專利名稱：硅基微型電滲泵三維陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于微通道冷卻系統(tǒng)的硅基微型電滲泵，特別涉及微型電滲 泵的三維陣列。
背景技術(shù)：
微泵是將電能、熱能等轉(zhuǎn)化為流體動(dòng)能的一種新型流體傳輸部件，是微流體系 統(tǒng)中重要的執(zhí)行器件。MEMS技術(shù)的發(fā)展為微泵的研制提供了技術(shù)和工藝基礎(chǔ)。微流體 技術(shù)作為MEMS技術(shù)的一個(gè)分支，具有廣闊的應(yīng)用前景。電滲泵一般由大量的直徑在1 50 μ m之間的細(xì)槽構(gòu)成，槽壁與電解液發(fā)生電 化學(xué)反應(yīng)，在貼近槽壁處形成厚度為1 IOOrnn的穩(wěn)定雙電層緊密層和擴(kuò)散層。在外 電場(chǎng)作用下，擴(kuò)散層的離子產(chǎn)生定向遷移形成電滲流，由于電解液具有粘性，擴(kuò)散層會(huì) 帶動(dòng)中間部分的液體定向流動(dòng)，呈現(xiàn)出塞狀的流型。根據(jù)電滲泵的結(jié)構(gòu)特征將其劃分為多孔介質(zhì)型電滲泵和開放通道電滲泵。根 據(jù)多孔介質(zhì)型電滲泵多孔介質(zhì)形成方法的不同，可分為一下三種填充床多孔介質(zhì)電滲 泵、整體柱多孔介質(zhì)電滲泵、多孔介質(zhì)膜電滲泵。開放通道電滲泵根據(jù)聯(lián)接方式不同可 分為并聯(lián)式開放通道電滲泵及串聯(lián)式開放通道電滲泵。多孔介質(zhì)電滲泵的通道，由微粒 之間的間隙或多孔材料的內(nèi)部小孔形成。開放通道電滲泵的微通道，主要采用干法刻蝕 工藝和濕法腐蝕工藝成形，通道截面一般為規(guī)則的幾何形狀，如矩形和三角形。填充床多孔介質(zhì)電滲泵是通過將介電微粒(一般為直徑為1 5 μ m的硅膠)填 充到熔石英毛細(xì)管(Φ50 800 μ m)中，再采用多孔玻璃材料填充到毛細(xì)管兩端，燒結(jié) 形成毛細(xì)管的柱塞。通道中微粒之間的孔形成了間隙通道，孔隙在長(zhǎng)度和徑向上的分布 可以看作是許多直徑極細(xì)的毛細(xì)管的集合。電解溶液與微粒接觸時(shí)，介電微粒被雙電層 所包圍。外加電場(chǎng)與各微粒上形成的ξ電勢(shì)進(jìn)行耦合作用時(shí)，介電微粒所形成的間隙通 道便可形成電滲流。在填充床多孔介質(zhì)電滲泵中，介電微粒之間孔非常小形成很高的水 力阻力，同時(shí)間隙通道內(nèi)濕周表面積與流體體積之比非常大，因此填充床電滲泵壓力輸 出可高達(dá)幾兆帕到幾十兆帕。但流量非常小，通常為每分幾十納升或幾微升。Zeng等人 將3.5 μ m直徑的無孔硅膠粒子填充到500 700 μ m直徑的熔融石英毛細(xì)管中，再在通道 兩端填充多孔玻璃材料，通過燒結(jié)形成柱塞，形成了一個(gè)填充床多孔介質(zhì)電滲泵，如圖2 所示。其中1為多孔玻璃柱塞，2為毛細(xì)管壁，3為硅膠微粒。以去離子水作為測(cè)試流 體，在2kV電壓下獲得超過2MPa壓力、3.6yL/min流量的微泵，計(jì)算得到熱動(dòng)力效率 為1.3%。該填充床電滲泵顯示了更高的流體壓力性能，但是熱力效率較低。原因是電 解質(zhì)中有電流通過，產(chǎn)生很高的焦耳熱。目前填充床多孔介質(zhì)電滲泵存在的為題如下1、熱力效率較低。2、制備過程 復(fù)雜，柱塞的制備需要燒結(jié)，工藝與當(dāng)前的微加工工藝不匹配。3、很難與其他微器件芯 片集成。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)部分存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的是提供一種采用單晶 硅作為泵體材料，利用MEMS加工技術(shù)制備可用于微通道冷卻系統(tǒng)的高效率，工藝簡(jiǎn) 單，且易于與其他微器件芯片集成的電滲泵三維陣列結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的設(shè)計(jì)機(jī)理是基于電滲原理實(shí)現(xiàn)流體的定向流動(dòng)。 在經(jīng)過高平面度研磨拋光的硅片上利用干法蝕刻技術(shù)刻蝕出高寬比的二維陣列微槽。針 對(duì)不同的流量和壓強(qiáng)的需求，可以選擇適當(dāng)數(shù)量的二維陣列的疊層來滿足三維陣列要 求，因此電滲泵三維列陣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有可伸縮性。所采用的技術(shù)方案是一種硅基微型電滲泵三維陣列，它包括一定數(shù)量的電滲 泵二維陣列層疊形成三維陣列。本實(shí)用新型的其他一些特點(diǎn)是，所述的電滲泵微槽是用干法蝕刻技術(shù)刻蝕出的 高寬比二維陣列微槽。

