專利名稱：微電子機械的v型微閥及制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于微電子機械技術的V型有閥型微閥的結構及其制作方法，該產品屬于微流體系統領域中的執行器。
背景技術：
現有的微機械系統(MEMS)作為一個新興領域近年來得到了飛速發展，微流量系統是微機械系統的一個重要分支，主要用于微型化學分析和藥物的微量注射。微型閥是微型流動系統中流向控制的重要執行元件，其性能對微泵的性能指標有直接影響。微型閥可分為有閥型和無閥型結構，微型閥要與微驅動器一起組成微泵。隨著微機械加工技術的逐步成熟，迄今已有許多不同結構、不同材料的有閥型微閥制作成功。首例微型閥的報道出現在1986年，隨后涌現出大量有關微型閥和微型泵的研究成果。1996年Anders Olsson首次提出利用收縮管/擴張管在硅上制作無閥泵，在“J.Micromech.Microeng”發表了“Avalve-less planar pump isotropically etched in silicon”，這種泵沒有可動閥體，它是利用流體流過收縮管或擴張管的不同壓力損失差來實現流體單向輸送。無閥型微閥的特點是結構簡單，缺點是背壓小、反向止流性能差。有閥微泵主要是基于不同致動原理的往復式薄膜泵。有閥型微閥多采用懸臂梁式結構，由于其單向性截止性好，背壓大、響應快、尺寸小、可批量生產而在微型機械中被廣泛采用。缺點是結構復雜、工藝難度大，加工精度要求高。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于微電子機械技術的V型有閥型微閥的結構及其改微閥的制作方法。
上述的目的通過以下的技術方案實現微電子機械的V型微閥，其組成包括正單向閥和與所述的正單向閥結構對稱反向置放的反單向閥，所述的正單向閥和反單向閥整體材料采用硅材料，所述的單向閥包括帶有進水縫的進水口、帶有出水縫的出水口，所述的出水口兩側的釋放閥片，所述的閥片的背面具有V型槽。
上述的微電子機械的V型微閥，所述的兩側的釋放閥片之間的角度以及V形槽的角度為晶向硅各向異性腐蝕夾角，角度為54°44′20″，所述的閥片的厚度為兩V型槽之間的間距減去所述的進水縫的寬度或者所述的出水縫寬度后，所得數值的一半。
上述的微電子機械的V型微閥的制作方法，選用雙面拋光P型(100)硅片厚度為330μm～550μm，雙面氧化400nm，低溫等離子體化學氣相沉積，雙面生長Si3N4200nm，雙面光刻窗口，采用KOH水溶液腐蝕1-2小時，降溫在40℃過腐蝕，直到穿通，去Si3N4保護層，最后采用HF溶液去除氧化層。
上述的微電子機械的V型微閥的制作方法，所述的進水縫、出水縫、以及閥片均采用硅的微機械加工，經過硅的各向異性刻蝕工藝腐蝕后制備，一次腐蝕后就形成閥片的結構。
上述的微電子機械的V型微閥的制作方法，通過所述的腐蝕形成兩個穿通槽，穿通槽的大口端分別作為進水口和出水口，小口端作為進水縫和出水縫。
該發明的工作原理是在正單向閥[1]和反單向[2]的進水口[3]、出水縫[6]處接兩個管道，管道與外部系統相連接，為進水口[3]提供液體輸入，兩個閥的背面壓力小于正面壓力時，反單向閥[2]截止，正單向[1]導通，吸入液體；兩個閥的背面壓力小于正面壓力時，正單向閥[1]截止，反單向閥[2]導通，排出液體。當微閥與驅動元件結合，整體構成微泵，靠驅動元件提供驅動力，導致兩個閥的正面和背面存在壓力差，通過正反兩個閥門的連續作用導致液體的單向流動，就實現了液體泵送的目的。
本發明具有以下有益效果1.本發明設計制作的V型有閥型微閥與其他有閥型微閥相比，制作工藝簡單更適于微型泵的微流量系統應用。微閥部分無須鍵合技術，防止了有縫隙造成的泄漏。在微閥與驅動元件結合形成的微型泵中，減少了鍵合次數，克服了加工、裝配工藝復雜的缺點，降低了加工精度要求。一次各向異性腐蝕工藝即可制作出V型有閥型微閥，同時在閥片厚度控制上減少了重摻雜自停止所帶來的附加的光刻、擴散工藝，消除了殘余應力對閥片開關性能的影響。
