專利名稱：采用形狀記憶合金/硅雙層驅(qū)動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的微泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜壓縮型微泵，尤其涉及一種采用形狀記憶合金/硅雙層驅(qū)動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的微泵，屬于微流體傳輸與控制、微機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。
微流量系統(tǒng)能精確檢測(cè)和控制每分鐘微升量級(jí)的流量，在藥物微量輸送、燃料微量噴射、細(xì)胞分離、集成電子元件冷卻以及微量化學(xué)分析等方面有著重要的應(yīng)用前景，作為該系統(tǒng)核心部分的微泵，目前較多的是薄膜型壓縮微泵。它的流量的控制是通過驅(qū)動(dòng)膜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起泵腔體的體積變化而實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)膜的驅(qū)動(dòng)原理有壓電、靜電、電磁、熱氣動(dòng)、熱流動(dòng)、雙金屬效應(yīng)和形狀記憶效應(yīng)驅(qū)動(dòng)等。壓電、靜電、電磁屬于高頻驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)泵的流量較大，但所需的驅(qū)動(dòng)電壓通常在上百伏，難以與IC電路的工作電壓相匹配。而熱氣動(dòng)、熱流動(dòng)、雙金屬、形狀記憶效應(yīng)驅(qū)動(dòng)屬低頻驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)的泵的流量也較小，最大僅在40-50ul/min左右。在以上各種驅(qū)動(dòng)方式中形狀記憶合金薄膜驅(qū)動(dòng)功密度達(dá)5×107J/m3，比其他靜電、壓電、電磁、氣動(dòng)、雙金屬的驅(qū)動(dòng)功密度要大近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，具有應(yīng)變大，驅(qū)動(dòng)力大的優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是一種較理想的驅(qū)動(dòng)方式。其中，用形狀記憶合金薄帶或絲來制作此類驅(qū)動(dòng)器，雖然輸出驅(qū)動(dòng)力比用薄膜制備的要大，但制備工藝與硅微細(xì)加工工藝不能完全兼容，而且耗電大，驅(qū)動(dòng)頻率也不如薄膜的高。美國Case Western Reserve大學(xué)研制的用形狀記憶合金薄膜驅(qū)動(dòng)的微泵是目前國際上公布的唯一此類微泵(Thin-film shape-memory alloyactuated micropumps.Journal of Microelectromechanicals ystems，1998，7(2)245-251)。在他們的研究中采用兩種驅(qū)動(dòng)膜結(jié)構(gòu)，一種是用兩組對(duì)稱、互補(bǔ)的記憶合金薄膜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙向位移的，但是由于形狀記憶合金薄膜本身又是泵腔體的封閉膜，工作介質(zhì)只能采用介電常數(shù)高的液體。另一種是用聚烯亞胺薄膜代替第一種結(jié)構(gòu)中的產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)的形狀記憶合金薄膜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，雖然解決了電隔離的問題，但驅(qū)動(dòng)位移明顯下降。以上兩種驅(qū)動(dòng)方法結(jié)構(gòu)都較復(fù)雜(整個(gè)微泵為5層硅結(jié)構(gòu))，需要兩組加熱控制系統(tǒng)或引入聚烯亞胺薄膜制備工藝，增加了制造和裝配的復(fù)雜性。另外，其最大的不足是形狀記憶合金薄膜沒有實(shí)現(xiàn)圖形化，因此在驅(qū)動(dòng)功率和驅(qū)動(dòng)頻率沒有完全體現(xiàn)出形狀記憶合金薄膜的優(yōu)越性。
本發(fā)明的目的是提供一種采用NiTi/Si雙向驅(qū)動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的微泵，它具有結(jié)構(gòu)及工藝簡(jiǎn)單、功耗小、輸出流量大、可控制性強(qiáng)、工作壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
