【摘 要】本文設(shè)計(jì)制作了一種由PZT驅(qū)動(dòng)的無(wú)閥微型泵，和由微溝道組成的微流量控制系統(tǒng)。其中無(wú)閥單向閥是由等腰梯形擴(kuò)散/收縮管組成，泵腔采用圓形設(shè)計(jì)，直接切除成圓形驅(qū)動(dòng)腔彌補(bǔ)了利用腐蝕工藝制作圓形難以實(shí)現(xiàn)的不足。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件IntelliSuite對(duì)制作工藝的模擬，確定了無(wú)閥型微泵、擴(kuò)散/收縮管微閥和微溝道的制作方案。采用MEMS工藝制作出所設(shè)計(jì)的部件并組裝完成微流量系統(tǒng)。同時(shí)引用多方文獻(xiàn)分析了擴(kuò)散管的角度、長(zhǎng)度和最小口寬度分別對(duì)擴(kuò)散管整流效率的影響，優(yōu)化了無(wú)閥型單向閥擴(kuò)散/收縮管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)進(jìn)一步提升微泵的性能奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】微流量系統(tǒng) 微泵 微溝道 擴(kuò)散/收縮管

一、緒論

（一）MEMS

微電子機(jī)械系統(tǒng) MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的縮寫，它是以微電子、微機(jī)械及材料科學(xué)為基礎(chǔ)，研究、設(shè)計(jì)、制造可批量生產(chǎn)、集電子元件與機(jī)械器件于一體的微小系統(tǒng)。完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊電路和電源部件組成的一體化微系統(tǒng)，其目標(biāo)是把信息的獲取和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，MEMS的制作主要基于兩大技術(shù)：IC技術(shù)（Integrate Circuit）和微機(jī)械加工技術(shù)（Micromaching），其中IC技術(shù)即為普通集成電路制造技術(shù)，而微機(jī)械加工技術(shù)是為微傳感器、微執(zhí)行器和微電子機(jī)械系統(tǒng)制造微機(jī)械部件和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵加工技術(shù)，它是在IC工藝上發(fā)展起來(lái)的，主要包括體微機(jī)械加工技術(shù)、表面微機(jī)械加工技術(shù)、LIGA技術(shù)（利用X光深層曝光、電鑄、機(jī)械加工）、準(zhǔn)LIGA技術(shù)（改進(jìn)的LIGA技術(shù)，采用傳統(tǒng)深紫外線曝光、厚光刻膠作掩膜和電鑄技術(shù)，與IC工藝兼容性好）、微機(jī)械組裝技術(shù)。

（二）微流量系統(tǒng)

微流動(dòng)系統(tǒng)作為微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，近年來(lái)取得了很大的進(jìn)展。微流動(dòng)系統(tǒng)是由微型泵、微型閥、微型傳感器、微溝道、微制動(dòng)器等微型流動(dòng)元件組成的，可進(jìn)行微量流體的壓力、流量和方向控制及成分分析的微電子機(jī)械系統(tǒng)。作為微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)較大分支，微流動(dòng)系統(tǒng)同樣具有集成化和大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，同時(shí)由于尺寸微小，可減小流動(dòng)系統(tǒng)中的無(wú)效體積，降低能耗和試樣用量，而且響應(yīng)快，因此有著廣泛的應(yīng)用前景；如液體和氣體流量配給、化學(xué)分析、微型注射和藥物傳送、集成電路的微冷卻、微小型衛(wèi)星的推進(jìn)等。微流動(dòng)系統(tǒng)是現(xiàn)在過(guò)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

