專利名稱：雙片型單向液體微泵及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域，特別涉及氣體液體硅膜微泵和制造方法，具體來說是涉及一種采用多孔硅膜或轉(zhuǎn)移單晶硅膜作為泵腔體形變膜的雙片型液體硅膜微泵和制造方法。
背景技術(shù)：
微泵是微流體系統(tǒng)的重要組成部件，現(xiàn)有以壓電驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)和熱驅(qū)動(dòng)等多種類型。在這些已有的微泵結(jié)構(gòu)中，一般都需要三、四層，有的甚至多達(dá)七層硅和玻璃的鍵合來構(gòu)成整體機(jī)構(gòu)。這種多層鍵合結(jié)構(gòu)不利于微泵的空間尺寸縮小，限制了微泵在空間尺寸要求苛刻的微系統(tǒng)中的應(yīng)用。而且這些結(jié)構(gòu)的制備工藝復(fù)雜，不利于微泵與微閥，微溝道等微流體元件的一體化制造，限制了現(xiàn)有微泵在單片型微流體系統(tǒng)中的應(yīng)用?，F(xiàn)有的硅微泵腔體結(jié)構(gòu)多采用體硅微機(jī)械加工方法制造，致使微泵的泵腔體死空間(非有效形變空間)較大。較大的泵腔體死空間會(huì)產(chǎn)生兩種嚴(yán)重限制，一是無法實(shí)現(xiàn)氣體的泵送，二是泵送液體中不能混進(jìn)氣體，否則，會(huì)嚴(yán)重影響液體的泵送。因此，泵腔體的死空間是設(shè)計(jì)和制造方法的優(yōu)化目標(biāo)，微泵需要發(fā)展新的結(jié)構(gòu)和新的制作工藝?，F(xiàn)有一種利用單晶硅氫氟酸水溶液陽極氧化腐蝕技術(shù)中的多孔硅形成與電化學(xué)拋光腐蝕的電壓切換來實(shí)現(xiàn)近表面體硅內(nèi)的自封閉微結(jié)構(gòu)技術(shù)。但在這種技術(shù)中由于多孔硅膜粘結(jié)在氮化硅膜上，而氮化硅膜的強(qiáng)度不能滿足微泵的形變要求，因此這種陽極氧化電壓切換技術(shù)需要發(fā)展一種使多孔硅膜與襯底粘結(jié)更牢固的新方法才可用于硅膜微泵的制造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有微泵結(jié)構(gòu)及其制造方法中存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種雙片型單向液體微泵，進(jìn)一步的其加工技術(shù)是改進(jìn)的兩項(xiàng)新型微泵加工技術(shù)，具體的，一是多次加工區(qū)域相互交疊的陽極氧化電壓切換技術(shù)，二是單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)。所述的兩項(xiàng)新型微泵加工技術(shù)均在硅片的近表面體積內(nèi)加工。
本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明所述的帶懸臂梁型閥膜微閥的雙淺腔體靜電驅(qū)動(dòng)雙片型單向液體微泵是由上腔體、下腔體、上腔體進(jìn)口閥、上腔體出口閥、下腔體進(jìn)口閥、下腔體出口閥、入口處的上下硅片鏈接口、出口處的上下硅片鏈接口、入口微溝道和出口微溝道以及靜電驅(qū)動(dòng)電容構(gòu)成。所述的雙片型單向液體微泵由兩個(gè)淺泵腔體、靜電驅(qū)動(dòng)電容、四個(gè)微閥及進(jìn)、出鏈接微溝道構(gòu)成，進(jìn)一步的所述的微泵由兩塊硅片鍵合或粘合而成，上腔體和下腔體兩個(gè)淺泵腔體分別在兩塊硅片的近表面體硅內(nèi)形成。所述的上、下腔體分別由其上的復(fù)合腔體膜、腔體空間和襯底構(gòu)成。所述的復(fù)合腔體膜由腔體上的形變膜、絕緣介質(zhì)膜和金屬電極構(gòu)成，所述的形變膜是多孔硅膜或轉(zhuǎn)移單晶硅膜。所述的泵腔體的幾何形狀為矩形或圓形，泵腔體空間的深度在20-50微米之間。