专利名称：双片型单向液体微泵及其制造方法
技术领域：
本发明涉及微电子机械系统(MEMS)领域，特别涉及气体液体硅膜微泵和制造方法，具体来说是涉及一种采用多孔硅膜或转移单晶硅膜作为泵腔体形变膜的双片型液体硅膜微泵和制造方法。
背景技术：
微泵是微流体系统的重要组成部件，现有以压电驱动、静电驱动和热驱动等多种类型。在这些已有的微泵结构中，一般都需要三、四层，有的甚至多达七层硅和玻璃的键合来构成整体机构。这种多层键合结构不利于微泵的空间尺寸缩小，限制了微泵在空间尺寸要求苛刻的微系统中的应用。而且这些结构的制备工艺复杂，不利于微泵与微阀，微沟道等微流体元件的一体化制造，限制了现有微泵在单片型微流体系统中的应用。现有的硅微泵腔体结构多采用体硅微机械加工方法制造，致使微泵的泵腔体死空间(非有效形变空间)较大。较大的泵腔体死空间会产生两种严重限制，一是无法实现气体的泵送，二是泵送液体中不能混进气体，否则，会严重影响液体的泵送。因此，泵腔体的死空间是设计和制造方法的优化目标，微泵需要发展新的结构和新的制作工艺。现有一种利用单晶硅氢氟酸水溶液阳极氧化腐蚀技术中的多孔硅形成与电化学抛光腐蚀的电压切换来实现近表面体硅内的自封闭微结构技术。但在这种技术中由于多孔硅膜粘结在氮化硅膜上，而氮化硅膜的强度不能满足微泵的形变要求，因此这种阳极氧化电压切换技术需要发展一种使多孔硅膜与衬底粘结更牢固的新方法才可用于硅膜微泵的制造。
发明内容
本发明为了解决现有微泵结构及其制造方法中存在的缺点，本发明提供一种双片型单向液体微泵，进一步的其加工技术是改进的两项新型微泵加工技术，具体的，一是多次加工区域相互交叠的阳极氧化电压切换技术，二是单晶硅薄膜转移技术。所述的两项新型微泵加工技术均在硅片的近表面体积内加工。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是本发明所述的带悬臂梁型阀膜微阀的双浅腔体静电驱动双片型单向液体微泵是由上腔体、下腔体、上腔体进口阀、上腔体出口阀、下腔体进口阀、下腔体出口阀、入口处的上下硅片链接口、出口处的上下硅片链接口、入口微沟道和出口微沟道以及静电驱动电容构成。所述的双片型单向液体微泵由两个浅泵腔体、静电驱动电容、四个微阀及进、出链接微沟道构成，进一步的所述的微泵由两块硅片键合或粘合而成，上腔体和下腔体两个浅泵腔体分别在两块硅片的近表面体硅内形成。所述的上、下腔体分别由其上的复合腔体膜、腔体空间和衬底构成。所述的复合腔体膜由腔体上的形变膜、绝缘介质膜和金属电极构成，所述的形变膜是多孔硅膜或转移单晶硅膜。所述的泵腔体的几何形状为矩形或圆形，泵腔体空间的深度在20-50微米之间。所述的静电驱动电容由上、下腔体的金属电极与气隙构成，所述的四个微阀是双片型悬臂梁型阀膜液体驱动双片型单向微阀。所述微泵的上、下腔体分别设置有各自的进、出口微阀。所述的微泵中的进、出口链接微沟道有两种结构第一种结构是只在上、下腔体液体入口处增设上下硅片链接口。第二种结构是在上、下腔体入口和出口处设置各自的上下硅片链接口，形成双腔体并联结构。
