移动或喷射流体的微泵MEMS设备
技术领域
本公开涉及一种用于移动或喷射流体的微型泵MEMS设备，特别是微型风机或流量计。
背景技术
已知的微型泵能够移动少量的诸如液体或气体的流体，以冷却小的部件、以提供用于施用药物的特定气体分子、或执行流量分析。特别地，一些已知的微型泵设备利用压电材料以适当的交流电压偏置时偏转膜的能力。
例如，US 2009/0232683描述了一种压电微型风机，该压电微型风机由适当成形的金属或硬质树脂板的堆叠形成，该板彼此重叠并结合在一起。特别地，其中描述的微型风机包括容纳室的主体，该室在第一侧上由第一壁封闭，并且在相对侧上由(金属或诸如环氧树脂的柔性树脂)振动板封闭。振动板结合到主体并承载压电元件。第一壁具有与流体供应路径流体接触的第一孔。供应路径由布置在第一壁与第二壁之间的适当成形的板形成，并且具有流体入口和流体喷射出口。流体喷射出口由布置在第二壁中的第二孔形成，以便其与第一孔对齐。
压电元件固定在振动板的背面上以形成单膜，当压电元件由交流电压偏置时，该单膜通过交替运动在相反的方向上弯曲，减小和增加主体中室的体积。上述体积变化交替地导致流体以交替的方式从供应路径入口被吸入和通过喷射出口被排出。
因此，通过这种结构，可以以精确的方式以大于0.2ml/min移动的少量流体；因此，微型风机可用于利用空气冷却电子设备。
然而，期望具有能够以高精度移动从非常低的值变化到较高的值的流体量的微型泵设备。
发明内容
本公开的一个或多个实施例提供了一种具有简单且廉价的结构的微型泵设备，该微型泵设备允许以高精度移动从非常低的值到很高的值的各种流体量。
根据本公开提供了一种微型泵设备和相应的制造工艺。
附图说明
为了理解本公开，现在参照附图，仅通过非限制性示例的方式描述其实施例，其中：
图1是本微型泵设备的一个实施例的底视图；
图2示出了针对并排布置的多个致动器元件的、图1的设备的一部分的截面；
图3是针对单个致动器元件的、图1的设备的一部分的放大截面；
图4是图3的致动器元件的放大仰视图；
图5是图3的致动器元件的一部分的放大截面图；
图6A至图6I是在连续的制造步骤中类似于图4的致动器元件的截面；并且
图7是本微型泵设备的不同实施例的底视图。
具体实施方式
图1示意性地示出了使用MEMS技术制造并集成在裸片2中的微型泵设备1。
微型泵设备1包括多个单独的致动器元件5，这些致动器元件5并排布置，例如，在行和列中对齐。在图1的实施例中，致动器元件5具有圆形形状(也参见图4)。
示意性地示出了每个致动器元件5经由电连接6和接触垫7独立地连接至控制单元8，该控制单元8通常形成于不同的裸片9中，例如作为ASIC(专用集成电路)。备选地，致动器元件5可以成组连接，每个组的致动器元件5被同时控制，并且各组可以被分别控制，以减少电连接的数目并因此简化它们。
参考图2，裸片2包括诸如硅的半导体材料的单片主体3，其具有第一主面3A和第二主面3B并且形成多个致动器元件5。
每个致动器元件5包括流体入口路径10和出口开口11。在所图示的实施例中，流体入口路径10通过入口开口12在第一主面3A上开口。出口开口11布置在第二主面3B上，这里针对每个致动器元件5存在一个出口开口11。入口开口12可以连接至外部流体回路(未示出)，例如用于吸入容纳在储存器中的液体或气体，或直接与外部环境连通，例如用于吸入环境空气。同样，根据设想的应用，出口开口11可以连接到未示出的外部流体回路，或者连接到外部。
如附图3中详细图示的，每个致动器元件5还包括第一室15，该第一室15布置在单片主体3的第一主面3A附近；第二室20，其在第一室15与单片主体3的第二主面3B之间延伸；入口沟槽21，其在入口开口12与第二室20之间延伸；以及出口沟槽22，其在第一室15与出口开口11之间延伸。
在每个室15与裸片2的第一主面3A之间的部分形成膜18，并且压电元件19在第一主面3A上被布置在每个膜18上。
第一室15和第二室20在此具有圆形形状，其中心沿着中心轴线25彼此对齐。因此，膜18是圆形的，与室15、20同心。此外，第二室20具有大于第一室15的面积(在俯视图中，参见附图4)，使得其外围区域(在此为圆环形)从第一室15横向突出，并且入口沟槽21可以垂直于主体3的第一主面3A和第二主面3B，在入口开口12与第二室20之间竖直延伸。
在所图示的实施例中，针对每个致动器元件5的入口开口12是四个，它们是弓形的并且是环形扇形的，彼此周向对齐(特别参见附图4)。入口沟槽21在此(在俯视图中)具有入口开口12的相同的形状和面积，具有大于第一室15的内直径并且在一定距离处围绕第一室15。
