CN101301990A - 用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种微机电系统技术领域的用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器及其制造方法。本发明驱动器包括：基底、叉指换能器和微流体沟道，基底是128°Y－X的铌酸锂单晶体，其上是相互交叉的叉指电极形成的IDT，微流体沟道与基底结合，本发明采用浮动电极型单向换能器结构设计来实现微流体的单方向驱动。方法步骤：①浮动电极型单向换能器的加工；②微流体沟道的微加工；③基底与微流体沟道的结合。本发明整个加工过程完全可以通过基于半导体材料微制造方法来制作，由于其本身无活动微部件，对流体介质无损伤等特点，使其具有工作可靠、稳定、寿命长等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机电系统技术领域的驱动器及其制造方法，具体是一种用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器及其制造方法。
背景技术
近年来，生物芯片技术已经得到了越来越多人们的关注，它在生物学、医学基础研究、疾病诊断、新药开发、农作物良种选育、司法鉴定、食品卫生监督、环境监测、国防、航天等领域具有广阔的应用前景。其代表技术产物是基于芯片实验室(Lab-on-chip)的微型全分析系统，这种系统的特征是利用微电子、微机械、化学、物理以及计算机技术，将生命科学研究中的样品检测、分析过程实现连续化、集成化、微型化。这就尤其需要组成系统的每个部件都要尽可能的简单小型并适合于大量的集成。比如，在一块很小的芯片上要集成过滤器、反应室、微泵、微阀门等许多微结构。同时在另一方面，基于微米、纳米技术发展起来的微机电系统，由于是高度集成的光机电一体化系统，驱动器是系统不可分割的一部分，如微流体驱动系统，由迂回型密集微沟道、微流量传感器、微型驱动器、微接口等组成，并集成/装配在一起。整个系统还要有专用的信号处理及驱动电路，用于对微驱动器进入智能化驱动，这不仅易于微装备实现微系统集成化，而且利于在宽范围内调节微流体的流动指标。
微流动系统是MEMS的一个重要分支，微泵作为一个重要的微流动系统的执行器件，是其发展水平的重要标志。微型泵根据其有无可动阀片可分为有阀型微泵和无阀型微泵。有阀型微泵往往基于机械驱动，原理简单，制造工艺成熟，易于控制，是目前应用的主流；无阀型微泵则常常利用流体在微尺度下的新特性，原理比较新颖，更适于微型化，具有更大的发展前景。
经对现有技术文献的检索发现，发表在Sensors and Actuators A 70(1998)98-103(《传感器与驱动器》1998年A卷70期98-103页)上的《A novelmicromachined pump based on thick-film piezoelectric actuation》(《一种基于厚膜压电驱动的微型泵》)提出了一种在硅基底上制作厚膜PZT作为压电驱动层的压电式微型泵，它的工作原理是依靠PZT层的压电弯曲形变来驱动的。这种驱动膜大小为8mm*4mm*70um，微泵在200HZ，600V的正弦电压下，最大流量122μl/min。这种压电微泵的缺点是工作电压较高，而工作频率低，不适合精确控制，并且限于压电膜的复杂制作工艺，不适合进行大规模批量生产。
现在，声表面波(SAW)技术用于设计微传感器与微驱动器的应用越来越得到研究者的重视。SAW器件特点是体积小、重量轻；设计灵活方便。器件的幅度和相位可分别设计，这大大提高了其设计的灵活性；SAW器件制造采用半导体平面工艺，适于批量生产，性价比高；重复性好、可靠性高；工作频率高。但由于与MEMS技术和驱动器技术的结合不足，至今还没有真正方便、实用、有效的SAW微驱动器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器及其制造方法，使其将声表面波技术与MEMS技术和驱动器技术的结合起来，实现真正方便、实用、有效的SAW驱动的微驱动器，应用于微流体系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所涉及的用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器，包括：基底、叉指换能器(IDT)和微流体沟道。其中，基底是128°Y-X的铌酸锂单晶体，其上是相互交叉的叉指电极(IDE)形成的叉指换能器，与基底结合的微流体沟道是由PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料微加工而成。
