部件，剛性部件容置于外流道內(nèi)，并能在開閥位置與閉閥位置之間移動(dòng)，第二硅層包括鍵合部和密封部，第二硅層通過鍵合部與第一硅層鍵合，流體入口和流體出口位于第一硅層的非鍵合區(qū)域，外流道位于第一硅層非鍵合區(qū)域與密封部之間，剛性部件的上表面與第一硅層非鍵合區(qū)域的下表面之間形成緩沖液隙，剛性部件的下表面與密封部內(nèi)壁面之間形成懸浮液隙。通過上述方案可以控制形成層間更微小更準(zhǔn)確的微隙，使微閥在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)具有更小的泄漏。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的微閥，結(jié)構(gòu)簡化，工藝難度降低，節(jié)省材料成本，并且能承載較高的流體壓強(qiáng)，適于制冷流體控制。
[0045]下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行解釋和說明，但下述實(shí)施例僅僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非全部?；趯?shí)施方式中的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0046]實(shí)施例一:
[0047]參照?qǐng)D1-3，1213微閥，包括第一娃層1和第二娃層2，其中第一娃層1上開出流體入口 10和流體出口 11，第二硅層2上具有形成在第二硅層2表面的外流道20和帶有內(nèi)流道31的剛性部件3，剛性部件3容置于外流道20內(nèi)，并能在開閥位置與閉閥位置之間移動(dòng)。
[0048]在設(shè)計(jì)剛性部件3時(shí)，本實(shí)施例通過特殊的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)剛性部件3更大的位移輸出，具體的:在第二硅層2的外流道20內(nèi)還設(shè)有致動(dòng)肋23、傳動(dòng)脊22和位移放大梁21，致動(dòng)肋23連接于傳動(dòng)脊22與外流道20側(cè)壁之間，位移放大梁21連接于傳動(dòng)脊22與剛性部件3之間，第二硅層2上設(shè)有一對(duì)電極26，另外，位移放大梁21需要一支點(diǎn)210支撐于外流道20內(nèi)，以形成杠桿結(jié)構(gòu)，且支點(diǎn)210更趨近于傳動(dòng)脊22，以使得位移放大梁21能將傳動(dòng)脊22的位移在剛性部件3上放大，實(shí)現(xiàn)水平平面內(nèi)剛性部件3的大位移剛性運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大微閥的流量控制范圍；通常來說，在制作第二硅層2時(shí)，上述的致動(dòng)肋23、傳動(dòng)脊22、位移放大梁21以及剛性部件3這些微動(dòng)機(jī)械部件已被一體成型在外流道20內(nèi)，比如通過刻蝕等一系列工藝。
[0049]參照?qǐng)D2，在微閥開閥狀態(tài)下，第一硅層1上的流體入口 10和流體出口 11均對(duì)應(yīng)剛性部件3上的內(nèi)流道31，流體由流體入口 10進(jìn)入內(nèi)流道31，由流體出口 11流出內(nèi)流道31，此時(shí)剛性部件3處于開閥位置；參照?qǐng)D3，在微閥閉閥狀態(tài)下，第一硅層1上的流體入口10對(duì)應(yīng)剛性部件3上的內(nèi)流道31，而流體出口 11側(cè)被剛性部件3阻擋，流體只能由流體入口 10進(jìn)入內(nèi)流道31，此時(shí)剛性部件3處于閉閥位置。剛性部件3在閉閥位置與開閥位置之間的移動(dòng)至少可以實(shí)現(xiàn)微閥開閥和閉閥兩種工作模式。
