專利名稱：雙片型單向液體微泵及其制造方法
技術領域：
本發明涉及微電子機械系統(MEMS)領域，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：
微泵是微流體系統的重要組成部件，現有以壓電驅動、靜電驅動和熱驅動等多種類型。在這些已有的微泵結構中，一般都需要三、四層，有的甚至多達七層硅和玻璃的鍵合來構成整體機構。這種多層鍵合結構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中的應用。而且這些結構的制備工藝復雜，不利于微泵與微閥，微溝道等微流體元件的一體化制造，限制了現有微泵在單片型微流體系統中的應用。現有的硅微泵腔體結構多采用體硅微機械加工方法制造，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產生兩種嚴重限制，一是無法實現氣體的泵送，二是泵送液體中不能混進氣體，否則，會嚴重影響液體的泵送。因此，泵腔體的死空間是設計和制造方法的優化目標，微泵需要發展新的結構和新的制作工藝。現有一種利用單晶硅氫氟酸水溶液陽極氧化腐蝕技術中的多孔硅形成與電化學拋光腐蝕的電壓切換來實現近表面體硅內的自封閉微結構技術。但在這種技術中由于多孔硅膜粘結在氮化硅膜上，而氮化硅膜的強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需要發展一種使多孔硅膜與襯底粘結更牢固的新方法才可用于硅膜微泵的制造。
發明內容
本發明為了解決現有微泵結構及其制造方法中存在的缺點，本發明提供一種雙片型單向液體微泵，進一步的其加工技術是改進的兩項新型微泵加工技術，具體的，一是多次加工區域相互交疊的陽極氧化電壓切換技術，二是單晶硅薄膜轉移技術。所述的兩項新型微泵加工技術均在硅片的近表面體積內加工。
本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是本發明所述的帶懸臂梁型閥膜微閥的雙淺腔體靜電驅動雙片型單向液體微泵是由上腔體、下腔體、上腔體進口閥、上腔體出口閥、下腔體進口閥、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動電容構成。所述的雙片型單向液體微泵由兩個淺泵腔體、靜電驅動電容、四個微閥及進、出鏈接微溝道構成，進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淺泵腔體分別在兩塊硅片的近表面體硅內形成。所述的上、下腔體分別由其上的復合腔體膜、腔體空間和襯底構成。所述的復合腔體膜由腔體上的形變膜、絕緣介質膜和金屬電極構成，所述的形變膜是多孔硅膜或轉移單晶硅膜。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。所述的靜電驅動電容由上、下腔體的金屬電極與氣隙構成，所述的四個微閥是雙片型懸臂梁型閥膜液體驅動雙片型單向微閥。所述微泵的上、下腔體分別設置有各自的進、出口微閥。所述的微泵中的進、出口鏈接微溝道有兩種結構第一種結構是只在上、下腔體液體入口處增設上下硅片鏈接口。第二種結構是在上、下腔體入口和出口處設置各自的上下硅片鏈接口，形成雙腔體并聯結構。
所述的微泵的加工制造方案是首先是淺硅區腐蝕，工藝步驟如下光刻淺硅腐蝕區窗口；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行短時間腐蝕，腐蝕深度控制在0.1-1.0微米內。其次是深硅區腐蝕，工藝步驟如下跨接光刻深硅腐蝕區窗口，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行一定的時間腐蝕，硅腐蝕深度或腐蝕時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。第三是驅動結構電極的沉淀與刻蝕。第四是鍵合圖形的光刻。第五是穿孔圖形的光刻和刻蝕。第六是對準鍵合。
本發明所述的改進的硅陽極氧化電壓切換技術是一種多次加工區域相互交疊的陽極氧化電壓切換技術，這種技術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形成設定厚度的多孔硅膜，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，再在所需要圖形區內形成多孔硅及對其下的單晶硅進行深度腐蝕。兩次形成多孔硅的腐蝕區采用跨區連接設計。所述的這種兩次加工區域相互交疊的陽極氧化電壓切換技術應用到不同深度自封閉微結構的制備組合中，可形成多次加工區域相互交疊的陽極氧化電壓切換技術。
本發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的單晶硅薄膜轉移技術，所述的單晶硅薄膜轉移技術是利用SOI技術實現的，所述的SOI是三層結構，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移技術是將SOI結構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移到新的硅片上。先用體硅微機械加工技術在硅片近表面硅內形成所需的圖形，然后將SOI上的單晶硅薄膜轉移到這塊硅片上就可構成近表面體硅內的密封結構。所述改進的單晶硅薄膜轉移技術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的圖形刻蝕，主要加工內容有不同深度的硅腐蝕區的腐蝕和各個圖形間的鏈接。其次是準備所需的SOI硅片，包括必要的轉移所需圖形的制備和轉移對準圖形。第三是驅動結構的制備。第四是鍵合圖形的光刻。第五是穿孔圖形刻蝕。第六是對準鍵合。
所述硅微泵的結構設計表明，本發明專利改進的兩種新型微泵制造工藝方法具有很強的微流體系統的集成制造能力，而且工藝簡單，靈活性較好，有利于促進片上型微流體系統的發展。
圖1是本發明所述的雙片型液體硅膜微泵的局部空間結構圖，其中，斜線陰影部分為鍵合或粘合圖形。
圖2是本發明所述的雙片型液體硅膜微泵的A-A截面圖。
圖3是本發明所述的雙片型液體硅膜微泵的B-B截面圖。
圖4是本發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是上腔體進口閥，4是上腔體出口閥、5是下腔體進口閥，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是介質膜。13是粘合介質，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是硅凸臺面、20是閥腔體。
