微流量控制系统的研究

【摘 要】本文设计制作了一种由PZT驱动的无阀微型泵，和由微沟道组成的微流量控制系统。其中无阀单向阀是由等腰梯形扩散/收缩管组成，泵腔采用圆形设计，直接切除成圆形驱动腔弥补了利用腐蚀工艺制作圆形难以实现的不足。通过计算机软件IntelliSuite对制作工艺的模拟，确定了无阀型微泵、扩散/收缩管微阀和微沟道的制作方案。采用MEMS工艺制作出所设计的部件并组装完成微流量系统。同时引用多方文献分析了扩散管的角度、长度和最小口宽度分别对扩散管整流效率的影响，优化了无阀型单向阀扩散/收缩管的结构参数，对进一步提升微泵的性能奠定了基础。

【关键词】微流量系统 微泵 微沟道 扩散/收缩管

一、绪论

（一）MEMS

微电子机械系统 MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的缩写，它是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造可批量生产、集电子元件与机械器件于一体的微小系统。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯电路和电源部件组成的一体化微系统，其目标是把信息的获取和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，MEMS的制作主要基于两大技术：IC技术（Integrate Circuit）和微机械加工技术（Micromaching），其中IC技术即为普通集成电路制造技术，而微机械加工技术是为微传感器、微执行器和微电子机械系统制造微机械部件和结构的关键加工技术，它是在IC工艺上发展起来的，主要包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术（利用X光深层曝光、电铸、机械加工）、准LIGA技术（改进的LIGA技术，采用传统深紫外线曝光、厚光刻胶作掩膜和电铸技术，与IC工艺兼容性好）、微机械组装技术。

（二）微流量系统

微流动系统作为微机电系统的一个重要分支，近年来取得了很大的进展。微流动系统是由微型泵、微型阀、微型传感器、微沟道、微制动器等微型流动元件组成的，可进行微量流体的压力、流量和方向控制及成分分析的微电子机械系统。作为微机电系统的一个较大分支，微流动系统同样具有集成化和大批量生产的特点，同时由于尺寸微小，可减小流动系统中的无效体积，降低能耗和试样用量，而且响应快，因此有着广泛的应用前景；如液体和气体流量配给、化学分析、微型注射和药物传送、集成电路的微冷却、微小型卫星的推进等。微流动系统是现在过内外研究的重点和热点。

（三）微泵

微型泵作为微流体系统中的主要执行器件，是表征微流体系统发展水平的重要标志。最早的微型泵是荷兰Twente大学研制的热气动薄膜泵（日本东北大学同一时期也研制出压电致动薄膜泵）目前，微型泵的研究无论是从工作原理等理论角度，还是从加工工艺等实践方面都已经有了较大进步。微泵的类型多种多样，按驱动方式可分为压电致动式、气动式、热气动式、热机械驱动式以及静电致动式；按工作过程可分为往复式、蠕动式、电气液力式以及超声波式。泵体结构也有多种选择。泵体的制备工艺和材料选择也发展得很迅速，如LICA技术，DEM技术、高性能、低成本的塑料热压成型技术，甚至传统的塑料材料及其工艺都可用来制作泵体。另外，微泵根据其有无可动阀片可分为有阀型微泵和无阀型微泵。有阀型微型泵往往基于机械驱动，原理简单，制造工艺成熟，易于控制；而无阀型微型泵则常常利用流体在微尺下的新特性，原理新颖，更适于微型化，具有更大的发展前景。