[0050]參照?qǐng)D1、4，以熱驅(qū)動(dòng)方式為例，兩個(gè)電極26分別與電源的正負(fù)電極相連，電路通路由開關(guān)來控制。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電源給予微閥電信號(hào)，致動(dòng)肋23受熱膨脹，隨著致動(dòng)肋23膨脹，致動(dòng)肋23被延長使得傳動(dòng)脊22動(dòng)作，導(dǎo)致位移放大梁21繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)剛性部件3動(dòng)作；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，微閥失去電源給予的電信號(hào)，受致動(dòng)肋23本身剛度的影響，剛性部件3可回復(fù)到初始位置，具體的電學(xué)連接方式為:首先，通過引線鍵合，將微閥的電極26與外部焊盤實(shí)現(xiàn)電連接，再通過導(dǎo)線或基板布線等封裝形式，將外部焊盤與電源的正負(fù)電極26實(shí)現(xiàn)電連接。
[0051]剛性部件3的位移量與電壓呈比例對(duì)應(yīng)關(guān)系，微閥的流體入口 10可以實(shí)現(xiàn)全部或部分的打開，流體出口 11可以實(shí)現(xiàn)全部或部分的遮蔽，由此，通過施加電信號(hào)的電壓高低對(duì)應(yīng)比例地控制流體入口 10或者流體出口 11的開度，實(shí)現(xiàn)流體流量的對(duì)應(yīng)比例控制。
[0052]另外，微閥還可由連續(xù)的？麗電信號(hào)控制，？麗信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)流體流量的對(duì)應(yīng)比例控制。當(dāng)然除了熱驅(qū)動(dòng)外，目前的壓電致動(dòng)、磁致動(dòng)、靜電致動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式也可用于本實(shí)施例中。
[0053]為了使剛性部件3的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定可靠，在剛性部件3的上表面32與第一硅層非鍵合區(qū)域12的下表面之間形成緩沖液隙25，緩沖液隙25僅允許少部分的流體進(jìn)入外流道20，這層緩沖液隙25可以防止剛性部件3的上表面32與第一硅層非鍵合區(qū)域12的下表面接觸，減小剛性部件3的運(yùn)動(dòng)阻力，具體實(shí)施時(shí):可以是剛性部件3的上表面32與第二硅層2的鍵合面平齊，第一硅層非鍵合區(qū)域12的下表面設(shè)有內(nèi)凹槽，內(nèi)凹槽的槽深即為緩沖液隙25的寬度；也可以是剛性部件3的上表面32低于第二硅層2的鍵合面，第一硅層非鍵合區(qū)域12的下表面與第二硅層2的鍵合面平齊，剛性部件3的上表面與第二硅層2的鍵合面之間的垂直距離即為緩沖液隙25的寬度；還可以是剛性部件3的上表面32低于第二硅層2的鍵合面，第一硅層非鍵合區(qū)域12的下表面設(shè)有內(nèi)凹槽，那么剛性部件3的上表面至內(nèi)凹槽的槽底面距離即為緩沖液隙25的寬度。更多的實(shí)施方式不再此一一詳述，原則上只要保證剛性部件3的上表面32與第一硅層非鍵合區(qū)域12的下表面之間形成一定間隙即可。
[0054]在上述緩沖液隙25的前提下，剛性部件3的下表面33與密封部內(nèi)壁面281之間形成懸浮液隙24，這樣，能保證剛性部件3 —直保持懸浮狀態(tài)，阻力小，使得微閥工作更為穩(wěn)定可靠。同時(shí)，在密封部內(nèi)壁面281分布有若干微小凸起，以使流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生向上的作用力托持剛性部件3，達(dá)到更好的懸浮效果，一般來說，密封部內(nèi)壁面281具有一定粗造度即可。
