專利名稱：采用鈦鎳銅合金膜驅動的弦錐結構微驅動器及制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種MEMS微流體系統(tǒng)的執(zhí)行器件，具體涉及一種采用三元 TiNiCu形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構微驅動器及其制備方法。
背景技術：
微驅動器作為MEMS微流體系統(tǒng)的執(zhí)行器件，是微流體系統(tǒng)發(fā)展水平的重要 標志。它被廣泛應用在藥物微量傳送、燃料微量噴射、細胞分離、集成電子冷 卻以及微量化學分析等方面。因此微驅動器的研究一直是微機械加工系統(tǒng)的一 個重點，同時也是微流體系統(tǒng)實際應用的主要限制瓶頸。由于微驅動器的流量 輸出是通過驅動膜的往復運動，引起微系統(tǒng)中泵腔的體積和壓力變化而實現(xiàn)的， 所以驅動膜的驅動力直接決定了微驅動器性能指標，即驅動膜的形變程度、響 應頻率對微驅動器的工作有著至關重要的影響。目前，驅動膜的驅動形式有形 狀記憶效應驅動、壓電、靜電、電磁、熱氣動、熱流動和雙金屬效應等。其中， 熱氣動、雙金屬效應屬于低頻驅動，其缺點是驅動流量較??；壓電陶瓷、靜電、 電磁屬于高頻驅動，盡管產(chǎn)生流量較大，但是其缺點是所需工作電壓相應較高， 應用匹配困難，例如，在"儀器儀表學報"清華大學的楊岳、周兆英和葉雄英 等1996年發(fā)表的論文"雙金屬熱致動微型泵"，他們研制的雙金屬驅動微型泵 驅動電壓為20V,驅動頻率僅為5Hz，輸出流量為36Hl/min。而在"Micro Electro Mechanical Systems" 上Fraunhofer Institute for Solid Technology (IFT) 的R. Zengerle和A. Richter等人于1992年發(fā)表論文"A micro membrane pump with electrostatic actuation",報道的靜電驅動微型泵，工作電壓高為170V， 不利于應用。形狀記憶合金因其具有良好的驅動特性，近年來成為微驅動器件 首選的驅動材料。例如在"Sensors and Actuators"刊物上，上海交通大學徐 東等人于2001年發(fā)表的論文"Characteristics and fabrication of NiTi/Si diaphragmmicropump"，報道的二元TiNi形狀記憶合金驅動微泵，輸出流量為 340ml/min。但二元TiNi合金相變點受成分影響極大，制備過程中成品率低； 同時，馬氏體與奧氏體的相變溫度分別在25°、 75°左右，相變遲滯較大 (A7^S0。C)，致使驅動頻率較低，使應用受到限制。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種TiNiCu/Si形狀記憶合金驅動薄膜的制備法、弦錐結構微泵的設計、制作并實現(xiàn)形狀記憶合金薄膜對微泵的良好驅動的采用三元TiNiCu形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構微驅動器。形狀記憶合金驅動薄膜采 用濺射方式沉積于為驅動器的上體上，并完成條形化電阻設計以利于驅動。微 驅動器的上、下體結構采用Si刻蝕工藝制備，并實現(xiàn)鍵合焊接。起到壓力泵作 用的上體2及閥體作用的下體3加工成具有壓力泵作用的驅動腔4;下體3在加 工驅動腔4的同時，制成具有單流向閥的閥體擴張管5和收縮管6;閥體擴張管 和收縮管分別與進水管道7和出水管道8相對準連接，裝有三元TiNiCu/Si形 狀記憶合金驅動薄膜1的弦錐結構微驅動器在電流的作用下即可完成流體的驅 動功能。