（四）微沟道

目前，为流量控制系统的研究主流是单片集成式，主要采用MEMS技术进行制作，为了提高微流量系统的性能，对MEMS系统中微沟道内流体阻力的研究从未间断过，最近的研究主要集中于不同形状的微沟道转角的流体阻力和直流沟道内微突起的阻力情况。随着MEMS技术的发展，微流量系统的尺寸越来越小，由微米量级到纳米量级。当结构尺寸达到微米以后，不是传统的流体驱动与控制系统简单的几何缩小，两者在建模和仿真上存在很大差别。主要体现在以下几个方面：多能量域耦合所带来的多学科交叉渗透。由于微流体的致动方式有：电磁致动、静电致动、压电致动、形状记忆合金致动、热致动、化学反应致动、表面张力致动、离心力致动等。各种物理场如机械、流体、电子、热、光、磁等相互作用，形成力-电-磁-热等耦合的非线性系统，增加了建模和仿真的复杂性；尺度效应所引起的作用力的变化。当尺度减小时，微流体器件的表面积与体积之比大大增加，与体积力相比，表面力起主要作用，表面力成为微流动系统中摩擦力的主要来源；材料特性的变化。当材料尺寸小到一定程度时，就会出现与大尺寸材料截然不同的性能。又由于制备方法的不同，还会引起材料性能的差异，如抗拉强度，断裂韧性和残余应力等均有变化。对于宏观力学系统，经典的牛顿力学和流体力学理论是建立微流动系统数学模型的基础。由于特征长度微小化产生的尺度效应，使得微流动系统中的惯性作用相对较弱。本设计中的微沟道是在微米量级，对于微米级和毫米级的微系统来说，经典的牛顿力学和流体力学理论仍然是建立仿真模型的依据。就目前的技术水平而言，已有的微流动系统还是属于微米级和毫米级的，因此，建立在经典牛顿力学和流体力学基础上的动力学模型仍占有主导地位。

（五）本设计的背景和意义

从20世纪80年代开始，微机电系统已经逐步的从实验室探索时期走向工业化应用阶段。微流动系统是MEMS的一个重要的分支，是构成大多数微系统中感应元件和执行器件的主要组成部分，它包括微传感器、微泵、微阀、微喷和通道等。微流量系统同样具有集成化和批量生产的特点，同时由于尺寸小，可减小流动系统中的无效体积，降低能耗和试剂用量。而且响应快，因此具有广阔的应用前景。如在微流体供给和控制、药物的微量注射、微量元素分析、芯片冷却系统等方面将有重要应用。

目前微型泵的研究无论从工作原理等理论角度还是从加工工艺等实践方面都有了进一步的发展。微泵作为一个重要的微流动执行器件，是微流动系统发展水平的重要标志。微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；无阀微泵则常常利用流体在微尺下的新特性，原理比较新颖，更适于微型化，具有更大的发展前景。

收缩管/扩张管型微泵是比较典型的微泵，也是最近几年研究的热点，它以收缩和扩张的不同形状的通道代替了单向阀，利用因流道不对称性引起的压力损失的不对称性来实现流体的输送。使用压电片作为驱动，压电片是一种具有电能-机械能转化的器件，被广泛应用与微机械系统中。

传统的微泵一般结构复杂，使用多晶硅片致使加工成本过高键合的次数也增多了，精度的对准也降低了，同时，整体制作工艺繁琐，受到加工工艺和加工准确度的限制，导致效率和可靠性不高，因此简化微泵的结构和制作工艺、降低成本，有利于微泵的批量生产，在实际应用中具有广泛的前景。

（六）本设计的主要内容

1.本次设计采用收缩管/扩张管型无阀泵，利用收缩管/扩张管中流阻的差异制作出微小型无阀薄膜泵。因收缩管/扩张管压力损失系数的差异，从而使得在相同压差下流过两种管道的流量不同，无阀泵正是利用这一性能而实现流体的定向输送。使用<100>晶面，利用异向腐蚀工艺制作出硅微收缩管/扩张管及无阀泵基片。并在Si片上面腐蚀出需要的沟道。泵腔的另一侧使用压电片作为驱动。

2.用MEMS设计系统进行仿真设计及分析，确定尺寸，进行工艺的模拟。得出可行性结果及设计版图。设计中采用的圆形泵腔，直径为10mm，扩散管/收缩管长度为5000µm，最大开口为600µm，三角形顶角≈7º。