（三）微泵

微型泵作為微流體系統(tǒng)中的主要執(zhí)行器件，是表征微流體系統(tǒng)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。最早的微型泵是荷蘭Twente大學(xué)研制的熱氣動(dòng)薄膜泵（日本東北大學(xué)同一時(shí)期也研制出壓電致動(dòng)薄膜泵）目前，微型泵的研究無(wú)論是從工作原理等理論角度，還是從加工工藝等實(shí)踐方面都已經(jīng)有了較大進(jìn)步。微泵的類型多種多樣，按驅(qū)動(dòng)方式可分為壓電致動(dòng)式、氣動(dòng)式、熱氣動(dòng)式、熱機(jī)械驅(qū)動(dòng)式以及靜電致動(dòng)式；按工作過(guò)程可分為往復(fù)式、蠕動(dòng)式、電氣液力式以及超聲波式。泵體結(jié)構(gòu)也有多種選擇。泵體的制備工藝和材料選擇也發(fā)展得很迅速，如LICA技術(shù)，DEM技術(shù)、高性能、低成本的塑料熱壓成型技術(shù)，甚至傳統(tǒng)的塑料材料及其工藝都可用來(lái)制作泵體。另外，微泵根據(jù)其有無(wú)可動(dòng)閥片可分為有閥型微泵和無(wú)閥型微泵。有閥型微型泵往往基于機(jī)械驅(qū)動(dòng)，原理簡(jiǎn)單，制造工藝成熟，易于控制；而無(wú)閥型微型泵則常常利用流體在微尺下的新特性，原理新穎，更適于微型化，具有更大的發(fā)展前景。

（四）微溝道

目前，為流量控制系統(tǒng)的研究主流是單片集成式，主要采用MEMS技術(shù)進(jìn)行制作，為了提高微流量系統(tǒng)的性能，對(duì)MEMS系統(tǒng)中微溝道內(nèi)流體阻力的研究從未間斷過(guò)，最近的研究主要集中于不同形狀的微溝道轉(zhuǎn)角的流體阻力和直流溝道內(nèi)微突起的阻力情況。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，微流量系統(tǒng)的尺寸越來(lái)越小，由微米量級(jí)到納米量級(jí)。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到微米以后，不是傳統(tǒng)的流體驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單的幾何縮小，兩者在建模和仿真上存在很大差別。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：多能量域耦合所帶來(lái)的多學(xué)科交叉滲透。由于微流體的致動(dòng)方式有：電磁致動(dòng)、靜電致動(dòng)、壓電致動(dòng)、形狀記憶合金致動(dòng)、熱致動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)致動(dòng)、表面張力致動(dòng)、離心力致動(dòng)等。各種物理場(chǎng)如機(jī)械、流體、電子、熱、光、磁等相互作用，形成力-電-磁-熱等耦合的非線性系統(tǒng)，增加了建模和仿真的復(fù)雜性；尺度效應(yīng)所引起的作用力的變化。當(dāng)尺度減小時(shí)，微流體器件的表面積與體積之比大大增加，與體積力相比，表面力起主要作用，表面力成為微流動(dòng)系統(tǒng)中摩擦力的主要來(lái)源；材料特性的變化。當(dāng)材料尺寸小到一定程度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)與大尺寸材料截然不同的性能。又由于制備方法的不同，還會(huì)引起材料性能的差異，如抗拉強(qiáng)度，斷裂韌性和殘余應(yīng)力等均有變化。對(duì)于宏觀力學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)典的牛頓力學(xué)和流體力學(xué)理論是建立微流動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。由于特征長(zhǎng)度微小化產(chǎn)生的尺度效應(yīng)，使得微流動(dòng)系統(tǒng)中的慣性作用相對(duì)較弱。本設(shè)計(jì)中的微溝道是在微米量級(jí)，對(duì)于微米級(jí)和毫米級(jí)的微系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，經(jīng)典的牛頓力學(xué)和流體力學(xué)理論仍然是建立仿真模型的依據(jù)。就目前的技術(shù)水平而言，已有的微流動(dòng)系統(tǒng)還是屬于微米級(jí)和毫米級(jí)的，因此，建立在經(jīng)典牛頓力學(xué)和流體力學(xué)基礎(chǔ)上的動(dòng)力學(xué)模型仍占有主導(dǎo)地位。