所述的微泵的加工制造方案是首先是浅硅区腐蚀，工艺步骤如下光刻浅硅腐蚀区窗口；在低的阳极氧化电压下形成一定厚度的多孔硅膜；将阳极氧化电压切换到高电压下对已形成的多孔硅膜下的单晶硅进行短时间腐蚀，腐蚀深度控制在0.1-1.0微米内。其次是深硅区腐蚀，工艺步骤如下跨接光刻深硅腐蚀区窗口，在低的阳极氧化电压下形成同样厚度的多孔硅膜，再将阳极氧化电压切换到高电压下对已形成的多孔硅膜下的单晶硅进行一定的时间腐蚀，硅腐蚀深度或腐蚀时间的多少由泵腔体的深度而定，再在多孔硅膜上沉淀一层绝缘膜之后就可形成微泵腔体。第三是驱动结构电极的沉淀与刻蚀。第四是键合图形的光刻。第五是穿孔图形的光刻和刻蚀。第六是对准键合。
本发明所述的改进的硅阳极氧化电压切换技术是一种多次加工区域相互交叠的阳极氧化电压切换技术，这种技术采用浅硅腐蚀限制蚀液输送方法确保多孔硅膜与衬底单晶硅的自然连接，首先在需形成表面多孔硅膜的图形外围，采用阳极氧化电压切换技术形成设定厚度的多孔硅膜，此过程中仅浅腐蚀其下的单晶硅，腐蚀深度控制在多孔硅膜完全与衬底分离，然后，再在所需要图形区内形成多孔硅及对其下的单晶硅进行深度腐蚀。两次形成多孔硅的腐蚀区采用跨区连接设计。所述的这种两次加工区域相互交叠的阳极氧化电压切换技术应用到不同深度自封闭微结构的制备组合中，可形成多次加工区域相互交叠的阳极氧化电压切换技术。
本发明所述的另一种制造双片型液体硅膜微泵的制造方法是一种改进的单晶硅薄膜转移技术，所述的单晶硅薄膜转移技术是利用SOI技术实现的，所述的SOI是三层结构，最下面的是硅衬底，最上面的是单晶硅薄膜，中间是二氧化硅膜。所述的单晶硅薄膜转移技术是将SOI结构的硅片反键合或粘合到另一片硅片上，将SOI硅片的衬底腐蚀掉后就可将单晶硅薄膜转移到新的硅片上。先用体硅微机械加工技术在硅片近表面硅内形成所需的图形，然后将SOI上的单晶硅薄膜转移到这块硅片上就可构成近表面体硅内的密封结构。所述改进的单晶硅薄膜转移技术用于制造所述微泵的方案是首先是主硅片上的近表面体硅内的图形刻蚀，主要加工内容有不同深度的硅腐蚀区的腐蚀和各个图形间的链接。其次是准备所需的SOI硅片，包括必要的转移所需图形的制备和转移对准图形。第三是驱动结构的制备。第四是键合图形的光刻。第五是穿孔图形刻蚀。第六是对准键合。
所述硅微泵的结构设计表明，本发明专利改进的两种新型微泵制造工艺方法具有很强的微流体系统的集成制造能力，而且工艺简单，灵活性较好，有利于促进片上型微流体系统的发展。
图1是本发明所述的双片型液体硅膜微泵的局部空间结构图，其中，斜线阴影部分为键合或粘合图形。
图2是本发明所述的双片型液体硅膜微泵的A-A截面图。
图3是本发明所述的双片型液体硅膜微泵的B-B截面图。
图4是本发明所述的双片型液体硅膜微泵的C-C截面图。
图中1是上腔体，2是下腔体、3是上腔体进口阀，4是上腔体出口阀、5是下腔体进口阀，6是下腔体出口阀，7是入口处的上下硅片链接口、8是出口处的上下硅片链接口，9是入口微沟道，10是出口微沟道。11是上硅片和12是下硅片，13是粘合图形。14是多孔硅膜或单晶硅膜、15是介质膜。13是粘合介质，16是空气间隙，17是上腔体膜上的电极，18是下腔体膜上的电极。19是硅凸台面、20是阀腔体。
