电磁驱动式MEMS微泵及该微泵的集成加工工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种电磁驱动式MEMS微泵及集成加工工艺，包括微泵本体、流体通道，流体通道内具有永磁体、MEMS线圈、软磁铁芯，软磁铁芯与永磁体组成双环形磁路；流体通道连通有进口和出口；进口具有与流体通道连通的进口附属通道，出口具有与流体通道连通的出口附属通道；进口附属通道与流体通道的连接处具有进口止回阀，出口附属通道与流体通道的连接处具有出口止回阀；该微泵通过所述进口止回阀和所述出口止回阀实现液体的单向流动。本发明专利技术的MEMS微泵解决了无阀微泵回液的问题，止回阀的引入可以有效增加泵液流量的连续性，对需要精准控液的场景，将拥有更加有强劲的性能，平面化设计以及MEMS集成加工的引入使得微泵更易与微流控技术集成，拥有更多用途。拥有更多用途。拥有更多用途。

【技术实现步骤摘要】
电磁驱动式MEMS微泵及该微泵的集成加工工艺


[0001]本专利技术涉及微泵
，尤其涉及一种电磁驱动式MEMS微泵及该微泵的集成加工工艺。

技术介绍

[0002]微泵是现代药物精确输送系统、微功率系统、微电子系统冷却系统等微流体以及芯片实验室(Lab
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chip)技术发展的重要组成部分。按照驱动方式主要可以分为压电、静电、热气驱动式(thermo
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pneumatic)以及电磁式，而电磁式由于其精确流量控制和超低功耗等特性被科研界与工业界广泛研究。
[0003]现有电磁式微泵通常由平面线圈或绕制线圈、PDMS膜及其上粘附的永磁体、通道及衬底组成。通过对线圈通电对永磁体产生吸引或排斥，并由PDMS膜提供恢复力。
[0004]现有技术中的一种电磁式微泵(出自Gidde,Pawar,Ronge,Dhamgaye.Designoptimizationofan electromagnetic actuationbasedvalveless micropump fordrug delivery application.Microsystem Technologies 2019,25(Issue):509
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519)，参见图1所示，其由线圈绕组1、铁芯2通交流电对永磁体3产生吸引或排斥磁力，由永磁体3带动PDMS膜4挤压或抽吸通道内液体，其微通道5采用无阀设计，在微通道5的设计上其设计流体流经入口
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出口的流阻大于出口
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入口的流阻，从而实现有净流量经过泵的作用从入口泵至出口。
[0005]另外，现有技术中，公开号为CN107975463A的中国专利技术专利申请也提出一种永磁单向阀的管状结构柱塞式电磁微泵，参见图2所示，其利用对绕制电磁线圈1、2通电产生电磁力驱动永磁铁柱3往复运动带动圆管流道4内流体运动，并由机械加工式球形单向阀实现单向整流，从而保证泵的单向性。
[0006]经过仔细分析现有技术公开的两种电磁式微泵结构，不难发现，现有技术中的电磁式微泵依然存在以下缺陷：
[0007]1、使用绕制线圈，其体积较大，手工绕制误差较大，无法精确控制电感，且不利于批量化生产；
[0008]2、泵与微通道的集成度较差，无论是图1中的PDMS膜形式的微泵、还是图2中柱塞式微泵其驱动线圈均在通道以外，其装配误差均会导致泵的特性发生改变；
[0009]3、现有的平面微泵的阀门设计大多为无阀设计，无阀设计的微泵其效率低且存在回流会导致泵后液体与泵前液体混合，不适用化学生物及医学实验中液体的供给。而图2公开的微泵结构以典型的单向阀为主，其无恢复力，在低频率驱动下供给性能差，效率低。