（五）本設(shè)計(jì)的背景和意義

從20世紀(jì)80年代開始，微機(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)逐步的從實(shí)驗(yàn)室探索時(shí)期走向工業(yè)化應(yīng)用階段。微流動(dòng)系統(tǒng)是MEMS的一個(gè)重要的分支，是構(gòu)成大多數(shù)微系統(tǒng)中感應(yīng)元件和執(zhí)行器件的主要組成部分，它包括微傳感器、微泵、微閥、微噴和通道等。微流量系統(tǒng)同樣具有集成化和批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，同時(shí)由于尺寸小，可減小流動(dòng)系統(tǒng)中的無(wú)效體積，降低能耗和試劑用量。而且響應(yīng)快，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。如在微流體供給和控制、藥物的微量注射、微量元素分析、芯片冷卻系統(tǒng)等方面將有重要應(yīng)用。

目前微型泵的研究無(wú)論從工作原理等理論角度還是從加工工藝等實(shí)踐方面都有了進(jìn)一步的發(fā)展。微泵作為一個(gè)重要的微流動(dòng)執(zhí)行器件，是微流動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。微泵根據(jù)其有無(wú)可動(dòng)閥片可分為有閥型微泵和無(wú)閥型微泵。有閥型微泵往往基于機(jī)械驅(qū)動(dòng)，原理簡(jiǎn)單，制造工藝成熟，易于控制，是目前應(yīng)用的主流；無(wú)閥微泵則常常利用流體在微尺下的新特性，原理比較新穎，更適于微型化，具有更大的發(fā)展前景。

收縮管/擴(kuò)張管型微泵是比較典型的微泵，也是最近幾年研究的熱點(diǎn)，它以收縮和擴(kuò)張的不同形狀的通道代替了單向閥，利用因流道不對(duì)稱性引起的壓力損失的不對(duì)稱性來(lái)實(shí)現(xiàn)流體的輸送。使用壓電片作為驅(qū)動(dòng)，壓電片是一種具有電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的器件，被廣泛應(yīng)用與微機(jī)械系統(tǒng)中。

傳統(tǒng)的微泵一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用多晶硅片致使加工成本過(guò)高鍵合的次數(shù)也增多了，精度的對(duì)準(zhǔn)也降低了，同時(shí)，整體制作工藝繁瑣，受到加工工藝和加工準(zhǔn)確度的限制，導(dǎo)致效率和可靠性不高，因此簡(jiǎn)化微泵的結(jié)構(gòu)和制作工藝、降低成本，有利于微泵的批量生產(chǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的前景。

（六）本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

1.本次設(shè)計(jì)采用收縮管/擴(kuò)張管型無(wú)閥泵，利用收縮管/擴(kuò)張管中流阻的差異制作出微小型無(wú)閥薄膜泵。因收縮管/擴(kuò)張管壓力損失系數(shù)的差異，從而使得在相同壓差下流過(guò)兩種管道的流量不同，無(wú)閥泵正是利用這一性能而實(shí)現(xiàn)流體的定向輸送。使用<100>晶面，利用異向腐蝕工藝制作出硅微收縮管/擴(kuò)張管及無(wú)閥泵基片。并在Si片上面腐蝕出需要的溝道。泵腔的另一側(cè)使用壓電片作為驅(qū)動(dòng)。

2.用MEMS設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)及分析，確定尺寸，進(jìn)行工藝的模擬。得出可行性結(jié)果及設(shè)計(jì)版圖。設(shè)計(jì)中采用的圓形泵腔，直徑為10mm，擴(kuò)散管/收縮管長(zhǎng)度為5000μm，最大開口為600μm，三角形頂角≈7o。