出口沟槽22(针对每个致动器元件5存在一个)具有与相应的致动器元件5的中心轴线25平行且同心的圆柱形状，(在俯视图中)具有与相应的出口开口11相同的面积，并且延伸穿过第二室20。
压电元件19可以具有附图5的截面中所示的结构。
详细地，压电元件19形成在绝缘层181上，例如，正如在下文中参考附图6A-附图6I所详细讨论的，通过叠加热生长的二氧化硅层和电介质层而形成，并且覆盖主体3的整个第一主面3A。压电元件19包括：堆叠182，该堆叠182在绝缘层181之上延伸并且由例如钛(Ti)或铂(Pt)的导电材料的底部电极183形成；薄膜压电区域191；以及例如是TiW的顶部电极184。底部电极183与第一接触线188(例如，其形成在同一层中并且使用已知的光刻步骤成形)电接触。例如通过CVD(化学气相沉积)沉积的二氧化硅和氮化硅的第一介电层185和第二介电层186在堆叠182之上延伸。例如铝和/或铜的导电材料的第二接触线189，在介电层185、186上延伸，并且在其开口187中与顶部电极184电接触。例如通过CVD沉积的二氧化硅和/或氮化硅的钝化层190覆盖裸片2的整个第一主表面3A，除了入口开口12和(在接触垫7上的)电连接开口之外。实际上，接触线188、189形成附图1的电连接6，并且使能电极183、184中的一个电极(例如，所有致动器元件5的底部电极183)电连接到参考电势(通常接地)，并如上所述在交流驱动电压处偏置电极183、184中的另一电极(例如，顶部电极184)。
微型泵设备1以类似于已知设备的方式操作。实际上，在顶部电极183与底部电极184之间应用例如40V的交流驱动电压，导致薄膜压电区域191的收缩和膨胀以及膜18在竖直方向上的偏转，交替地远离和朝向第二室20移动，导致第一室15的相应的体积增加和减小。该体积变化导致入口沟槽21和第二室20中的流体被吸入第一室15，然后通过出口沟槽22和出口开口11排出。
微型泵设备1可以如以下参考附图6A-附图6I所述地制造，附图6A-附图6I示出了单个致动器元件5的制造，并且设备1的其他致动器元件5以未示出的方式彼此并排地同时形成。
首先在附图6A中，在例如单晶硅的半导体材料的晶片100中，形成每个致动器元件的第二室20。举例来说，为了这个目的可以使用在美国专利US8173513中描述并且在下面简要概述的制造过程。美国专利US8173513以其整体通过引用并入本文。
详细地，在晶片100上形成抗蚀剂掩模101，该抗蚀剂掩模101具有带有蜂窝状格子的开口。使用掩模101对晶片100进行各向异性化学蚀刻，以形成深度为例如15μm的彼此连通并界定多个硅柱103的多个连通沟槽102。
然后在附图6B中，移除掩模101并在还原环境中进行外延生长。因此，例如N型且厚度为30μm的外延层在柱103上生长，在顶部处封闭沟槽102。
然后执行退火步骤，例如在1190℃执行30分钟，优选地在氢气氛中进行，或者备选地在氮气氛中进行。
如以上专利中所讨论的，退火步骤导致硅原子迁移，其倾向于移动到较低的能量位置。因此，又由于在柱103之间的短距离，其硅原子完全迁移，并且形成第二室20。硅的薄层保留在第二室20上方，该硅薄层部分地由外延生长的硅原子形成并且部分地由迁移的硅原子形成，并形成单晶硅的封闭层105。
其次在附图6C中，从封闭层105进行数十微米(例如50μm)厚度的另一外延生长。以此方式，晶片100包括与第二室20重叠的单晶硅的第一厚区域108。
然后在附图6D中，例如通过重复在美国专利US8173513中描述并且先前参考附图6A和附图6B讨论的制造工艺，在第一厚区域108中形成第一室15。以此方式，晶片100具有与主体3的第一主面3A和第二主面3B相对应的第一面和第二面，并且在第二室20上方容纳第一室15和膜18。
其次，在附图6E中，使用掩模层(未示出)针对每个第一室15形成一个孔115，每个孔115从晶片100的第一面3A延伸到相应的第一室15。优选地在相应的膜18的外边缘附近形成具有例如为2μm的直径的孔115，以便不改变其弹性特性。
然后，在附图6F中，进行热氧化以形成具有例如1μm的厚度的氧化物层。特别地，在每个第一室20的侧面上形成涂覆氧化物部分116A，在晶片100的面3A和3B上分别形成第一表面氧化物部分116B和第二表面氧化物部分116C，并且在孔115中的每个孔内形成封闭的氧化物部分116D。因此，第一室20被涂覆的氧化物部分116A完全覆盖，并且孔115实际上由封闭的氧化物部分116D封闭。
然后，在附图6G中，在第一表面氧化物部分116B上沉积例如TEOS(原硅酸四乙酯)的介电材料层117，并且介电材料层117与第一表面部分116B一起形成图5的绝缘层181。介质材料层117可以具有例如1μm的厚度。