本發(fā)明是用形狀記憶合金薄膜驅(qū)動(dòng)的微泵。本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)為NiTi/Si雙層膜驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，它是利用形狀記憶合金薄膜大的應(yīng)力應(yīng)變輸出和Si薄膜良好的彈性偏置力實(shí)現(xiàn)雙向位移的。NiTi薄膜晶化后，室溫下為馬氏體結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)膜處于平直狀態(tài)。奧氏體時(shí)，驅(qū)動(dòng)膜因形狀恢復(fù)引發(fā)的內(nèi)應(yīng)力而下凹，馬氏體時(shí)，上述應(yīng)力因馬氏體形變而釋放，在硅反向彈性偏置力的作用下，驅(qū)動(dòng)膜又回復(fù)到最初的平直狀態(tài)。工作時(shí)，通過施加脈沖電流使NiTi薄膜圍繞相變溫度交替加熱一冷卻，薄膜的晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化在馬氏體和奧氏體之間按一定頻率改變，驅(qū)動(dòng)膜便可產(chǎn)生垂直方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在本發(fā)明中，運(yùn)用微細(xì)圖形化技術(shù)和NiTi/Si驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)形狀記憶合金NiTi薄膜的驅(qū)動(dòng)圖形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅減少了微泵所需的驅(qū)動(dòng)功率，而且NiTi/Si驅(qū)動(dòng)膜形變量和泵腔體的體積變化量增加，提高了驅(qū)動(dòng)效率，增加了輸出流量。本發(fā)明中采用金-硅鍵合方法對(duì)微閥中的閥蓋與閥座進(jìn)行鍵合，最小程度減少了由于鍵合中所引起的泵腔體的固有體積增加和泵的壓縮比減小，并且提高了鍵合的可靠性。
由于本發(fā)明采用了以上措施，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)及制備工藝簡(jiǎn)單，輸出流量大、驅(qū)動(dòng)頻率高、流量可控性強(qiáng)、功耗低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。此外，本發(fā)明采用微細(xì)加工和微機(jī)械技術(shù)相兼容的材料和工藝制造，體積小、成本低、容易和其他微檢測(cè)和微控制元件集成，適應(yīng)于大批量生產(chǎn)，具有可觀的應(yīng)用前景。
本發(fā)明的外形尺寸為6mm*6mm*1.5mm，NiTi/Si驅(qū)動(dòng)膜尺寸為3mm*3mm*15-20μm。與國際上唯一的同類微泵相比，在驅(qū)動(dòng)面積相同的條件下，最大流量之比為340∶50μl/min；最高驅(qū)動(dòng)頻率之比為100Hz∶1.2Hz；在輸出流量相同時(shí)，驅(qū)動(dòng)功率之比為0.1∶0.6W；本發(fā)明的工作壽命已超過400小時(shí)，NiTi/Si驅(qū)動(dòng)膜的往復(fù)振動(dòng)次數(shù)已超過5千萬次(壽命數(shù)據(jù)國外未有報(bào)道)。
圖l為本發(fā)明采用NiTi/Si雙層驅(qū)動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的微泵的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的NiTi薄膜圖形優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明是由NiTi/Si雙層驅(qū)動(dòng)膜、泵腔體及兩個(gè)單向硅薄片被動(dòng)閥組成的出水閥和進(jìn)水閥所構(gòu)成。

圖1為本微泵的結(jié)構(gòu)示意圖。它是由NiTi形狀記憶合金薄膜l及Si薄膜2構(gòu)成的雙層驅(qū)動(dòng)膜；泵腔體3；進(jìn)水閥4；出水閥5；及進(jìn)水口6和出水口7組成。驅(qū)動(dòng)膜位于泵腔體3的頂部，驅(qū)動(dòng)膜的形變導(dǎo)致了泵腔體體積和壓力的變化。即通電加熱時(shí)，驅(qū)動(dòng)膜向下位移，使泵腔體3的體積減小，壓力增加。當(dāng)壓力大于出水閥5的預(yù)應(yīng)力及出水口7外的壓力時(shí)，閥被打開，液體從出水口7流出。當(dāng)停止加熱后，驅(qū)動(dòng)膜向上運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的泵腔體體積增加，壓力減小。當(dāng)進(jìn)水口6壓力大于進(jìn)水閥4的預(yù)張力和泵腔體內(nèi)的壓力時(shí)，進(jìn)水閥4開啟，液體被泵入泵腔體。隨著驅(qū)動(dòng)膜周期性的運(yùn)動(dòng)，液體也不斷地被抽入和泵出。微泵的流量范圍可通過驅(qū)動(dòng)膜和閥的尺寸設(shè)計(jì)來控制。而一旦泵的設(shè)計(jì)確定后，泵的流量在一定范圍內(nèi)可通過改變施加的功率和頻率來調(diào)節(jié)。