3.進(jìn)行實(shí)際的工藝制作。

二、微流量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理

本次設(shè)計(jì)的微流量控制系統(tǒng)是由擴(kuò)散管型無(wú)閥微泵、壓電驅(qū)動(dòng)器、和微溝道組成。微泵的泵腔采用的是圓形泵腔，泵腔和壓電片同等面積條件下圓形的形變大于方形。然而由于使用KOH腐蝕是存在各向異性，圓形泵腔難以實(shí)現(xiàn)。為了取得更好的效果，我們采用圓形泵腔。同時(shí)為了克服腐蝕中存在的各向異性，我們對(duì)泵腔采用切割技術(shù)。擴(kuò)散管的設(shè)計(jì)采用的是三角形設(shè)計(jì)，在模擬過(guò)程中我們會(huì)看到三角形設(shè)計(jì)在腐蝕過(guò)程中，在控制好腐蝕時(shí)間的情況下，由于頂角的缺損，我們得到梯形截面。這樣的設(shè)計(jì)優(yōu)于我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)就采用梯形設(shè)計(jì)。平面無(wú)閥微泵中擴(kuò)散管的最優(yōu)角度為7°，擴(kuò)散管長(zhǎng)度最大不得超過(guò)5000μm。在設(shè)計(jì)掩膜版時(shí)，受最小尺寸的限制，我們?cè)O(shè)計(jì)中采用的是寬口寬度600μm。長(zhǎng)度5000μm。我們?cè)O(shè)計(jì)的微泵結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。 微溝道中我們采用的是寬度250μm。使用壓電片作為驅(qū)動(dòng)。

圖2-1 微泵的結(jié)構(gòu)示意圖

（一）無(wú)閥型微泵的工作原理

在微流量系統(tǒng)中，我們需要實(shí)現(xiàn)流體的定向流動(dòng)。無(wú)閥微泵利用因流道不對(duì)稱性引起的壓力損失的不對(duì)稱性來(lái)實(shí)現(xiàn)了流體的定向輸送。無(wú)閥型微泵的基本工作原理如圖2-1所示。其工作狀態(tài)分為“供水狀態(tài)”和“排水狀態(tài)”：泵腔體積增大時(shí)是“供水狀態(tài)”，從擴(kuò)散管流入泵腔的流量大于從收縮管輸出口流入泵腔的流量，因而產(chǎn)生凈的入水量；泵腔體積減小時(shí)是“排水狀態(tài)”，原來(lái)的收縮管變成擴(kuò)散管，而原來(lái)的擴(kuò)散管變?yōu)槭湛s管，從擴(kuò)散管流出的流量比從收縮管流出的多，因而產(chǎn)生凈的出水量。泵腔容積如此周期性變化，就會(huì)使流體不斷地產(chǎn)生單向流動(dòng)。

（二）壓電片的工作原理

微驅(qū)動(dòng)器作為一種換能器，它將電、光、熱等多種形式的能量轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能輸出。因此，它有多種不同的工作原理和結(jié)構(gòu)形式.若從能量轉(zhuǎn)換形式分類，有靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)、光驅(qū)動(dòng)、凝膠驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)以及超導(dǎo)驅(qū)動(dòng)等形式。若按其輸出運(yùn)動(dòng)的形式分類，則有線位移式、回轉(zhuǎn)式和尺蠖式等。

設(shè)計(jì)中采用壓電片做驅(qū)動(dòng)，壓電片是一種具有電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換的器件，被廣泛用于微機(jī)械系統(tǒng)。

壓電驅(qū)動(dòng)的工作原理是基于壓電體具有逆壓電效應(yīng)（如果將一塊壓電晶體置于外電場(chǎng)中，由于電場(chǎng)的作用，會(huì)使壓電晶體發(fā)生形變，而形變的大小與外電場(chǎng)的大小成正比，當(dāng)電場(chǎng)撤除后，形變也消失了）：S=d33E（其中：S為應(yīng)變；d33為逆壓電系數(shù)；E為電場(chǎng)強(qiáng)度），即當(dāng)壓電體受電場(chǎng)作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生形變。與其他形式的驅(qū)動(dòng)相比，壓電驅(qū)動(dòng)具有的最大特點(diǎn)是為微米、納米量級(jí)的位移或運(yùn)動(dòng)提供了新手段和新途徑。同時(shí)，壓電驅(qū)動(dòng)具有線性好、控制方便、位移分辨率高、頻率響應(yīng)好、不發(fā)熱、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，所以，壓電驅(qū)動(dòng)已成為一種理想的微位移驅(qū)動(dòng)技術(shù)[8]。

