專(zhuān)利名稱(chēng)：用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)器及其制造方法，具體是一種用 于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器及其制造方法。
技術(shù)背景近年來(lái)，生物芯片技術(shù)已經(jīng)得到了越來(lái)越多人們的關(guān)注，它在生物學(xué)、醫(yī)學(xué) 基礎(chǔ)研究、疾病診斷、新藥開(kāi)發(fā)、農(nóng)作物良種選育、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督、 環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)防、航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其代表技術(shù)產(chǎn)物是基于芯 片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-chip)的微型全分析系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的特征是利用微電子、 微機(jī)械、化學(xué)、物理以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，將生命科學(xué)研究中的樣品檢測(cè)、分析過(guò) 程實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、集成化、微型化。這就尤其需要組成系統(tǒng)的每個(gè)部件都要盡可 能的簡(jiǎn)單小型并適合于大量的集成。比如，在一塊很小的芯片上要集成過(guò)濾器、 反應(yīng)室、微泵、微閥門(mén)等許多微結(jié)構(gòu)。同時(shí)在另一方面，基于微米、納米技術(shù) 發(fā)展起來(lái)的微機(jī)電系統(tǒng)，由于是高度集成的光機(jī)電一體化系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器是系統(tǒng) 不可分割的一部分，如微流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由迂回型密集微溝道、微流量傳感器、 微型驅(qū)動(dòng)器、微接口等組成，并集成/裝配在一起。整個(gè)系統(tǒng)還要有專(zhuān)用的信號(hào) 處理及驅(qū)動(dòng)電路，用于對(duì)微驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入智能化驅(qū)動(dòng)，這不僅易于微裝備實(shí)現(xiàn)微 系統(tǒng)集成化，而且利于在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)微流體的流動(dòng)指標(biāo)。微流動(dòng)系統(tǒng)是MEMS的一個(gè)重要分支，微泵作為一個(gè)重要的微流動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí) 行器件，是其發(fā)展水平的重要標(biāo)志。微型泵根據(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)閥型微泵則常常利用流體在微尺度下的新特 性，原理比較新穎，更適于微型化，具有更大的發(fā)展前景。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，發(fā)表在Sensors and Actuators A 70(1998) 98-103 (《傳感器與驅(qū)動(dòng)器》1998年A巻70期98-103頁(yè))上的《A novelmicromachined pump based on thick—film piezoelectric actuation》(《一 種基于厚膜壓電驅(qū)動(dòng)的微型泵》)提出了一種在硅基底上制作厚膜PZT作為壓電 驅(qū)動(dòng)層的壓電式微型泵，它的工作原理是依靠PZT層的壓電彎曲形變來(lái)驅(qū)動(dòng)的。 這種驅(qū)動(dòng)膜大小為8ira^4mm+70um ，微泵在200HZ， 600V的正弦電壓下，最大流 量122iU/min 。這種壓電微泵的缺點(diǎn)是工作電壓較高，而工作頻率低，不適合 精確控制，并且限于壓電膜的復(fù)雜制作工藝，不適合進(jìn)行大規(guī)模批量生產(chǎn)?，F(xiàn)在，聲表面波(SAW)技術(shù)用于設(shè)計(jì)微傳感器與微驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用越來(lái)越得到 研究者的重視。SAW器件特點(diǎn)是體積小、重量輕；設(shè)計(jì)靈活方便。器件的幅度和 相位可分別設(shè)計(jì)，這大大提高了其設(shè)計(jì)的靈活性；SAW器件制造采用半導(dǎo)體平面 工藝，適于批量生產(chǎn)，性?xún)r(jià)比高；重復(fù)性好、可靠性高；工作頻率髙。