一種激振-吸振行波引導微流體運輸的裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種激振?吸振行波引導微流體運輸的裝置，屬于微精密驅動領域。它包括超聲波信號發生器、超聲行波驅動微器件、電感和電阻。本發明是利用壓電陶瓷的逆壓電效應產生高頻振動并利用激振?吸振的原理在微管道內產生超聲行波聲場，聲場內的聲輻射壓可驅使微管道內微流體沿著行波方向運輸,它是變傳統微流體驅動的點驅動為面驅動且整個聲場均為驅動源。這種激振?吸振行波引導微流體運輸的裝置的優點在于：無活動部件，控制方式簡單，控制精度高，微型化，集成化高等特點。
【專利說明】
一種激振-吸振行波弓I導微流體運輸的裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種激振-吸振行波引導微流體運輸的裝置，屬于微精密驅動領域。
【背景技術】
[0002]近年來，由于新型技術的快速發展和市場對微流體器件需求的持續推動，微流體系統已成為科學界、企業界研究的熱點。微流體的驅動與控制是微流體系統中經常遇到的問題，是發展MEMS需要解決的關鍵技術之一。隨著生物芯片技術的進步，更是迫切要求實現微量流體自動、精確的驅動和控制。因此微流體驅動與控制技術的發展嚴重影響微流體器件的進一步微型化和性能的改進。目前微流體驅動與控制技術的研究已逐漸成為研究的熱點。現有的微流體驅動與控制技術主要有:I)壓力驅動和控制，它可看作是宏觀流動控制技術的一種移植;依靠入口、出口和管道內的相對壓差來驅動流體運輸;2)電驅動，它是通過在儲液池的兩端放置外電極，通過在電極上施加電壓以在溶液中形成驅動電場來實現微管道內液體的運輸。它是目前最常用和最有效的驅動方式。但也存在一定的局限性，它對管壁材料和被驅動流體的物理化學性質比較敏感，因此只可適用于一定范圍的流體和管壁材料;3)電水力驅動與控制，它需要在流體中或流-固界面誘導產生自由電荷，并通過電場與自由電荷的相互作用產生的驅動力來驅動微流體。但它一般只適用于導電率極低的液體；4)表面張力驅動微流體流動，它是利用在流-固表面產生某種特定的表面張力梯度，來驅使流體在特定的方向上運輸;5)離心力驅動和控制，通過采用光刻和膜塑成型的方法在塑料圓盤上制作微管道網絡，流體被貯存在靠近圓盤中心的供液池中，當圓盤被馬達帶動旋轉時，流體就會在離心力的作用下沿著微管道網絡向遠離圓心的方向運動。這種方式的微流體運輸速度可通過調節馬達的轉速來控制。為了更能簡易地實現微管道內微流體的運輸，本發明提出了一種新型利用激振-吸振形成法產生超聲行波并在微器件的管道內產生聲輻射壓以克服液體間的粘滯力與慣性力，從而達到驅動微流體沿著行波方向運輸的目的。
【發明內容】
[0003]為了實現驅動和控制微管道內微流體的運輸問題，本發明設計了一種激振-吸振行波引導微流體運輸的裝置。該裝置致力于一種新原理的微流體驅動與控制技術，并利用激振-吸振法產生具有驅動源的超聲行波，同時利用產生的超聲行波來實現微流體的運輸與控制。該發明裝置核心部分在于超聲行波驅動微器件(100)的制作，它是利用激振-吸振的原理在超聲行波驅動微器件(100)上產生單向直線式超聲行波，當第一硅片(6)上的微管道內的超聲行波的波速大于媒介中的聲速時，就會在媒介中形成斜向的聲輻射壓力，這樣微管道內的液體就會在這種聲輻射壓和管壁的粘附力的作用下克服液體間的粘滯力與慣性力，從而實現微流體的驅動與控制。
[0004]為達到以上目的，本發明采用以下技術方案:其中本發明的關鍵部件是超聲行波驅動微器件(100)的制作，它可通過以下技術方案及流程實現。
[0005]I)由于Si3N4材料具有優良的機械及光電性能、熱和化學穩定性，硬度高、耐磨損等特點而得到重視。因此本裝置也采用Si3N4作為需要的薄膜材料，并采用低壓化學汽相沉積法對第二硅片(5)進行低應力Si3N4薄膜(4)的生長。
