微定渦卷葉片內製造電極的方法
2023-05-03 20:19:31
專利名稱：微定渦卷葉片內製造電極的方法
技術領域：
10 本發明涉及微電子機械系統的微加工技術，具體涉及微渦巻裝置中
微定渦巻葉片內製造電極的方法。
背景技術：
渦巻壓縮機的概念由Creux在1905年提出。由於需要幾近完美的共軛 螺旋線設計、加工，誤差必須被控制在數個微米，因此，直到20世紀70
15年代計算機控制的精密加工應用之前，在很長一段時間無法付諸實施。 除了上述製造難度外，設計方面的問題，比如磨損和洩漏的預防也是一 個原因。根據渦巻壓縮機的概念，兩個複雜的渦巻葉片必須保持時刻接 觸，從而會導致磨損
例如如圖l所示定渦巻1從起點到終點旋線的角度是1080度，並
20與動渦巻漩線4有三個相切點，由此形成了3段曲線，形成了3個新月形壓 力區。當動渦巻移動時，媒介從低壓區不斷連續地被擠壓到高壓區，新 月形連續地變小，最終從中間排出。與此同時，流動媒體試圖從高壓洩流回到低壓區，見圖2之6和圖3之14，即頂部洩漏和側面洩漏。在兩個洩 漏機理中，頂端洩漏對壓縮機的全部效率有更大的影響。在宏觀渦巻壓 縮機的設計上，加入了潤滑劑以防止洩漏和磨損。
即使遇到上述困難，人們還是被渦巻壓縮機的固有優點所吸引，現
5在該技術已經獲得了大範圍的成功和廣泛認可。其主要優點中首先是
移動部件數目較少因而更可靠。第二是機械效率更高，特別是在部分負
載的情況下。第三較低的運行噪音，由於是不斷連續地壓縮，所以壓 力的跳動小；第四壓縮機不再需要入口和出口閥門，兩相接觸的葉片 起到了閥門作用。
10 微電子機械系統(MEMS)是單晶矽IC製造技術的一個派生技術，較容
易滿足渦巻壓縮機在複雜曲線條件下關於精度的誤差要求。過去，製造 一個高且直的牆、或深且直的洞有困難，特別是洞口很小的時候。 一個 微機械加工技術LIGA，是一個好的候選技術來製造高縱深比洞，具有直 而平滑的側邊輪廓。但是LIGA是一個昂貴的加工方法，需要好的X光同步
15加速器。在過去的十幾年間，深度反應離子刻蝕技術取得了長足的進步， 可以滿足以上要求，且成本較低。
設想中的MEMS壓縮機整體尺寸是很小的，在幾十到幾百微米左右。 在各壓力區之間進行適當的密封和驅動壓縮機是中心議題，這也是本發 明設計所要解決的。人們不希望解決了一個壓縮機的問題而同時又產生
20另外一個同樣棘手的問題即設計微型馬達並把它和壓縮機裝配起來。 在本發明中，驅動馬達和壓縮機是內置一體的。近年來，MEMS在生物醫學領域的應用引起很大的關注。大多數的MEMS 材料是生物匹配的，但是潤滑劑就不確定了。生物流體非常容易在微壓 縮機的狹窄通道裡引起阻塞。自適應的間隙控制和密閉又不使用潤滑劑 對生物應用是必需的。該發明解決了這一生物應用的要求。各種MEMS泵 5和壓縮機的設想都已被提出過，卻未能涉及到渦巻式微壓縮機。
參考文獻(l) E Morishita ， M Sugihara and T Nakamura， "Scroll Compressor Dynamics, "Bulletin of JSME， Vol. *29 ， No 248， 1986
(2)Duli Yu， T. Ameel， R. Warrington, "Thermal and Statics Finite 10 Element Analysis of Fixed Scroll Deformation ， " 13th International Compressor Engineering Conference at Purdue ， C-13， July 23-26， 199