但由于 與MEMS技術(shù)和驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的結(jié)合不足，至今還沒(méi)有真正方便、實(shí)用、有效的SAW 微驅(qū)動(dòng)器。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面 波微流體驅(qū)動(dòng)器及其制造方法，使其將聲表面波技術(shù)與MEMS技術(shù)和驅(qū)動(dòng)器技術(shù) 的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)真正方便、實(shí)用、有效的SAW驅(qū)動(dòng)的微驅(qū)動(dòng)器，應(yīng)用于微流 體系統(tǒng)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所涉及的用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器，包括基底、叉 指換能器(IDT)和微流體溝道。其中，基底是12S。 Y-X的鈮酸鋰單晶體，其上是 相互交叉的叉指電極(IDE)形成的叉指換能器，與基底結(jié)合的微流體溝道是由 PDMS (聚二甲基硅氧烷)材料微加工而成。所述叉指換能器為浮動(dòng)電極型單向換能器，即在現(xiàn)有叉指換能器正負(fù)電極之 間設(shè)置了條型和U型浮動(dòng)電極。本發(fā)明上述驅(qū)動(dòng)器工作原理是叉指換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波信號(hào)，在鈮 酸鋰單晶體表面產(chǎn)生的聲表面波沿表面?zhèn)鞑ィ榷?qū)動(dòng)上面的流體運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的叉指換能器采用浮動(dòng)電極型單向換能器結(jié)構(gòu)設(shè)^"來(lái)實(shí)現(xiàn)微流體的單方向驅(qū) 動(dòng)。這種換能器不同于一般的對(duì)稱(chēng)式叉指換能器，在正負(fù)電極之間設(shè)置了條型 和U型浮動(dòng)電極，從而導(dǎo)致浮動(dòng)電極型單向換能器電極產(chǎn)生的聲表面波左右波強(qiáng)不等，所以該結(jié)構(gòu)在加電后會(huì)表現(xiàn)出單向驅(qū)動(dòng)性，其上流體會(huì)隨著聲表面波較 高波強(qiáng)的傳播方向流動(dòng)。本發(fā)明所涉及的用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器的制造方法，具體 包括如下步驟① 浮動(dòng)電極型單向換能器的加工；② 微流體溝道的微加工；③ 基底與微流體溝道的結(jié)合。所述的浮動(dòng)電極型單向換能器的加工，具體為首先，在鈮酸鋰基底上濺射 一層A1。其次，在A1層上涂敷光刻膠，進(jìn)行光刻形成光刻膠圖形。然后，對(duì)A1 進(jìn)行刻蝕。最后去除光刻膠得到浮動(dòng)電極型單向換能器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在正負(fù) 電極之間，配置了浮動(dòng)電極，它在加電后會(huì)表現(xiàn)出單向驅(qū)動(dòng)性，其上流體會(huì)隨 著聲表面波較高波強(qiáng)的傳播方向流動(dòng)。所述的微流體溝道的微加工，具體為首先，在Si基底上濺射一層Al。其次， 用Al形成Si的ICP-RIE (感應(yīng)耦合反應(yīng)離子刻蝕)刻蝕的掩模圖案。接著，對(duì)Si 進(jìn)行ICP-RIE (感應(yīng)耦合反應(yīng)離子刻蝕)刻蝕和對(duì)A1進(jìn)行刻蝕得到微流體溝道的 互補(bǔ)模型。最后用PDMS (聚二甲基硅氧烷)涂敷模型得到PDMS (聚二甲基硅氧 烷)微流體溝道。所述基底與微流體溝道的結(jié)合通過(guò)粘合劑實(shí)現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明是可以用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器， 它的原理是利用聲表面波在鈮酸鋰基底上的傳播驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)驗(yàn)室中的微流體。 整個(gè)加工過(guò)程完全可以通過(guò)基于半導(dǎo)體材料微制造方法來(lái)制作，由于其本身無(wú) 活動(dòng)微部件，對(duì)流體介質(zhì)無(wú)損傷等特點(diǎn)，使其具有工作可靠、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等 優(yōu)點(diǎn)，極適合于長(zhǎng)期工作的環(huán)境微流體測(cè)控系統(tǒng)，藥物處理，化學(xué)微配給等系 統(tǒng)中。