[0055]需說明的是:內(nèi)流道31是在剛性部件3上表面所形成的凹槽結(jié)構(gòu)，外流道20是在第二硅層2上表面所述形成的凹槽結(jié)構(gòu)，這樣，有緩沖液隙25和懸浮液隙24存在的情況下，剛性部件3在外流道20內(nèi)是處于懸浮狀態(tài)，剛性部件3和懸浮液隙24都形成于外流道20內(nèi)。一旦形成外流道20，第二硅層2可以劃分為括鍵合部27和密封部28，第二硅層通過鍵合部27與第一硅層1鍵合，流體入口 10和流體出口 11位于第一硅層的非鍵合區(qū)域12，外流道20位于第一硅層非鍵合區(qū)域12與密封部28之間，剛性部件3的上表面32與第一硅層非鍵合區(qū)域12的下表面之間形成緩沖液隙25，剛性部件3的下表面33與密封部內(nèi)壁面281之間形成懸浮液隙24。
[0056]除此之外，本實(shí)施例對(duì)晶圓材料上的選擇也有別于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)施例中，至少第二硅層2是由(111)晶向的單晶硅材料制成。例如，第一硅層1與第二硅層2均為(111)晶向的單晶硅材料；又或如，第二硅層2為(111)晶向的單晶硅材料，第一硅層1為其它可與(111)晶向的單晶硅緊密接合的材料，例如，硼硅玻璃，或是其它晶向的單晶硅材料等。本實(shí)施例基于(111)晶向的單晶硅材料的雙層鍵合，有利于工藝操作，從而達(dá)到更好的接合效果。
[0057]實(shí)施例二:
[0058]參照?qǐng)D5、6，本實(shí)施例的微閥在其第一硅層1上還設(shè)有流體壓力檢測(cè)口 13，流體壓力檢測(cè)口 13位于流體入口 10和流體出口 11之間，由此，微閥能檢測(cè)流體流入或者流出時(shí)的壓力。
[0059]具體的:如圖5所示，在開閥狀態(tài)下，流體入口 10與流體壓力檢測(cè)口 13連通，流體由流體入口 10流入，由流體壓力檢測(cè)口 13流出，在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，流體壓力檢測(cè)口 13得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流體壓力信號(hào)，微閥工作在增壓工作模式。
[0060]如圖6所示，在閉閥狀態(tài)下，流體出口 11與流體壓力檢測(cè)口 13連通，流體由流體出口 11流出，標(biāo)準(zhǔn)流體壓力信號(hào)被泄掉，微閥工作在泄流工作模式。
[0061]本實(shí)施例微閥的其他結(jié)構(gòu)可參照實(shí)施例一，不再贅述。
[0062]實(shí)施例三:
[0063]本實(shí)施例提供了一種1213微閥的制作工藝，包括如下步驟:
[0064]1、設(shè)置第一娃層和第二娃層，其中第一娃層的材料包括但不限于(110、(10(0、
(110)晶向的單晶硅材料及其他半導(dǎo)體材料，第二硅層的材料為(111)晶向的單晶硅材料；
[0065]2、如圖7 (￡1)，在第二硅層2上表面刻蝕出內(nèi)流道31 ；
[0066]3、如圖7 (10,在第二硅層2上表面部分淀積掩膜4，該步驟中并非將第二硅層2上表面全部覆上掩膜，而是留出后續(xù)工藝的刻蝕面；
[0067]4、如圖7化)，在第二硅層2上表面未淀積掩膜部分初步刻蝕出外流道20，以形成包括剛性部件3在內(nèi)的微動(dòng)機(jī)械部件，微動(dòng)機(jī)械部件還包括與剛性部件3 —體成型的致動(dòng)肋、傳動(dòng)脊和位移放大梁；本實(shí)施例采用012刻蝕，012 (1^6801:1^6 1011 21x111118，反應(yīng)離子刻蝕)是一種微電子干法刻蝕工藝，其原理是當(dāng)在平板電極之間施加10?100冊(cè)12的高頻電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)百微米厚的離子層，在其中放入試樣，離子高速撞擊試樣而完成化學(xué)反應(yīng)蝕刻；