实施方法如图1、图2、图3、图4所示，本发明所述的双片型单向液体微泵是由上腔体1、下腔体2、上腔体进口阀3、上腔体出口阀4、下腔体进口阀5、下腔体出口阀6、入口处的上下硅片链接口7、出口处的上下硅片链接口8、入口微沟道9和出口微沟道10以及静电驱动电容构成，具体的，所述的双片型单向液体微泵有两个浅泵腔体、静电驱动电容、四个微阀及进、出链接微沟道构成，进一步的，所述的微泵由两块硅片11、12键合或粘合而成，上腔体1和下腔体2两个浅泵腔体分别在两块硅片11、12的近表面体硅内形成。所述的上腔体1和下腔体2分别由其上的复合腔体膜、腔体空间和衬底构成。所述的复合腔体膜由腔体上的形变膜、绝缘介质膜15和金属电极构成，所述的形变膜是多孔硅膜或转移单晶硅膜14。所述的泵腔体的几何形状为矩形或圆形，泵腔体空间的深度在20-50微米之间。所述的静电驱动电容由上、下腔体的金属电极18与气隙16构成，所述的气隙16是由粘合介质13支撑上、下腔体绝缘介质膜15形成的，间距控制在0.1-3微米之间。所述的四个微阀是双片型悬臂梁型阀膜液体驱动双片型单向微阀。所述微泵的上、下腔体分别设置有各自的进口微阀3和出口微阀4。所述的微泵中的进、出口链接微沟道有两种结构第一种结构是仅在液体上、下腔体入口处增设上下硅片链接口。第二种结构是在上、下腔体入口和出口处设置各自的上下硅片链接口，形成双腔体并联结构。
实施例2本发明所述的一种双片型液体硅膜微泵的制造方法如下首先是浅硅区腐蚀，光刻浅硅腐蚀区窗口；在低的阳极氧化电压下形成一定厚度的多孔硅膜；将阳极氧化电压切换到高电压下对已形成的多孔硅膜下的单晶硅进行短时间腐蚀，腐蚀深度控制在0.1-1.0微米内。其次是深硅区腐蚀，工艺步骤如下跨接光刻深硅腐蚀区窗口，在低的阳极氧化电压下形成同样厚度的多孔硅膜，再将阳极氧化电压切换到高电压下对已形成的多孔硅膜下的单晶硅进行一定的时间腐蚀，硅腐蚀深度或腐蚀时间的多少由泵腔体的深度而定，再在多孔硅膜上沉淀一层绝缘膜之后就可形成微泵腔体。第三是驱动结构电极的沉淀与刻蚀。第四是键合图形的光刻。第五是穿孔图形的光刻和刻蚀。第六是对准键合。所述的六项主要工艺步骤，经调节就可实现不同结构的硅微泵。
实施例3本发明所述的一种双片型单向液体微泵的制造方法如下所述的改进的单晶硅薄膜转移技术是利用SOI技术实现的，所述的SOI是三层结构，最下面的是硅衬底，最上面的是单晶硅薄膜，中间是二氧化硅膜。所述的单晶硅薄膜转移技术是将SOI结构的硅片反键合或粘合到另一片硅片上，将SOI硅片的衬底腐蚀掉后就可将单晶硅薄膜转移到新的硅片上。因此先用体硅微机械加工技术在硅片近表面体硅内形成所需的图形，然后将SOI上的单晶硅薄膜转移到这块硅片上就可构成近表面体硅内的密封结构。所述改进的单晶硅薄膜转移技术用于微泵的制造方案是首先是主硅片上的近表面体硅内的图形刻蚀，主要加工内容有不同深度的硅腐蚀区的腐蚀和各个图形间的链接。其次是准备所需的SOI硅片，包括必要的转移所需图形的制备和转移对准图形。第三是驱动结构的制备。第四是键合图形的光刻。第五是穿孔图形刻蚀。第六是对准键合。
权利要求
