專利名稱：一種微閥及其構(gòu)成的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)，尤其涉及一種微閥以及由其構(gòu)成的裝置。
宵京扠不
基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加工技術(shù)的微閥是微型流動系統(tǒng)中流 向控制的重要執(zhí)行元件，主要用于微型化學(xué)分析和藥物注射，其性能對微泵 的性能有直接影響。微閥按原理一般可分為兩種類型主動閥和被動閥兩類。 被動閥的工作特點是無需外來的致動力，僅利用流體本身參數(shù)的變化，如流 動方向，流動壓力等即可實現(xiàn)閥狀態(tài)的改變。被動閥的體積可大幅度下降至 與芯片匹配的程度，相應(yīng)加工和集成話難度亦有所降低，但其功能相對較為 簡單，不能實現(xiàn)復(fù)雜的操作，應(yīng)用場合有一定的局限。主動閥的原理是利用 致動器產(chǎn)生的致動力實現(xiàn)閥的開閉和切換操作。 一般包括流體出入口、致動 器以及響應(yīng)致動器而移動到時流體出入口打開或關(guān)閉的閥部件。主動閥的優(yōu)
點是致動器動作切實可靠，致動力較強(qiáng)，閥的密閉形好；也可用于單向閥，
也可用于切換閥的制作；由于閥的開閉或切換操作可主動進(jìn)行，最適合進(jìn)行 切換閥的操作。目前文獻(xiàn)報道的主動閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作步驟也很復(fù)雜，并且 大多主動閥都是采用薄膜來作為閥門，這會導(dǎo)致微閥較差的密閉性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、制作工藝步驟少低成本的主動型結(jié) 構(gòu)的微閥及其制造方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種使用微閥的外釋藥系統(tǒng)。 本發(fā)明的再一目的是提供一種由微閥構(gòu)成的微泵。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種微閥，包括 一硅基板，形成有貫通 所述硅基板的一閥塞孔穴、位于所述閥塞孔穴兩側(cè)的至少兩閥錨孔穴以及
位于所述閥塞孔穴和所述閥錨孔穴之間的至少兩連接臂孔穴；一閥塞，具有至少兩閥錨，以及連接所述閥塞和閥錨的連接臂，其中所 述閥塞、閥錨和連接臂分別與閥塞孔穴、閥錨孔穴和連接臂孔穴相匹配，并 且所述閥塞、閥錨和連接臂由聚合物一體形成。
所述微閥還包括一致動器，用于致動所述閥塞在所述孔穴中上下移動。
優(yōu)選地，所述的孔穴具有54.74度的側(cè)壁。
優(yōu)選地，所述致動器為磁致動器、壓電致動器、熱氣致動器或靜電致 動器。
優(yōu)選地，所述聚合物為硅橡膠。 所述聚合物中還添加有磁性材料。
本發(fā)明還提供一種制造上述微閥的方法，所述方法包括以下步驟 Sl:對硅基板進(jìn)行各向異性地刻蝕，產(chǎn)生微閥各部件相應(yīng)的孔穴； S2:用液體聚合物填充所述產(chǎn)生的孔穴，形成關(guān)閉狀態(tài)的微閥； S3:在液體聚合物凝固之后，所述形成的微閥在外部力的作用下張開閥塞。
所述步驟Sl進(jìn)一步地包括刻蝕成閥塞孔穴；在所述閥塞孔穴的兩 側(cè)刻蝕成至少兩閥錨孔穴；以及在所述閥塞孔穴和所述閥錨孔穴之間刻蝕 成至少兩連接臂孔穴。
所述步驟Sl中之前還包括使用氮化硅、氧化硅進(jìn)行掩?？涛g，或者 使用氮化硅和氧化硅進(jìn)行雙層掩?？涛g。
所述步驟S3中使用金屬基板上的豎桿使微閥的閥塞張開。
本發(fā)明的微閥可應(yīng)用到可移植性的外釋藥系統(tǒng)，因此提供一種用于皮 膚的外釋藥系統(tǒng)，包括上述結(jié)構(gòu)的微閥；
套在所述微閥上的由聚合物制成的護(hù)套；
位于所述微閥和護(hù)套之間由聚合物制成的隔斷，所述隔斷形成的空間
內(nèi)填充所要釋放的藥；
位于護(hù)套外部用于使所述微閥的閥塞打開的致動器。 本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括具有上述結(jié)構(gòu)的微閥。
本發(fā)明還提供一種微泵，包括兩個上述結(jié)構(gòu)的微閥，所述兩微閥彼 此倒置放置連接在一起；以及
5用于致動所述微閥的致動器。
由上述技術(shù)方案可知，微閥采用硅晶體的結(jié)構(gòu)，能夠使其具有非常小的 尺寸，并且由于制作步驟簡單、結(jié)構(gòu)簡單，使其制造成本低，適合進(jìn)行大規(guī) 模的晶體制造。另外，本發(fā)明在設(shè)計時采用具有側(cè)壁的閥塞結(jié)構(gòu)，使其閥塞 與閥塞孔穴能夠很好的匹配在一起，具有良好的密封性能。
