專利名稱：微冷卻測(cè)控系統(tǒng)及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種基于MEMS工藝設(shè)計(jì)的新型微型冷卻測(cè)控系統(tǒng)，本發(fā)明也涉及一種微型冷卻測(cè)控系統(tǒng)的加工方法。
背景技術(shù)：
在過去的十余年中，隨著人們對(duì)微流體領(lǐng)域的各個(gè)分立器件(如微流量傳感器、微泵、微閥、微通道等)研究的日趨完善，以及市場(chǎng)對(duì)高精度微流體控制系統(tǒng)的需求日益增加，微流量閉環(huán)控制系統(tǒng)成為MEMS中的研究熱點(diǎn)之一。其工作原理可表述為系統(tǒng)通過其中的傳感器對(duì)流體狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，再將檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理后，反饋給執(zhí)行器進(jìn)行動(dòng)作，最終精確控制流體的流量。這種閉環(huán)控制系統(tǒng)中的各器件按組合方式的不同，主要可分為組裝式(Hybrid)和單片集成式(Monolithic)兩大類。
組裝式微流體控制系統(tǒng)主要是指先將系統(tǒng)所需的各器件獨(dú)立加工，而后再簡(jiǎn)單地用精密機(jī)械方法組裝成一整體。該系統(tǒng)主要包括硅壓電(靜電)驅(qū)動(dòng)微泵/閥芯片(9mm×9mm)、硅流體傳感器(6mm×12mm)各一個(gè)。各器件間主要依靠銷、釘、粘合劑來組裝連接。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)方波輸入信號(hào)，可獲得40～80μl/min的雙向流量。德國(guó)Braunschweig理工大學(xué)的R.Roβberg等研制的便攜式微藥劑注射系統(tǒng)也屬于這種類型。顯然這種系統(tǒng)集成度較低，裝配難度較大，不利于大批量生產(chǎn)。
單片集成式微流體控制系統(tǒng)則是將微泵、微閥、微傳感器及其它輔助器件(如微通道、過濾網(wǎng)、混合器等)與控制電路等采用微加工方法集成在同一基片(或電路板)上，以獲得一整體性智能化芯片器件。例如，現(xiàn)已研制出的基于MCB(MixedCircuit Board)的氨水集成分析系統(tǒng)，即是典型的單片集成式微流體控制系統(tǒng)，其上層集成流體器件和檢測(cè)元器件(微泵、微閥、流體傳感器)、微流體通道，下層為控制電路。不同的流體通過各自的入口(微閥，有時(shí)還有過濾網(wǎng))，經(jīng)過各自的熱氣驅(qū)動(dòng)微泵流出，其中各通道的流量均由各自的流量傳感器檢測(cè)，而后再通過電路控制器驅(qū)動(dòng)微泵動(dòng)作，最終達(dá)到控制各流體流量的目的。這種系統(tǒng)需要微閥門控制流體的進(jìn)出，同時(shí)熱氣驅(qū)動(dòng)微泵需要熱源加熱，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流量控制范圍也小。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于批量生產(chǎn)，并且具有大流量控制范圍和高熱通量的微冷卻測(cè)控系統(tǒng)。本發(fā)明的目的還在于提供一種微冷卻測(cè)控系統(tǒng)的加工方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的微冷卻測(cè)控系統(tǒng)的組成包括硅基片和玻璃片兩層，硅基片表面上設(shè)置有微溝道和無閥微泵圖形，玻璃片上設(shè)置有溫度和流量傳感器，硅片和玻璃片通過鍵合工藝粘接在一起。
本發(fā)明的產(chǎn)品還可以包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征1、所述的硅片上的無閥微泵腔體貫通，并且在貫通的無閥微泵腔體下方粘接有壓電陶瓷膜片。
2、所述的壓電陶瓷膜片同心粘接在無閥微泵腔體下方。
本發(fā)明的產(chǎn)品是這樣加工制作的首先在雙面拋光硅片上生長(zhǎng)二氧化硅，之后進(jìn)行光刻，在硅上開出窗口，在光刻膠和SiO2的保護(hù)下深槽刻蝕Si片，在硅片上形成微溝道和無閥微泵圖形，然后采用機(jī)械研磨的方法將腔體無閥微泵貫通，再采用電化學(xué)放電方法，在硅片擴(kuò)散口和噴嘴出口處的圓形腔體位置上打系統(tǒng)注水口，最后將硅片放入濃硫酸溶液中在水浴環(huán)境下加熱，除去光刻膠，再放入HF溶液中漂去SiO2；先在95玻璃上濺射一層8-12納米Ti，再濺射0.05-0.15微米Pt，之后利用光刻剝離技術(shù)刻出鉑電阻圖形；利用陽極鍵合工藝將硅片和玻璃緊密結(jié)合在一起。其中在玻璃與硅鍵合過程中，采用與硅的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)?740玻璃，鍵合溫度為380℃～450℃，電壓為900V～1100V，最大電流80-100微安。
