CN105927519A - 一种激振-吸振行波引导微流体运输的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激振‑吸振行波引导微流体运输的装置，属于微精密驱动领域。它包括超声波信号发生器、超声行波驱动微器件、电感和电阻。本发明是利用压电陶瓷的逆压电效应产生高频振动并利用激振‑吸振的原理在微管道内产生超声行波声场，声场内的声辐射压可驱使微管道内微流体沿着行波方向运输,它是变传统微流体驱动的点驱动为面驱动且整个声场均为驱动源。这种激振‑吸振行波引导微流体运输的装置的优点在于：无活动部件，控制方式简单，控制精度高，微型化，集成化高等特点。

Description

一种激振-吸振行波引导微流体运输的装置

技术领域

本发明涉及一种激振-吸振行波引导微流体运输的装置，属于微精密驱动领域。

背景技术

近年来，由于新型技术的快速发展和市场对微流体器件需求的持续推动，微流体***已成为科学界、企业界研究的热点。微流体的驱动与控制是微流体***中经常遇到的问题，是发展MEMS需要解决的关键技术之一。随着生物芯片技术的进步，更是迫切要求实现微量流体自动、精确的驱动和控制。因此微流体驱动与控制技术的发展严重影响微流体器件的进一步微型化和性能的改进。目前微流体驱动与控制技术的研究已逐渐成为研究的热点。现有的微流体驱动与控制技术主要有：1)压力驱动和控制，它可看作是宏观流动控制技术的一种移植；依靠入口、出口和管道内的相对压差来驱动流体运输；2)电驱动，它是通过在储液池的两端放置外电极，通过在电极上施加电压以在溶液中形成驱动电场来实现微管道内液体的运输。它是目前最常用和最有效的驱动方式。但也存在一定的局限性，它对管壁材料和被驱动流体的物理化学性质比较敏感，因此只可适用于一定范围的流体和管壁材料；3)电水力驱动与控制，它需要在流体中或流-固界面诱导产生自由电荷，并通过电场与自由电荷的相互作用产生的驱动力来驱动微流体。但它一般只适用于导电率极低的液体；4)表面张力驱动微流体流动，它是利用在流-固表面产生某种特定的表面张力梯度，来驱使流体在特定的方向上运输；5)离心力驱动和控制，通过采用光刻和膜塑成型的方法在塑料圆盘上制作微管道网络，流体被贮存在靠近圆盘中心的供液池中，当圆盘被马达带动旋转时，流体就会在离心力的作用下沿着微管道网络向远离圆心的方向运动。这种方式的微流体运输速度可通过调节马达的转速来控制。为了更能简易地实现微管道内微流体的运输，本发明提出了一种新型利用激振-吸振形成法产生超声行波并在微器件的管道内产生声辐射压以克服液体间的粘滞力与惯性力，从而达到驱动微流体沿着行波方向运输的目的。

发明内容

为了实现驱动和控制微管道内微流体的运输问题，本发明设计了一种激振-吸振行波引导微流体运输的装置。该装置致力于一种新原理的微流体驱动与控制技术，并利用激振-吸振法产生具有驱动源的超声行波，同时利用产生的超声行波来实现微流体的运输与控制。该发明装置核心部分在于超声行波驱动微器件(100)的制作，它是利用激振-吸振的原理在超声行波驱动微器件(100)上产生单向直线式超声行波，当第一硅片(6)上的微管道内的超声行波的波速大于媒介中的声速时，就会在媒介中形成斜向的声辐射压力，这样微管道内的液体就会在这种声辐射压和管壁的粘附力的作用下克服液体间的粘滞力与惯性力，从而实现微流体的驱动与控制。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：其中本发明的关键部件是超声行波驱动微器件(100)的制作，它可通过以下技术方案及流程实现。

1)由于Si₃N₄材料具有优良的机械及光电性能、热和化学稳定性，硬度高、耐磨损等特点而得到重视。因此本装置也采用Si₃N₄作为需要的薄膜材料，并采用低压化学汽相沉积法对第二硅片(5)进行低应力Si₃N₄薄膜(4)的生长。