圖1為填充床多孔介質(zhì)電滲泵圖2為電滲泵二維陣列結(jié)構(gòu)立體圖圖3為電滲泵二維陣列結(jié)構(gòu)平面圖圖4為電滲泵三維陣列結(jié)構(gòu)立體圖
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人依照上述技術(shù)方案給出的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步 詳細(xì)說明，但并不限于該實(shí)施例。實(shí)施例參見圖2 圖4，硅基微型電滲泵二維陣列，它包括由電極4、微槽5 及入水口 6組成。圖中箭頭為工作流體流向。電滲泵二維陣列各個(gè)泵之間是并聯(lián)關(guān)系， 電滲泵三維陣列各層之間是串聯(lián)關(guān)系。若電滲泵二維陣列含有200個(gè)泵，二維陣列輸出 流量為單個(gè)電滲泵的200倍，輸出壓強(qiáng)與單個(gè)電滲泵相同。若電滲泵三維陣列由10層構(gòu) 成，三維陣列輸出壓強(qiáng)為單個(gè)電滲泵的10倍，輸出流量與二維陣列相同。本實(shí)施例的硅基微型電滲泵三維陣列，按照下述常規(guī)工藝制備首先將硅片進(jìn) 行研磨和拋光，減薄硅片厚度和提高表面平整度。然后將掩膜版的圖形轉(zhuǎn)移到硅片表 面，利用光源選擇性照射光刻膠層使其化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，顯影后去除相應(yīng)的光刻膠得 到相應(yīng)的圖形。光刻得到的圖形作為后續(xù)工藝的掩膜進(jìn)一步對(duì)光刻暴露的位置進(jìn)行干法 蝕刻得到高深寬比微槽，然后在玻璃蓋上制作出薄膜電極?？梢圆捎脽岱纸夥椒?，利用 氮?dú)?、氨氣、硅烷氣體作為氣源在硅片上直接進(jìn)行氮化硅鈍化薄膜的淀積制備鈍化層， 提高器件的穩(wěn)定性能。在完成上述步驟后，就獲得了硅基電滲泵的二維結(jié)構(gòu)，然后再通過大面積對(duì)準(zhǔn) 陽極鍵合適當(dāng)?shù)亩S結(jié)構(gòu)就可以獲得電滲泵的三維結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求1.一種硅基微型電滲泵三維陣列，其特征在于，材料采用硅基，結(jié)構(gòu)由電滲泵微槽5構(gòu)成的流體通道、入水口6及玻璃蓋板上的薄膜電極4構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的電滲泵三維陣列，其特征在于，所述的電滲泵微槽5具有 高深寬比結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的電滲泵三維陣列，其特征在于，三維陣列可由二維陣列層疊形成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種硅基微型電滲泵三維陣列。包括單個(gè)微泵、微泵二維陣列、三維陣列的結(jié)構(gòu)。二維陣列包括由硅基構(gòu)組成的框體，其特征在于，在硅基上干法蝕刻技術(shù)刻蝕出的高寬比二維陣列微槽構(gòu)成電滲流微通道以及進(jìn)出水口。然后在玻璃蓋上制作出薄膜電極。通過大面積對(duì)準(zhǔn)陽極鍵合適當(dāng)?shù)亩S陣列得到硅基微型電滲泵三維陣列。本實(shí)用新型硅基電滲泵三位陣列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成到微通道冷卻系統(tǒng)中，極大提高了冷卻效率。
文檔編號(hào)B81C3/00GK201802574SQ20092024305
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月3日
發(fā)明者馮月暉, 劉婷婷, 周玲, 孟凡超, 楊濤, 梁晉濤, 白竹川, 譚先吉, 韓賓, 高楊 申請(qǐng)人:西南科技大學(xué)