静电微型泵及生产静电微型泵的方法技术

根据本发明专利技术的一个实施例是包括隔膜布置的静电微型泵，隔膜布置包括隔膜和第一电极结构。静电微型泵还包括阀布置，阀布置包括入口止回阀和出口止回阀，其中隔膜布置和阀布置至少部分地封住泵室。静电微型泵还包括第二电极结构，其被布置成与第一电极结构形成静电驱动器。静电驱动器被配置为使隔膜偏转。静电微型泵还包括布置在第一电极结构和第二电极结构之间的至少一个抗粘连凸块，其中在微型泵的非活动状态下，第一电极结构和第二电极结构之间的间距从泵室的外围区域开始朝着泵室的中心区域变化，其中外围区域封住中心区域。其中外围区域封住中心区域。其中外围区域封住中心区域。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】静电微型泵及生产静电微型泵的方法


[0001]根据本专利技术的实施例涉及微型机械致动器。根据本专利技术的另外的实施例涉及微型机械泵。根据本专利技术的另外的实施例涉及静电微型机械泵。

技术介绍

[0002]竖直静电致动器在操作期间表现出不稳定性，因为处于或高于特征电压的静电力超过电极间距和机械恢复力的静水压力。如果调整电极的非操作距离，那么这种非线性用在致动器的操作中，以降低操作电压并使用更少的能量。此外，静电致动器的操作总是要求电场中的电极和/或侧壁的钝化或绝缘，以防止电短路或甚至电击穿。
[0003]由于静电力是短程的，因此静电驱动的微型泵具有相对小的冲程。偏转力与电极之间的距离成二次方比例。例如，已知的微型泵可能只有5μm的冲程，从而导致只有大约40nl的小冲程体积。具有大的死体积导致压缩比非常小。已知的微型泵不能容忍气泡并且不适用于可压缩介质(诸如空气)，从而使得微型泵不是很实用。
[0004]另外，已知的微型泵是手动构建的，以便在使用200V或更高的必要的高供电电压时防止对电极与隔膜之间的电接触或短路。手动构建芯片是完全不经济的。
[0005]另一方面，与压电驱动的微型泵相比，由硅制成的静电驱动的微型泵具有许多优点：
[0006]·
在标准MEMS铸造车间中完成晶片级处理，无压电粘合
[0007]·
所有工艺步骤均是晶片级的成熟的硅微加工技术
[0008]·
没有由于压电放置、调供胶(glue dosing)、胶水园艺(glue gardening)等引起的制造公差
[0009]·
所有机械部件都由硅制成：无陶瓷，无疲劳，长期操作无微裂纹
[0010]·
只有硅作为材料(没有如PZT压电中的Pb，满足RoHS)
[0011]·
可以在非常高的温度下操作，估计高达800℃(仅有硅，取决于用于电气接口的材料)
[0012]·
没有压电，因此没有滞后现象发生
[0013]·
电容100pF而不是2nF(压电)：能耗更小
[0014]·
小型化潜力：
[0015]ο压电限于陶瓷的拾取与贴装技术(pick&place)，不小于3
×
3mm2是可行的
[0016]ο静电驱动的泵可以实现得更小(2
×
2，也许1
×
1mm2)，无需拾取与贴装技术
[0017]ο静电制动的冲程(200V时约为5μm)主要与芯片尺寸无关。对于压电，冲程还取决于芯片尺寸
[0018]·2×
2mm2微型泵：
[0019]ο8000个微型泵/8英寸晶片
[0020]ο>200wspw的制造成本约为10美分
[0021]虽然与压电驱动的泵相比，静电驱动的微型泵有很多优点，但市场上还没有可用
的静电驱动的微型泵。
[0022]需要实现被配置为以晶片级生产的静电微型泵，同时最小化短路的风险。本专利技术克服了已知的静电驱动的微型泵的缺点，使得能够实现上面提到的优点。

