本發(fā)明涉及壓電超聲泵，尤其是涉及一種MEMS壓電超聲泵。

背景技術(shù)：

壓電效應(yīng)是某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems,簡(jiǎn)稱MEMS)是上世紀(jì)80年代以來在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺(tái)，最初是追求將微電子電路與作為傳感或驅(qū)動(dòng)用的微機(jī)械結(jié)構(gòu)集成在一起而構(gòu)成微系統(tǒng)，現(xiàn)在已發(fā)展成為一個(gè)多學(xué)科交叉的既有工程技術(shù)應(yīng)用又有前沿科學(xué)與技術(shù)探索的新領(lǐng)域，涉及微電子、材料、機(jī)械學(xué)、力學(xué)、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等諸多學(xué)科。經(jīng)過二十幾年的快速發(fā)展，基于MEMS技術(shù)的許多器件如微型壓力傳感器、微加速度計(jì)、微噴墨打印頭等已成功應(yīng)用于汽車電子、消費(fèi)電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

MEMS工藝與傳統(tǒng)的IC工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光工藝等。復(fù)雜的三維微機(jī)械結(jié)構(gòu)難以用IC工藝實(shí)現(xiàn)，必須采用MEMS微加工技術(shù)制造。

MEMS微加工技術(shù)主要包括體硅微加工技術(shù)和表面微加工技術(shù)。體硅加工技術(shù)是指沿著硅襯底的厚度方向?qū)枰r底進(jìn)行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝，通過在犧牲層薄膜上沉積結(jié)構(gòu)層薄膜，然后去除犧牲層釋放結(jié)構(gòu)層實(shí)現(xiàn)可動(dòng)結(jié)構(gòu)。MEMS技術(shù)還有其他許多特殊的微加工技術(shù)，應(yīng)用在不同場(chǎng)合。

壓電泵分為壓電薄膜泵與壓電超聲泵，壓電超聲泵在原理上不同于當(dāng)前各種微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲振動(dòng)，在輸送管道壁上激起行波，使管道內(nèi)的液體產(chǎn)生行波聲場(chǎng)，在雷諾切應(yīng)力、聲流、聲輻射壓力、管壁粘附力和液體分子間的作用力共同作用下，使液體沿行波方向運(yùn)動(dòng)，是一種新的微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

公開號(hào)為US 4344743A的美國(guó)專利公開了一種壓電驅(qū)動(dòng)的薄膜泵，其腔室主要由一個(gè)彎曲的超薄的壓電薄膜圓片組成，壓電薄膜因施加電壓的變化而伸縮，使腔室體積變化，從而驅(qū)動(dòng)流體的流動(dòng)。公開號(hào)為US 6450773 B1的美國(guó)專利公開了一種壓電真空泵及其使用方法，其本質(zhì)仍然是利用壓電薄膜組成的腔體在電信號(hào)的施加下，通過改變其容積從而提供驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)真空。公開號(hào)為EP 2101060的歐洲專利公開了一種壓電超聲泵，主要是一個(gè)流體管，內(nèi)部中空，流體管內(nèi)有壓電驅(qū)動(dòng)器，壓電驅(qū)動(dòng)器前方是錐形的噴頭。壓電驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)多孔的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，頂上的壓電片與電源相連，電源施加交流電使壓電片振動(dòng)，當(dāng)頻率與壓電驅(qū)動(dòng)器固有頻率相同時(shí)產(chǎn)生共振，使整個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器激發(fā)出超聲波，超聲波引起周圍流體的振蕩，錐形的噴頭使得流體易出難進(jìn)，從而驅(qū)動(dòng)了流體流動(dòng)。近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)壓電超聲泵的研究也逐漸增多。中國(guó)專利CN 101000050A公開了一種半鈸型吸入式壓電超聲泵，主要包括，泵殼、密封膠圈、以及驅(qū)動(dòng)部件，因采用半鈸型驅(qū)動(dòng)部件，在超聲頻率的信號(hào)源激勵(lì)下，將壓電陶瓷徑向小幅超聲振動(dòng)放大為半鈸型金屬彈性體平錐頂沿軸向的大幅超聲振動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)流體沿出水管道內(nèi)壁爬升，實(shí)現(xiàn)流體的驅(qū)動(dòng)。中國(guó)專利CN 102996418A公開一種能實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)的超聲流微泵，它由多個(gè)聲流微泵單元串接而成，每個(gè)聲流微泵單元的流體腔包括入口腔、出口腔、聲流腔和回流腔四部分形成H形腔體結(jié)構(gòu)。當(dāng)壓電驅(qū)動(dòng)器施加高頻正弦電壓時(shí)，底部壓電片產(chǎn)生振動(dòng)，近壓電片的聲流腔內(nèi)出現(xiàn)了高強(qiáng)度超聲場(chǎng)，它促使超聲場(chǎng)內(nèi)的液體沿著超聲波的行進(jìn)方向流動(dòng)，形成凈流動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積微小型化、流量大、可靠性高、適用于微流控裝置中的流體驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)CPU芯片與微器件及微系統(tǒng)的散熱、生物醫(yī)療中的給藥注射、航空航天中的測(cè)控等領(lǐng)域的一種MEMS壓電超聲泵。