圖l是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本發(fā)明原理示意3是本發(fā)明中浮動(dòng)電極型單向換能器結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保 護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例中用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器，包括 基底l、叉指換能器2和微流體溝道3。其中，基底1是128° Y-X的鈮酸鋰單晶體， 其上是相互交叉的叉指電極形成的叉指換能器2，與基底1結(jié)合的微流體溝道3是 由PDMS (聚二甲基硅氧烷)材料微加工而成。如圖2所示，本實(shí)施例中的叉指換能器2為浮動(dòng)電極型單向換能器，即在現(xiàn)有 叉指換能器2正負(fù)電極之間，同時(shí)設(shè)置了條型和U型浮動(dòng)電極，它們的具體位置 關(guān)系是，每個(gè)電極周期包含了一個(gè)U型浮動(dòng)電極，兩個(gè)條型電極和一對(duì)正，負(fù)電 極；其中， 一個(gè)條型電極和一個(gè)負(fù)電極位于一個(gè)U型浮動(dòng)電極的U型區(qū)域內(nèi)，另 外一個(gè)條型電極位于U型區(qū)域之外。由于浮動(dòng)電極型單向換能器的電極產(chǎn)生的聲 表面波4左右波強(qiáng)不等，所以該結(jié)構(gòu)在加電后會(huì)表現(xiàn)出單向驅(qū)動(dòng)性，其上流體5 會(huì)隨著聲表面波較高波強(qiáng)的傳播方向流動(dòng)。在基底1上的流體5在叉指換能器2的 作用下產(chǎn)生如圖所示方向的流動(dòng)。本實(shí)施例涉及的用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器的制造方法，具體 包括如下步驟① 浮動(dòng)電極型單向換能器的加工；② 微流體溝道的微加工；③ 基底與微流體溝道的結(jié)合。所述的浮動(dòng)電極型單向換能器的加工，具體為首先，在鈮酸鋰基底上濺射 一層Al,工藝條件是在0.6Pa的Ar氣條件下濺射40分鐘，濺射功率為600W。其次， 在1000rpm(轉(zhuǎn)/分)下轉(zhuǎn)5秒，3500rpm下轉(zhuǎn)25秒的條件下，在A1層上涂敷 0FPR-800LB光刻膠，然后在曝光量為35mJ/cm2的條件下進(jìn)行光刻形成光刻膠圖 形。再次，對(duì)A1進(jìn)行刻蝕。最后去除光刻膠得到如圖3所示的浮動(dòng)電極型單向換 能器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在正負(fù)電極l、 2之間，配置了浮動(dòng)電極3、 4，它在加電后 會(huì)表現(xiàn)出單向驅(qū)動(dòng)性，其上流體會(huì)隨著SAW較高波強(qiáng)的傳播方向流動(dòng)。所述的微流體溝道的微加工，具體為首先，在Si基底上濺射一層Al。其次， 用Al形成Si的ICP-RIE (感應(yīng)耦合反應(yīng)離子刻蝕)刻蝕的掩模圖案。接著，對(duì)Si進(jìn)行ICP-RIE (感應(yīng)耦合反應(yīng)離子刻蝕)刻蝕和對(duì)A1進(jìn)行刻蝕得到微流體溝道的 互補(bǔ)模型。最后用PDMS涂敷模型得到PDMS微流體溝道。 所述基底與微流體溝道的結(jié)合通過(guò)粘合劑實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例制作的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)尺寸為18*9fflm2，叉指換能器叉 指換能器線寬8mn，對(duì)數(shù)40對(duì)，當(dāng)加在叉指換能器上射頻電源工作在48. 9MHz 時(shí)，驅(qū)動(dòng)電力達(dá)6.2W，對(duì)于截面為0.8*0.8mm2的微流體溝道，微流體的流速可 達(dá)20mm/sn本實(shí)施例制作的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器加工過(guò)程完全可以通過(guò)基于半導(dǎo)體 材料微制造方法來(lái)制作，由于其本身無(wú)活動(dòng)微部件，對(duì)流體介質(zhì)無(wú)損傷等特點(diǎn)， 使其具有工作可靠、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，極適合于長(zhǎng)期工作的環(huán)境微流體測(cè) 控系統(tǒng)，藥物處理，化學(xué)微配給等系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1.