所述的靜電驅(qū)動(dòng)電容由上、下腔體的金屬電極與氣隙構(gòu)成，所述的四個(gè)微閥是雙片型懸臂梁型閥膜液體驅(qū)動(dòng)雙片型單向微閥。所述微泵的上、下腔體分別設(shè)置有各自的進(jìn)、出口微閥。所述的微泵中的進(jìn)、出口鏈接微溝道有兩種結(jié)構(gòu)第一種結(jié)構(gòu)是只在上、下腔體液體入口處增設(shè)上下硅片鏈接口。第二種結(jié)構(gòu)是在上、下腔體入口和出口處設(shè)置各自的上下硅片鏈接口，形成雙腔體并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
所述的微泵的加工制造方案是首先是淺硅區(qū)腐蝕，工藝步驟如下光刻淺硅腐蝕區(qū)窗口；在低的陽極氧化電壓下形成一定厚度的多孔硅膜；將陽極氧化電壓切換到高電壓下對已形成的多孔硅膜下的單晶硅進(jìn)行短時(shí)間腐蝕，腐蝕深度控制在0.1-1.0微米內(nèi)。其次是深硅區(qū)腐蝕，工藝步驟如下跨接光刻深硅腐蝕區(qū)窗口，在低的陽極氧化電壓下形成同樣厚度的多孔硅膜，再將陽極氧化電壓切換到高電壓下對已形成的多孔硅膜下的單晶硅進(jìn)行一定的時(shí)間腐蝕，硅腐蝕深度或腐蝕時(shí)間的多少由泵腔體的深度而定，再在多孔硅膜上沉淀一層絕緣膜之后就可形成微泵腔體。第三是驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)電極的沉淀與刻蝕。第四是鍵合圖形的光刻。第五是穿孔圖形的光刻和刻蝕。第六是對準(zhǔn)鍵合。
本發(fā)明所述的改進(jìn)的硅陽極氧化電壓切換技術(shù)是一種多次加工區(qū)域相互交疊的陽極氧化電壓切換技術(shù)，這種技術(shù)采用淺硅腐蝕限制蝕液輸送方法確保多孔硅膜與襯底單晶硅的自然連接，首先在需形成表面多孔硅膜的圖形外圍，采用陽極氧化電壓切換技術(shù)形成設(shè)定厚度的多孔硅膜，此過程中僅淺腐蝕其下的單晶硅，腐蝕深度控制在多孔硅膜完全與襯底分離，然后，再在所需要圖形區(qū)內(nèi)形成多孔硅及對其下的單晶硅進(jìn)行深度腐蝕。兩次形成多孔硅的腐蝕區(qū)采用跨區(qū)連接設(shè)計(jì)。所述的這種兩次加工區(qū)域相互交疊的陽極氧化電壓切換技術(shù)應(yīng)用到不同深度自封閉微結(jié)構(gòu)的制備組合中，可形成多次加工區(qū)域相互交疊的陽極氧化電壓切換技術(shù)。
本發(fā)明所述的另一種制造雙片型液體硅膜微泵的制造方法是一種改進(jìn)的單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)，所述的單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)是利用SOI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，所述的SOI是三層結(jié)構(gòu)，最下面的是硅襯底，最上面的是單晶硅薄膜，中間是二氧化硅膜。所述的單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)是將SOI結(jié)構(gòu)的硅片反鍵合或粘合到另一片硅片上，將SOI硅片的襯底腐蝕掉后就可將單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移到新的硅片上。先用體硅微機(jī)械加工技術(shù)在硅片近表面硅內(nèi)形成所需的圖形，然后將SOI上的單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移到這塊硅片上就可構(gòu)成近表面體硅內(nèi)的密封結(jié)構(gòu)。所述改進(jìn)的單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)用于制造所述微泵的方案是首先是主硅片上的近表面體硅內(nèi)的圖形刻蝕，主要加工內(nèi)容有不同深度的硅腐蝕區(qū)的腐蝕和各個(gè)圖形間的鏈接。其次是準(zhǔn)備所需的SOI硅片，包括必要的轉(zhuǎn)移所需圖形的制備和轉(zhuǎn)移對準(zhǔn)圖形。第三是驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的制備。第四是鍵合圖形的光刻。第五是穿孔圖形刻蝕。第六是對準(zhǔn)鍵合。