上述的目的通過以下的技術方案實現(xiàn)一種采用三元TiNiCu形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構微驅動器，其組成包括能起到壓力泵作用的上體及閥體作用的下體，所述的上體及下體加工成具 有壓力泵作用的驅動腔；所述的下體在加工驅動腔的同時，制成具有單流向閥 的閥體擴張管和收縮管；所述的閥體擴張管和收縮管分別與進水管道和出水管 道相對準連接，所述的弦錐結構微驅動器上裝有三元TiNiCu/Si形狀記憶合金 驅動薄膜。上述的采用三元TiNiCu形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構微驅動器， 其還包括用來接通外部驅動電源的電極及用來產(chǎn)生驅動壓力的TiNiCu合金薄膜 電阻條。上述的采用三元TiNiCu形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構微驅動器，所述的上、下體的結構采用硅(Si)的微機械加工經(jīng)過硅(Si)的各向異性刻蝕工藝腐蝕后制備，并利用鍵合技術焊接成型。上述的采用三元TiNiCu形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構微驅動器，所述的 擴張管和收縮管是利用硅Si的各向異性腐蝕工藝制作的，其弦錐形管的小口端 的尺寸為20 30Mm，其錐度以弦錐形管兩壁弦切線夾角來標定，錐度值為10° 15°,管壁弦的弧度為直徑4 5倍驅動腔直徑圓所確定的弧，管壁外弦壁與驅動 腔壁相切；管長1800 2000Mm。上述的采用三元TiNiCu形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構微驅動器，所述的 驅動腔是采用硅Si的各向異性刻蝕工藝經(jīng)過腐蝕后獲得，其上體驅動腔硅膜的 厚度為10 12nm。上述的采用三元TiNiCu形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構微驅動器，所述的 驅動薄膜為采用TiNi靶原子百分比為Ti 55.4%、 Ni44.696與純銅靶同時共點濺 射，在圓形硅膜驅動腔上膜生長厚度為30jtm的驅動薄膜，并在750。C退火一小 時，薄膜中銅含量的控制通過銅靶上的濺射電壓來控制。上述的采用三元TiNiCu形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構微驅動器，對驅動 薄膜進行圖形化處理，在光刻膠的保護下利用腐蝕液成分為HF的重量份數(shù)為 15%、麗03的重量份數(shù)為15%、 HA的重量份數(shù)為296、 H20的重量份數(shù)為68%,將 薄膜刻蝕成厚為30jLim、寬為70 80jtm的環(huán)狀條形結構，電阻條間距為20 這個技術方案有以下有益效果1. 本發(fā)明由于采用了以上措施，與現(xiàn)有技術相比，制備工藝簡單，驅動頻 率高、輸出流量大、流量可控性強、功耗低、壽命長、體積小、成本低的特點。 另外，本發(fā)明采用的微機械加工技術與半導體平面工藝技術相兼容，可實現(xiàn)與 其他微檢測和微控制元件及電路集成，適應于大批量生產(chǎn)，可廣泛應用于微流 量系統(tǒng)領域，特別適用于超大集成電路及大功率元件的冷卻方面。2. 