發明內容
15 本發明的目的，在於提供微定渦巻葉片內製造電極的方法。
本發明採用的主要技術方案如下微定渦巻葉片內製造電極的方法，
包括如下步驟
a、 S0I矽片作為出發材料，和；
b、 各向異性的從反面刻蝕，並停留在二氧化矽層； 20 c、各向異性的刻蝕二氧化矽層；
d、 各向異性矽刻蝕到指定深度形成深洞；
e、 洞裡絕緣層等厚度沉積，二氧化矽為首選；f、洞內金屬電鍍工藝，首選金，或多晶體矽沉積。
本發明還採用如下另一主要技術方案微定渦巻葉片內製造電極的 方法，包括如下步驟
a、 SOI矽片作為出發材料，和； 5 b、各向異性的從反面(後方)刻蝕，並停留在二氧化矽層；
C、各向異性的從正面刻蝕，並停留在二氧化矽層；
d、 各向異性的刻蝕二氧化矽層打通深洞；
e、 洞內壁面絕緣層等厚度沉積，二氧化矽首選；
f、 洞內金屬電鍍，首選金，或多晶體矽沉積； 10 g、平面氮化矽物(或碳化矽)沉澱在正面。
採用本發明帶來的有益效果
本發明提供的方法一是一個直截了當的深洞加工方法，本發明提供 的方法二相對較複雜，但也提供了靈活多變的深洞加工方法。此兩方法 使深洞電極的製造成為可能。由於電極是埋在定渦巻葉片內，提供了對 15動渦巻的吸引力，即動力扭矩，因此使得壓縮機能夠工作。
圖l為平面開放狀態渦巻圖。
圖2為三維渦巻圖。
圖3為關閉狀態渦巻圖。 20 圖4(1)為步驟1，是以SOI晶片作為出發材料，各向異性的從反面(後
方)刻蝕，並停留在二氧化矽層，各向異性的刻蝕二氧化矽層繼續各向異 性矽蝕刻到指定深度形成深洞；圖4(2)為步驟2，系去掉於正面頂部的二氧化矽，洞裡絕緣層等厚度
沉積，二氧化矽為首選；圖4(3)為步驟3;步驟3為洞內金屬電鍍工藝，
首選金，表面塗層於正面頂部。
圖5為定渦巻巻壁的電極工藝設計1示意圖。 5 圖6(1)為步驟1，各向異性的從反面刻蝕，並停留在二氧化矽層；各
向異性的從正面蝕刻，並停留在二氧化矽層；各向異性的刻蝕二氧化矽 層打通深洞；圖6(2)為步驟2，洞內壁面絕緣層等厚度沉積，二氧化矽首 選；圖6(3)為步驟3，洞內金屬電鍍；圖6(4)為步驟4;平面氮化矽物沉 澱在正面。
10 圖7為S0I矽片微加工動渦巻葉片，DRIE刻蝕停留在二氧化矽層。
圖8為頂端軸向柔量配合防洩漏的示意圖。 圖9為徑向柔量配合防洩漏的示意圖。 圖9a為基於電極工藝設計1的開縫電極設計。 圖9b為基於電極工藝設計2的開縫電極設計。 15 圖中箭頭的標號示意
l.定渦巻，2.定渦巻蓋板，3.出口， 4.動渦巻，5.動渦巻側壁，6. 葉片頂端和頂端洩漏，7.在定渦巻葉片裡的電極，8.電壓V1， 9.電壓V2， 10.電壓V3， ll.壓力區I， 12.壓力區n， 13.壓力區ni， 14.側洩漏，15. 矽，16.絕緣層，17.金屬導體，18.表面塗層氮化矽，19.葉片，20.基板， 20 21.二氧化矽層，22.軸向洩漏，23.吸引力，24.徑向洩漏，25.吸引力。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的詳述
在常規的大尺寸壓縮機應用中，渦巻和馬達是兩個分離的部件，驅 動扭矩的遞送是通過曲軸或其他連接機構來實現的。為了防止動渦巻的 自轉又加上了歐丹環。用於計算力、扭矩和功率等的通用公式，已經在 5參考文獻l中列出。而更詳細的計算方法如採用有限元方法已在文獻2中 介紹。這些公式和方法可以提供優化的設計參數。由於本發明獨特的驅 動方法不需要加入歐丹環(必要時，可以非常容易地加入歐丹環)。去掉 歐丹環可以減少摩擦。