3.进行实际的工艺制作。

二、微流量系统的基本结构、工作原理

本次设计的微流量控制系统是由扩散管型无阀微泵、压电驱动器、和微沟道组成。微泵的泵腔采用的是圆形泵腔，泵腔和压电片同等面积条件下圆形的形变大于方形。然而由于使用KOH腐蚀是存在各向异性，圆形泵腔难以实现。为了取得更好的效果，我们采用圆形泵腔。同时为了克服腐蚀中存在的各向异性，我们对泵腔采用切割技术。扩散管的设计采用的是三角形设计，在模拟过程中我们会看到三角形设计在腐蚀过程中，在控制好腐蚀时间的情况下，由于顶角的缺损，我们得到梯形截面。这样的设计优于我们在设计时就采用梯形设计。平面无阀微泵中扩散管的最优角度为7°，扩散管长度最大不得超过5000µm。在设计掩膜版时，受最小尺寸的限制，我们设计中采用的是宽口宽度600µm。长度5000µm。我们设计的微泵结构如图2-1所示。 微沟道中我们采用的是宽度250µm。使用压电片作为驱动。

图2-1 微泵的结构示意图

（一）无阀型微泵的工作原理

在微流量系统中，我们需要实现流体的定向流动。无阀微泵利用因流道不对称性引起的压力损失的不对称性来实现了流体的定向输送。无阀型微泵的基本工作原理如图2-1所示。其工作状态分为“供水状态”和“排水状态”：泵腔体积增大时是“供水状态”，从扩散管流入泵腔的流量大于从收缩管输出口流入泵腔的流量，因而产生净的入水量；泵腔体积减小时是“排水状态”，原来的收缩管变成扩散管，而原来的扩散管变为收缩管，从扩散管流出的流量比从收缩管流出的多，因而产生净的出水量。泵腔容积如此周期性变化，就会使流体不断地产生单向流动。

（二）压电片的工作原理

微驱动器作为一种换能器，它将电、光、热等多种形式的能量转换成为机械能输出。因此，它有多种不同的工作原理和结构形式.若从能量转换形式分类，有静电驱动、电磁驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动、光驱动、凝胶驱动、热驱动以及超导驱动等形式。若按其输出运动的形式分类，则有线位移式、回转式和尺蠖式等。

设计中采用压电片做驱动，压电片是一种具有电能-机械能转换的器件，被广泛用于微机械系统。

压电驱动的工作原理是基于压电体具有逆压电效应（如果将一块压电晶体置于外电场中，由于电场的作用，会使压电晶体发生形变，而形变的大小与外电场的大小成正比，当电场撤除后，形变也消失了）：S=d33E（其中：S为应变；d33为逆压电系数；E为电场强度），即当压电体受电场作用时会产生形变。与其他形式的驱动相比，压电驱动具有的最大特点是为微米、纳米量级的位移或运动提供了新手段和新途径。同时，压电驱动具有线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、不发热、无噪声等优点，所以，压电驱动已成为一种理想的微位移驱动技术[8]。

（三）扩散管尺寸的确定

为了优化扩散/收缩管的设计，取得更好的整流效率，我们研究下各项指数对扩散管整流效率的影响。我们先引用一篇文献[10]中的表格。

我们看到：在7°、13°、9.8°三个角度中，顶角为7°的扩散/收缩管的整流效率最高。过外的多篇文献也对这个问题进行了论证。其中W1 为扩散管的小口宽度，L为扩散管的长度，a为扩散管的角度，£为整流效率，£越大，整流效率越好。

工艺过程中，因为KOH在<100>晶向的腐蚀，三角形的扩散管设计会在顶角产生损耗，从而可以得到一个梯形截面。我们可以通过调整腐蚀的条件进一步改善扩散管的各项系数。

（四）微沟道的设计

本设计中采用的微沟道的宽度为250µm，因为设计的尺寸在微米尺寸内，因此，建立在经典牛顿力学和流体力学基础上的动力学模型仍占有主导地位。我们不加以分析，我们只是观察微流量系统的单向流动性。