[0010]因此，基于上述现有技术中存在的缺陷，本领域的技术人员亟需研发一种新型电磁驱动式MEMS微泵及该微泵的集成加工工艺。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的是提供一种基于MEMS工艺、带有止回阀的高集成度、高性能的电磁
驱动式微泵，以克服现有技术中微泵集成度差、体积大、阀门性能差的缺陷。
[0012]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0013]本专利技术的电磁驱动式MEMS微泵，该微泵包括：
[0014]微泵本体；
[0015]形成于所述微泵本体中部的流体通道，所述流体通道内具有永磁体；
[0016]形成于所述流体通道两侧的MEMS线圈；以及
[0017]软磁铁芯，所述软磁铁芯与所述永磁体组成双环形磁路；
[0018]与所述流体通道连通有进口和出口；
[0019]所述进口具有与所述流体通道连通的进口附属通道，所述出口具有与所述流体通道连通的出口附属通道；
[0020]所述进口附属通道与所述流体通道的连接处具有进口止回阀，所述出口附属通道与所述流体通道的连接处具有出口止回阀；
[0021]该微泵通过所述进口止回阀和所述出口止回阀实现液体的单向流动。
[0022]进一步的，所述进口止回阀和所述出口止回阀均与折弯延伸的基体材料弹簧连接，并通过端头凸块与所述微泵本体的基板连接。
[0023]本专利技术公开了一种电磁驱动式MEMS微泵的集成加工工艺，该微泵使用三片晶圆加工，分别为第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆，该集成加工工艺主要包括以下步骤：
[0024]S1、微泵衬底的制作，微泵衬底的制作分为微泵上衬底的制作和微泵下衬底的制作，对第一晶圆加工以形成为微泵上衬底，对第三晶圆加工以形成为微泵下衬底；
[0025]S2、微泵流体通道、软磁铁芯以及止回阀的制作，对第二晶圆加工并与第一晶圆低温键合为第一整体；
[0026]S3、软磁铁芯的电镀；
[0027]S4、永磁体基体材料的制作；
[0028]S5、第三晶圆的键合，第三晶圆与第一整体低温键合为整体；
[0029]S6、MEMS线圈电镀的制作；
[0030]S7、永磁体充磁；
[0031]S8、切割以获得微泵个体。
[0032]进一步的，所述步骤S1中微泵衬底的制作的具体步骤为：
[0033]S101、使用Prianha溶液清洗第一晶圆和第三晶圆；
[0034]S102、将第一晶圆热氧化处理，根据两侧的MEMS线圈底面线圈槽的位置和形状以及竖直孔的位置和形状，分别刻蚀出多个平行线圈槽和竖直通孔，并使用Prianha溶液清洗以获得下衬底；
[0035]S103、将第三晶圆热氧化处理，根据两侧的MEMS线圈顶面线圈槽的位置和形状、MEMS线圈引线pad位置和形状、止回阀靠近永磁体一侧的流道位置和形状、MEMS线圈竖直孔的位置和形状，分别刻蚀出多个平行线圈槽、竖直通孔、四个引线pad槽、以及止回阀扩充流道槽，并使用Prianha溶液清洗以获得上衬底。
[0036]进一步的，所述步骤S2的具体步骤为：
[0037]S201、使用Prianha溶液清洗第二晶圆；
[0038]S202、将第二晶圆热氧化处理，根据进出口止回阀与基板连接凸台位置和形状、流
体通道形状、以及MEMS线圈竖直孔的位置和形状刻蚀出凸台状键合点位与竖直孔槽；
[0039]S203、使用Prianha溶液清洗第一晶圆和第二晶圆，使用RCA方法清洗第一晶圆和第二晶圆；
[0040]S204、将第一晶圆非线圈槽一面与第二晶圆刻蚀面相对放置，并使其通过对准标记对准后将第一晶圆和第二晶圆低温键合以获得第一整体；
[0041]S205、将第一整体非线圈槽一面根据流体通道的位置和形状、进出口止回阀位置和形状、MEMS线圈竖直孔的位置和形状、软磁铁芯的位置和形状，分别刻蚀出附属通道、进口止回阀、出口止回阀、软磁铁芯槽、MEMS线圈竖直孔，且此时进出口止回阀弹簧释放。