[0006]2)在Si3N4薄膜(4)上進行光刻膠PR( 11)的旋涂。通過旋轉涂膠臺將光刻膠PR( 11)均勻涂于Si3N4薄膜(4)，從而使得光刻膠PR(Il)與Si3N4薄膜(4)能夠很好地結合，而獲得精準的幾何圖案。
[0007]3)曝光與顯影:通過曝光技術對前烘后的光刻膠PR(Il)進行曝光處理。然后把曝光后的第二硅片(5)放在NaOH顯影液里，這樣顯影液就會將應去除的光刻膠PR( 11)除干凈，以獲得所需的圖形。顯影后可將樣品勻速放入到去離子水中定影lmin。
[0008]4)在光刻膠PR(Il)及Si3N4薄膜(4)表面反應濺射一層Cr金屬(10)作為保護層，后續再通過金屬剝離技術，使無需刻蝕的第二硅片(5)能夠得到Cr金屬(10)的保護。將濺射完的第二硅片(5)浸泡于丙酮溶液中，這樣光刻膠PR( 11)上的Cr金屬(10)會隨光刻膠PR( 11)在丙酮溶液中溶解而從第二硅片(5)上剝離出來，從而掩膜圖形即呈現出來。
[0009]5)選用反應離子刻蝕(RIE)法除去未被Cr金屬(10)保護的Si3N4薄膜(4)。
[0010]6)利用ICP刻蝕法對無需的第二硅片(5)層進行刻蝕處理，以形成具有兩凸臺的第三硅片(5a)。同樣，利用ICP刻蝕法對第一硅片(6)進行刻蝕，以獲取所需的直線式微管道結構的第一硅片(6)。然后再通過高溫處理法將第一硅片(6)與第三硅片(5a)進行鍵合處理。
[0011]7)采用H3PO4溶液將Cr金屬(10)去除，之后進行清潔并干燥處理，從而達到對保護層Cr金屬(10)的去除。
[0012]8)利用靜電技術將第三硅片(5a)與Glass片(3)鍵合在一起。通過在第三硅片(5a)上接正極，Glass片(3)上接負極，并對Glass片(3)與第三娃片(5a)進行加熱處理，從而使其兩者之間產生較大的靜電吸引力，以使兩者緊密接觸牢牢緊固在一起。
[0013]9)將PZT-4薄片(I)和PZT-4薄片(2)分別粘結于Glass片(3)的中央。值得注意的是:這兩片PZT-4薄片應在理論參數上具有完全的一致性，即選用相同參數的PZT-4薄片。這樣就完成了整個超聲行波驅動微器件(100)的制作。
[0014]作為本發明的優化方案，利用超聲波信號發生器(9)輸出正弦信號予與之相連的PZT-4薄片(I)使其產生高頻往復振動，這種振動能量可通過Glass片(3)親合到Si3N4薄膜(4)上，驅動Si3N4薄膜(4)使其產生更大幅度的振動；同時調節電阻(7)與電感(8)吸收來自PZT-4薄片(I)端的彎曲行波，從而帶動整個超聲行波驅動微器件(100)產生高幅度高頻地往復振動，并在微管道內激勵出單向直線式超聲行波并形成斜向的聲輻射壓力，這樣微管道內的液體在就會這種聲輻射壓和管壁的粘附力的作用下克服液體間的粘滯力與慣性力，從而實現微流體的驅動與控制。
[0015]作為本發明的優化方案，本裝置是采用高頻振動方式產生驅動微流體的驅動源，因此整個超聲行波驅動微器件(100)裝置的振幅越大，則產生的行波驅動力越大。因此在設計超聲行波驅動微器件(100)時，需要對超聲行波驅動微器件(100)及Si3N4薄膜(4)結構的振動特性進行分析，以求設計最合理的模型尺寸和工作頻率，從而獲得一個最佳尺寸、最佳性能的結構(諧振振幅最大，行波驅動力最大)。
[0016]作為本發明的優化方案，選擇合適匹配的電阻(7)與電感(8)。通過合適的電阻(7)與電感(8)來予以吸收自PZT-4薄片(I)端傳遞來的行波能量，從而防止行波出現反射而形成駐波，阻礙微管道內微流體的運輸，這樣超聲行波就可源源不斷地朝著PZT-4薄片(2)端傳播，從而產生單向直線式超聲行波。同樣，通過調節阻抗匹配(即電阻(7)與電感(8)的阻值大小)可控制微流體流速的快慢，當彎曲行波的能量被全部吸收時，微流體的流速達到最大。