2.本產品的發明使微型泵的多層結構簡化，從原來的三、四層結構減少到兩層。減少了硅基底材料的使用，進一步降低成本，同時降低了加工制作中的對準工藝難度，增加了成品率。
3.本發明采用半導體微機械加工工藝具有結構和工藝簡單、體積小、成本低，具有流量可控性強，可批量生產，功耗低等優點，適于控制介質粒徑小于閥中縫尺寸的液體微流量系統，此微閥與微泵結合，可廣泛用于藥物微量傳送、燃料微量噴射、噴墨打印以及微量化學分析等領域，特別適用于大功率元件和超大集成電路的冷卻方面。在未來微量流體控制系統發展中，有望用于化學氣相淀積，分子束外延過程中氣體的精確控制；低溫學或超導體的冷卻；氣、液體的微量化學分析。集成電路冷卻。
4.采用MEMS工藝手段研制的V型結構的被動閥完全采用硅材料，在硅基底上利用二氧化硅和氮化硅做掩蔽層，雙面光刻后，僅需一次腐蝕即可成功的制作出該微型被動閥。本發明具有結構及制備工藝簡單，低成本、體積小、流量可控性強的特點，此外，合理利用各向異性腐蝕的特點可靈活控制閥片厚度，克服了傳統有閥型被動閥加工制作復雜，精度要求高的缺點，另外，采用的微機械加工技術與半導體平面工藝技術相兼容，容易集成，適應于大批量生產。
5.本發明的關鍵是利用(100)晶向硅各向異性腐蝕夾角為54°44′20″的特性，通過調整尺寸，使(100)晶面蝕刻在側面的連接處停止，形成V型凹槽[11]/[12]和[13]/[14]的同時，還可制造出兩個穿通槽。兩個穿通槽的大口端分別作為進水口[3]和出水口[4]，小口端作為進水縫[5]和出水縫[6]。
6.該微型閥的流量范圍可根據不同用戶的需求，通過改變進水縫[5]和出水縫[6]的結構尺寸設計，控制系統的流量，同時對閥片[7]/[8]、[9]/[10]的尺寸加以調整，還可增強微閥的單向性能。
圖1具有V型微閥的側剖面結構示意2為V型微閥結構的俯視3為本產品的工作原理圖(黑箭頭所示為進水方向)。
圖4為本產品的工作原理圖(黑箭頭所示為進水方向)。
本發明的
具體實施例方式實施例1微電子機械的V型微閥，其組成包括正單向閥[1]和與所述的正單向閥結構對稱反向置放的反單向閥[2]，所述的正單向閥和反單向閥全部結構均形成在硅基底上，其中正單向閥[1]包括進水口[3]、進水縫[5]、閥片[7]/[8]以及兩個V型槽[11]/[12]；反單向閥[2]包括出水口[4]、出水縫[6]、閥片[9]/[10]以及兩個V型槽[13]/[14](見附圖1)。
上述的微電子機械的V型微閥，所述的兩側的釋放閥片之間的角度以及V形槽的角度為晶向硅各向異性腐蝕夾角，最佳角度為54°44′20″，所述的閥片的厚度為兩V型槽之間的間距減去所述的進水縫的寬度或者所述的出水縫寬度后，所得數值的一半。
上述的微電子機械的V型微閥，所述的閥片為，矩形閥片短邊的最佳長度為1/2COS54°44′20″。
下面結合附圖再進行一些細節的描述本發明的整體材料完全采用硅材料，主體結構包括正單向閥即正向導通反向截止閥[1]和反單向閥即反向導通正向截止閥[2]。正單向閥[1]和反單向閥[2]是結構對稱反向置放的兩個閥門。
進水口[3]處用來接外部進水管道，出水縫[6]處用來接外部泵水管道。在V型槽[11]和[12]之間的區域制作進水口[3]和進水縫[5]，釋放閥片[7]和[8]；同時在V型槽[13]和[14]之間的區域制作出水口[4]和出水縫[6]，釋放閥片[9]和[10]。若微閥的正面和背面存在壓力差，閥片就會形變，使閥導通或者截止。
無壓力作用時，進水縫[5]及出水縫[6]呈常開狀態。當進水口[3]處壓力大于進水縫[5]處壓力時，壓力作用到閥片[7]/[8]上后，由于應力的影響，進水縫[5]中心的形變要超過進水縫[5]邊緣的形變，使正單向閥[1]導通；由于兩個正單向閥[1]、反單向閥[2]閥是反向放置，此時，出水口[4]處壓力小于出水縫[6]處，反單向閥[2]截止(見附圖3)。如果改變壓力作用方向，情形會相反，正單向閥[1]截止，反單向閥[2]導通(見附圖4)。