所述叉指换能器为浮动电极型单向换能器，即在现有叉指换能器正负电极之间设置了条型和U型浮动电极。
本发明上述驱动器工作原理是：叉指换能器将电信号转换成声波信号，在铌酸锂单晶体表面产生的声表面波沿表面传播，既而驱动上面的流体运动。本发明的叉指换能器采用浮动电极型单向换能器结构设计来实现微流体的单方向驱动。这种换能器不同于一般的对称式叉指换能器，在正负电极之间设置了条型和U型浮动电极，从而导致浮动电极型单向换能器电极产生的声表面波左右波强不等，所以该结构在加电后会表现出单向驱动性，其上流体会随着声表面波较高波强的传播方向流动。
本发明所涉及的用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器的制造方法，具体包括如下步骤：
①浮动电极型单向换能器的加工；
②微流体沟道的微加工；
③基底与微流体沟道的结合。
所述的浮动电极型单向换能器的加工，具体为：首先，在铌酸锂基底上溅射一层Al。其次，在Al层上涂敷光刻胶，进行光刻形成光刻胶图形。然后，对Al进行刻蚀。最后去除光刻胶得到浮动电极型单向换能器结构，该结构是在正负电极之间，配置了浮动电极，它在加电后会表现出单向驱动性，其上流体会随着声表面波较高波强的传播方向流动。
所述的微流体沟道的微加工，具体为：首先，在Si基底上溅射一层Al。其次，用Al形成Si的ICP-RIE(感应耦合反应离子刻蚀)刻蚀的掩模图案。接着，对Si进行ICP-RIE(感应耦合反应离子刻蚀)刻蚀和对Al进行刻蚀得到微流体沟道的互补模型。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)微流体沟道。
所述基底与微流体沟道的结合通过粘合剂实现。
与现有技术相比，本发明是可以用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器，它的原理是利用声表面波在铌酸锂基底上的传播驱动芯片实验室中的微流体。整个加工过程完全可以通过基于半导体材料微制造方法来制作，由于其本身无活动微部件，对流体介质无损伤等特点，使其具有工作可靠、稳定、寿命长等优点，极适合于长期工作的环境微流体测控系统，药物处理，化学微配给等系统中。
附图说明
图1是本发明结构示意图
图2是本发明原理示意图
图3是本发明中浮动电极型单向换能器结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例中用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器，包括：基底1、叉指换能器2和微流体沟道3。其中，基底1是128°Y-X的铌酸锂单晶体，其上是相互交叉的叉指电极形成的叉指换能器2，与基底1结合的微流体沟道3是由PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料微加工而成。
如图2所示，本实施例中的叉指换能器2为浮动电极型单向换能器，即在现有叉指换能器2正负电极之间，同时设置了条型和U型浮动电极，它们的具体位置关系是，每个电极周期包含了一个U型浮动电极，两个条型电极和一对正，负电极；其中，一个条型电极和一个负电极位于一个U型浮动电极的U型区域内，另外一个条型电极位于U型区域之外。由于浮动电极型单向换能器的电极产生的声表面波4左右波强不等，所以该结构在加电后会表现出单向驱动性，其上流体5会随着声表面波较高波强的传播方向流动。在基底1上的流体5在叉指换能器2的作用下产生如图所示方向的流动。
本实施例涉及的用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器的制造方法，具体包括如下步骤：
①浮动电极型单向换能器的加工；
②微流体沟道的微加工；
③基底与微流体沟道的结合。
所述的浮动电极型单向换能器的加工，具体为：首先，在铌酸锂基底上溅射一层Al，工艺条件是在0.6Pa的Ar气条件下溅射40分钟，溅射功率为600W。其次，在1000rpm(转/分)下转5秒，3500rpm下转25秒的条件下，在Al层上涂敷OFPR-800LB光刻胶，然后在曝光量为35mJ/cm2的条件下进行光刻形成光刻胶图形。再次，对Al进行刻蚀。最后去除光刻胶得到如图3所示的浮动电极型单向换能器结构，该结构是在正负电极1、2之间，配置了浮动电极3、4，它在加电后会表现出单向驱动性，其上流体会随着SAW较高波强的传播方向流动。