[0042]进一步的，所述步骤S3的具体步骤为：
[0043]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.电磁驱动式MEMS微泵，其特征在于，该微泵包括：微泵本体；形成于所述微泵本体中部的流体通道(4)，所述流体通道(4)内具有永磁体(5)；形成于所述流体通道(4)两侧的MEMS线圈(6)；以及软磁铁芯(3)，所述软磁铁芯(3)与所述永磁体(5)组成双环形磁路；与所述流体通道(4)连通有进口(101)和出口(201)；所述进口(101)具有与所述流体通道(4)连通的进口附属通道(103)，所述出口(201)具有与所述流体通道(4)连通的出口附属通道(203)；所述进口附属通道(103)与所述流体通道(4)的连接处具有进口止回阀(102)，所述出口附属通道(203)与所述流体通道(4)的连接处具有出口止回阀(202)；该微泵通过所述进口止回阀(102)和所述出口止回阀(202)实现液体的单向流动。2.根据权利要求1所述的电磁驱动式MEMS微泵，其特征在于，所述进口止回阀(102)和所述出口止回阀(202)均与折弯延伸的基体材料弹簧连接，并通过端头凸块与所述微泵本体的基板连接。3.电磁驱动式MEMS微泵的集成加工工艺，其特征在于，该微泵使用三片晶圆加工，分别为第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆，该集成加工工艺主要包括以下步骤：S1、微泵衬底的制作，微泵衬底的制作分为微泵上衬底的制作和微泵下衬底的制作，对第一晶圆加工以形成为微泵上衬底，对第三晶圆加工以形成为微泵下衬底；S2、微泵流体通道(4)、软磁铁芯(3)以及止回阀的制作，对第二晶圆加工并与第一晶圆低温键合为第一整体；S3、软磁铁芯(3)的电镀；S4、永磁体(5)基体材料的制作；S5、第三晶圆的键合，第三晶圆与第一整体低温键合为整体；S6、MEMS线圈(6)电镀的制作；S7、永磁体(5)充磁；S8、切割以获得微泵个体。4.根据权利要求3所述的电磁驱动式MEMS微泵的集成加工工艺，其特征在于，所述步骤S1中微泵衬底的制作的具体步骤为：S101、使用Prianha溶液清洗第一晶圆和第三晶圆；S102、将第一晶圆热氧化处理，根据两侧的MEMS线圈(6)底面线圈槽的位置和形状以及竖直孔的位置和形状，分别刻蚀出多个平行线圈槽和竖直通孔，并使用Prianha溶液清洗以获得下衬底；S103、将第三晶圆热氧化处理，根据两侧的MEMS线圈(6)顶面线圈槽的位置和形状、MEMS线圈引线pad位置和形状、止回阀靠近永磁体(5)一侧的流道位置和形状、MEMS线圈竖直孔的位置和形状，分别刻蚀出多个平行线圈槽、竖直通孔、四个引线pad槽、以及止回阀扩充流道槽，并使用Prianha溶液清洗以获得上衬底。5.根据权利要求4所述的电磁驱动式MEMS微泵的集成加工工艺，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤为：S201、使用Prianha溶液清洗第二晶圆；
S202、将第二晶圆热氧化处理，根据进出口止回阀与基板连接凸台位置和形状、流体通道(4)形状、以及MEMS线圈竖直孔的位置和形状刻蚀出凸台状键合点位与竖直孔槽；S203、使用Prianha溶液清洗第一晶圆和第二晶圆，使用RCA方法清洗第一晶圆和第二晶圆；S204、将第一晶圆非线圈槽一面与第二晶圆刻蚀面相对放置，并使其通过对准标记对准后将第一晶圆和第二晶圆低温键合以获得第一整体；S205、将第一整体非线圈槽一面根据流体通道(4)的位置和形状、进出口止回阀位置和形状、MEMS线圈竖直孔的位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐天彤，李海旺，王文斌，陶智，朱凯云，吴瀚枭，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：