本發(fā)明的TiNiCu/Si驅動薄膜驅動與二元TiNi合金等其它驅動薄膜驅動 方式相比，其明顯的優(yōu)勢就是它的驅動頻率高，在脈沖驅動電流作用下可以得 到較大的輸出。采用磁控濺射TiNiCu驅動薄膜作為驅動材料，很好地解決了材 料、硅基薄膜以及電極之間的結合力問題，在上萬次往復運動后不產(chǎn)生剝離、 開裂現(xiàn)象，同時與半導體平面工藝結合好，利于集成化設計及批量加工制作。3. 本發(fā)明具有結構和工藝簡單、體積小，具有可控性強，輸出流量大和功 耗低等優(yōu)點，可廣泛用于液體微量傳送、細胞分離及集成系統(tǒng)冷卻等多方面領 域。


附圖1是采用TiNiCu驅動膜驅動弦錐微驅動器的側剖面結構示意圖；附圖2是刻蝕后的三元TiNiCu形狀記憶合金驅動膜的俯視結構示意圖；附圖3是附圖1的A-A剖面圖。附圖4是附圖1的B-B剖面圖，即弦錐結構微驅動器的液體流路俯視結構 示意圖。本發(fā)明的
具體實施例方式實施例l:本發(fā)明的構成包括三元TiNiCu驅動薄膜的制備及弦錐泵的制作，三元 TiNiCu/Si形狀記憶合金驅動薄膜1和能起到壓力泵作用的上體2及閥體作用的 下體3三部分共同完成MEMS微流體系統(tǒng)的執(zhí)行過程。其中上體2及下體3加工 成具有壓力泵作用的驅動腔4;下體3在加工驅動腔4的同時，制成具有單流向 閥的閥體擴張管5和收縮管6;擴張管5和收縮管6分別與進水管道7、出水管 道8相對準連接；作為形狀記憶效應驅動的驅動膜1它采用TiNiCu驅動薄膜形 式，它的構成包括用來接通外部驅動電源的電極9、 ll及用來產(chǎn)生驅動壓力的 TiNiCu合金薄膜電阻條10。TiNiCu合金薄膜電阻條10在電極9、 11的驅動電源的作用下，利用合金薄 膜的形狀記憶效應產(chǎn)生收縮與伸張，TiNiCu驅動膜產(chǎn)生彎曲形變，引起驅動腔 4的體積和壓力的變化，在擴張管5和收縮管6的配合下迫使液體在進、出水管 道7、 8間流動。該發(fā)明的工作原理是，利用TiNiCu驅動膜l的形狀記憶效應，當電流加于 形狀記憶合金電阻條上時，產(chǎn)生的歐姆熱量使形狀記憶合金相由馬氏體相向奧 氏體相轉變，合金形變產(chǎn)生驅動膜向上運動，使得具有壓力泵作用的驅動腔4 內的壓力減小，通過微尺寸下兩個擴張管5和收縮管6出現(xiàn)的壓力損失系數(shù)的 差異，擴張管5從進水管道7吸入液體；反之方波驅動電流撤銷時，形狀記憶 合金溫度降低，合金相由奧氏體相向馬氏體相轉變使其形狀恢復，驅動膜1及 上體2向下回復運動，驅動腔4內壓力增大，收縮管6向出水管道8定向排出 液體，因此，隨著TiNiCu驅動膜l及上體2在方波電信號的作用下作周期性運 動，液體就不斷通過進水管道7被抽入和通過出水管道8被泵出。該發(fā)明的微 驅動器的流量范圍可根據(jù)不同用戶的不同需求，通過對TiNiCu驅動膜1和收縮管及擴張管5、 6的尺寸設計加以確定，當該設計尺寸確定后，該微驅動器的流 量在一定的微調范圍內，還可進一步通過改變施加在TiNiCu驅動膜1上的電流 和頻率加以調節(jié)。實施例2:本發(fā)明的制作方法如下TiNiCu/Si驅動薄膜的制備是通過磁控濺射工藝完成。采用TiNi靶原子百 分比為Ti55.496、 Ni44.696與純銅靶同時共點濺射，在圓形硅膜驅動腔上膜生長 厚度為30;/m的驅動薄膜，薄膜中銅含量的控制通過銅靶上的濺射電壓來控制， 在75(TC退火一小時以獲得馬氏體結構相。為實現(xiàn)薄膜具有良好的驅動能力，制 備的薄膜應具備Ti、Ni、Cu各元素分布均勻，原子百分比為Ti 50%、Ni(44±x)%、 Cu(6T;c)96,其中x^596;合金薄膜奧氏體與馬氏體之間相轉變遲滯溫度AT^ 25。