本發(fā)明的微閥結(jié)構(gòu)能用于止回閥，所述止回閥是個單向閥，具有一個方 向流動而另一個方向截止的特性。本發(fā)明的微閥能夠應(yīng)用到人體和動物體內(nèi)， 制成可移植性的外釋藥系統(tǒng)，使用本發(fā)明微閥的外釋藥系統(tǒng)，可以周期性地 控制藥物的釋放，從而進(jìn)行主動型的藥物注射。
通過以下參照附圖對優(yōu)選實施例的說明，本發(fā)明的上述以及其它目的、 特征和優(yōu)點將更加明顯。


圖1為本發(fā)明的一種微閥的張開狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖2為圖1所示微閥的閉合狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明的一種制造微閥的方法流程圖4為本發(fā)明的一種用于外釋藥系統(tǒng)的微閥結(jié)構(gòu)示意圖5為圖4所示的微閥注入藥物操作的示意圖6為圖5所示的微閥的使用狀態(tài)圖7為本發(fā)明的一種微泵的結(jié)構(gòu)示意圖8為圖7所述的微泵使用狀態(tài)圖9為本發(fā)明的具有另一種張起裝置的微閥的制造方法流程圖10為本發(fā)明的一個說明用于張起微閥并經(jīng)過晶片級的大規(guī)模處理的
陣列金屬豎桿的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面將詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實施例。應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的實施例只 用于舉例說明，并不用于限制本發(fā)明。
本發(fā)明提供一種主動型結(jié)構(gòu)的微閥，該微閥使用連接在其上的能夠垂直 地在孔穴中上下移動的塞子來實現(xiàn)微閥的開合，所述塞子的移動能通過致動 裝置來實現(xiàn)，所述致動裝置可以磁力控制的致動器，或者電控制的致動器。圖1為本發(fā)明微閥的張起狀態(tài)示意圖，圖2為所述微閥的閉合狀態(tài)示意
圖。如圖1和2所示，微閥100的主體部件固定在一個硅基板107里，所述 硅基板107作為基底經(jīng)過各向異性地刻蝕，形成具有54.74度斜度的側(cè)壁的 結(jié)構(gòu)，所述硅基板107具有不同的深度孔穴，優(yōu)選地，所述硅基板107形成 有貫通所述硅基板的一閥塞孔穴、位于所述閥塞孔穴兩側(cè)的至少兩閥錨孔穴 以及位于所述閥塞孔穴和所述閥錨孔穴之間的至少兩連接臂孔穴。
所述微閥IOO主體部件包括一個閥塞101，連接臂103以及閥錨105。其 中所述閥塞通過兩個連接臂與兩側(cè)的閥錨相連接，并且所述閥塞、連接臂以 及閥錨都位于所述硅基板107的相應(yīng)孔穴里面。
這里應(yīng)理解到的是本發(fā)明的微閥的閥錨為兩個，但不局限于兩個，可以 是兩個以上，比如說是四個閥錨，相應(yīng)地，所述的連接臂與閥錨的數(shù)目一致。
所述微閥IOO還包括一個用于使所述微閥移動的致動器，該致動器為磁 致動器、壓電致動器、熱氣致動器或者靜電致動器。
優(yōu)選地，所述微閥IOO和其部件由聚合物材料制成，該聚合物材料使所 述微閥IOO和其部件不與其他化學(xué)成分發(fā)生反應(yīng)，并且具備一定的彈性，使 其微閥的各部件能夠進(jìn)行伸縮性地進(jìn)入所述硅基板107內(nèi)的相應(yīng)孔穴。所述 微閥IOO能夠上下移動，從而張開(popup)起來，使液體流過微閥100。圖 2表明微閥100處于關(guān)閉狀態(tài)，其中所述微閥100通過閥錨105保持在適當(dāng) 位置。當(dāng)所述微閥100處于張開狀態(tài)時，閥錨105用來控制所述微閥100保 持在適當(dāng)位置上。當(dāng)繼續(xù)保持閥塞101在適當(dāng)位置時，所述連接臂103支撐 閥塞101的張開。
圖3為本發(fā)明所述微閥的制造方法，所述制造方法包括對硅基板進(jìn)行 刻蝕的步驟201;液體聚合物的填充孔穴的步驟202;以及張起微閥的閥塞的 步驟203。
在對硅基板進(jìn)行刻蝕的步驟201中，先使用諸如氮化硅，氧化硅的掩模， 或者使用氮化硅和氧化硅的雙層掩模，來保護(hù)未被刻蝕的地方。