所述硅微泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表明，本發(fā)明專利改進(jìn)的兩種新型微泵制造工藝方法具有很強(qiáng)的微流體系統(tǒng)的集成制造能力，而且工藝簡單，靈活性較好，有利于促進(jìn)片上型微流體系統(tǒng)的發(fā)展。


圖1是本發(fā)明所述的雙片型液體硅膜微泵的局部空間結(jié)構(gòu)圖，其中，斜線陰影部分為鍵合或粘合圖形。
圖2是本發(fā)明所述的雙片型液體硅膜微泵的A-A截面圖。
圖3是本發(fā)明所述的雙片型液體硅膜微泵的B-B截面圖。
圖4是本發(fā)明所述的雙片型液體硅膜微泵的C-C截面圖。
圖中1是上腔體，2是下腔體、3是上腔體進(jìn)口閥，4是上腔體出口閥、5是下腔體進(jìn)口閥，6是下腔體出口閥，7是入口處的上下硅片鏈接口、8是出口處的上下硅片鏈接口，9是入口微溝道，10是出口微溝道。11是上硅片和12是下硅片，13是粘合圖形。14是多孔硅膜或單晶硅膜、15是介質(zhì)膜。13是粘合介質(zhì)，16是空氣間隙，17是上腔體膜上的電極，18是下腔體膜上的電極。19是硅凸臺(tái)面、20是閥腔體。
實(shí)施方法如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發(fā)明所述的雙片型單向液體微泵是由上腔體1、下腔體2、上腔體進(jìn)口閥3、上腔體出口閥4、下腔體進(jìn)口閥5、下腔體出口閥6、入口處的上下硅片鏈接口7、出口處的上下硅片鏈接口8、入口微溝道9和出口微溝道10以及靜電驅(qū)動(dòng)電容構(gòu)成，具體的，所述的雙片型單向液體微泵有兩個(gè)淺泵腔體、靜電驅(qū)動(dòng)電容、四個(gè)微閥及進(jìn)、出鏈接微溝道構(gòu)成，進(jìn)一步的，所述的微泵由兩塊硅片11、12鍵合或粘合而成，上腔體1和下腔體2兩個(gè)淺泵腔體分別在兩塊硅片11、12的近表面體硅內(nèi)形成。所述的上腔體1和下腔體2分別由其上的復(fù)合腔體膜、腔體空間和襯底構(gòu)成。所述的復(fù)合腔體膜由腔體上的形變膜、絕緣介質(zhì)膜15和金屬電極構(gòu)成，所述的形變膜是多孔硅膜或轉(zhuǎn)移單晶硅膜14。所述的泵腔體的幾何形狀為矩形或圓形，泵腔體空間的深度在20-50微米之間。所述的靜電驅(qū)動(dòng)電容由上、下腔體的金屬電極18與氣隙16構(gòu)成，所述的氣隙16是由粘合介質(zhì)13支撐上、下腔體絕緣介質(zhì)膜15形成的，間距控制在0.1-3微米之間。所述的四個(gè)微閥是雙片型懸臂梁型閥膜液體驅(qū)動(dòng)雙片型單向微閥。所述微泵的上、下腔體分別設(shè)置有各自的進(jìn)口微閥3和出口微閥4。所述的微泵中的進(jìn)、出口鏈接微溝道有兩種結(jié)構(gòu)第一種結(jié)構(gòu)是僅在液體上、下腔體入口處增設(shè)上下硅片鏈接口。第二種結(jié)構(gòu)是在上、下腔體入口和出口處設(shè)置各自的上下硅片鏈接口，形成雙腔體并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2本發(fā)明所述的一種雙片型液體硅膜微泵的制造方法如下首先是淺硅區(qū)腐蝕，光刻淺硅腐蝕區(qū)窗口；在低的陽極氧化電壓下形成一定厚度的多孔硅膜；將陽極氧化電壓切換到高電壓下對已形成的多孔硅膜下的單晶硅進(jìn)行短時(shí)間腐蝕，腐蝕深度控制在0.1-1.0微米內(nèi)。