三、无阀微泵制作的计算机工艺模拟和制备

（一）计算机模拟

1.IntelliSuite系统

在实际中需要对工艺的工程进行计算机模拟，以确定扩散/收缩管的设计和多腐蚀工艺中浓度时间进行控制达到最佳效果。模拟使用的是IntelliSense。IntelliSuite主要包括9个模块：IntelliMask、IntelliFab、AnisE、3Dbuild、MEMaterial、Electrostatic、Mechanical、Electromechanical、Microfluidic。这里我们只用到IntelliMask、IntelliFab和AnisE三个模块，因此下面介绍一下这三个模块。

（1）掩膜设计模块IntelliMask

在进行MEMS器件的工艺、腐蚀模拟时，需要根据所设计器件的结构进行相关的掩膜图形设计。

（2）工艺设计模块IntelliFab

工艺设计模块是微系统设计所独有的，包含微机械制造工艺数据库和加工工艺流程仿真。使用者可以从工艺数据库中选择合适的加工工艺，包括氧化、扩散、离子注入、腐蚀、淀积和键合等工艺，在加工工艺流程中进行模拟，为器件的实际工艺流程提供可靠的技术保证。此外还可以通过使用工艺流程仿真实现器件设计在三维投影上可视化。

（3） 腐蚀模块AnisE

由于硅各向异性腐蚀的特点，使用常规的方法不能直接观测最终的腐蚀结果，AnisE的目的就是用来模拟硅的各向异性腐蚀。这个模块可以选择腐蚀液的种类，修改腐蚀液的浓度、温度、腐蚀时间以及数据库中各个方向的腐蚀速率，最后还可以提供器件腐蚀后的三维立体结构。利用AnisE的腐蚀模拟，可以观察削角补偿情况，提高设计质量、降低生产成本。

2.工艺流程模拟

利用IntelliFab对泵腔及微沟道的工艺流程进行模拟。模拟图如图3-1所。泵腔和微沟道的工艺模拟过程一致，只是所用的掩膜版不同。

图3-1 扩散管及微沟道的工艺过程模拟图

3.腐蚀工艺模拟

采用AnisE腐蚀模块，对无阀型微泵扩散/收缩管的制作起决定性作用的各向异性腐蚀工艺进行了软件模拟。模拟程序及各项设置如图3-2。

图3-2 AnisE模拟程序图

如图所示。70℃时，在30%的KOH腐蚀液中腐蚀0.5小时。各向异性腐蚀结果可通过AnisE模块给出的3D图像，见图3-3。

图3-3 微泵整体腐蚀效果图（温度70℃，浓度30%，时间30min）

为了清楚的看到扩散管的腐蚀效果，我们选其中一个扩散管的全图，腐蚀条件相同。效果图如图3-4所示。

图3-4 左侧扩散管3D效果图

我们对设计的沟道进行模拟，温度，浓度，腐蚀时间等条件相同，腐蚀效果图如图3-5所示。

图3-5 微沟道的腐蚀效果图

通过对腐蚀工艺的模拟我们可以得出设计的可行性。

（二）微流量系统的制作工艺

1.硅片的选择：选用厚度为500µm的〈100〉单晶硅片，微泵的硅片尺寸选

择30mm×30mm，沟道的硅片尺寸选择20mm×20mm。

2.掩膜版的制作：本设计中我们使用掩膜光刻底片作为掩膜版，是使用P99SE绘制图形后将图形输出到掩膜光刻底片上。将光刻底片固定在玻璃片上，要求底片和玻璃片清洁、无划痕、无污点。

3.硅片的清洗：（1）使用浓硫酸煮沸，待硫酸冒白烟是停止加热，冷却后倒掉浓硫酸，使用去离子水清洗3遍。（2）使用1号液（氨水：过氧化氢：水=1：2：5）加热至沸腾，倒掉残液，使用去离子水清洗3遍。如此清洗3次。（3）使用2号液（盐酸：过氧化氢：水=1：2：8）加热至沸腾3分钟，倒掉残液，使用去离子水清洗3遍。如此清洗3次。