技术实现思路

[0023]一般而言，为了克服已知的静电驱动的微型泵的缺点，静电制动的隔膜应当具有相当高的冲程体积和足够高的阻断压力。接下来，工艺应使具有足够小的泵室死体积的阀单元适应致动单元以实现高压缩比。而且，泵应当能够在完整晶片级上与电分离或隔离的电极组装。接下来，将晶片切割成泵芯片之后，应当可以接触到电极，并且不应当出现边缘短路的危险。
[0024]根据本专利技术的实施例是包括隔膜布置的静电微型泵，该隔膜布置包括隔膜和第一电极结构。静电微型泵还包括阀布置，阀布置包括入口止回阀和出口止回阀，其中隔膜布置和阀布置至少部分地封住泵室。静电微型泵还包括布置成与第一电极结构形成静电驱动器的第二电极结构。静电驱动器被配置为使隔膜偏转。静电微型泵还包括布置在第一电极结构和第二电极结构之间的至少一个抗粘连凸块，其中在微型泵的非活动状态下，第一电极结构和第二电极结构之间的间距从泵室的外围区域开始朝着泵室的中心区域变化，其中外围区域封住中心区域。
[0025]在微型泵的活动状态下，隔膜被配置为通过由第一电极结构和第二电极结构形成的静电驱动器而偏转。
[0026]至少一个抗粘连凸块布置在第一电极结构和第二电极结构之间，以防止隔膜粘附到第二电极结构。
[0027]在优选实施例中，第一电极结构和/或第二电极结构包括高度变化的剖面，第一电极结构和第二电极结构之间的间距从泵室的外围区域朝着泵室的中心区域增加。
[0028]两个电极结构中的至少一个的高度变化的剖面被配置为扩大泵室和/或泵室的冲程体积。另外，高度变化的剖面可以减小第一电极结构与第二电极结构之间的最近距离，这会降低静电驱动器所需的电压和/或能量使用。
[0029]对电极的高度变化的剖面在理论上对冲程体积具有限制作用，因为它形成机械止动件。因此，重要的是选择降低操作电压并且不减小冲程体积，而是增加冲程体积的高度剖面。
[0030]致动状态下的电极之间、移动电极和刚性电极之间的体积可以具有未致动状态下的电极之间的体积值的大约一半。
[0031]根据实施例，至少一个抗粘连凸块被布置在与高度变化的剖面相对的第一或第二电极结构处。
[0032]至少一个抗粘连凸块可以布置在第二电极结构处，即，不在第一电极结构处或不在隔膜布置处。至少一个抗粘连凸块可以布置在与高度变化的剖面相对的第二电极结构处。抗粘连凸块降低了在第一电极结构和第二电极结构之间发生粘附的风险，例如，在供电电压超过吸合电压的情况下，和/或例如，在隔膜通过静水压力压在对电极上的情况下。至少一个抗粘连凸块减少了静电粘附(在超过吸合电压的情况下)和由静水压力造成的范德华粘附的发生。
[0033]布置抗粘连凸块以与高度变化的剖面相对，例如在平面处，可以允许容易地布置或生成抗粘连凸块并且高度变化的剖面的精度不受生成抗粘连凸块的影响。
[0034]使用静电致动的一个问题是静电粘附。如果施加高电压，那么两个部分相互接触。在那种情况下，绝缘层中出现非常高的电场，并且电荷可以(由这个高场驱动)在两个部分的边界上方迁移到绝缘层中。之后，如果释放电压，那么电荷停留在绝缘层中，形成静电粘附。为了克服这种情况，一个有前途的策略是例如通过抗粘连凸块减少施加高电场情况下的接触区域。抗粘连凸块的作用是减少硬
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硬接触区域，以减少电荷可以迁移的面积。有凸块的接触区域与没有泵的接触区域之间的比率将减少静电粘附。此外，有益的比率也将减少范德华粘附。而且，致动器或微型泵的双极(例如，
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200V至200V)驱动电压也会降低静电粘附效应。
[0035]关于凸块的设计，有以下边界条件：由于凸块的高度减小致动器的冲程，因此这个高度应当尽可能小。关于蚀刻技术，10纳米到200纳米之间的高度是可行的。小的气隙已经足以避免这些区域中的电荷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种静电微型泵，包括隔膜布置，包括隔膜和第一电极结构，阀布置，包括入口止回阀和出口止回阀，其中所述隔膜布置和所述阀布置至少部分地封住泵室，第二电极结构，被布置成与所述第一电极结构形成静电驱动器，所述静电驱动器被配置为使所述隔膜偏转；以及至少一个抗粘连凸块，布置在所述第一电极结构和所述第二电极结构之间；其中，在所述微型泵的非活动状态下，所述第一电极结构和所述第二电极结构之间的间距从所述泵室的外围区域开始朝着所述泵室的中心区域变化，所述外围区域封住所述中心区域。2.根据权利要求1所述的静电微型泵，其中所述第一电极结构和/或所述第二电极结构包括高度变化的剖面，所述第一电极结构和所述第二电极结构之间的所述间距从所述泵室的外围区域朝着所述泵室的中心区域增加。3.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述至少一个抗粘连凸块布置在与所述高度变化的剖面相对的所述第二电极结构处。