基于单晶硅基底的涡卷式微压缩机及其相关加工方法技术

基于单晶硅基底的涡卷式微压缩机及其相关加工方法，属于压缩机技术领域。该装置首次在涡卷式微压缩机设计中引入了欧丹环结构，并通过优化动涡盘基板设计减少动涡盘质量；针对静电驱动电压在涡卷壁上的损耗问题改进了孔洞形状设计。提出通过改变内表面亲水性质来防止顶端泄露与方便压缩腔的毛细作用填充的方案。在工艺实现方面，本发明专利技术包含了基于单晶硅基底的涡卷微压缩机的详细工艺流程，包括优化形状的动涡盘基板释放工艺方法。该发明专利技术装置在微制冷器压缩机，微真空压缩机，微全分析系统的精确微量进样控制和药物递送系统等广泛的领域具有应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于单晶硅基底的涡卷式微压缩机及其相关加工方法
本专利技术属于压缩机
，具体涉及一种基于单晶硅基底的涡卷式微压缩机及其相关加工方法。
技术介绍
涡卷式压缩机由一对互相啮合的螺线形涡卷部件组成，并通过唯一可移动的动涡卷部件相对于另一个保持静止的定涡卷做偏心回旋平动来压缩气体或者液体。这种可移动部件少的简洁设计使得涡卷式压缩机比其他压缩机，如旋转螺旋压缩机或者往复式压缩机，具有更高效，机械结构可靠，噪声低等优点。实际上涡卷式压缩机的专利技术可以追溯到110多年前，但由于涡卷式压缩机部件的加工要求极高精度(几微米)的加工技术，涡卷式压缩机直到20世纪70年代初计算机数控(CNC)技术的运用才得以实现。如今涡卷式压缩机已经从住宅到商业中广泛应用并取得巨大成功，包括空调、制冷、真空等系统以及运输行业中火车制动系统等。现今电子工业集成化与小型化的技术发展趋势以及先进生化分析仪器的发展都对微型压缩机部件提出了要求。例如，大功率密度的先进微型处理器需要能够满足高散热速率的集成冷却部件；微型质谱仪、高强度激光器等系统中真空室部件必不可少；而在微全分析系统和现场即时检测器件中，高精度泵送和控制流体的微泵则是重要组成部分。微机电系统采用基于大规模集成电路工艺的微加工技术，对微型部件的加工可达到极高精度。采用微机电系统加工工艺的涡卷式微压缩机继承了宏观涡卷式压缩机的优点，同时又满足了涡卷加工对于高精度的要求，在微尺度压缩机中展现出巨大潜力。目前此类基于微加工技术的涡卷式压缩机的设计和实现方法的报道十分有限。美国国家航空航天局加州喷气推进实验室和南加州大学合作提出了一种使用LIGA工艺进行高深宽比涡卷壁加工的方法，但此方法的缺点在于X光LIGA成本较高。中国专利CN200810177003.7首次公开了一种基于微机电系统技术的微型涡卷式压缩机，并提出了在绝缘层上硅(SOI)基底上实现该装置的微加工方法，该结构并未设计防止动涡盘自转的结构，采用的静电驱动电极为圆柱形结构，电场均匀性差且驱动电压损耗较大；此外，其加工工艺采用了昂贵的SOI基底。本专利技术公开了一种集成在单晶硅基底上的涡卷式微压缩机。这一装置首次在涡卷式微压缩机中引入了欧丹环结构，通过优化动涡盘基底形状设计减少静电驱动的动涡盘负载质量；针对静电驱动电场不均匀及电压损耗的问题，本专利技术改进了孔洞形状设计。提出通过改变内表面亲水性质来防止顶端泄漏与方便压缩腔的毛细作用填充。在实现方面，本专利技术包含了基于单晶硅基底的涡卷微压缩机的详细工艺流程。
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案。