[0068]5、如圖7((1),在第二硅層2上表面和外流道20內(nèi)壁面上沉積保護(hù)層，這里的沉積通常指四⑶!)(^1^81118 ￡111181106(1 01161111081 7叩01~ 06^)0811:1011，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法),借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子體化學(xué)活性很強(qiáng)，很容易發(fā)生反應(yīng)，能在第二硅層2上表面和外流道20內(nèi)壁面上沉積出所期望的薄膜保護(hù)層5，沉積的保護(hù)層5可以是3102或313財(cái)；
[0069]6、如圖7 (一)，刻蝕第二硅層2上表面和外流道底壁201上沉積的保護(hù)層，保留外流道兩側(cè)壁200上的保護(hù)層，該步驟主要是去除第二硅層2上表面的薄膜保護(hù)層以及外流道底壁201形成的薄膜保護(hù)層，而外流道兩側(cè)壁200上的薄膜保護(hù)層保留，作為后續(xù)刻蝕工藝中的掩膜；
[0070]7、如圖7(0，刻蝕外流道20底壁，經(jīng)過這一步驟刻蝕所形成的外流道側(cè)壁200 ’是不具備保護(hù)層的，以便于溶液腐蝕；
[0071]8、如圖7 (8),在外流道20底部通過溶液腐蝕形成懸浮液隙24，以使包括剛性部件3在內(nèi)的微動(dòng)機(jī)械部件能夠在外流道20中運(yùn)動(dòng)，該工藝中，采用1(0?或I嫩!I溶液對(duì)硅層進(jìn)行腐蝕，了嫩0 (161:1^11161:1171咖皿)11111111 117辦0x1(16，四甲基氫氧化氨)，無色透明，有很強(qiáng)的吸水性，易溶于水，且溶解時(shí)放熱，水溶液呈強(qiáng)堿性，有滑膩感，具有較好的腐蝕速度和選擇比，腐蝕表面效果好；
[0072]9、如圖7 (卜)，去除第二硅層2上淀積的掩膜和剩余的保護(hù)層，并淀積形成電極26 ；
[0073]10、如圖7 (1),刻蝕第一硅層1，形成流體入口 10和流體出口 11，一般的，還會(huì)在第一硅層1上做出兩個(gè)引線通孔14，方便第二硅層2上電極引線通過；
[0074]11、如圖7(^),將第一娃層1置于第二娃層2上，并通過鍵合使第一娃層1與第二硅層2之間緊密接合。
[0075]鍵合的物理含義通常指將兩片表面清潔、原子級(jí)平整的同質(zhì)或異質(zhì)半導(dǎo)體材料經(jīng)表面清洗和活化處理，在一定條件下直接結(jié)合，通過范德華力、分子力甚至原子力使晶片鍵合成為一體的技術(shù)。由于直接鍵合對(duì)于晶圓材料具有嚴(yán)格的平整度要求，那么，本發(fā)明雙層結(jié)構(gòu)的微閥相比目前的三層結(jié)構(gòu)微閥，減少了一次直接鍵合工藝，大幅降低了對(duì)材料平整度以及環(huán)境潔凈度的要求，降低了工藝難度與復(fù)雜度；另外，本發(fā)明雙層結(jié)構(gòu)的微閥相比目前的三層結(jié)構(gòu)微閥，減少了一層晶圓材料，材料成本降低。
[0076]在二層晶圓結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的微閥還采用了剛性部件的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)流體入口和流體出口導(dǎo)通或者斷開，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)開閥或者閉閥，相比現(xiàn)有技術(shù)，剛性部件由于自身具備較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因而能承載較高的流體壓強(qiáng)而不損壞；另外，通過位移放大梁將原始輸出位移進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大，能實(shí)現(xiàn)水平平面內(nèi)剛性部件的大位移剛性運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大微閥的流量控制范圍，使得本發(fā)明能適用于高壓高流量的工業(yè)流體控制，比如制冷流體控制。