， 以實現(xiàn)薄膜具有較高的驅動頻率。為實現(xiàn)電驅動，對制備的薄膜進行圖形化處 理，在光刻膠的保護下利用腐蝕液(成分為HF (15%) /HN03 (15%) /H202 (2%) /H20 (68%))將薄膜刻蝕成為厚30戸、寬70-80，的環(huán)狀電阻條，電 阻條間距為20-30，。上體2的驅動腔4的制作是在半導體[100]硅(Si)片的反面進行刻蝕，采用 微機械加工工藝中的各向異性腐蝕工藝至所需的硅(Si)膜厚度10 12Mm，形成 圓形驅動腔4下體3的擴張管及收縮管5、 6的制作同樣是采用硅(Si)的微機械 加工，通過腐蝕工藝形成弦錐形管形狀，其弦錐形管的小口端的尺寸為20 30Mm，其錐度以弦錐形管兩壁弦切線夾角來標定，錐度值為10° 15°，管壁弦的 弧度為直徑3 4倍驅動腔直徑圓所確定的弧度，管壁外弦壁與驅動腔壁相切； 管長1800 2000Mm。用同一工藝加工成進、出水管道7、 8，其管道直徑一般為 1000Mm。上體2和下體3之間鍵合采用Si-Au-Si鍵合技術，在下體3的正面鍍 一層Au金屬膜，然后用光刻和化學腐蝕方法僅對需要鍵合的部位的金屬膜予以 保留，其余部分均被腐蝕掉。最后將上、下體2、 3對齊，然后放到燒結爐內達 到共晶溫度后即可焊接鍵合。實施例3:本發(fā)明的整體外形尺寸為12mmX8mmX3mm，其中TiNiCu/Si驅動薄膜1的尺寸厚度為30Wn、最大直徑為4mm的圓環(huán)條，在TiNiCu/Si驅動薄膜1的兩端 連接處9、 11引線電極，用于與驅動電源相接，驅動電源采用方波，工作電壓 5V，頻率范圍30 120Hz。當該微驅動器用在進行流體微量傳送時，與硅無化學反應的液體與進水管 道7相接，出水管道8接液體收集端。在驅動電源的作用下，TiNiCu/Si驅動薄 膜1改變驅動腔4的體積，使得泵的內外存在壓差。液體不斷經(jīng)進水管道7被 抽入，再經(jīng)出水管道8被泵出，最終達到微驅動器對液體輸送和控制的目的。TiNiCu/Si驅動薄膜1的制作工藝是采用TiNi耙(原子百分比為Ti 55. 4%、 Ni44. 6%)與純銅靶同時共點濺射， 在圓形硅膜驅動腔上膜生長厚度為30/zm的驅動薄膜，薄膜中銅含量的控制通過 銅耙上的濺射電壓來控制。在750。C退火一小時。制備的薄膜應具備Ti、 Ni、 Cu各元素分布均勻，原子百分比為Ti 50%、Ni(44±;c)%、Cu(6Tx)%,其中x"96; 在光刻膠的保護下利用腐蝕液(成分為HF (1590 /HN03 (15%) /H202 (2%) /H20 (68%))將薄膜刻蝕成為厚30戸、寬70-80戸的環(huán)狀電阻條10及電阻條引腳9、 11,電阻條間距為20-30戶。在掩模保護條件下電阻條引腳上真空蒸發(fā)制備鋁 膜后連接外引線。上體2的驅動腔4及下體3結構的制作是采用硅的各向異性腐蝕工藝腐蝕 制成。具有相同驅動腔結構的上體[l]與下體[2]之間的鍵合采用Si-Au-Si鍵合， 在下體2正面鍍Au，膜厚為1Mm,然后用光刻和化學腐蝕方法對僅需鍵合區(qū)域 的金屬膜予以保留，其余均被腐蝕掉。最后將上、下體l、 2對齊，放在燒結爐 內在65(TC溫度后即可鍵合。
權利要求
1.一種采用三元鈦鎳銅形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構微驅動器，其組成包括能起到壓力泵作用的上體及閥體作用的下體，其特征是所述的上體及下體加工成具有壓力泵作用的驅動腔；所述的下體在加工驅動腔的同時，制成具有單流向閥的閥體擴張管和收縮管；所述的閥體擴張管和收縮管分別與進水管道和出水管道相對準連接，所述的弦錐結構微驅動器上裝有三元TiNiCu/Si形狀記憶合金驅動薄膜。