其次是深硅區(qū)腐蝕，工藝步驟如下跨接光刻深硅腐蝕區(qū)窗口，在低的陽極氧化電壓下形成同樣厚度的多孔硅膜，再將陽極氧化電壓切換到高電壓下對已形成的多孔硅膜下的單晶硅進(jìn)行一定的時(shí)間腐蝕，硅腐蝕深度或腐蝕時(shí)間的多少由泵腔體的深度而定，再在多孔硅膜上沉淀一層絕緣膜之后就可形成微泵腔體。第三是驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)電極的沉淀與刻蝕。第四是鍵合圖形的光刻。第五是穿孔圖形的光刻和刻蝕。第六是對準(zhǔn)鍵合。所述的六項(xiàng)主要工藝步驟，經(jīng)調(diào)節(jié)就可實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的硅微泵。
實(shí)施例3本發(fā)明所述的一種雙片型單向液體微泵的制造方法如下所述的改進(jìn)的單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)是利用SOI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，所述的SOI是三層結(jié)構(gòu)，最下面的是硅襯底，最上面的是單晶硅薄膜，中間是二氧化硅膜。所述的單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)是將SOI結(jié)構(gòu)的硅片反鍵合或粘合到另一片硅片上，將SOI硅片的襯底腐蝕掉后就可將單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移到新的硅片上。因此先用體硅微機(jī)械加工技術(shù)在硅片近表面體硅內(nèi)形成所需的圖形，然后將SOI上的單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移到這塊硅片上就可構(gòu)成近表面體硅內(nèi)的密封結(jié)構(gòu)。所述改進(jìn)的單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)用于微泵的制造方案是首先是主硅片上的近表面體硅內(nèi)的圖形刻蝕，主要加工內(nèi)容有不同深度的硅腐蝕區(qū)的腐蝕和各個(gè)圖形間的鏈接。其次是準(zhǔn)備所需的SOI硅片，包括必要的轉(zhuǎn)移所需圖形的制備和轉(zhuǎn)移對準(zhǔn)圖形。第三是驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的制備。第四是鍵合圖形的光刻。第五是穿孔圖形刻蝕。第六是對準(zhǔn)鍵合。
權(quán)利要求
1.一種雙片型單向液體微泵，其特征在于所述的微泵由上腔體、下腔體、上腔體進(jìn)口閥、上腔體出口閥、下腔體進(jìn)口閥、下腔體出口閥、入口處的上下硅片鏈接口、出口處的上下硅片鏈接口、入口微溝道和出口微溝道以及靜電驅(qū)動(dòng)電容構(gòu)成，所述的下腔體上方設(shè)置有上腔體，所述的上腔體和下腔體分別設(shè)置在兩塊硅片的近表面體硅，所述微泵的上腔體、下腔體分別設(shè)置有進(jìn)口微閥、出口微閥，所述的上、下腔體分別由復(fù)合腔體膜、腔體空間和襯底構(gòu)成，所述的復(fù)合腔體由形變膜、絕緣介質(zhì)膜和金屬電極構(gòu)成，所述的形變膜設(shè)置在腔體上，所述的靜電驅(qū)動(dòng)電容由金屬電極與氣隙構(gòu)成，所述的金屬電極設(shè)置在上腔體和下腔體上。
2.權(quán)利要求1所述的一種雙片型單向液體微泵，其特征在于在所述的上腔體、下腔體的液體入口處設(shè)置有上硅片連接口和下硅片連接口。
3.如權(quán)利要求1所述的一種雙片型單向液體微泵，其特征在于所述的上腔體、下腔體的液體入口和出口處設(shè)置上硅片和下硅片連接口。
4.如權(quán)利要求1所述的一種雙片型單向液體微泵，其特征在于所述的上腔體和下腔體為矩形或圓形。