2)在Si₃N₄薄膜(4)上进行光刻胶PR(11)的旋涂。通过旋转涂胶台将光刻胶PR(11)均匀涂于Si₃N₄薄膜(4)，从而使得光刻胶PR(11)与Si₃N₄薄膜(4)能够很好地结合，而获得精准的几何图案。

3)曝光与显影：通过曝光技术对前烘后的光刻胶PR(11)进行曝光处理。然后把曝光后的第二硅片(5)放在NaOH显影液里，这样显影液就会将应去除的光刻胶PR(11)除干净，以获得所需的图形。显影后可将样品匀速放入到去离子水中定影1min。

4)在光刻胶PR(11)及Si₃N₄薄膜(4)表面反应溅射一层Cr金属(10)作为保护层，后续再通过金属剥离技术，使无需刻蚀的第二硅片(5)能够得到Cr金属(10)的保护。将溅射完的第二硅片(5)浸泡于丙酮溶液中，这样光刻胶PR(11)上的Cr金属(10)会随光刻胶PR(11)在丙酮溶液中溶解而从第二硅片(5)上剥离出来，从而掩膜图形即呈现出来。

5)选用反应离子刻蚀(RIE)法除去未被Cr金属(10)保护的Si₃N₄薄膜(4)。

6)利用ICP刻蚀法对无需的第二硅片(5)层进行刻蚀处理，以形成具有两凸台的第三硅片(5a)。同样，利用ICP刻蚀法对第一硅片(6)进行刻蚀，以获取所需的直线式微管道结构的第一硅片(6)。然后再通过高温处理法将第一硅片(6)与第三硅片(5a)进行键合处理。

7)采用H₃PO₄溶液将Cr金属(10)去除，之后进行清洁并干燥处理，从而达到对保护层Cr金属(10)的去除。

8)利用静电技术将第三硅片(5a)与Glass片(3)键合在一起。通过在第三硅片(5a)上接正极，Glass片(3)上接负极，并对Glass片(3)与第三硅片(5a)进行加热处理，从而使其两者之间产生较大的静电吸引力，以使两者紧密接触牢牢紧固在一起。

9)将PZT-4薄片(1)和PZT-4薄片(2)分别粘结于Glass片(3)的中央。值得注意的是：这两片PZT-4薄片应在理论参数上具有完全的一致性，即选用相同参数的PZT-4薄片。这样就完成了整个超声行波驱动微器件(100)的制作。

作为本发明的优化方案，利用超声波信号发生器(9)输出正弦信号予与之相连的PZT-4薄片(1)使其产生高频往复振动，这种振动能量可通过Glass片(3)耦合到Si₃N₄薄膜(4)上，驱动Si₃N₄薄膜(4)使其产生更大幅度的振动；同时调节电阻(7)与电感(8)吸收来自PZT-4薄片(1)端的弯曲行波，从而带动整个超声行波驱动微器件(100)产生高幅度高频地往复振动，并在微管道内激励出单向直线式超声行波并形成斜向的声辐射压力，这样微管道内的液体在就会这种声辐射压和管壁的粘附力的作用下克服液体间的粘滞力与惯性力，从而实现微流体的驱动与控制。

作为本发明的优化方案，本装置是采用高频振动方式产生驱动微流体的驱动源，因此整个超声行波驱动微器件(100)装置的振幅越大，则产生的行波驱动力越大。因此在设计超声行波驱动微器件(100)时，需要对超声行波驱动微器件(100)及Si₃N₄薄膜(4)结构的振动特性进行分析，以求设计最合理的模型尺寸和工作频率，从而获得一个最佳尺寸、最佳性能的结构(谐振振幅最大，行波驱动力最大)。

作为本发明的优化方案，选择合适匹配的电阻(7)与电感(8)。通过合适的电阻(7)与电感(8)来予以吸收自PZT-4薄片(1)端传递来的行波能量，从而防止行波出现反射而形成驻波，阻碍微管道内微流体的运输，这样超声行波就可源源不断地朝着PZT-4薄片(2)端传播，从而产生单向直线式超声行波。同样，通过调节阻抗匹配(即电阻(7)与电感(8)的阻值大小)可控制微流体流速的快慢，当弯曲行波的能量被全部吸收时，微流体的流速达到最大。