在圖3中，靜電力將動渦巻吸向定渦巻，形成初始接觸點V1，在V1 10點上施加一個較低的電壓V1。在V1點的附近，間隙仍然很小，如施加一 個高電壓V2、 V3、甚至V4，可以形成一個很強的吸引力，因此，接觸點 依次滾動到V2、 V3、 V4直至出口。整個驅動原理類似無滑動摩擦驅動， 當接觸點變成V2時，電壓下降。以這種方式有序前進，工質被連續壓縮 至出口。同樣的驅動方法也適用於多巻數的壓縮機同時形成的多個接觸 15點上。請注意高電壓V2和V3也可以施加在逆方向上。如果這樣，壓縮 機就會不斷地增加工質的體積，使微結構變成了真空泵。假如出現阻塞， 施加更低的電壓V1可以越過阻塞點。
MEMS渦巻壓縮機其基板的直徑尺寸一般在100-1000微米，它的渦巻 數目一般在2-3圈。在微加工中，巻數並不受到很大限制。葉片高度一般 20在100-1000微米，遞送流體的尺寸可小至1-100皮升(10-12升)。
在定渦巻的基板上可以開多個出口，而不僅僅是一個在中央的出口， 而且每個出口的孔徑也可以大小不一。與此同時，這些出口可以和另一矽片上的微流道鍵合在一起，鍵合方法可以是熱壓鍵合或者是陽極鍵合，如此一來，渦巻壓縮機可以成為一個多流道系統的開關。
靠不產生壓力區，這個微裝置也可以變成一個微步進電機，其步長由電極的間隔控制。當一個葉片的高度被有意設計成低於另外一個葉片
5時，就不能形成壓力區；但與此同時，動渦巻還是被驅動了，並可以傳遞扭矩。假如有一個微結構與動渦巻的基板鍵合在一起，那麼它就變成了一個連結機構去驅動其他的微裝置。作為一個微型馬達，潤滑劑可以被添加進來，因為無需考慮可能引起的汙染問題。
在設計中，SOI矽片被優選成起始材料，渦線的二維特徵可被很自如
10的印在模板上，然後從正面深度刻蝕在矽片上形成葉片，該單向刻蝕將停止在二氧化矽膜層上，如圖6所示。這樣動渦巻的葉片就製成了，定渦巻也同樣。再從背面刻蝕，由深度反應等離子刻蝕，可以製成基板，刻蝕將同樣停止在上面提到的二氧化矽層上，至此該微結構已經準備就緒，由DRIE法刻蝕二氧化矽膜層，最後脫體釋放。深度反應等離子刻蝕步驟
15的遮光模板可以是氧化層或較厚的感光材料光刻膠。
由於氮化矽誘人的抗磨損特性，在矽片的正面首先沉積氮化矽以保護頂端。其他抗磨損材料如碳化矽、特氟綸等，親水性、厭水性材料也可以考慮。 一般兩個葉片的高度是一致的，當磨損發生時就會產生葉片的高度不均勻一致，當此現象發生時，由於渦巻底板相對於葉片軸向較
20柔軟，靜電力就會將底板吸至葉片頂端並使底板發生微小的彈性變形，緻密地緊壓在葉片頂端從而阻止洩漏。這就被稱為頂端柔量配合防洩漏法，如圖8所示。同理，動渦巻會被吸向定渦巻葉片，葉片在徑向相對柔軟，靜電力可使其在徑向彈性變形，這樣就可以防止側向的洩漏，其機理被稱為側向柔量配合防洩漏法，如圖9所示。由於其獨特的驅動和密封方發，沒有初始磨合期。
至少有兩個方法製造導電電極，電極製造方法之一(見圖4)，其工藝5可以分為3個主要步驟
步驟一
a) SOI矽片作為出發材料，禾口
b) 各向異性的從反面(後方)刻蝕，並停留在二氧化矽層
c) 各向異性的刻蝕二氧化矽層
10 d)各向異性矽蝕刻到指定深度形成深洞
步驟二 e)洞裡絕緣層等厚度沉積，二氧化矽為首選
步驟三f)洞內金屬電鍍工藝，首選金。加工完成的電極示意圖見圖5。
電極製造方法之二，以SOI矽片作為出發材料，主要分為以下四個步
15驟
步驟一a)各向異性的從反面(後方)刻蝕，並停留在二氧化矽層
b) 各向異性的從正面刻蝕，並停留在二氧化矽層
c) 各向異性的刻蝕二氧化矽層打通深洞