一种基于单晶硅基底的涡卷式微压缩机装置，其特征在于，包含一对均使用单晶硅基底加工的动涡盘(3)和定涡盘(2)；定涡盘(2)的正方形基底下表面设有用于填充静电驱动电极的高深宽比微孔，定涡盘(2)的基底上表面有凸起的定涡卷壁(5)；定涡盘(2)基底与定涡卷壁(5)一体化；在定涡盘(2)基底下表面设有穿透定涡盘基底延伸至定涡卷壁(5)内部的多个沿定涡卷壁(5)均匀分布的微孔(12)用于填充静电驱动电极，微孔截面形状为扇环形，扇环的内外两条弧边与涡卷壁边缘完全等间距，微孔自定涡盘(2)基底伸入到定涡卷壁(5)中，扇环形微孔中填有电极材料，并且通过引线(13)和焊盘(14)连接在一起；在定涡盘(2)基底上定涡卷壁(5)的中心设有通孔作为排出口(15)；在定涡盘(2)基底上表面定涡卷壁(5)外设有圆环形外壳(6)，圆环形外壳(6)的侧面设有入口(7)；圆环形外壳(6)的上端面上设有一对圆柱形键槽(10)，两圆柱形键槽(10)沿定涡卷壁(5)径向对称分布；圆平面动涡盘(3)基底上表面有凸起的动涡卷壁(9)，圆平面动涡盘(3)基底与动涡卷壁(9)为一体化；在圆平面动涡盘(3)基底一直径的两端设有沿径向延长的短臂，在两端的短臂上各设有一凸起圆柱插入键(11)；两插入键(11)中心的间距与两圆柱形键槽(10)中心的间距相等，且插入键(11)插入到键槽(10)内；插入键(11)的直径小于键槽(10)的直径；插入键(11)和键槽(10)形成欧丹环设计，可防止动涡盘自旋转；所述的动涡盘，基底形状采用优化的设计以减小动涡盘质量-包括最小化的圆形部分连接一对用来放置欧丹环插入键的径向对称共面短臂-进而减小静电驱动负载。所述的定涡盘，基底形状采用可直接进行划片切割的形状，优选正方形或矩形。所述的动涡盘和定涡盘，可经过表面处理使动涡盘和定涡盘涡卷壁侧壁表面和基底上表面均具有亲水特性，同时使涡卷壁顶部表面均具有疏水性。已公开中国专利CN200810177003.7指出压缩机的压缩效率会受到顶端泄漏和侧面泄漏的双重影响，而在两个泄漏机理中，顶端泄漏对压缩机效率有更大影响。液体的毛细作用在微小结构中变得显著，而压缩机运行过程中由于动涡卷壁顶部/定涡盘基底上表面和定涡卷壁顶部/动涡盘基底上表面密封不彻底存在微小缝隙而造成顶端泄漏风险，压缩液体极易通过毛细作用进入微小缝隙。而涡卷壁顶部表面疏水化处理有利于限制其通过毛细作用导致的顶部泄漏，同时压缩腔内壁(涡卷壁侧壁和基底上表面)亲水性有利于将液体限制在压缩腔内，从而改善压缩效率。此外，压缩腔内壁的亲水性有利于通过毛细作用对压缩腔进行填充与内壁修饰。亲水表面处理的方法，包括但不限于二氧化硅沉积，疏水表面的处理，包括但不限于研磨抛光的硅，疏水性聚合物涂层等。欧丹环键槽半径R和插入键半径rkey应保证插入键能够在键槽内的运动而不会阻碍到定涡卷和动涡卷的彼此接触；因而应满足约束R-ηkey≥πr0-twall其中r0是动涡卷初始半径，即动涡卷起始点与中心的距离；twall是定涡卷壁径向厚度，动涡卷壁厚度与定涡卷壁厚相等。动涡盘基底形状采用优化的设计以减小动涡盘质量，包括最小化的圆形部分连接一对用来放置欧丹环插入键的径向对称共面短臂，其中最小化圆形部分的半径rmin满足如下约束：其中θ为涡卷起始点至末端的角度。基于单晶硅基底的动涡盘的微加工方法，其特征在于：(1)在单晶硅晶圆基底上表面通过光刻定义动涡卷、欧丹环插入键，并各向异性刻蚀硅至指定深度；(2)在基底下表面通过光刻定义出窄沟道勾勒的基底形状，并通过基底各向异性硅刻蚀释放动涡盘整体。基于单晶硅基底的定涡盘的微加工方法，其特征在于：(1)在单晶硅晶圆下表面通过光刻定义电极填充微孔，并使用硅的各向异性刻蚀将微孔刻蚀到指定深度；(2)从硅晶圆上表面通过光刻定义定涡卷、外壳、欧丹环键槽等形状，并各向异性刻蚀硅至指定深度；(3)全硅晶圆正反表面绝缘层保角沉积或氧化，包括微孔内部；(4)从硅晶圆下表面沉积导电材料，填充微孔形成电极，优选多晶硅；(5)从硅晶圆下表面通过光刻定义导线和焊盘形状，并反应离子刻蚀多晶硅层形成上述结构。本专利技术微孔采用扇环形的横截面形状设计，扇环的内外两条弧边与涡卷壁边缘完全等间距(相对于现有技术的圆柱型电极填充微孔的圆截面)；现有技术中所采用圆形横截面微孔(微孔直径与扇环在径向上的宽度相等)，圆形截面边界与定涡卷壁的边距极度不均匀，导致静电场不均匀且在定涡卷壁上损耗较大；采用扇环形横截面微孔时，有利于保持其弧形边缘与定涡卷壁边缘恒定的、且等于工艺允许的最小化的微孔边界与涡卷壁的边距，减小了电场损耗，保持电场均匀。