本发明的优点在于：把激振-吸振的行波形成原理应用到微流体驱动领域，利用超声行波在微流体管道内产生的斜向声辐射力的水平分力来驱动微管道内的微流体作单向直线式运输。它与现有技术相比，超声行波驱动会在微管道内形成层流现象，在越接近管壁位置流体的流速越快，与压力驱动的流速分布恰好相反。这种特性可应用在微流体散热方面。它可很好的解决微流体的散热问题，提高其热扩散效率。该发明装置在控制方式上比较简单，控制精度较高，微型化，且集成化较高。

附图说明

图1是一种激振-吸振行波引导微流体运输的装置的结构示意图；

图2是超声行波驱动微器件的结构示意图；

图3是第一硅片(刻有微管道)的结构示意图；

图4是超声行波驱动微器件的制作工艺流程图；其中，图4A为Si₃N₄薄膜的生长，图4B为旋涂光刻胶PR，图4C为第二硅片的曝光与显影，图4D为Cr金属的溅射，图4E为Cr金属的剥离工艺，图4F为Si₃N₄薄膜的反应离子刻蚀，图4G为第二硅片的ICP刻蚀，图4H为与第一硅片的键合，图4I为Cr金属的去除，图4J为与Glass片的键合，图4K为粘结PZT-4薄片；

图5是替换电阻、电感与超声波信号发生器后实现反向驱动微流体运输的结构示意图。

具体实施方式

实施方式

本发明核心部件是超声行波驱动微器件(100)的加工制作，其中本发明最核心的理念是在超声行波驱动微器件(100)上粘结PZT-4薄片(1)和PZT-4薄片(2)，使其产生具有单向直线式传播的超声行波，可通过如下技术方案实现：

1)硅片的清洗

首先是对第二硅片(5)进行清洗。清洗处理的目的是使第二硅片(5)表面清洁干燥，以便和后续工艺紧密结合。

2)Si₃N₄薄膜的制作

本装置采用Si₃N₄作为需要的薄膜材料。在该超声行波驱动微器件(100)中，采用低压化学汽相沉积法(LPCVD)，在LPCVD炉中对第二硅片(5)进行低应力Si₃N₄薄膜(4)的生长。通过LPCVD炉对整个炉体加热，并且施加高频激励电源。当炉体加热到700℃以上时，通入SiH₂C_l2和NH₃气体。在压强为36Pa下工作，生长速度为3-4nm/min，加工时间约为6小时，即可完成薄膜厚度1.2μm左右的Si₃N₄薄膜(4)的生长，见图4A。

3)涂光刻胶

在旋涂光刻胶PR(11)之前需要对第二硅片(5)进行清洗处理，清洗的目的是使Si₃N₄薄膜(4)表面清洁干燥，能和光刻胶PR(11)很好的粘附，注意清洗过程要确保不可损害Si₃N₄薄膜(4)的结构层。清洗完成后需对第二硅片(5)进行烘干，再通过旋转涂胶台涂覆光刻胶PR(11)于Si₃N₄薄膜(4)上，利用离心原理即可获得厚度均匀的光刻胶PR(11)层，从而使得光刻胶PR(11)与Si₃N₄薄膜(4)能够很好地结合在一起，见图4B。

4)曝光与显影

a)前烘：前烘的目的是使光刻胶PR(11)体内溶剂充分的挥发，以增加光刻胶PR(11)与Si₃N₄薄膜(4)的粘附性和光刻胶PR(11)的耐磨性。只有光刻胶PR(11)干燥，曝光时才可充分进行光化学反应。设定前烘温度为95℃，时间为20min；