本發(fā)明專利中，硅基片是利用深槽刻蝕技術(shù)在硅片上刻蝕出微溝道和無閥微泵的圖形，而微泵腔體是貫通的，這層結(jié)構(gòu)作為整個(gè)系統(tǒng)芯片的底部；玻璃片是整個(gè)系統(tǒng)芯片的蓋片，這一層制作有溫度和流量傳感器，兩類傳感器都采用金屬鉑薄膜電阻制作。玻璃片上帶有金屬薄膜的一側(cè)與硅片上帶有圖形的一側(cè)相對(duì)應(yīng)，同時(shí)測(cè)溫電阻與微溝道相對(duì)應(yīng)，鍵合在一起。在腔體對(duì)應(yīng)的位置上，同心地粘接壓電陶瓷膜片，于是形成封閉結(jié)構(gòu)。如果想實(shí)現(xiàn)芯片的大批量制作，只需要分別批量制作各層結(jié)構(gòu)，然后鍵合即可。由于各層的批量制作技術(shù)和鍵合技術(shù)相對(duì)成熟，所以這種微冷卻測(cè)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大批量制作。本系統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)集成有利用逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的無閥微泵，無閥微泵具有可以采用平面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于采用微機(jī)械加工技術(shù)加工、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)；而且由于沒有可動(dòng)部分，使無閥微泵適用于各種流體，如氣體、液體及帶有固體微粒的液體等，并且減少了阻塞現(xiàn)象的發(fā)生，因此，和有閥微泵相比，無閥微泵更加可靠、耐用；同時(shí)壓電膜片易于與基片結(jié)合、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高，電壓工作范圍在0～150V，具有較寬的系統(tǒng)流量控制范圍。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、簡(jiǎn)單，易于操作；2、易于批量生產(chǎn)；3、可靠性高；
4、流量控制范圍寬。
本發(fā)明的產(chǎn)品適用于納、皮衛(wèi)星環(huán)境熱控、燃料控制和微電子芯片系統(tǒng)冷卻等領(lǐng)域。


圖1為刻有微溝道和無閥微泵圖形的硅基片結(jié)構(gòu)圖；圖2為帶有溫度和流量傳感器的玻璃片結(jié)構(gòu)圖；圖3為溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5鍵合后的系統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)平面圖。
(五)具體實(shí)施方案流體系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)無閥微泵1和微溝道2采用深槽刻蝕技術(shù)制作；流量傳感器3和溫度傳感器4采用金屬鉑薄膜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，因此需要繪制兩張光刻掩膜版。首先在雙面拋光硅片上生長(zhǎng)二氧化硅，作為深槽刻蝕工藝的掩膜層。其中，氧化爐溫為1180℃，水域溫度為95～97℃，氧氣流量為1l/min。之后，進(jìn)行光刻，由于掩膜版上的圖案與光刻后襯底表面腐蝕出來的圖案相反，所以選用負(fù)光刻膠，顯影液用丙酮溶液。光刻工藝流程涂膠＞前烘＞曝光＞顯影＞堅(jiān)膜＞腐蝕＞去膠。在硅上開出窗口，在光刻膠和SiO2的保護(hù)下深槽刻蝕Si片。無閥微泵1和微溝道2的刻蝕深度為50～200微米。然后，采用機(jī)械研磨的方法將腔體打成貫通。再采用電化學(xué)放電方法，在硅片擴(kuò)散口和噴嘴出口處的圓形腔體位置上打孔，作為系統(tǒng)的注水口，其中30～40％的KOH溶液作為腐蝕液，探針頭所加電壓為80～120V。最后將硅片放入濃硫酸溶液中在60℃水浴環(huán)境下加熱，除去光刻膠。再放入HF溶液中漂去SiO2。流量傳感器3和溫度傳感器4采用金屬鉑薄膜電阻結(jié)構(gòu)第一步在襯底上涂膠并形成圖形，要求不需要金屬膜的區(qū)域覆有光刻膠；第二步在襯底-光刻膠結(jié)合體上淀積金屬膜，先濺射一層8-10納米Ti，再濺射0.1-0.12微米Pt，之后利用光刻剝離技術(shù)刻出鉑電阻圖形這樣金屬膜僅在需要它的區(qū)域與襯底相接觸。最后，用不侵蝕金屬膜的溶劑除去光刻膠。這樣一來，光刻膠把它上面的金屬膜剝離，而留下了形成圖形的金屬。利用陽極鍵合工藝將硅片和玻璃緊密結(jié)合在一起，確保器件的氣密性。在玻璃——硅鍵合技術(shù)中，采用與硅的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)?740玻璃。鍵合溫度為380℃～450℃，電壓為900V～1100V，最大電流90微安左右。最后將壓電驅(qū)動(dòng)膜片同心地粘接到打通的微泵腔體下方。