5.制造如權(quán)利要求1所述的一種雙片型單向液體微泵的方法，其特征在于首先進(jìn)行淺硅區(qū)腐蝕，工藝步驟如下光刻淺硅腐蝕區(qū)窗口；在低的陽極氧化電壓下形成一定厚度的多孔硅膜；將陽極氧化電壓切換到高電壓下對已形成的多孔硅膜下的單晶硅進(jìn)行短時(shí)間腐蝕，腐蝕深度控制在0.1-1.0微米內(nèi)，其次是深硅區(qū)腐蝕，工藝步驟如下跨接光刻深硅腐蝕區(qū)窗口，在低的陽極氧化電壓下形成同樣厚度的多孔硅膜，再將陽極氧化電壓切換到高電壓下對已形成的多孔硅膜下的單晶硅進(jìn)行一定的時(shí)間腐蝕，硅腐蝕深度或腐蝕時(shí)間的多少由泵腔體的深度而定，再在多孔硅膜上沉淀一層絕緣膜之后就可形成微泵腔體，第三是驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)電極的沉淀與刻蝕，第四是鍵合圖形的光刻。第五是穿孔圖形的光刻和刻蝕。第六是對準(zhǔn)鍵合。
6.制造如權(quán)利要求1所述的一種雙片型單向液體微泵的方法，其特征在于所述的改進(jìn)的單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)是利用SOI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，所述的SOI是三層結(jié)構(gòu)，最下面的是硅襯底，最上面的是單晶硅薄膜，中間是二氧化硅膜。所述的單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)是將SOI結(jié)構(gòu)的硅片反鍵合或粘合到另一片硅片上，將SOI硅片的襯底腐蝕掉后就可將單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移到新的硅片上，因此先用體硅微機(jī)械加工技術(shù)在硅片近表面硅內(nèi)形成所需的圖形，然后將SOI上的單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移到這塊硅片上就可構(gòu)成近表面硅內(nèi)的密封結(jié)構(gòu)，所述改進(jìn)的單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)用于微泵的制造方案是首先是主硅片上的近表面體硅內(nèi)的圖形刻蝕，主要加工內(nèi)容有不同深度的硅腐蝕區(qū)的腐蝕和各個(gè)圖形間的鏈接，其次是準(zhǔn)備所需的SOI硅片，包括必要的轉(zhuǎn)移所需圖形的制備和轉(zhuǎn)移對準(zhǔn)圖形，第三是驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的制備，第四是鍵合圖形的光刻，第五是穿孔圖形刻蝕，第六是對準(zhǔn)鍵合。
全文摘要
一種雙片型單向液體微泵及其制造方法，所述的微泵由陽極氧化電壓切換技術(shù)和單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)制造，陽極氧化電壓切換技術(shù)的加工區(qū)域是多次相互交疊的，單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)采用SOI硅片實(shí)現(xiàn)單晶硅薄膜轉(zhuǎn)移。利用此技術(shù)制造的微泵所占的有效空間體積及其泵腔體死空間最小，利用此技術(shù)能夠使微泵、微閥和微溝道網(wǎng)絡(luò)同步制造，使新設(shè)計(jì)的硅膜微泵結(jié)構(gòu)便于在片上型微流體系統(tǒng)中應(yīng)用。
文檔編號(hào)F04B43/04GK1504644SQ0215082
公開日2004年6月16日 申請日期2002年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月29日
發(fā)明者湯玉生 申請人:湯玉生