b)对准和曝光：曝光时间约为6s；

c)泛曝光：由于选用的光刻胶PR(11)的特性，在烘干结束后需利用光刻机对第二硅片(5)进行泛曝光，曝光时间约为5s；

d)显影：显影是把曝光后的第二硅片(5)放在显影液里，如图5所示。将应去除的光刻胶PR(11)溶解干净，以便获得所需的图形。对所使用的光刻胶PR(11)可采用8％的NaOH溶液作为显影液。显影后应将第二硅片(5)匀速放入到去离子水中定影1min；见图4C。

e)后烘：后烘为了坚膜，通常在一定温度下将显影后的第二硅片(5)进行烘烤，以除去显影时光刻胶PR(11)所吸收的显影液和残留水分，从而改善光刻胶PR(11)与Si₃N₄薄膜(4)间的粘附性，增加光刻胶PR(11)的抗蚀能力和消除显影时所引起的图形变形等问题。

5)溅射Cr

在光照工艺与刻蚀工艺之间加入一步金属溅射工艺，再采用金属剥离技术去除溅射的金属，以便使得无需刻蚀的第二硅片(5)能得到金属层的良好保护。

采用反应溅射的方法在光刻胶PR(11)及Si₃N₄薄膜(4)表面反应溅射一层Cr金属(10)作为保护层，溅射厚度约为1μm，见图4D。

6)Cr金属剥离

将完成金属溅射后的第二硅片(5)浸泡于丙酮溶液中，光刻胶PR(11)上的Cr金属(10)随光刻胶PR(11)在丙酮溶液中溶解而从第二硅片(5)上剥离出去，同时Si₃N₄薄膜(4)表面的Cr金属(10)得以保留，这样所需的掩膜图形就显现出来，见图4E。

7)Si₃N₄薄膜的反应离子刻蚀

在刻蚀工艺中可选用反应离子刻蚀(RIE)法除去未被Cr金属(10)保护的Si₃N₄薄膜(4)。将溅射有Cr金属(10)的第二硅片(5)放入反应离子刻蚀机中，然后对刻蚀机进行抽真空处理以达到一定的真空度，再向机器中冲入Ar气体和CF₄气体，以便在刻蚀腔内对Si₃N₄薄膜(4)进行反应离子刻蚀工艺，见图4F。

8)ICP刻蚀

利用ICP刻蚀法对无需的第二硅片(5)进行刻蚀处理，以形成具有两凸台的第三硅片(5a)。同样，利用ICP刻蚀法对第一硅片(6)进行刻蚀，以获取所需直线式微管道结构的第一硅片(6)。通过控制刻蚀时间可获得所需要的硅片形状，见图3和图4G。

9)键合(第一硅片)

对两抛光的第三硅片(5a)和第一硅片(6)进行含OH-溶液的浸泡处理，在室温下将第三硅片(5a)与第一硅片(6)面对面贴合在一起；然后在O₂或N₂环境中经数小时的高温处理后就可形成良好的键合，见图4H。

10)Cr金属的去除

采用H₃PO₄溶液将Cr金属(10)进行去除，之后便进行清洁后并干燥，见图4I。

11)键合(Glass片)

通过静电技术可直接将第三硅片(5a)与Glass片(3)键合在一起。将第三硅片(5a)接正极，Glass片(3)接负极，并对第三硅片(5a)与Glass片(3)进行加热。这样便在与第三硅片(5a)相邻的Glass片(3)表面形成耗尽层，由于Glass片(3)带负电；第三硅片(5a)带正电，所以第三硅片(5a)和Glass片(3)之间存在的较大静电吸引力就会使二者紧密接触。在高温下第三硅片(5a)与Glass片(3)的界面发生化学反应形成牢固的化学键，从而完成了第三硅片(5a)与Glass片(3)的键合，见图4J。

12)粘结PZT-4薄片

将PZT-4薄片(1)和PZT-4薄片(2)分别粘结于Glass片(3)的中央。，从而完成超声行波驱动微器件(100)的制作工艺，见图4K。

待超声行波驱动微器件(100)的加工制作完成后，超声波信号发生器(9)连接与PZT-4薄片(1)，使其产生高频往复振动并激励出弯曲行波；此后PZT-4薄片(2)与电阻(7)和电感(8)连接，其中电阻(7)和电感(8)连接采用的是并联连接方式，以用来吸收由PZT-4薄片(1)端传递来的弯曲行波能量。这样就完成了整个激振-吸振行波引导微流体运输的装置的安装。