本發(fā)明設(shè)有上硅片、下硅片、壓電陶瓷片；所述上硅片和下硅片結(jié)構(gòu)相同，上硅片和下硅片為圓環(huán)形，上硅片和下硅片上設(shè)有圓環(huán)形流道，上硅片和下硅片鍵合后形成MEMS壓電超聲泵的腔體；所述腔體設(shè)有入水口和出水口，壓電陶瓷片貼合在下硅片上，相鄰壓電陶瓷片有間隔，且極化方向相反；在壓電陶瓷片上下兩面施加振幅相同、相位差為90°的高頻交流電壓。

所述上硅片的外徑可為10mm，內(nèi)徑可為3mm，圓環(huán)形流道的寬度可為2mm，圓環(huán)形流道的深度可為0.8mm，上硅片和下硅片的高度可均為2mm。

所述入水口和出水口可采用矩形入水口和出水口。

所述壓電陶瓷片可采用PZT壓電陶瓷片，壓電陶瓷片可采用扇形壓電陶瓷片，所述扇形壓電陶瓷片的內(nèi)外徑與上硅片和上硅片相同，每片扇形壓電陶瓷片的圓心角可為10～90°，壓電陶瓷片的高度可為3mm，壓電陶瓷片的數(shù)量可為4～30片，優(yōu)選20片，壓電陶瓷片對(duì)應(yīng)的頻率可為352.12Hz，所以在壓電陶瓷片上施加的交流電的頻率為352.12Hz，相鄰的壓電陶瓷片相位差為90°，在此行波驅(qū)動(dòng)下，MEMS壓電超聲泵的驅(qū)動(dòng)流量可達(dá)103.8mm³/s。具體的PZT壓電陶瓷的片數(shù)由所設(shè)計(jì)的泵的超聲工作頻率確定。

本發(fā)明的基本工作原理為壓電效應(yīng)及其逆壓電效應(yīng)，本發(fā)明采用的壓電材料為壓電陶瓷PZT，在壓電陶瓷上施加電壓會(huì)產(chǎn)生位移，施加交流電壓時(shí)則會(huì)產(chǎn)生駐波波形，而施加振幅相同，相位差為90°的交流電壓時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生行波，從而驅(qū)動(dòng)泵內(nèi)流體流動(dòng)。

所述上硅片和下硅片可采用以下方法制備：

(1)硅片標(biāo)準(zhǔn)清洗；

(2)在硅片上鋪光刻膠，曝光后刻出壓電超聲泵的基本的內(nèi)部和外形結(jié)構(gòu)；

(3)采用低溫等離子刻蝕出壓電超聲泵的內(nèi)部和部分外形結(jié)構(gòu)；

(4)去膠和端面化學(xué)機(jī)械拋光；

(5)上硅片和下硅片直接鍵合；

(6)光刻出上硅片壓電超聲泵的外形和內(nèi)部的內(nèi)徑孔；

(7)刻蝕出上硅片壓電超聲泵完整的外形和內(nèi)部的內(nèi)徑；

(8)去膠；

(9)光刻出下硅片壓電超聲泵的外形和內(nèi)部的內(nèi)徑孔；

(10)刻蝕出下硅片壓電超聲泵完整的外形和內(nèi)部的內(nèi)徑；

(11)去膠并標(biāo)準(zhǔn)清洗后獲得完整的超聲壓電泵；

(12)采用強(qiáng)力膠，把壓電陶瓷片粘貼在下硅片的底部。

本發(fā)明利用壓電陶瓷片在交流電壓下振動(dòng)激發(fā)行波的原理來驅(qū)動(dòng)流體，泵的腔體采用MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)加工制造，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積微小型化，流量大，可靠性高，適用于微流控裝置中的流體驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)CPU芯片與微器件及微系統(tǒng)的散熱、生物醫(yī)療中的給藥注射、航空航天中的測(cè)控等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。

本發(fā)明不同于傳統(tǒng)機(jī)械泵，本發(fā)明借助壓電效應(yīng)，采用PZT壓電陶瓷激發(fā)的超聲波為驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)在于整體結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、體積更小、驅(qū)動(dòng)由電信號(hào)控制、靈敏度更高、驅(qū)動(dòng)過程易于調(diào)控、材料屈服強(qiáng)度高，故使用壽命更長(zhǎng)；驅(qū)動(dòng)流量更高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的上硅片和下硅片結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的PZT壓電陶瓷片的分布圖。