實施例2實施例1所述的微電子機械的V型微閥的制作方法，選用雙面拋光P型(100)硅片厚度為330μm～550μm，雙面氧化400nm，低溫等離子體化學氣相沉積，雙面生長Si3N4200nm，雙面光刻窗口，采用KOH水溶液腐蝕1-2小時，降溫在40℃過腐蝕，直到穿通，腐蝕時間取決于刻通硅基底材料厚度所需的時間，腐蝕高度為硅片的厚度，穿通后去Si3N4保護層，最后采用HF溶液去除氧化層。
上述的微電子機械的V型微閥的制作方法，所述的進水縫、出水縫、以及閥片均采用硅的微機械加工，經過硅的各向異性刻蝕工藝腐蝕后制備，一次腐蝕后就形成閥片的結構。
上述的微電子機械的V型微閥的制作方法，通過所述的腐蝕形成兩個穿通槽，穿通槽的大口端分別作為進水口和出水口，小口端作為進水縫和出水縫。
下面結合附圖再進行一些細節的描述實現本發明的硅片，厚度可以為330μm～550μm，其中V型槽[11]/[12]、[13]/[14]的圖形不嚴格限定，可采用矩形或者正方形，其圖形短邊的 (α＝54°44′20″)就是閥片的長度。進水口[3]、出水口[4]的長度為1200μm～1800μm，寬度500μm～800μm，進水縫[5]、出水縫[6]寬5～30μm，單個閥片[7]/[8]、[9]/[10]厚度尺寸為2～10μm。
權利要求
1.一種微電子機械的V型微閥，其組成包括正單向閥和與所述的正單向閥結構對稱反向置放的反單向閥，其特征是所述的正單向閥和反單向閥全部結構均形成在硅基底上，所述的單向閥包括帶有進水縫的進水口、帶有出水縫的出水口，所述的出水口兩側的釋放閥片，所述的閥片的背面具有V型槽。
2.根據權利要求1所述的微電子機械的V型微閥，其特征是所述的兩側的釋放閥片之間的角度以及V形槽的角度為晶向硅各向異性腐蝕夾角，角度為54°44′20″，所述的閥片的厚度為兩V型槽之間的間距減去所述的進水縫的寬度或者所述的出水縫寬度后，所得數值的一半。
3.根據權利要求2所述的微電子機械的V型微閥，其特征是所述的閥片為，矩形閥片短邊的最佳長度為1/2COS54°44′20″。
4.一種權利要求1或2所述的微電子機械的V型微閥的制作方法，其特征是選用雙面拋光P型(100)硅片厚度為330μm～550μm，雙面氧化400nm，低溫等離子體化學氣相沉積，雙面生長Si3N4200nm，雙面光刻窗口，采用KOH水溶液腐蝕1-2小時，降溫在40℃過腐蝕，直到穿通，去Si3N4保護層，最后采用HF溶液去除氧化層。
5.根據權利要求4所述的微電子機械的V型微閥的制作方法，其特征是所述的進水縫、出水縫、以及閥片均采用硅的微機械加工，經過硅的各向異性刻蝕工藝腐蝕后制備，一次腐蝕后就形成閥片的結構。
6.根據權利要求4或5所述的微電子機械的V型微閥的制作方法，其特征是通過所述的腐蝕形成兩個穿通槽，穿通槽的大口端分別作為進水口和出水口，小口端作為進水縫和出水縫。
全文摘要
微電子機械的V型微閥及制作方法，微型閥的性能對微泵的性能指標有直接影響。本產品包括正單向閥[1]和與正單向閥反向置放的反單向閥[2]，正單向閥和反單向閥全部結構均形成在硅基底上，其中正單向閥[1]包括進水口[3]、進水縫[5]、閥片[7]/[8]以及兩個V型槽[11]/[12]；反單向閥[2]包括出水口[4]、出水縫[6]、閥片[9]/[10]以及兩個V型槽[13]/[14]。本產品用于藥物微量傳送、燃料微量噴射、噴墨打印、微量化學分析領域，特別適用于大功率元件和超大集成電路冷卻，在未來微量流體控制系統中，可用于化學氣相淀積，分子束外延過程中氣體的精確控制；低溫學或超導體的冷卻；氣、液體的微量化學分析。
文檔編號H01L21/00GK1804396SQ20051000962
公開日2006年7月19日 申請日期2005年1月14日 優先權日2005年1月14日
發明者邱成軍, 曹茂盛, 張輝軍, 曲偉, 孟麗娜 申請人:黑龍江大學