所述的微流体沟道的微加工，具体为：首先，在Si基底上溅射一层Al。其次，用Al形成Si的ICP-RIE(感应耦合反应离子刻蚀)刻蚀的掩模图案。接着，对Si进行ICP-RIE(感应耦合反应离子刻蚀)刻蚀和对Al进行刻蚀得到微流体沟道的互补模型。最后用PDMS涂敷模型得到PDMS微流体沟道。
所述基底与微流体沟道的结合通过粘合剂实现。
本实施例制作的声表面波微流体驱动器结构尺寸为18*9mm2，叉指换能器叉指换能器线宽8um，对数40对，当加在叉指换能器上射频电源工作在48.9MHz时，驱动电力达6.2W，对于截面为0.8*0.8mm2的微流体沟道，微流体的流速可达20mm/s。
本实施例制作的声表面波微流体驱动器加工过程完全可以通过基于半导体材料微制造方法来制作，由于其本身无活动微部件，对流体介质无损伤等特点，使其具有工作可靠、稳定、寿命长等优点，极适合于长期工作的环境微流体测控系统，药物处理，化学微配给等系统中。
Claims (10)
1.一种用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器，其特征在于，包括：基底、叉指换能器和微流体沟道，其中，基底是128°Y-X的铌酸锂单晶体，其上是相互交叉的叉指电极形成的叉指换能器，微流体沟道与基底结合。
2.根据权利要求1所述的用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器，其特征是，所述叉指换能器为浮动电极型单向换能器，即在现有叉指换能器正负电极之间设置条型和U型浮动电极构成。
3.根据权利要求1或2所述的用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器，其特征是，所述条型和U型浮动电极，它们的具体位置关系是：每个电极周期包含了一个U型浮动电极，两个条型电极和一对正负电极，其中，一个条型电极和一个负电极位于一个U型浮动电极的U型区域内，另外一个条型电极位于U型区域之外。
4.根据权利要求1所述的用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器，其特征是，所述微流体沟道，其材料为聚二甲基硅氧烷。
5.一种用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
①浮动电极型单向换能器的加工；
②微流体沟道的微加工；
③基底与微流体沟道的结合；
所述的浮动电极型单向换能器的加工，具体为：
首先，在铌酸锂基底上溅射一层Al，其次，在Al层上涂敷光刻胶，进行光刻形成光刻胶图形，
然后，对Al进行刻蚀，
最后去除光刻胶得到浮动电极型单向换能器结构，该结构是在正负电极之间，配置了浮动电极；
所述的微流体沟道的微加工，具体为：
首先，在Si基底上溅射一层Al，
其次，用Al形成Si的感应耦合反应离子刻蚀的掩模图案，
接着，对Si进行感应耦合反应离子刻蚀和对Al进行刻蚀得到微流体沟道的互补模型，
最后用聚二甲基硅氧烷涂敷模型得到聚二甲基硅氧烷微流体沟道。
6.根据权利要求5所述的用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器的制造方法，其特征是，所述的涂敷光刻胶，在铌酸锂基底上溅射一层Al，工艺条件是在0.6Pa的Ar气条件下溅射40分钟，溅射功率为600W，在Al层上涂敷光刻胶。
7.根据权利要求5所述的用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器的制造方法，其特征是，所述的涂敷光刻胶，在铌酸锂基底上溅射一层Al，工艺条件是在1000rpm下转5秒，在Al层上涂敷光刻胶。
8.根据权利要求5所述的用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器的制造方法，其特征是，所述的涂敷光刻胶，在铌酸锂基底上溅射一层Al，工艺条件是在3500rpm下转25秒的条件下，在Al层上涂敷光刻胶。
9.根据权利要求5-8中的任一项所述的用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器的制造方法，其特征是，所述的涂敷光刻胶，在曝光量为35mJ/cm2的条件下进行光刻形成光刻胶图形。
10.根据权利要求5所述的用于芯片实验室的声表面波微流体驱动器的制造方法，其特征是，所述的基底与微流体沟道的结合通过粘合剂实现。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20081112 |