1.一种双片型单向液体微泵，其特征在于所述的微泵由上腔体、下腔体、上腔体进口阀、上腔体出口阀、下腔体进口阀、下腔体出口阀、入口处的上下硅片链接口、出口处的上下硅片链接口、入口微沟道和出口微沟道以及静电驱动电容构成，所述的下腔体上方设置有上腔体，所述的上腔体和下腔体分别设置在两块硅片的近表面体硅，所述微泵的上腔体、下腔体分别设置有进口微阀、出口微阀，所述的上、下腔体分别由复合腔体膜、腔体空间和衬底构成，所述的复合腔体由形变膜、绝缘介质膜和金属电极构成，所述的形变膜设置在腔体上，所述的静电驱动电容由金属电极与气隙构成，所述的金属电极设置在上腔体和下腔体上。
2.权利要求1所述的一种双片型单向液体微泵，其特征在于在所述的上腔体、下腔体的液体入口处设置有上硅片连接口和下硅片连接口。
3.如权利要求1所述的一种双片型单向液体微泵，其特征在于所述的上腔体、下腔体的液体入口和出口处设置上硅片和下硅片连接口。
4.如权利要求1所述的一种双片型单向液体微泵，其特征在于所述的上腔体和下腔体为矩形或圆形。
5.制造如权利要求1所述的一种双片型单向液体微泵的方法，其特征在于首先进行浅硅区腐蚀，工艺步骤如下光刻浅硅腐蚀区窗口；在低的阳极氧化电压下形成一定厚度的多孔硅膜；将阳极氧化电压切换到高电压下对已形成的多孔硅膜下的单晶硅进行短时间腐蚀，腐蚀深度控制在0.1-1.0微米内，其次是深硅区腐蚀，工艺步骤如下跨接光刻深硅腐蚀区窗口，在低的阳极氧化电压下形成同样厚度的多孔硅膜，再将阳极氧化电压切换到高电压下对已形成的多孔硅膜下的单晶硅进行一定的时间腐蚀，硅腐蚀深度或腐蚀时间的多少由泵腔体的深度而定，再在多孔硅膜上沉淀一层绝缘膜之后就可形成微泵腔体，第三是驱动结构电极的沉淀与刻蚀，第四是键合图形的光刻。第五是穿孔图形的光刻和刻蚀。第六是对准键合。
6.制造如权利要求1所述的一种双片型单向液体微泵的方法，其特征在于所述的改进的单晶硅薄膜转移技术是利用SOI技术实现的，所述的SOI是三层结构，最下面的是硅衬底，最上面的是单晶硅薄膜，中间是二氧化硅膜。所述的单晶硅薄膜转移技术是将SOI结构的硅片反键合或粘合到另一片硅片上，将SOI硅片的衬底腐蚀掉后就可将单晶硅薄膜转移到新的硅片上，因此先用体硅微机械加工技术在硅片近表面硅内形成所需的图形，然后将SOI上的单晶硅薄膜转移到这块硅片上就可构成近表面硅内的密封结构，所述改进的单晶硅薄膜转移技术用于微泵的制造方案是首先是主硅片上的近表面体硅内的图形刻蚀，主要加工内容有不同深度的硅腐蚀区的腐蚀和各个图形间的链接，其次是准备所需的SOI硅片，包括必要的转移所需图形的制备和转移对准图形，第三是驱动结构的制备，第四是键合图形的光刻，第五是穿孔图形刻蚀，第六是对准键合。
全文摘要
一种双片型单向液体微泵及其制造方法，所述的微泵由阳极氧化电压切换技术和单晶硅薄膜转移技术制造，阳极氧化电压切换技术的加工区域是多次相互交叠的，单晶硅薄膜转移技术采用SOI硅片实现单晶硅薄膜转移。利用此技术制造的微泵所占的有效空间体积及其泵腔体死空间最小，利用此技术能够使微泵、微阀和微沟道网络同步制造，使新设计的硅膜微泵结构便于在片上型微流体系统中应用。
文档编号F04B43/04GK1504644SQ0215082
公开日2004年6月16日 申请日期2002年11月29日 优先权日2002年11月29日
发明者汤玉生 申请人:汤玉生