[0017]本發明的優點在于:把激振-吸振的行波形成原理應用到微流體驅動領域，利用超聲行波在微流體管道內產生的斜向聲輻射力的水平分力來驅動微管道內的微流體作單向直線式運輸。它與現有技術相比，超聲行波驅動會在微管道內形成層流現象，在越接近管壁位置流體的流速越快，與壓力驅動的流速分布恰好相反。這種特性可應用在微流體散熱方面。它可很好的解決微流體的散熱問題，提高其熱擴散效率。該發明裝置在控制方式上比較簡單，控制精度較高，微型化，且集成化較高。
【附圖說明】
[0018]圖1是一種激振-吸振行波引導微流體運輸的裝置的結構示意圖；
[0019]圖2是超聲行波驅動微器件的結構示意圖；
[0020]圖3是第一硅片(刻有微管道)的結構示意圖；
[0021 ]圖4是超聲行波驅動微器件的制作工藝流程圖；其中，圖4A為Si3N4薄膜的生長，圖4B為旋涂光刻膠PR，圖4C為第二硅片的曝光與顯影，圖4D為Cr金屬的濺射，圖4E為Cr金屬的剝離工藝，圖4F為Si3N4薄膜的反應離子刻蝕，圖4G為第二硅片的ICP刻蝕，圖4H為與第一硅片的鍵合，圖41為Cr金屬的去除，圖4J為與Glass片的鍵合，圖4K為粘結PZT-4薄片；
[0022]圖5是替換電阻、電感與超聲波信號發生器后實現反向驅動微流體運輸的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]實施方式
[0024]本發明核心部件是超聲行波驅動微器件(100)的加工制作，其中本發明最核心的理念是在超聲行波驅動微器件(100)上粘結PZT-4薄片(I)和PZT-4薄片(2)，使其產生具有單向直線式傳播的超聲行波，可通過如下技術方案實現:
[0025]I)硅片的清洗
[0026]首先是對第二硅片(5)進行清洗。清洗處理的目的是使第二硅片(5)表面清潔干燥，以便和后續工藝緊密結合。
[0027]2) Si3N4薄膜的制作
[0028]本裝置采用Si3N4作為需要的薄膜材料。在該超聲行波驅動微器件(100)中，采用低壓化學汽相沉積法(LPCVD)，在LPCVD爐中對第二硅片(5)進行低應力Si3N4薄膜(4)的生長。通過LPCVD爐對整個爐體加熱，并且施加高頻激勵電源。當爐體加熱到700°C以上時，通入SiH2Ci2和NH3氣體。在壓強為36Pa下工作，生長速度為3-4nm/min，加工時間約為6小時，即可完成薄膜厚度1.2μπι左右的Si3N4薄膜(4)的生長，見圖4A。
[0029]3)涂光刻膠
[0030]在旋涂光刻膠PR(Il)之前需要對第二硅片(5)進行清洗處理，清洗的目的是使Si3N4薄膜(4)表面清潔干燥，能和光刻膠PR(Il)很好的粘附，注意清洗過程要確保不可損害Si3N4薄膜(4)的結構層。清洗完成后需對第二硅片(5)進行烘干，再通過旋轉涂膠臺涂覆光刻膠PR(Il)于Si3N4薄膜(4)上，利用離心原理即可獲得厚度均勻的光刻膠PR(Il)層，從而使得光刻膠PR( 11)與Si3N4薄膜(4)能夠很好地結合在一起，見圖4B。
[0031]4)曝光與顯影
[0032]a)前烘:前烘的目的是使光刻膠PR(11)體內溶劑充分的揮發，以增加光刻膠PR
(11)與Si3N4薄膜(4)的粘附性和光刻膠PR( 11)的耐磨性。只有光刻膠PR( 11)干燥，曝光時才可充分進行光化學反應。設定前烘溫度為95°C，時間為20min;
[0033]b)對準和曝光:曝光時間約為6s;
[0034]c)泛曝光:由于選用的光刻膠PR(Il)的特性，在烘干結束后需利用光刻機對第二硅片(5)進行泛曝光，曝光時間約為5s;