（三）擴(kuò)散管尺寸的確定

為了優(yōu)化擴(kuò)散/收縮管的設(shè)計(jì)，取得更好的整流效率，我們研究下各項(xiàng)指數(shù)對(duì)擴(kuò)散管整流效率的影響。我們先引用一篇文獻(xiàn)[10]中的表格。

我們看到：在7°、13°、9.8°三個(gè)角度中，頂角為7°的擴(kuò)散/收縮管的整流效率最高。過(guò)外的多篇文獻(xiàn)也對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了論證。其中W1 為擴(kuò)散管的小口寬度，L為擴(kuò)散管的長(zhǎng)度，a為擴(kuò)散管的角度，￡為整流效率，￡越大，整流效率越好。

工藝過(guò)程中，因?yàn)镵OH在<100>晶向的腐蝕，三角形的擴(kuò)散管設(shè)計(jì)會(huì)在頂角產(chǎn)生損耗，從而可以得到一個(gè)梯形截面。我們可以通過(guò)調(diào)整腐蝕的條件進(jìn)一步改善擴(kuò)散管的各項(xiàng)系數(shù)。

（四）微溝道的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用的微溝道的寬度為250μm，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的尺寸在微米尺寸內(nèi)，因此，建立在經(jīng)典牛頓力學(xué)和流體力學(xué)基礎(chǔ)上的動(dòng)力學(xué)模型仍占有主導(dǎo)地位。我們不加以分析，我們只是觀察微流量系統(tǒng)的單向流動(dòng)性。

三、無(wú)閥微泵制作的計(jì)算機(jī)工藝模擬和制備

（一）計(jì)算機(jī)模擬

1.IntelliSuite系統(tǒng)

在實(shí)際中需要對(duì)工藝的工程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，以確定擴(kuò)散/收縮管的設(shè)計(jì)和多腐蝕工藝中濃度時(shí)間進(jìn)行控制達(dá)到最佳效果。模擬使用的是IntelliSense。IntelliSuite主要包括9個(gè)模塊：IntelliMask、IntelliFab、AnisE、3Dbuild、MEMaterial、Electrostatic、Mechanical、Electromechanical、Microfluidic。這里我們只用到IntelliMask、IntelliFab和AnisE三個(gè)模塊，因此下面介紹一下這三個(gè)模塊。

（1）掩膜設(shè)計(jì)模塊IntelliMask

在進(jìn)行MEMS器件的工藝、腐蝕模擬時(shí)，需要根據(jù)所設(shè)計(jì)器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的掩膜圖形設(shè)計(jì)。

（2）工藝設(shè)計(jì)模塊IntelliFab

工藝設(shè)計(jì)模塊是微系統(tǒng)設(shè)計(jì)所獨(dú)有的，包含微機(jī)械制造工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和加工工藝流程仿真。使用者可以從工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇合適的加工工藝，包括氧化、擴(kuò)散、離子注入、腐蝕、淀積和鍵合等工藝，在加工工藝流程中進(jìn)行模擬，為器件的實(shí)際工藝流程提供可靠的技術(shù)保證。此外還可以通過(guò)使用工藝流程仿真實(shí)現(xiàn)器件設(shè)計(jì)在三維投影上可視化。