然后，在介电材料层117上形成压电元件19。例如，参考图5，首先使用已知的沉积和掩模技术形成电极183和第一接触线188。然后，使用已知的掩模和限定技术依次沉积薄膜压电层(例如PZT-Pb、Zr、TiO3)和电极层并对其进行限定，以便形成薄膜压电区域191和顶部电极184。然后，沉积和限定第一介电层186和第二介电层186，以形成开口187；形成第二接触线189，并且沉积和限定钝化层190，然后在接触垫(未示出)以及将形成沟槽21的地方上将钝化层190开口。
其次，图6H，从正面通过钝化层190(未示出)对硅进行深蚀刻，并在第一室15的外部移除绝缘层181，直到第二室20，以形成入口沟槽21和入口开口12。
然后，图6I，从背面通过第二表面氧化物部分116C对硅进行深蚀刻，直至第二室20，以形成出口沟槽22和出口开口11。在该步骤中，当蚀刻停止时涂覆氧化物部分116A操作。
在执行包括接触开口和晶片100切割的最终制造步骤之后，获得附图1-附图4的微型泵设备1。
以此方式，可以获得微型泵设备1，该微型泵设备1具有较小的外部尺寸以及高灵活性和多功能性，特别用于移动可调节的流体体积。
例如，利用所描述的解决方案，可以制造具有侧面S＝20mm的裸片2，其包括1600(40×40)个致动器元件5，每个致动器元件具有460μm的直径D(第二室20的尺寸，参见附图1)，并且布置在40μm的距离L处。裸片2的厚度(主体3的厚度)可以是350μm。
此外，在每个致动器元件5中，第一室15可以具有350μm的直径和3.5μm的厚度，第二室20可以具有(如已经提到的)460μm的直径和3μm的厚度，在第一室15与第二室20之间的距离可以为10μm，并且膜18的可以具有为例如约6μm的厚度。入口孔12(入口沟槽21)可以具有为10μm的直径，并且出口孔11(出口沟槽22)可以具有为13μm的直径。薄膜压电区域191可以具有2μm的厚度，并且压电元件19可以具有在2.1μm至3μm之间的总厚度。
在上述尺寸的情况下，当在40V处偏置每个执行器元件5时，能够产生0.026l/min的流量，并且微型泵设备1可以生成高达41l/min的总流量。然而，由于可以单独地或成组地控制致动器元件5，因此微型泵设备1能够以精确的方式控制在上述单位流量(0.026l/min)和总流量(41l/min)之间的中间流量值。此外，也可以通过修改施加在顶部电极183与底部电极184之间的驱动电压来增加或减少最小和最大流量值。例如，通过将驱动电压降低到20V，可以将流量减半，因此获得约0.01l/min的最小值，并且通过将驱动电压降低至10V，获得约0.005l/min的最小值。
因此，在半导体材料的单片主体内单片形成多个致动器元件使能从非常低的值到很高的值的流量的精确调节。
此外，根据本申请人进行的模拟还发现，微型泵设备1具有优异的可靠性，并且该结构能够承受由同时致动所有致动器元件5而产生的应力，并且具有足够的安全裕度。
然而，以上提及的值仅是指示性的，并且特别地，室15、20的形状和尺寸可以根据应用和期望的流量体积而广泛地变化。
例如，根据不同的实施例，图7，用1'表示的微型泵设备包括布置在距离L'＝40μm处的多个致动器元件5'，其具有例如正方形的四边形形状，其中侧边D'＝350μm(第二室20的侧边)。在此，由19'表示的压电元件也是正方形的。然而，其他形状(例如椭圆形、六边形、八边形等)和其他尺寸是可能的。
所描述的微型泵设备可以用于多个应用中，其中期望以可变和良好控制的量控制流体(液体或气体)的运动，或者期望测量流量。例如，本微型泵设备可以形成微型风机，该微型风机在气体传感器或例如用于治疗睡眠呼吸暂停的医疗应用中可用作流量计。
最后，很明显，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对微型泵设备以及本文中所描述和图示的制造过程进行修改和变化。
例如，入口沟槽21和出口沟槽22可以相对于图6H和如6I所图示的相反形成。
此外，入口沟槽21和入口开口12的形状可以随着它们的数目的变化而变化，并且入口沟槽21可以连接至向外部开口的单个供应通道。
可以将上述各种实施例组合以提供其他实施例。可以根据以上详细描述对实施例进行这些和其他改变。通常，在以下的权利要求书中，所使用的术语不应解释为将权利要求书限制到说明书和权利要求书中公开的特定实施例，而是应解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围。因此，权利要求不受公开内容的限制。