在對硅基板進(jìn)行刻蝕的步驟201中，通常使用對鋁和鋁合金腐蝕性強(qiáng)的 強(qiáng)堿性溶液的介質(zhì)進(jìn)行各向異性地刻蝕，以KOH (氫氧化鉀)、tmah (氫氧 化四甲銨)溶液為代表。并且，在對硅基板107進(jìn)行刻蝕時，會造成不同深度的各種形狀的孔穴。優(yōu)選地，刻蝕造成了閥塞孔穴、位于所述閥塞兩側(cè)的 閥錨孔穴以及用于連接所述閥錨到閥塞上的連接臂孔穴。
然后，在步驟202中，液體聚合物注入到所述刻蝕造成的各種孔穴中， 然后凝固下來。優(yōu)選地，液體聚合物注入到所述微閥各部件相應(yīng)的孔穴中， 凝固之后，就制成閉合狀態(tài)下的微閥。這里適合本發(fā)明的聚合物為如聚二甲
基硅氧烷PDMS (polydimethylsiloxanes)的硅橡膠。所述聚合物與惡劣的化 學(xué)物質(zhì)、酸、堿以及溶劑都不發(fā)生反應(yīng)。在另一個實施例中，所述聚合物中 混合有磁性材料。
在步驟203中，液體聚合物凝固后，制成的微閥在外部機(jī)械裝置的作用 下能夠張起，這里，使用致動器或者其它的裝置，使所述微閥的閥塞和連接 臂機(jī)械地張開起來，但所述閥錨仍固定在硅基板的孔穴中，如圖2所示，表 現(xiàn)為微閥打開時的狀態(tài)。
本發(fā)明的微閥能夠用作止回閥，允許液體或氣體單方向流通，而在相反 方向截止。本發(fā)明的微閥也可用在可移植的外釋藥中，移植到人和哺乳動物 的體內(nèi)。
圖4-6說明了本發(fā)明的微閥用在可移植的外釋藥系統(tǒng)中的一個實施例。 在這個例子中，微閥能夠插入到用戶皮膚311內(nèi)，這里所述的微閥包括一聚 合物護(hù)套301、聚合物隔斷303、需要的藥物305以及由聚合物和金屬材料混 合物制成的閥塞307。圖5是本發(fā)明的微閥使用狀態(tài)示意圖，如圖5所示， 在使用的時候，藥305能夠通過一針刀309導(dǎo)入到閥塞307的與聚合物護(hù)套 301的中間部分。如圖6所示，當(dāng)想要釋放藥305， 一磁源313，諸如電磁圈， 位于用戶的皮膚上，通過調(diào)整，磁源313正好對著閥塞。由于在所述閥塞307 中存在金屬材料，因此所述磁源313能夠吸引閥塞307，弓l起所述閥塞的移 動，而所述閥塞307的移動造成藥305的釋放。當(dāng)磁源移走之后，閥塞307 移動回到關(guān)閉的狀態(tài)。其中所述閥塞在關(guān)閉到打開位置間的移動，可以通過 連接在閥塞上的彈性連接臂和閥錨進(jìn)行。
圖7和圖8是本發(fā)明的一個由微閥組成的微泵的實施例。在該微泵中， 兩個微閥401和403以相反方向位于微泵的兩側(cè)，如圖7所示，微閥401和 403呈倒置狀態(tài)。在使用時，如圖8所示， 一個致動器407，諸如壓電致動器，
8位于微泵的上面。所述致動器407壓縮微泵里面腔體部分409處的液體，所 述409處的液體流動并推動微閥403打開和通過微閥403，并進(jìn)一步地進(jìn)入 微泵的部分419處。由于微閥401和403的結(jié)構(gòu)， 一個微閥打開的時候另一 個則保持閉合。相反地，微泵在相反方向，也能接收由于致動器作用下的液 體，在這種情況下，先前在微泵部分415處的液體移動到所述微泵的腔409 內(nèi)，這樣，需要打開先前關(guān)閉的微閥401，而同時關(guān)閉先前打開的微閥405。 從而，微閥401和403都能夠被打開和關(guān)閉。
圖9是本發(fā)明微閥張起裝置的另一個實施例。微閥在制作使用時，經(jīng)常 是進(jìn)行大規(guī)模的晶片處理，因此，微閥使用圖9中所示的金屬豎桿來使其張 起。和圖3所示的方法一樣， 一個硅基板首先進(jìn)行各向異性地刻蝕(步驟501 )， 接著用如PDMS的液體聚合物去填充刻蝕造成的孔穴(步驟502)，然后通 過使用豎桿509使所述閥塞張起來(步驟503)。所述豎桿509，優(yōu)選地，是 金屬材料制成的，如鋁或不銹鋼。所述豎桿509能位于一個也由金屬制成的 臺子507上。優(yōu)選地，所述臺子507具有足夠大的尺寸，以使能夠容納矩陣 豎桿，這里所述的矩陣豎桿的數(shù)目相應(yīng)于矩陣微閥的數(shù)目。
圖10是一個說明用于張起微閥并經(jīng)過晶片級的大規(guī)模處理的陣列金屬 豎桿的實施例。陣列微閥601使用圖2所示的方法制造在硅基底603上，微 閥的張起通過使用陣列金屬豎桿607來引起，而所述陣列金屬豎桿607澆鑄 在金屬基板605上，所述金屬基板605可以由如鋁或不銹鋼的金屬材料制成。