圖4本發(fā)明實(shí)施例的PZT壓電陶瓷片的極化圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1～4，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有上硅片1、下硅片2、壓電陶瓷片5；所述上硅片1和下硅片2結(jié)構(gòu)相同，上硅片1和下硅片2為圓環(huán)形，上硅片1和下硅片2上設(shè)有圓環(huán)形流道，上硅片1和下硅片2鍵合后形成MEMS壓電超聲泵的腔體；所述腔體設(shè)有入水口3和出水口4，壓電陶瓷片5貼合在下硅片2上，相鄰壓電陶瓷片5有間隔，且極化方向相反；在壓電陶瓷片5上下兩面施加振幅相同、相位差為90°的高頻交流電壓。

所述上硅片1的外徑為10mm，內(nèi)徑為3mm，圓環(huán)形流道的寬度為2mm，圓環(huán)形流道的深度為0.8mm，上硅片1和下硅片2的高度均為2mm。

所述入水口3和出水口4采用矩形入水口和出水口。

所述壓電陶瓷片5采用PZT壓電陶瓷片，壓電陶瓷片5采用扇形壓電陶瓷片，所述扇形壓電陶瓷片的內(nèi)外徑與上硅片1和上硅片2相同，每片扇形壓電陶瓷片的圓心角為10～90°，壓電陶瓷片5的高度為3mm，壓電陶瓷片5的數(shù)量為20片，壓電陶瓷片5對(duì)應(yīng)的頻率為352.12Hz，所以在壓電陶瓷片5上施加的交流電的頻率為352.12Hz，相鄰的壓電陶瓷片5相位差為90°，在此行波驅(qū)動(dòng)下，MEMS壓電超聲泵的驅(qū)動(dòng)流量達(dá)103.8mm³/s。具體的PZT壓電陶瓷的片數(shù)由所設(shè)計(jì)的泵的超聲工作頻率確定。

本發(fā)明的基本工作原理為壓電效應(yīng)及其逆壓電效應(yīng)，本發(fā)明采用的壓電材料為壓電陶瓷PZT，在壓電陶瓷上施加電壓會(huì)產(chǎn)生位移，施加交流電壓時(shí)則會(huì)產(chǎn)生駐波波形，而施加振幅相同，相位差為90°的交流電壓時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生行波，從而驅(qū)動(dòng)泵內(nèi)流體流動(dòng)。

在壓電陶瓷片5上下兩面施加振幅相同、相位差為90°的高頻交流電壓，由于逆壓電效應(yīng)PZT壓電陶瓷片5產(chǎn)生形變，激發(fā)行波，行波驅(qū)動(dòng)泵內(nèi)流體流動(dòng)，施加交流電的頻率不同，激發(fā)的行波形態(tài)也不同。

以下給出具體工藝過程，其中選用大小為4英寸，厚度為500μm的P(100)硅片為基底：

(1)硅片標(biāo)準(zhǔn)清洗：硅片在涂膠前需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗，以有效去除殘留在硅片表面的有機(jī)、無機(jī)和金屬顆粒。

(2)以SU8-25為光刻膠光刻出壓電超聲泵的內(nèi)部和外形結(jié)構(gòu)，膠層厚約為50μm；

(3)采用低溫等離子刻蝕出壓電超聲泵的內(nèi)部和部分外形結(jié)構(gòu)，SF6流速為130sccm，RF功率為1000W，刻蝕深度為400μm。硅片的刻蝕速率約為2μm/min，硅片和SU8-25光刻膠刻蝕速率選擇性比為50︰1；

(4)去膠和端面化學(xué)機(jī)械拋光：采用發(fā)煙硫酸來去除殘余SU8-25膠模。在發(fā)煙硫酸的刻蝕作用下，交聯(lián)SU8-25膠模表面被腐蝕成粘稠狀的小碎片，然后再置于H₂SO₄和H₃PO₄的混合酸中反復(fù)超聲清洗數(shù)次。為提升后續(xù)的鍵合質(zhì)量和強(qiáng)度，采用化學(xué)機(jī)械拋光對(duì)端面進(jìn)行粗拋和精拋，拋光后表面粗糙度小于1nm。

(5)下硅片直接鍵合：鍵合前硅片進(jìn)行清洗，其中鍵合壓力為2000N，退火溫度為1000℃，退火時(shí)間為60min。

(6)光刻出上硅片壓電超聲泵的外形和內(nèi)部的內(nèi)徑孔；

(7)刻蝕出上硅片壓電超聲泵完整的外形和內(nèi)部的內(nèi)徑，刻蝕深度為100μm；

(8)去膠；

(9)光刻出下硅片壓電超聲泵的外形和內(nèi)部的內(nèi)徑孔；

(10)刻蝕出下硅片壓電超聲泵完整的外形和內(nèi)部的內(nèi)徑，刻蝕深度為100μm；

(11)去膠并標(biāo)準(zhǔn)清洗后獲得完整的超聲壓電泵；

(12)采用強(qiáng)力膠，如502膠，將壓電陶瓷片粘貼在下硅片的底部。