系統(tǒng)芯片工作過程如下發(fā)熱體置于硅片6一側(cè)，而散熱片置于硅片5一側(cè)，因此硅片6一側(cè)成為高溫區(qū)，而5一側(cè)成為低溫區(qū)，冷卻液為水。發(fā)熱體將熱量傳遞給硅片?？刂齐娐份敵龅尿?qū)動(dòng)信號(hào)使微泵工作，將水泵入高溫區(qū)微溝道中，吸收硅片熱量。當(dāng)水從高溫區(qū)流入低溫區(qū)微溝道中時(shí)，便將一部分熱量從高溫區(qū)攜帶至低溫區(qū)。在低溫區(qū)通過散熱片將這部分熱量散發(fā)出去。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)熱體的散熱?？刂茰系乐辛黧w流速，可控制1從高溫區(qū)攜帶到低溫區(qū)的熱量。溝道中的3與4可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微溝道中的水流速度與硅基片溫度，以實(shí)現(xiàn)智能化控制。
權(quán)利要求
1.一種微冷卻測(cè)控系統(tǒng)，其特征是它包括硅基片和玻璃片兩層，硅基片表面上設(shè)置有微溝道和無閥微泵圖形，玻璃片上設(shè)置有溫度和流量傳感器，硅片和玻璃片通過鍵合工藝粘接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微冷卻測(cè)控系統(tǒng)，其特征是所述的硅片上的無閥微泵腔體貫通，并且在貫通的無閥微泵腔體下方粘接有壓電陶瓷膜片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微冷卻測(cè)控系統(tǒng)，其特征是所述的壓電陶瓷膜片同心粘接在無閥微泵腔體下方。
4.一種微冷卻測(cè)控系統(tǒng)的加工方法，其特征是首先在雙面拋光硅片上生長(zhǎng)二氧化硅，之后進(jìn)行光刻，在硅上開出窗口，在光刻膠和SiO2的保護(hù)下深槽刻蝕Si片，在硅片上形成微溝道和無閥微泵圖形， 然后采用機(jī)械研磨的方法將腔體無閥微泵貫通，再采用電化學(xué)放電方法，在硅片擴(kuò)散口和噴嘴出口處的圓形腔體位置上打系統(tǒng)注水口，最后將硅片放入濃硫酸溶液中在水浴環(huán)境下加熱，除去光刻膠，再放入HF溶液中漂去SiO2；先在95玻璃上濺射一層8-12納米Ti，再濺射0.05-0.15微米Pt，之后利用光刻剝離技術(shù)刻出鉑電阻圖形；利用陽極鍵合工藝將硅片和玻璃緊密結(jié)合在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微冷卻測(cè)控系統(tǒng)的加工方法，其特征是在玻璃與硅鍵合過程中，采用與硅的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)?740玻璃，鍵合溫度為380℃～450℃，電壓為900V～1100V，最大電流80-100微安。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種微冷卻測(cè)控系統(tǒng)及其加工方法。它包括硅基片和玻璃片兩層，硅基片表面上設(shè)置有微溝道和無閥微泵圖形，玻璃片上設(shè)置有溫度和流量傳感器，硅片和玻璃片通過鍵合工藝粘接在一起。本發(fā)明產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作；易于批量生產(chǎn)；可靠性高；流量控制范圍寬。本發(fā)明適用于納、皮衛(wèi)星環(huán)境熱控、燃料控制和微電子芯片系統(tǒng)冷卻等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B81C1/00GK1583542SQ20041001378
公開日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月28日
發(fā)明者劉曉為, 張國(guó)威, 陳偉平, 王蔚, 王喜蓮 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)