2. 根據(jù)權利要求1所述的采用三元鈦鎳銅形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構 微驅動器，其特征是其還包括用來接通外部驅動電源的電極及用來產(chǎn)生驅動 壓力的TiNiCu合金薄膜電阻條。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的采用三元鈦鎳銅形狀記憶合金膜驅動的弦錐 結構微驅動器，其特征是所述的上、下體的結構采用硅(Si)的微機械加工經(jīng)過硅(Si)的各向異性刻蝕工藝腐蝕后制備，并利用鍵合技術焊接成型。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的采用三元鈦鎳銅形狀記憶合金膜驅動的弦錐 結構微驅動器，其特征是所述的擴張管和收縮管是利用硅Si的各向異性腐蝕 工藝制作的，其弦錐形管的小口端的尺寸為20 30Wn，其錐度以弦錐形管兩壁 弦切線夾角來標定，錐度值為10° 15°，管壁弦的弧度為直徑4 5倍驅動腔直 徑圓所確定的弧，管壁外弦壁與驅動腔壁相切；管長1800 2000Mm。
5. 根據(jù)權利要求1或2所述的采用三元鈦鎳銅形狀記憶合金膜驅動的弦錐 結構微驅動器，其特征是所述的驅動腔是采用硅Si的各向異性刻蝕工藝經(jīng)過 腐蝕后獲得，其上體驅動腔硅膜的厚度為10 12jtm。
6. 根據(jù)權利要求3所述的采用三元鈦鎳銅形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構 微驅動器，其特征是所述的驅動薄膜為采用TiNi靶原子百分比為Ti 55.4%、 M44. 6%與純銅耙同時共點濺射，在圓形硅膜驅動腔上膜生長厚度為30pm的驅 動薄膜，并在75(TC退火一小時，薄膜中銅含量的控制通過銅靶上的濺射電壓來 控制。
7. 根據(jù)權利要求3所述的采用三元鈦鎳銅形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構微驅動器，其特征是對驅動薄膜進行圖形化處理，在光刻膠的保護下利用腐 蝕液成分為HF的重量份數(shù)為15%、麗03的重量份數(shù)為15%、仏02的重量份數(shù)為 2%、 H20的重量份數(shù)為68%,將薄膜刻蝕成厚為30pm、寬為70 80jtm的環(huán)狀 條形結構，電阻條間距為20 30nm。
全文摘要
采用三元鈦鎳銅形狀記憶合金膜驅動的弦錐結構微驅動器及其制備方法，形狀記憶合金驅動薄膜采用濺射方式沉積，并應用MEMS工藝完成條形化電阻設計。微驅動器的上、下體結構采用Si刻蝕工藝制備，并實現(xiàn)鍵合焊接，其組成包括能起到壓力泵作用的上體(2)及閥體作用的下體(3)，所述的上體(2)及下體(3)加工成具有壓力泵作用的驅動腔(4)；所述的下體(3)在加工驅動腔(4)的同時，制成具有單流向閥的閥體擴張管(5)和收縮管(6)；所述的閥體擴張管和收縮管分別與進水管道(7)和出水管道(8)相對準連接，所述的弦錐結構微驅動器上裝有三元TiNiCu/Si形狀記憶合金驅動薄膜(1)。本發(fā)明可廣泛應用于流體微量傳送、集成系統(tǒng)冷卻及微量化學分析等領域。
文檔編號F04B43/02GK101255859SQ20071016051
公開日2008年9月3日 申請日期2007年12月19日 優(yōu)先權日2007年3月2日
發(fā)明者張輝軍, 楊長生, 邱成軍 申請人:黑龍江大學