步驟二 d)洞內壁面絕緣層等厚度沉積，二氧化矽首選
20 步驟三e)洞內金屬電鍍，首選金
步驟四f)平面氮化矽物沉澱在正面。其它類型的起始材料也可以用來製造微渦巻壓縮機，本發明並不試 圖羅列所有的可能性，詳解所有的工藝細節。SOI矽片只不過是更方便用 來製造微渦巻壓縮機。其他類型的矽片功能可以變成如同SOI矽片。定渦 巻電極的填充材料也可以是多晶體矽，因為多晶體矽可以導電。動渦巻
5基板的材料可以是玻璃或其他光學透明材料。
在基板的背面已經有絕緣體存在，如二氧化矽。最後金屬線將從電 極引出至基板的邊緣地帶以便和控制電路相聯接。其他的連接方法齊插 針法，球點柵格焊接法也同樣可以採用。
在另外一個電極外形設計中，電極是單側開縫而不是一個深洞，具
10體設計見圖9a和9b。感應開縫電極被特意放在兩個常規的驅動電極之間， 以交替順序出現常規的深洞電極——更改過的開縫電極。設計開縫電 極的目的是把低電壓(O.l to IO伏)引導至開縫電極，使其暴露表面與工 質相互作用，其應用可以是DNA識別和DNA排序，以及其他生物醫學領域 如定點定時定量藥物遞送系統。其優點是1.生物流體的驅動和感應是
15 —體的；幾乎沒有死體積，且樣品流體體積很小，只需要潤溼表面即可； 2.快速待試驗物樣品和流體被擠壓至測試電極表面，形成極小的流體 薄膜；3.成本低。
在單側開縫電極表面上生長碳納米管是可能的。 在關鍵零部件微渦巻壓縮機的幫助下，製造一個完整的微製冷系統
20是順理成章的。其他的零部件如熱交換器，膨脹閥，管路系統相對而言 是較易設計和製造的。隨著MEMS低溫工藝的發展，把控制和信號處理電路集成在同一SOI 矽片上是完全可能的。特別是MEMS微渦巻式壓縮機製造工藝並不需要鍵 合工藝，因此更利於設計一個和集成電路工藝完全相容的幹法工藝。本 發明使得矽片實驗室和微完整分析系統成為切實可行的設計。 5 以上是本發明的全部介紹，但很大範圍的改變和替換是可預期的，
特別在本發明公開後。在某些情況下，使用人可能只需使用本發明的一 些要點而不必應用其他的要點就可實現功能應用。因此，只要任何方式 方法和本發明的範圍一致的話，應該在廣義上來理解所有專利聲明的權
權利要求
1、微定渦卷葉片內製造電極的方法，其特徵在於包括如下步驟a、SOI矽片作為出發材料，和；b、各向異性的從反面刻蝕，並停留在二氧化矽層；c、各向異性的刻蝕二氧化矽層；d、各向異性矽刻蝕到指定深度形成深洞；e、洞裡絕緣層等厚度沉積，二氧化矽為首選；f、洞內金屬電鍍工藝，首選金，或多晶體矽沉積。
2、微定渦巻葉片內製造電極的方法，其特徵在於包括如下步驟:a、 SOI矽片作為出發材料，和；b、 各向異性的從反面(後方)刻蝕，並停留在二氧化矽層；c、 各向異性的從正面刻蝕，並停留在二氧化矽層；d、 各向異性的刻蝕二氧化矽層打通深洞； e、洞內壁面絕緣層等厚度沉積，二氧化矽首選；f、 洞內金屬電鍍，首選金，或多晶體矽沉積；g、 平面氮化矽物(或碳化矽)沉澱在葉片正面。
全文摘要
本發明涉及微定渦卷葉片(渦卷壁)內製造電極的方法，包括如下步驟a.SOI矽片作為出發材料，和；b.各向異性的從反面刻蝕，並停留在二氧化矽層；c.各向異性的刻蝕二氧化矽層；d.各向異性矽刻蝕到指定深度形成深洞；e.洞裡絕緣層等厚度沉積，二氧化矽為首選；f.洞內金屬電鍍工藝，首選金，(或多晶體矽沉積)。微定渦卷葉片也就是微定渦卷壁。
文檔編號B81C1/00GK101456533SQ20081017700
公開日2009年6月17日 申請日期2005年7月4日 優先權日2005年7月4日
發明者俞度立 申請人:俞度立