一種用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，包括基底、叉指換能器和微流體溝道，其中，基底是128°Y-X的鈮酸鋰單晶體，其上是相互交叉的叉指電極形成的叉指換能器，微流體溝道與基底結(jié)合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器，其特征 是，所述叉指換能器為浮動(dòng)電極型單向換能器，即在現(xiàn)有叉指換能器正負(fù)電極 之間設(shè)置條型和U型浮動(dòng)電極構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器，其 特征是，所述條型和U型浮動(dòng)電極，它們的具體位置關(guān)系是每個(gè)電極周期包 含了一個(gè)U型浮動(dòng)電極，兩個(gè)條型電極和一對(duì)正負(fù)電極，其中， 一個(gè)條型電極 和一個(gè)負(fù)電極位于一個(gè)U型浮動(dòng)電極的U型區(qū)域內(nèi)，另外一個(gè)條型電極位于U 型區(qū)域之外。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器，其特征 是，所述微流體溝道，其材料為聚二甲基硅氧烷。
5. —種用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器的制造方法，其特征在于， 包括如下步驟① 浮動(dòng)電極型單向換能器的加工；② 微流體溝道的微加工；③ 基底與微流體溝道的結(jié)合；所述的浮動(dòng)電極型單向換能器的加工，具體為首先，在鈮酸鋰基底上濺射一層A1，其次，在A1層上涂敷光刻膠，進(jìn)行光刻 形成光刻膠圖形，然后，對(duì)A1進(jìn)行刻蝕，最后去除光刻膠得到浮動(dòng)電極型單向換能器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在正負(fù)電極之 間，配置了浮動(dòng)電極；所述的微流體溝道的微加工，具體為 首先，在Si基底上濺射一層Al，其次，用Al形成Si的感應(yīng)耦合反應(yīng)離子刻蝕的掩模圖案， 接著，對(duì)Si進(jìn)行感應(yīng)耦合反應(yīng)離子刻蝕和對(duì)Al進(jìn)行刻蝕得到微流體溝道的互 補(bǔ)模型，最后用聚二甲基硅氧垸涂敷模型得到聚二甲基硅氧烷微流體溝道。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器的制造方 法，其特征是，所述的涂敷光刻膠，在鈮酸鋰基底上濺射一層A1，工藝條件是 在O. 6Pa的Ar氣條件下濺射40分鐘，濺射功率為600W,在A1層上涂敷光刻膠。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器的制造方 法，其特征是，所述的涂敷光刻膠，在鈮酸鋰基底上濺射一層A1，工藝條件是 在1000rpm下轉(zhuǎn)5秒，在A1層上涂敷光刻膠。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器的制造方 法，其特征是，所述的涂敷光刻膠，在鈮酸鋰基底上濺射一層A1，工藝條件是 在3500rpm下轉(zhuǎn)25秒的條件下，在A1層上涂敷光刻膠。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5—8中的任一項(xiàng)所述的用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體 驅(qū)動(dòng)器的制造方法，其特征是，所述的涂敷光刻膠，在曝光量為35mJ/cm2的條件 下進(jìn)行光刻形成光刻膠圖形。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器的制造 方法，其特征是，所述的基底與微流體溝道的結(jié)合通過(guò)粘合劑實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
一種微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的用于芯片實(shí)驗(yàn)室的聲表面波微流體驅(qū)動(dòng)器及其制造方法。本發(fā)明驅(qū)動(dòng)器包括基底、叉指換能器和微流體溝道，基底是128°Y-X的鈮酸鋰單晶體，其上是相互交叉的叉指電極形成的IDT，微流體溝道與基底結(jié)合，本發(fā)明采用浮動(dòng)電極型單向換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)微流體的單方向驅(qū)動(dòng)。方法步驟①浮動(dòng)電極型單向換能器的加工；②微流體溝道的微加工；③基底與微流體溝道的結(jié)合。本發(fā)明整個(gè)加工過(guò)程完全可以通過(guò)基于半導(dǎo)體材料微制造方法來(lái)制作，由于其本身無(wú)活動(dòng)微部件，對(duì)流體介質(zhì)無(wú)損傷等特點(diǎn)，使其具有工作可靠、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B01L3/00GK101301990SQ200810032750
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月17日
發(fā)明者張俊峰, 李以貴 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)