（3） 腐蝕模塊AnisE

由于硅各向異性腐蝕的特點(diǎn)，使用常規(guī)的方法不能直接觀測(cè)最終的腐蝕結(jié)果，AnisE的目的就是用來(lái)模擬硅的各向異性腐蝕。這個(gè)模塊可以選擇腐蝕液的種類，修改腐蝕液的濃度、溫度、腐蝕時(shí)間以及數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)方向的腐蝕速率，最后還可以提供器件腐蝕后的三維立體結(jié)構(gòu)。利用AnisE的腐蝕模擬，可以觀察削角補(bǔ)償情況，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本。

2.工藝流程模擬

利用IntelliFab對(duì)泵腔及微溝道的工藝流程進(jìn)行模擬。模擬圖如圖3-1所。泵腔和微溝道的工藝模擬過(guò)程一致，只是所用的掩膜版不同。

圖3-1 擴(kuò)散管及微溝道的工藝過(guò)程模擬圖

3.腐蝕工藝模擬

采用AnisE腐蝕模塊，對(duì)無(wú)閥型微泵擴(kuò)散/收縮管的制作起決定性作用的各向異性腐蝕工藝進(jìn)行了軟件模擬。模擬程序及各項(xiàng)設(shè)置如圖3-2。

圖3-2 AnisE模擬程序圖

如圖所示。70℃時(shí)，在30%的KOH腐蝕液中腐蝕0.5小時(shí)。各向異性腐蝕結(jié)果可通過(guò)AnisE模塊給出的3D圖像，見圖3-3。

圖3-3 微泵整體腐蝕效果圖（溫度70℃，濃度30%，時(shí)間30min）

為了清楚的看到擴(kuò)散管的腐蝕效果，我們選其中一個(gè)擴(kuò)散管的全圖，腐蝕條件相同。效果圖如圖3-4所示。

圖3-4 左側(cè)擴(kuò)散管3D效果圖

我們對(duì)設(shè)計(jì)的溝道進(jìn)行模擬，溫度，濃度，腐蝕時(shí)間等條件相同，腐蝕效果圖如圖3-5所示。

圖3-5 微溝道的腐蝕效果圖

通過(guò)對(duì)腐蝕工藝的模擬我們可以得出設(shè)計(jì)的可行性。

（二）微流量系統(tǒng)的制作工藝

1.硅片的選擇：選用厚度為500μm的〈100〉單晶硅片，微泵的硅片尺寸選

擇30mm×30mm，溝道的硅片尺寸選擇20mm×20mm。

2.掩膜版的制作：本設(shè)計(jì)中我們使用掩膜光刻底片作為掩膜版，是使用P99SE繪制圖形后將圖形輸出到掩膜光刻底片上。將光刻底片固定在玻璃片上，要求底片和玻璃片清潔、無(wú)劃痕、無(wú)污點(diǎn)。

3.硅片的清洗：（1）使用濃硫酸煮沸，待硫酸冒白煙是停止加熱，冷卻后倒掉濃硫酸，使用去離子水清洗3遍。（2）使用1號(hào)液（氨水：過(guò)氧化氫：水=1：2：5）加熱至沸騰，倒掉殘液，使用去離子水清洗3遍。如此清洗3次。（3）使用2號(hào)液（鹽酸：過(guò)氧化氫：水=1：2：8）加熱至沸騰3分鐘，倒掉殘液，使用去離子水清洗3遍。如此清洗3次。

4.氧化工藝：將清洗完畢的硅片在1180℃的氧化爐中氧化。干氧20分鐘+濕氧40分鐘+干氧20分鐘。（氧化速率：干氧：5000?/30min，濕氧：8000?/60min。）得出SiO2厚度=7333?。