该装置致力于一种新原理的微流体驱动与控制技术，该发明装置利用激振-吸振法产生超声行波，并利用超声行波的原理来驱动微流体的运动与控制。通过超声波信号发生器(9)输出正弦信号予与之相连的PZT-4薄片(1)，使其产生高频往复振动，当这种振动能量通过Glass片(3)耦合到Si₃N₄薄膜(4)上，驱动Si₃N₄薄膜(4)产生更大幅度的振动，从而带动整个超声行波驱动微器件(100)产生高幅度高频地往复振动，并在微管道内激励出声场弯曲行波；这样即可实现变传统微流体驱动的点驱动为面驱动，且整个声场均为驱动源；当激励的超声行波传播至PZT-4薄片(2)端时，也使其产生上下往复地高频振动。由于PZT-4薄片(2)具有压电效应，它可将高频的机械振动转变为电信号，这样可通过电阻(7)与电感(8)来予以吸收行波能量，从而防止行波出现反射而形成驻波，阻碍微管道内微流体的运输，这样超声行波就可源源不断地朝着PZT-4薄片(2)端传播，从而产生单向直线式超声驱动行波。同样，通过调节阻抗匹配(即电阻(7)与电感(8)的阻值大小)可控制微流体流速的快慢，当弯曲行波的能量被全部吸收时，微流体的流速达到最大。产生的超声行波会驱使微管道壁上的质点产生与管道壁垂直的椭圆运动，管径产生周期性的蠕动变形。管径的周期性变化便会对流体产生挤压与蠕动作用。在流固耦合界面附近，由于固壁面处存在的粘性作用和液体分子与固体表面物质分子间的相互作用，便会形成无滑移边界层。其中，近壁面的流体分子黏附在壁面上具有固体性质，近边界层的液体受到边界层液体分子的引力，具有半固体的性质；远离边界层的分子是自由液体分子。在超声行波作用下，下壁面的质点将做椭圆运动，此时紧靠壁面的流体分子黏附在壁面上随壁面质点一起做椭圆运动，这样近边界层的液体在分子间作用力的作用下也随之运动，最后带动远离固壁面的自由液体分子随之运动，从而通过液体对管壁的粘附力及声辐射压的作用即可驱动微管道内的流体流动，并形成超声行波引导微流体运输。值得注意的是：这种激振-吸振行波引导微流体装置，超声行波在微管道内流体场产生的声速要大于微流体媒介的声速，只有这样超声行波才可在微流体内产生斜向的声辐射力，其水平分力可引导微流体运输。PZT-4薄片(1)和PZT-4薄片(2)在结构参数上具有高度的一致性，因此通过互换电阻(7)、电感(8)和超声波信号发生器(9)可实现微流体朝着另一方向的运输，如图5所示，图中“箭头”方向为行波传递方向。所以该发明装置只需轻易更换激发方式与接收方式即可实现另一方向上的微流体驱动运输。

Claims (1)

1.一种激振-吸振行波引导微流体运输的装置，包括超声行波驱动微器件(100)，超声波信号发生器(9)，电阻(7)和电感(8)；其特征在于所述的超声行波驱动微器件(100)是通过在第二硅片(5)上沉积一层Si₃N₄薄膜(4)；然后通过微加工工艺把第二硅片(5)刻蚀为第三硅片(5a)并同时完成第三硅片(5a)与第一硅片(6)的键合，其中第一硅片(6)上刻有所需的直线式微管道结构；随后在Si₃N₄薄膜(4)上键合Glass片(3)，然后在Glass片(3)上分别粘结PZT-4薄片(1)和PZT-4薄片(2)；最后PZT-4薄片(1)与超声波信号发生器(9)连接，以产生高频往复振动并激励出弯曲行波；PZT-4薄片(2)与电阻(7)和电感(8)连接，以吸收由PZT-4薄片(1)端传递来的弯曲行波能量。