[0035]d)顯影:顯影是把曝光后的第二硅片(5)放在顯影液里，如圖5所示。將應去除的光刻膠PR (I I)溶解干凈，以便獲得所需的圖形。對所使用的光刻膠PR (11)可采用8 %的NaOH溶液作為顯影液。顯影后應將第二硅片(5)勻速放入到去離子水中定影lmin;見圖4C。
[0036]e)后烘:后烘為了堅膜，通常在一定溫度下將顯影后的第二硅片(5)進行烘烤，以除去顯影時光刻膠PR(Il)所吸收的顯影液和殘留水分，從而改善光刻膠PR(Il)與Si3N4薄膜
(4)間的粘附性，增加光刻膠PR(Il)的抗蝕能力和消除顯影時所引起的圖形變形等問題。
[0037]5)濺射 Cr
[0038]在光照工藝與刻蝕工藝之間加入一步金屬濺射工藝，再采用金屬剝離技術去除濺射的金屬，以便使得無需刻蝕的第二硅片(5)能得到金屬層的良好保護。
[0039]采用反應濺射的方法在光刻膠PR(Il)及Si3N4薄膜(4)表面反應濺射一層Cr金屬
(10)作為保護層，濺射厚度約為Ιμπι，見圖4D。
[0040]6)Cr金屬剝離
[0041]將完成金屬濺射后的第二硅片(5)浸泡于丙酮溶液中，光刻膠PR(Il)上的Cr金屬
(10)隨光刻膠PR(Il)在丙酮溶液中溶解而從第二硅片(5)上剝離出去，同時Si3N4薄膜(4)表面的Cr金屬(10)得以保留，這樣所需的掩膜圖形就顯現出來，見圖4E。
[0042]7) Si3N4薄膜的反應離子刻蝕
[0043]在刻蝕工藝中可選用反應離子刻蝕(RIE)法除去未被Cr金屬(10)保護的Si3N4薄膜
(4)。將濺射有Cr金屬(10)的第二硅片(5)放入反應離子刻蝕機中，然后對刻蝕機進行抽真空處理以達到一定的真空度，再向機器中沖入Ar氣體和CF4氣體，以便在刻蝕腔內對Si3N^膜(4)進行反應離子刻蝕工藝，見圖4F。
[0044]8) ICP 刻蝕
[0045]利用ICP刻蝕法對無需的第二硅片(5)進行刻蝕處理，以形成具有兩凸臺的第三硅片(5a)。同樣，利用ICP刻蝕法對第一硅片(6)進行刻蝕，以獲取所需直線式微管道結構的第一硅片(6)。通過控制刻蝕時間可獲得所需要的硅片形狀，見圖3和圖4G。
[0046]9)鍵合(第一硅片)
[0047]對兩拋光的第三硅片(5a)和第一硅片(6)進行含OH-溶液的浸泡處理，在室溫下將第三硅片(5a)與第一硅片(6)面對面貼合在一起;然后在02或他環境中經數小時的高溫處理后就可形成良好的鍵合，見圖4H。
[0048]10)Cr金屬的去除
[0049]采用H3PO4溶液將Cr金屬(10)進行去除，之后便進行清潔后并干燥，見圖41。
[0050]11)鍵合(Glass 片)
[0051 ]通過靜電技術可直接將第三硅片(5a)與Glass片(3)鍵合在一起。將第三硅片(5a)接正極，Glass片(3)接負極，并對第三娃片(5a)與Glass片(3)進行加熱。這樣便在與第三娃片(5a)相鄰的Glass片(3)表面形成耗盡層，由于Glass片(3)帶負電；第三娃片(5a)帶正電，所以第三硅片(5a)和Glas s片(3)之間存在的較大靜電吸引力就會使二者緊密接觸。在高溫下第三硅片(5a)與Glass片(3)的界面發生化學反應形成牢固的化學鍵，從而完成了第三硅片(5a)與Glass片(3)的鍵合，見圖4J。
[0052]12)粘結 PZT-4 薄片
[0053]將PZT-4薄片(I)和PZT-4薄片(2)分別粘結于Glass片(3)的中央。，從而完成超聲行波驅動微器件(100)的制作工藝，見圖4K。
[0054]待超聲行波驅動微器件(100)的加工制作完成后，超聲波信號發生器(9)連接與PZT-4薄片(1)，使其產生高頻往復振動并激勵出彎曲行波;此后PZT-4薄片(2)與電阻(7)和電感(8)連接，其中電阻(7)和電感(8)連接采用的是并聯連接方式，以用來吸收由PZT-4薄片(I)端傳遞來的彎曲行波能量。這樣就完成了整個激振-吸振行波引導微流體運輸的裝置的安裝。