NiTi/Si驅(qū)動(dòng)膜中的NiTi薄膜1是采用磁控射頻濺射的方法，沉積在厚度約為500μm，直徑為76.2mm，[100]取向的Si襯底上，濺射靶材為富Ti的NiTi合金靶。沉積得到的薄膜成分為Ti-48.5at％Ni，厚度為4-7μm。Si薄膜厚度為NiTi薄膜的1.5-3倍。在此厚度比范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)膜的位移最大。用雙面自對(duì)準(zhǔn)光刻的方法和KOH硅各向異性腐蝕劑在NiTi圖形的背面開腐蝕掩膜窗口并刻蝕至所需的Si膜厚度。NiTi薄膜的的圖形優(yōu)化結(jié)構(gòu)是采用化學(xué)刻蝕的方法實(shí)現(xiàn)的。圖2是該結(jié)構(gòu)的示意圖。NiTi電阻條8的寬度約為50-60μm，間隔9寬度約為20-30μm。NiTi薄膜驅(qū)動(dòng)圖形位于泵腔體3的頂部，其尺寸不大于腔體的外框，這樣可充分利用有效驅(qū)動(dòng)面積，提高驅(qū)動(dòng)效率。進(jìn)出水閥4，5均采用被動(dòng)式單向硅懸臂閥，閥懸臂和閥座分別制作在兩片Si片上。閥懸臂與閥片采用金-硅共晶的方法鍵合。用濺射金薄膜作為鍵合劑，可精確控制金膜的厚度，用光刻和化學(xué)腐蝕法保留僅需鍵合處的金膜，最小程度上減小了由鍵合引起的泵腔體固有體積的增加，并且增加了鍵合的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種薄膜壓縮型微泵，由形狀記憶合金NiTi薄膜驅(qū)動(dòng)元件、泵腔體、進(jìn)水和出水兩個(gè)硅微閥組成，其特征在于在泵腔體(3)頂部的材料Si(2)上直接沉積形狀記憶合金NiTi薄膜(1)，形成NiTi/Si可雙向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜壓縮型微泵，其特征在于對(duì)NiTi/Si雙向驅(qū)動(dòng)膜中的NiTi薄膜(1)進(jìn)行了圖形化處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的薄膜壓縮型微泵，其特征在于對(duì)NiTi薄膜(1)的圖形化結(jié)構(gòu)中，NiTi電阻條(8)的寬度為50-60μm，間隔(9)的寬度為20-30μm，該圖形化結(jié)構(gòu)的尺寸大小在泵腔體(3)的外框(10)范圍之內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜壓縮型微泵，其特征在于NiTi薄膜(1)的厚度為4-9μm，Si薄膜(2)的厚度為NiTi薄膜(1)的1.5-3倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜壓縮型微泵，其特征在于在對(duì)硅微閥(4，5)的閥懸臂和閥座進(jìn)行鍵合時(shí)，采用金-硅共晶鍵合技術(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用NiTi/Si雙層驅(qū)動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的微泵,它由NiTi形狀記憶合金薄膜1及Si薄膜2構(gòu)成的雙層驅(qū)動(dòng)膜、泵腔體3、進(jìn)水泵4和出水閥5等組成。該微泵采用在泵腔體材料Si上直接沉淀形狀記憶合金NiTi薄膜,形成NiTi/Si可雙向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)膜,并運(yùn)用微細(xì)圖形化技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。具有結(jié)構(gòu)及制備工藝簡(jiǎn)單、輸出流量大、驅(qū)動(dòng)頻率高、可控性強(qiáng)、功耗低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)F04B43/02GK1248676SQ9911395
公開日2000年3月29日 申請(qǐng)日期1999年8月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月4日
發(fā)明者徐東, 周勇, 丁桂甫, 蔡炳初, 俞愛斌 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)