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单晶硅基底的涡卷式微压缩机装置，其特征在于，包含一对均使用单晶硅基底加工的动涡盘(3)和定涡盘(2)；定涡盘(2)的正方形基底下表面设有用于填充静电驱动电极的高深宽比微孔，定涡盘(2)的基底上表面有凸起的定涡卷壁(5)；定涡盘(2)基底与定涡卷壁(5)一体化；在定涡盘(2)基底下表面设有穿透定涡盘基底延伸至定涡卷壁(5)内部的多个沿定涡卷壁(5)均匀分布的微孔(12)用于填充静电驱动电极，微孔截面形状为扇环形，扇环的内外两条弧边与涡卷壁边缘完全等间距，微孔自定涡盘(2)基底伸入到定涡卷壁(5)中，扇环形微孔中填有电极材料，并且通过引线(13)和焊盘(14)连接在一起；在定涡盘(2)基底上定涡卷壁(5)的中心设有通孔作为排出口(15)；在定涡盘(2)基底上表面定涡卷壁(5)外设有圆环形外壳(6)，圆环形外壳(6)的侧面设有入口(7)；圆环形外壳(6)的上端面上设有一对圆柱形键槽(10)，两圆柱形键槽(10)沿定涡卷壁(5)径向对称分布；圆平面动涡盘(3)基底上表面有凸起的动涡卷壁(9)，圆平面动涡盘(3)基底与动涡卷壁(9)为一体化；在圆平面动涡盘(3)基底一直径的两端设有沿径向延长的短臂，在两端的短臂上各设有一凸起圆柱插入键(11)；两插入键(11)中心的间距与两圆柱形键槽(10)中心的间距相等，且插入键(11)插入到键槽(10)内；插入键(11)的直径小于键槽(10)的直径；插入键(11)和键槽(10)形成欧丹环设计，可防止动涡盘自旋转。...

【技术特征摘要】
1.一种基于单晶硅基底的涡卷式微压缩机装置，其特征在于，包含一对均使用单晶硅基底加工的动涡盘(3)和定涡盘(2)；定涡盘(2)的正方形基底下表面设有用于填充静电驱动电极的高深宽比微孔，定涡盘(2)的基底上表面有凸起的定涡卷壁(5)；定涡盘(2)基底与定涡卷壁(5)一体化；在定涡盘(2)基底下表面设有穿透定涡盘基底延伸至定涡卷壁(5)内部的多个沿定涡卷壁(5)均匀分布的微孔(12)用于填充静电驱动电极，微孔截面形状为扇环形，扇环的内外两条弧边与涡卷壁边缘完全等间距，微孔自定涡盘(2)基底伸入到定涡卷壁(5)中，扇环形微孔中填有电极材料，并且通过引线(13)和焊盘(14)连接在一起；在定涡盘(2)基底上定涡卷壁(5)的中心设有通孔作为排出口(15)；在定涡盘(2)基底上表面定涡卷壁(5)外设有圆环形外壳(6)，圆环形外壳(6)的侧面设有入口(7)；圆环形外壳(6)的上端面上设有一对圆柱形键槽(10)，两圆柱形键槽(10)沿定涡卷壁(5)径向对称分布；圆平面动涡盘(3)基底上表面有凸起的动涡卷壁(9)，圆平面动涡盘(3)基底与动涡卷壁(9)为一体化；在圆平面动涡盘(3)基底一直径的两端设有沿径向延长的短臂，在两端的短臂上各设有一凸起圆柱插入键(11)；两插入键(11)中心的间距与两圆柱形键槽(10)中心的间距相等，且插入键(11)插入到键槽(10)内；插入键(11)的直径小于键槽(10)的直径；插入键(11)和键槽(10)形成欧丹环设计，可防止动涡盘自旋转。2.按照权利要求1所述的一种基于单晶硅基底的涡卷式微压缩机装置，其特征在于，所述的动涡盘，基板形状采用优化的设计以减小动涡盘质量-包括最小化的圆形部分连接一对用来放置欧丹环插入键的径向对称共面短臂-进而减小静电驱动负载；所述的定涡盘，基板形状采用可直接进行划片切割的形状，优选正方形或矩形。3.按照权利要求1中所述的一种基于单晶硅基底的涡卷式微压缩机装置，其特征在于，通过压缩腔内表面处理降低压缩机顶端泄漏风险...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞度立，张超敏，邢晓星，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11