專利名稱：微電子機械的v型微閥及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于微電子機械技術(shù)的V型有閥型微閥的結(jié)構(gòu)及其制作方法，該產(chǎn)品屬于微流體系統(tǒng)領(lǐng)域中的執(zhí)行器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的微機械系統(tǒng)(MEMS)作為一個新興領(lǐng)域近年來得到了飛速發(fā)展，微流量系統(tǒng)是微機械系統(tǒng)的一個重要分支，主要用于微型化學(xué)分析和藥物的微量注射。微型閥是微型流動系統(tǒng)中流向控制的重要執(zhí)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(jié)構(gòu)，微型閥要與微驅(qū)動器一起組成微泵。隨著微機械加工技術(shù)的逐步成熟，迄今已有許多不同結(jié)構(gòu)、不同材料的有閥型微閥制作成功。首例微型閥的報道出現(xiàn)在1986年，隨后涌現(xiàn)出大量有關(guān)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(fā)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(xiàn)流體單向輸送。無閥型微閥的特點是結(jié)構(gòu)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(fù)式薄膜泵。有閥型微閥多采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)，由于其單向性截止性好，背壓大、響應(yīng)快、尺寸小、可批量生產(chǎn)而在微型機械中被廣泛采用。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝難度大，加工精度要求高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于微電子機械技術(shù)的V型有閥型微閥的結(jié)構(gòu)及其改微閥的制作方法。
上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(cè)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(cè)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(shù)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(xué)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(jīng)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(jié)構(gòu)。
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(fā)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(tǒng)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(dǎo)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(dǎo)通，排出液體。當微閥與驅(qū)動元件結(jié)合，整體構(gòu)成微泵，靠驅(qū)動元件提供驅(qū)動力，導(dǎo)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(xù)作用導(dǎo)致液體的單向流動，就實現(xiàn)了液體泵送的目的。
本發(fā)明具有以下有益效果1.本發(fā)明設(shè)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(tǒng)應(yīng)用。微閥部分無須鍵合技術(shù)，防止了有縫隙造成的泄漏。在微閥與驅(qū)動元件結(jié)合形成的微型泵中，減少了鍵合次數(shù)，克服了加工、裝配工藝復(fù)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(yīng)力對閥片開關(guān)性能的影響。
2.本產(chǎn)品的發(fā)明使微型泵的多層結(jié)構(gòu)簡化，從原來的三、四層結(jié)構(gòu)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(fā)明采用半導(dǎo)體微機械加工工藝具有結(jié)構(gòu)和工藝簡單、體積小、成本低，具有流量可控性強，可批量生產(chǎn)，功耗低等優(yōu)點，適于控制介質(zhì)粒徑小于閥中縫尺寸的液體微流量系統(tǒng)，此微閥與微泵結(jié)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(xué)分析等領(lǐng)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(tǒng)發(fā)展中，有望用于化學(xué)氣相淀積，分子束外延過程中氣體的精確控制；低溫學(xué)或超導(dǎo)體的冷卻；氣、液體的微量化學(xué)分析。集成電路冷卻。
4.采用MEMS工藝手段研制的V型結(jié)構(gòu)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(fā)明具有結(jié)構(gòu)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(tǒng)有閥型被動閥加工制作復(fù)雜，精度要求高的缺點，另外，采用的微機械加工技術(shù)與半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)相兼容，容易集成，適應(yīng)于大批量生產(chǎn)。
5.本發(fā)明的關(guān)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(diào)整尺寸，使(100)晶面蝕刻在側(cè)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(jù)不同用戶的需求，通過改變進水縫[5]和出水縫[6]的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，控制系統(tǒng)的流量，同時對閥片[7]/[8]、[9]/[10]的尺寸加以調(diào)整，還可增強微閥的單向性能。


圖1具有V型微閥的側(cè)剖面結(jié)構(gòu)示意2為V型微閥結(jié)構(gòu)的俯視3為本產(chǎn)品的工作原理圖(黑箭頭所示為進水方向)。
圖4為本產(chǎn)品的工作原理圖(黑箭頭所示為進水方向)。
本發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)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(shù)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(jié)合附圖再進行一些細節(jié)的描述本發(fā)明的整體材料完全采用硅材料，主體結(jié)構(gòu)包括正單向閥即正向?qū)ǚ聪蚪刂归y[1]和反單向閥即反向?qū)ㄕ蚪刂归y[2]。正單向閥[1]和反單向閥[2]是結(jié)構(gòu)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(qū)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(qū)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(dǎo)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(tài)。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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(jīng)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(jié)構(gòu)。
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(jié)合附圖再進行一些細節(jié)的描述實現(xiàn)本發(fā)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(quán)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)的釋放閥片，所述的閥片的背面具有V型槽。
2.根據(jù)權(quán)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(cè)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(shù)值的一半。
3.根據(jù)權(quán)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(quán)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(xué)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(jù)權(quán)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(jīng)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(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)品用于藥物微量傳送、燃料微量噴射、噴墨打印、微量化學(xué)分析領(lǐng)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(tǒng)中，可用于化學(xué)氣相淀積，分子束外延過程中氣體的精確控制；低溫學(xué)或超導(dǎo)體的冷卻；氣、液體的微量化學(xué)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(yōu)先權(quán)日2005年1月14日
發(fā)明者邱成軍, 曹茂盛, 張輝軍, 曲偉, 孟麗娜 申請人:黑龍江大學(xué)