根據(jù)上述實施例，本發(fā)明的微閥適用于大規(guī)模的晶片處理，因此任何在 半導(dǎo)體器件使用本發(fā)明的微閥就應(yīng)該落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語是 說明和示例性、而非限制性的術(shù)語。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實施而 不脫離發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實施例不限于任何前述的細(xì) 節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利 要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1. 一種微閥，其特征在于，所述微閥包括一硅基板，形成有貫通所述硅基板的一閥塞孔穴、位于所述閥塞孔穴兩側(cè)的至少兩閥錨孔穴以及位于所述閥塞孔穴和所述閥錨孔穴之間的至少兩連接臂孔穴；一閥塞，具有至少兩閥錨和連接所述閥塞和閥錨的連接臂，其中所述閥塞、閥錨和連接臂分別與閥塞孔穴、閥錨孔穴和連接臂孔穴相匹配，并且所述閥塞、閥錨和連接臂由聚合物一體形成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微閥，其特征在于，所述孔穴具有54.74度的側(cè)壁。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微閥，其特征在于，所述聚合物為硅橡膠。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l-3任意一項所述的微閥，其特征在于，所述聚合物 中還添加有磁性材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微閥，其特征在于，所述微闊還包括一致動 器，用于致動所述閥塞在所述孔穴中上下移動。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微閥，其特征在于，所述致動器為磁致動器、 壓電致動器、熱氣致動器或靜電致動器。
7. —種制造權(quán)利要求1所述微閥的方法，其特征在于，所述方法包括 以下步驟Sl:對硅基板進(jìn)行各向異性地刻蝕，產(chǎn)生微閥各部件相應(yīng)的孔穴；S2:用液體聚合物填充所述產(chǎn)生的孔穴，形成關(guān)閉狀態(tài)的微閥；S3:在液體聚合物凝固之后，所述形成的微閥在外部力的作用下張開閥塞。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟S1進(jìn)一步地 包括刻蝕成閥塞孔穴；在所述閥塞孔穴的兩側(cè)刻蝕成至少兩閥錨孔穴； 以及在所述閥塞孔穴和所述閥錨孔穴之間刻蝕成至少兩連接臂孔穴。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟Sl中之前還 包括使用氮化硅、氧化硅進(jìn)行掩模刻蝕，或者使用氮化硅和氧化硅進(jìn)行雙 層掩?？涛g。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟S3中使用一金屬基板上的豎桿使微閥的閥塞張開以露出閥塞孔穴。
11. 一種用于皮膚的外釋藥裝置，其特征在于，包括 如權(quán)利要求1-4所述的微閥； 套在所述微閥的閥塞上的由聚合物制成的護(hù)套；位于所述微閥的閥塞和護(hù)套之間由聚合物制成的隔斷，所述隔斷形成的空間內(nèi)填充所要釋放的藥；位于護(hù)套外部用于致動所述微閥的致動器。
12. —種半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件包括權(quán)利要求1-4 任一項所述的微閥。
13. —種微泵，其特征在于，所述微泵包括兩個如權(quán)利要求l-4任一項所述的微閥，所述兩微閥彼此倒置放置連 接在一起；以及用于致動所述微閥的致動器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微閥及其構(gòu)成的裝置，所述微閥包括一硅基板，具有閥塞、閥錨以及連接臂孔穴；一閥塞，具有至少兩閥錨和連接所述閥塞和閥錨的連接臂，所述閥塞、閥錨和連接臂分別與閥塞、閥錨和連接臂孔穴相匹配，并且由聚合物一體形成。本發(fā)明的微閥結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，適合大規(guī)模制造，并適用于藥物注射系統(tǒng)。
文檔編號F16K7/00GK101446356SQ200810177979
公開日2009年6月3日 申請日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月26日
發(fā)明者張燕妮, 鄭慶祥, 晨 鈔 申請人:香港理工大學(xué)