4.氧化工艺：将清洗完毕的硅片在1180℃的氧化炉中氧化。干氧20分钟+湿氧40分钟+干氧20分钟。（氧化速率：干氧：5000Å/30min，湿氧：8000Å/60min。）得出SiO2厚度=7333Å。

5.光刻工艺：（1）涂胶：将配制好的光刻胶（负性光刻胶）涂布在硅片氧化层表面上，要求涂布好的一薄层胶均匀而且无针孔。本设计中采用旋转涂胶法，卡盘转速为1000-3000转/分。（2）前烘：将涂好胶的硅片放在80℃的烘箱中烘15-20分钟。（3）曝光：选择预先准备好的掩膜版，防在光刻机上，硅片表面同掩膜版应紧密接触。曝光时间应很好控制，一般为20秒。（4）显影：将经过曝光以后的硅片放在有机溶剂中，是没有曝光的这部分胶溶解掉.本设计中采用丁酮作为显影液，将曝光后的硅片放在第一个称量瓶中，约一分钟后取 出放入第二个称量瓶中，约一分钟后取出。这样容易使胶去除干净。最后放入丙酮中，把硅片表面残留的显影液漂洗干净。（5）坚膜：经过显影合格的硅片就可以进行坚膜了，因为腐刻过程中对表面裸露的二氧化硅具有腐蚀的作用，本设计中先用光刻胶涂布于硅片表面不需要腐蚀的地方。再进行坚膜。坚膜是把硅片放入200℃的烘箱中烘20分钟。（6）腐刻：腐刻是将硅片放在腐蚀液中，（本设计中使用的腐蚀液是氢氟酸+氟化氨+去离子水=8毫升+6毫升+10毫升在水浴30℃）使裸露部分的二氧化硅腐蚀掉。

6.去胶：除去表面残留的光刻胶。本设计中使用的是热氧化去胶的方法。即用浓H2SO4 煮沸5分钟，待冷却后清洗。

7.腐蚀：使用30%KOH腐蚀液，在70℃温度下进行腐蚀，腐蚀时间30分钟。腐蚀速率：（100） 44.79micron/h，（110） 68.62 micron/h，（111） 0.98micron/h。微沟道的制作工艺与微泵的制作工艺基本相同，只是所用的掩膜版不同。将腐蚀后的硅片清洗，使用物理切割的方法制作出直径为10mm的圆形泵腔，泵腔打透硅片。将玻璃片对应出水口位置使用玻璃钻打孔，将玻璃片与微泵带有扩散管的一侧粘合，硅片的出水口与玻璃片的出水口对应。在硅片的另一侧圆形泵腔处粘合压电片。同样，把微沟道的硅片与带有出水孔的玻璃片粘合。这样，一个简易的微流量控制系统就制作完成了。

四、结论

本文主要介绍了微流量控制系统中主要部件如扩散管/收缩管型硅微泵、微沟道的设计、计算机模拟及制作工艺。采用多篇文献中的数据对扩散管的尺寸进行了优化设计。计算机的模拟过程帮助我们在没有实际制作时就了解了部件的性能，并在模拟中对我们的设计进行改进。验证了设计的可行性的同时，也为实际制作提供了参考。我们按照计算机模拟的程序进行了实际的工艺制作，最终完成了微流量控制系统的研究。

参考文献：

[1]刘虹，刘洁，杨立峰.MEMS的应用及发展前景[J].云南电大学报.2003，5（3）：61-62

[2]尹执中，胡桅林，过增元.微流动系统的发展概况[J].流体机械.2000，28（4）：33-36

[3]王沫然，李志信.基于MEMS的微泵研究进展[J].传感器技术.2002，21（6）：59-61

[4]陆峰，谢里阳.微型泵的加工技术及应用[J].流体机械.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

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