[0055]該裝置致力于一種新原理的微流體驅動與控制技術，該發明裝置利用激振-吸振法產生超聲行波，并利用超聲行波的原理來驅動微流體的運動與控制。通過超聲波信號發生器(9)輸出正弦信號予與之相連的PZT-4薄片(I)，使其產生高頻往復振動，當這種振動能量通過Glass片(3)親合到Si3N4薄膜(4)上，驅動Si3N4薄膜(4)產生更大幅度的振動，從而帶動整個超聲行波驅動微器件(100)產生高幅度高頻地往復振動，并在微管道內激勵出聲場彎曲行波;這樣即可實現變傳統微流體驅動的點驅動為面驅動，且整個聲場均為驅動源；當激勵的超聲行波傳播至PZT-4薄片(2)端時，也使其產生上下往復地高頻振動。由于PZT-4薄片(2)具有壓電效應，它可將高頻的機械振動轉變為電信號，這樣可通過電阻(7)與電感(8)來予以吸收行波能量，從而防止行波出現反射而形成駐波，阻礙微管道內微流體的運輸，這樣超聲行波就可源源不斷地朝著PZT-4薄片(2)端傳播，從而產生單向直線式超聲驅動行波。同樣，通過調節阻抗匹配(即電阻(7)與電感(8)的阻值大小)可控制微流體流速的快慢，當彎曲行波的能量被全部吸收時，微流體的流速達到最大。產生的超聲行波會驅使微管道壁上的質點產生與管道壁垂直的橢圓運動，管徑產生周期性的蠕動變形。管徑的周期性變化便會對流體產生擠壓與蠕動作用。在流固耦合界面附近，由于固壁面處存在的粘性作用和液體分子與固體表面物質分子間的相互作用，便會形成無滑移邊界層。其中，近壁面的流體分子黏附在壁面上具有固體性質，近邊界層的液體受到邊界層液體分子的引力，具有半固體的性質;遠離邊界層的分子是自由液體分子。在超聲行波作用下，下壁面的質點將做橢圓運動，此時緊靠壁面的流體分子黏附在壁面上隨壁面質點一起做橢圓運動，這樣近邊界層的液體在分子間作用力的作用下也隨之運動，最后帶動遠離固壁面的自由液體分子隨之運動，從而通過液體對管壁的粘附力及聲輻射壓的作用即可驅動微管道內的流體流動，并形成超聲行波引導微流體運輸。值得注意的是:這種激振-吸振行波引導微流體裝置，超聲行波在微管道內流體場產生的聲速要大于微流體媒介的聲速，只有這樣超聲行波才可在微流體內產生斜向的聲輻射力，其水平分力可引導微流體運輸。PZT-4薄片(I)和PZT-4薄片
(2)在結構參數上具有高度的一致性，因此通過互換電阻(7)、電感(8)和超聲波信號發生器(9)可實現微流體朝著另一方向的運輸，如圖5所示，圖中“箭頭”方向為行波傳遞方向。所以該發明裝置只需輕易更換激發方式與接收方式即可實現另一方向上的微流體驅動運輸。
【主權項】
1.一種激振-吸振行波引導微流體運輸的裝置，包括超聲行波驅動微器件(100)，超聲波信號發生器(9)，電阻(7)和電感(8);其特征在于所述的超聲行波驅動微器件(100)是通過在第二硅片(5)上沉積一層Si3N4薄膜(4);然后通過微加工工藝把第二硅片(5)刻蝕為第三硅片(5a)并同時完成第三硅片(5a)與第一硅片(6)的鍵合，其中第一硅片(6)上刻有所需的直線式微管道結構;隨后在Si3N4薄膜(4)上鍵合Glass片(3)，然后在Glass片(3)上分別粘結PZT-4薄片(I)和PZT-4薄片(2);最后PZT-4薄片(I)與超聲波信號發生器(9)連接，以產生高頻往復振動并激勵出彎曲行波;PZT-4薄片(2)與電阻(7)和電感(8)連接，以吸收由PZT-4薄片(I)端傳遞來的彎曲行波能量。
【文檔編號】F04B43/12GK105927519SQ201610457446
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月22日
【發明人】江海, 呂慶慶, 顧守東, 路崧, 劉建芳, 王吉舉, 王全偉, 吳亞東, 王迪
【申請人】吉林大學