[0077]通過上述實(shí)施例，本發(fā)明的目的已經(jīng)被完全有效的達(dá)到了。熟悉該項(xiàng)技藝的人士應(yīng)該明白本發(fā)明包括但不限于附圖和上面【具體實(shí)施方式】中描述的內(nèi)容。任何不偏離本發(fā)明的功能和結(jié)構(gòu)原理的修改都將包括在權(quán)利要求書的范圍中。
【權(quán)利要求】
1.一種MEMS微閥，其特征在于包括: 第一硅層，由(111)晶向的單晶硅材料制成，并且具有流體入口和流體出口 ； 第二硅層，由(111)晶向的單晶硅材料制成，并且具有形成在第二硅層表面的外流道和帶有內(nèi)流道的剛性部件，所述剛性部件容置于外流道內(nèi)并能在開閥位置與閉閥位置之間移動(dòng)； 第二硅層包括鍵合部和密封部，第二硅層通過鍵合部與第一硅層鍵合，流體入口和流體出口位于第一硅層的非鍵合區(qū)域，外流道位于第一硅層非鍵合區(qū)域與第二硅層密封部之間，剛性部件的上表面與第一硅層非鍵合區(qū)域的下表面之間形成緩沖液隙，剛性部件的下表面與密封部內(nèi)壁面之間形成懸浮液隙。
2.如權(quán)利要求1所述的一種MEMS微閥，其特征在于:所述剛性部件的上表面與第二硅層的鍵合面平齊，所述第一硅層非鍵合區(qū)域的下表面設(shè)有內(nèi)凹槽； 或者所述剛性部件的上表面低于第二硅層的鍵合面，所述第一硅層非鍵合區(qū)域的下表面與第二硅層的鍵合面平齊； 或者所述剛性部件的上表面低于第二硅層的鍵合面，所述第一硅層非鍵合區(qū)域的下表面設(shè)有內(nèi)凹槽。
3.如權(quán)利要求1所述的一種MEMS微閥，其特征在于:所述密封部內(nèi)壁面分布有若干凸起，以使流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生向上的作用力托持剛性部件。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的一種MEMS微閥，其特征在于:所述第一硅層上還設(shè)有流體壓力檢測(cè)口，所述流體壓力檢測(cè)口位于流體入口和流體出口之間。
5.如權(quán)利要求1或2或3所述的一種MEMS微閥，其特征在于:所述第二硅層的外流道內(nèi)還設(shè)有致動(dòng)肋、傳動(dòng)脊和位移放大梁，所述致動(dòng)肋連接于傳動(dòng)脊與外流道側(cè)壁之間，所述位移放大梁連接于傳動(dòng)脊與剛性部件之間，所述第二硅層上設(shè)有一對(duì)電極，所述致動(dòng)肋受熱驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)脊，傳動(dòng)脊通過位移放大梁帶動(dòng)剛性部件移動(dòng)。
6.一種MEMS微閥的制作工藝，其特征在于包括如下步驟: 1)、設(shè)置第一娃層和第二娃層； 2)、在第二硅層上表面刻蝕出內(nèi)流道； 3)、在第二硅層上表面部分淀積掩膜； 4)、在第二硅層上表面未淀積掩膜部分初步刻蝕出外流道，以形成包括剛性部件在內(nèi)的微動(dòng)機(jī)械部件； 5)、在第二硅層上表面和外流道內(nèi)壁面上沉積保護(hù)層； 6)、刻蝕第二硅層上表面和外流道底壁上沉積的保護(hù)層，保留外流道兩側(cè)壁上的保護(hù)層； 7)、刻蝕外流道底壁； 8)、在外流道底部通過溶液腐蝕形成懸浮液隙，以使包括剛性部件在內(nèi)的微動(dòng)機(jī)械部件能夠在外流道中運(yùn)動(dòng)； 9)、去除第二硅層上淀積的掩膜和剩余的保護(hù)層，并淀積形成電極； 10)、刻蝕第一娃層； 11)、將第一娃層置于第二娃層上，并通過鍵合使第一娃層與第二娃層之間緊密接合。
【文檔編號(hào)】B81B3/00GK104445043SQ201310419935
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】段飛, 張勝昌 申請(qǐng)人:浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司