4.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述第一电极结构和所述第二电极结构之间的所述间距从所述泵室的外围区域朝着所述泵室的中心区域以多个步长逐步增加。5.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中，在所述外围区域中，所述第一电极结构和所述第二电极结构通过绝缘层彼此绝缘，所述绝缘层提供与所述第一电极结构和所述第二电极结构的机械接触并防止所述第一电极结构和所述第二电极结构之间发生电击穿。6.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述静电驱动器被配置为基于所述第一电极结构和第二电极结构之间的电压来改变所述泵室中的压力和/或所述泵室的体积。7.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述阀布置是层布置，其中所述入口止回阀和所述出口止回阀相对于所述阀布置被布置在平面内，其中所述入口止回阀和所述出口止回阀均包括入口隧道、阀瓣、出口隧道和死体积，被配置为引导流体流动通过所述入口隧道，通过处于打开状态下的所述阀瓣，并通过所述出口隧道，以及其中所述流体流动通过所述入口止回阀的方向与所述流体流动通过所述出口止回阀的方向相反。8.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述隔膜布置包括作为所述第一电极结构的至少一部分的导电层。9.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述阀布置包括半导体层的堆叠并且包括480μm
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540μm的垂直于所述阀布置的主表面的厚度，和/或其中所述隔膜布置包括半导体层，所述半导体层具有10μm
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120μm的垂直于所述阀布置
的主表面的厚度。10.根据前述权利要求之一所述的静电微型泵，其中所述阀布置包括作为所述第二电极结构的至少一部分的导电层。11.根据权利要求10所述的静电微型泵，其中，当被致动时，所述静电驱动器被配置为使所述隔膜朝着所述阀布置偏转，以压缩所述泵室，从而导致流体从所述泵室流动通过所述出口止回阀。12.根据权利要求11所述的静电微型泵，其中从所述泵室流动通过所述出口止回阀的流体是非导电流体。13.根据权利要求10至12之一所述的静电微型泵，其中所述阀布置包括硅层的堆叠，并且包括480μm
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540μm的垂直于所述阀布置的主表面的厚度，和/或其中所述隔膜布置包括硅层，所述硅层具有10μm
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120μm的垂直于所述阀布置的主表面的厚度。14.根据权利要求1至9之一所述的静电微型泵，包括定子结构，所述隔膜布置被布置在所述阀结构和所述定子结构之间，使得所述定子结构和所述隔膜布置封住电极室，所述定子结构包括作为所述第二电极结构的至少一部分的导电层。15.根据权利要求14所述的静电微型泵，其中，当被致动时，所述静电驱动器被配置为使所述隔膜布置朝着所述定子结构偏转以使所述泵室膨胀，从而导致流体通过所述入口止回阀流入所述泵室。16.根据权利要求15所述的静电微型泵，其中通过所述入口止回阀流入所述泵室的流体是导电流体或非导电流体。17.根据权利要求14至16之一所述的静电微型泵，其中所述定子结构包括硅层并且包括450μm的垂直于所述阀布置的主表面的厚度。18.根据权利要求14至17之一所述的静电微型泵，其中，与所述隔膜布置相比，所述定子结构包括更高的刚度。19.根据权利要求14至18之一所述的静电微型泵，其中所述静电微型泵包括通风口，所述通风口被配置为将所述电极室与所述静电微型泵的环境连接。20.根据权利要求19所述的静电微型泵，其中所述通风口被配置为防止污染所述电极室。21.根据权利要求19或20所述的静电微型泵，其中所述通风口包括过滤器和/或缓冲体积，所述过滤器和/或所述缓冲体积被配置为防止污染所述电极室。22.根据权利要求14至21之一所述的静电微型泵，其中所述隔膜布置的所述隔膜被预偏转。23.根据权利要求22所述的静电微型泵，其中所述隔膜布置在所述静电驱动器未被致动的状态下在接触区域中被预偏转以与所述定子结...

【专利技术属性】
技术研发人员：亨利，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：