5.光刻工藝：（1）涂膠：將配制好的光刻膠（負(fù)性光刻膠）涂布在硅片氧化層表面上，要求涂布好的一薄層膠均勻而且無(wú)針孔。本設(shè)計(jì)中采用旋轉(zhuǎn)涂膠法，卡盤轉(zhuǎn)速為1000-3000轉(zhuǎn)/分。（2）前烘：將涂好膠的硅片放在80℃的烘箱中烘15-20分鐘。（3）曝光：選擇預(yù)先準(zhǔn)備好的掩膜版，防在光刻機(jī)上，硅片表面同掩膜版應(yīng)緊密接觸。曝光時(shí)間應(yīng)很好控制，一般為20秒。（4）顯影：將經(jīng)過(guò)曝光以后的硅片放在有機(jī)溶劑中，是沒有曝光的這部分膠溶解掉.本設(shè)計(jì)中采用丁酮作為顯影液，將曝光后的硅片放在第一個(gè)稱量瓶中，約一分鐘后取 出放入第二個(gè)稱量瓶中，約一分鐘后取出。這樣容易使膠去除干凈。最后放入丙酮中，把硅片表面殘留的顯影液漂洗干凈。（5）堅(jiān)膜：經(jīng)過(guò)顯影合格的硅片就可以進(jìn)行堅(jiān)膜了，因?yàn)楦踢^(guò)程中對(duì)表面裸露的二氧化硅具有腐蝕的作用，本設(shè)計(jì)中先用光刻膠涂布于硅片表面不需要腐蝕的地方。再進(jìn)行堅(jiān)膜。堅(jiān)膜是把硅片放入200℃的烘箱中烘20分鐘。（6）腐刻：腐刻是將硅片放在腐蝕液中，（本設(shè)計(jì)中使用的腐蝕液是氫氟酸+氟化氨+去離子水=8毫升+6毫升+10毫升在水浴30℃）使裸露部分的二氧化硅腐蝕掉。

6.去膠：除去表面殘留的光刻膠。本設(shè)計(jì)中使用的是熱氧化去膠的方法。即用濃H2SO4 煮沸5分鐘，待冷卻后清洗。

7.腐蝕：使用30%KOH腐蝕液，在70℃溫度下進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間30分鐘。腐蝕速率：（100） 44.79micron/h，（110） 68.62 micron/h，（111） 0.98micron/h。微溝道的制作工藝與微泵的制作工藝基本相同，只是所用的掩膜版不同。將腐蝕后的硅片清洗，使用物理切割的方法制作出直徑為10mm的圓形泵腔，泵腔打透硅片。將玻璃片對(duì)應(yīng)出水口位置使用玻璃鉆打孔，將玻璃片與微泵帶有擴(kuò)散管的一側(cè)粘合，硅片的出水口與玻璃片的出水口對(duì)應(yīng)。在硅片的另一側(cè)圓形泵腔處粘合壓電片。同樣，把微溝道的硅片與帶有出水孔的玻璃片粘合。這樣，一個(gè)簡(jiǎn)易的微流量控制系統(tǒng)就制作完成了。

四、結(jié)論

本文主要介紹了微流量控制系統(tǒng)中主要部件如擴(kuò)散管/收縮管型硅微泵、微溝道的設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)模擬及制作工藝。采用多篇文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)對(duì)擴(kuò)散管的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)的模擬過(guò)程幫助我們?cè)跊]有實(shí)際制作時(shí)就了解了部件的性能，并在模擬中對(duì)我們的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性的同時(shí)，也為實(shí)際制作提供了參考。我們按照計(jì)算機(jī)模擬的程序進(jìn)行了實(shí)際的工藝制作，最終完成了微流量控制系統(tǒng)的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉虹，劉潔，楊立峰.MEMS的應(yīng)用及發(fā)展前景[J].云南電大學(xué)報(bào).2003，5（3）：61-62

[2]尹執(zhí)中，胡桅林，過(guò)增元.微流動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展概況[J].流體機(jī)械.2000，28（4）：33-36

[3]王沫然，李志信.基于MEMS的微泵研究進(jìn)展[J].傳感器技術(shù).2002，21（6）：59-61

[4]陸峰，謝里陽(yáng).微型泵的加工技術(shù)及應(yīng)用[J].流體機(jī)械.2005，33（6）：29-34

[5]Van Lintel HTG，Van De Pol FCM，Bouwstra S.A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon[J].Sensors and Actuators.1988，15：153-167