實施方法如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發明所述的雙片型單向液體微泵是由上腔體1、下腔體2、上腔體進口閥3、上腔體出口閥4、下腔體進口閥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以及靜電驅動電容構成，具體的，所述的雙片型單向液體微泵有兩個淺泵腔體、靜電驅動電容、四個微閥及進、出鏈接微溝道構成，進一步的，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2兩個淺泵腔體分別在兩塊硅片11、12的近表面體硅內形成。所述的上腔體1和下腔體2分別由其上的復合腔體膜、腔體空間和襯底構成。所述的復合腔體膜由腔體上的形變膜、絕緣介質膜15和金屬電極構成，所述的形變膜是多孔硅膜或轉移單晶硅膜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。所述的靜電驅動電容由上、下腔體的金屬電極18與氣隙16構成，所述的氣隙16是由粘合介質13支撐上、下腔體絕緣介質膜15形成的，間距控制在0.1-3微米之間。所述的四個微閥是雙片型懸臂梁型閥膜液體驅動雙片型單向微閥。所述微泵的上、下腔體分別設置有各自的進口微閥3和出口微閥4。所述的微泵中的進、出口鏈接微溝道有兩種結構第一種結構是僅在液體上、下腔體入口處增設上下硅片鏈接口。第二種結構是在上、下腔體入口和出口處設置各自的上下硅片鏈接口，形成雙腔體并聯結構。
實施例2本發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腐蝕，光刻淺硅腐蝕區窗口；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行短時間腐蝕，腐蝕深度控制在0.1-1.0微米內。其次是深硅區腐蝕，工藝步驟如下跨接光刻深硅腐蝕區窗口，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行一定的時間腐蝕，硅腐蝕深度或腐蝕時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。第三是驅動結構電極的沉淀與刻蝕。第四是鍵合圖形的光刻。第五是穿孔圖形的光刻和刻蝕。第六是對準鍵合。所述的六項主要工藝步驟，經調節就可實現不同結構的硅微泵。
實施例3本發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的單晶硅薄膜轉移技術是利用SOI技術實現的，所述的SOI是三層結構，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移技術是將SOI結構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移到新的硅片上。因此先用體硅微機械加工技術在硅片近表面體硅內形成所需的圖形，然后將SOI上的單晶硅薄膜轉移到這塊硅片上就可構成近表面體硅內的密封結構。所述改進的單晶硅薄膜轉移技術用于微泵的制造方案是首先是主硅片上的近表面體硅內的圖形刻蝕，主要加工內容有不同深度的硅腐蝕區的腐蝕和各個圖形間的鏈接。其次是準備所需的SOI硅片，包括必要的轉移所需圖形的制備和轉移對準圖形。第三是驅動結構的制備。第四是鍵合圖形的光刻。第五是穿孔圖形刻蝕。第六是對準鍵合。
權利要求
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、上腔體進口閥、上腔體出口閥、下腔體進口閥、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動電容構成，所述的下腔體上方設置有上腔體，所述的上腔體和下腔體分別設置在兩塊硅片的近表面體硅，所述微泵的上腔體、下腔體分別設置有進口微閥、出口微閥，所述的上、下腔體分別由復合腔體膜、腔體空間和襯底構成，所述的復合腔體由形變膜、絕緣介質膜和金屬電極構成，所述的形變膜設置在腔體上，所述的靜電驅動電容由金屬電極與氣隙構成，所述的金屬電極設置在上腔體和下腔體上。
2.權利要求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置有上硅片連接口和下硅片連接口。
3.如權利要求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置上硅片和下硅片連接口。
4.如權利要求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，其特征在于首先進行淺硅區腐蝕，工藝步驟如下光刻淺硅腐蝕區窗口；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行短時間腐蝕，腐蝕深度控制在0.1-1.0微米內，其次是深硅區腐蝕，工藝步驟如下跨接光刻深硅腐蝕區窗口，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行一定的時間腐蝕，硅腐蝕深度或腐蝕時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，第三是驅動結構電極的沉淀與刻蝕，第四是鍵合圖形的光刻。第五是穿孔圖形的光刻和刻蝕。第六是對準鍵合。
6.制造如權利要求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的單晶硅薄膜轉移技術是利用SOI技術實現的，所述的SOI是三層結構，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移技術是將SOI結構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移到新的硅片上，因此先用體硅微機械加工技術在硅片近表面硅內形成所需的圖形，然后將SOI上的單晶硅薄膜轉移到這塊硅片上就可構成近表面硅內的密封結構，所述改進的單晶硅薄膜轉移技術用于微泵的制造方案是首先是主硅片上的近表面體硅內的圖形刻蝕，主要加工內容有不同深度的硅腐蝕區的腐蝕和各個圖形間的鏈接，其次是準備所需的SOI硅片，包括必要的轉移所需圖形的制備和轉移對準圖形，第三是驅動結構的制備，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和單晶硅薄膜轉移技術制造，陽極氧化電壓切換技術的加工區域是多次相互交疊的，單晶硅薄膜轉移技術采用SOI硅片實現單晶硅薄膜轉移。利用此技術制造的微泵所占的有效空間體積及其泵腔體死空間最小，利用此技術能夠使微泵、微閥和微溝道網絡同步制造，使新設計的硅膜微泵結構便于在片上型微流體系統中應用。
文檔編號F04B43/04GK1504644SQ0215082
公開日2004年6月16日 申請日期2002年11月29日 優先權日2002年11月29日
發明者湯玉生 申請人:湯玉生