MEMS微流体传感器
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MEMS技术和基于MEMS的微流体装置
李宗安309010173
(南京210094)
摘要:本文简要阐述了MEMS技术概念及其加工方式、特点,重点结合了MEMS和微流控芯片技术,介绍了MEMS技术在微流体领域的应用状况,选取了一种具有代表性的微隔膜泵,详细表述了此种微泵的加工工艺和过程。
关键字:MEMS微流体器件硅加工
1引言
微电子机械系统即MEMS,是Micro Electro Mechanical Systems的缩写,也可简称为微机电系统。MEMS技术的起源可追溯到20世纪60年代,1989年后MEMS一词就渐渐成为一个世界性的学术用语,MEMS技术的研究与开发也日益成为国际研究的热点。与MEMS一词同时流行的还有Micro Machine(微机械,日本)和Micro System(微系统,欧洲)。当前,常常不加区分的与MEMS通用。
微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System),是以微电子、微机械及材料科学为基础,研究、设计、制造具有特定功能的微型装置,包括微结构器件、微传感器、微执行器、微机械光学器件以及微系统等。MEMS发展的目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统,开辟一个新技术领域和产业。
MEMS器件具有较低的能耗与较高的效率、精度、可靠性以及灵敏性,非常适于制造微型化系统。MEMS技术是多种学科交叉融合具有战略意义的前沿高技术,是未来的主导产业之一,将对21世纪人类的科学技术、生产方式和生活方式产生深远的影响。
2MEMS加工技术
MEMS加工工艺是在传统的微电子加工工艺(也称集成电路IC工艺)基础上发展起来的,后又发展了一些适合制作微机械的独特技术,这些独特技术和常规集成电路工艺相结合实现了MEMS。这些技术统称为微机械加工技术。按照技术发展的来源分,MEMS加工技术分为三种:
一、以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术;
二、以德国为代表发展起来的利用X射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA(Lithograph
galvanfomung und abformug)技术;
三、以日本为代表发展的精密加工技术,如微细电火花EDM、超声波加工、激光加工等。
按照加工的基底材料分,微机械加工工艺分为硅基加工和非硅基加工。
硅基加工技术比较成熟,硅的力学性能较好,适合做微型机械。硅基工艺包括表面光刻技术、体加工技术、表面加工技术、LIGA技术、晶片键合技术和非传统硅MEMS加工技术。这些微机械加工工艺相互补充,各有所长。形成了一套比较完善的加工体系,为微电子机械系统的研究与开发奠定了坚实的物质基础。
3MEMS与微流控芯片技术
近来人们对于MEMS的研究很大的注意力转移到了微流控芯片上。微流控芯片是把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测及细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上,由微通道形成网络,以控制微流体贯穿整个系统,用以取代常规化学或生物实验室的各种功能的一种技术平台。微流控芯片的基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。[1]微流控芯片包含了一系列的子系统,如图1所示。总的来说通过一个微流体网络通道,把输入的流体或其他物质转化为所需要的输出物,当然,这其中可能会涉及到样品的分离、反应室或者是对于过程的测试设备。然而,虽然针对特定的应用会需要这些子系统的不同的组合,但是他们都会包括微流体输送、转换和驱动装置。精确并符合要求的控制、检测和引
导流体对于在生物和化学领域应用微流控芯片是十分重要的。应用于微流体的MEMS器件种类繁多,应用范围也比较广,主要有MEMS微泵、MEMS微混合器、MEMS微阀、MEMS微通道、MEMS 微反应器等等[2]。
图1典型的微流控芯片系统示意图
图2流体传输系统结构示意图
4MEMS往复式微泵
由于泵仍然是微流控芯片中流体传送的最基本的方式,微泵基本上是微流控芯片中最广阔的研究课题。由于基因组学、蛋白组学和新病毒的发现等应用对于微流体的需要,微泵被主要用于产生一定量的流体以实现精确可控的流体传输。现已经存在了许多各种各样的微泵以实现流体在微小尺度上的传输。
微泵的驱动方式一般包括液压气动、静电驱动、电磁驱动、压电驱动、热气动、双金属驱动、利用形状记忆性质驱动。
在微或者亚微尺度内,隔膜泵是应用最广泛的泵。一般隔膜泵结构如图3所示,关键的元件包括一个作动器(Actuator)、柔性泵膜(diaphragm)、泵腔(pump chamber)和两个止回阀。通过泵腔内的压力变化来实现流体传输,只有泵腔内外的压力差达到克服阀的压力承受能力时泵才会工作[3]。
图3微隔膜泵组成元件示意图
蠕动泵工作状态基于泵腔的设置好的顺序变化状态,这些动作把流体从一点挤向另外一点。尽管蠕动泵在结构上比具有止回阀的隔膜泵要简单,反向泄露是它的一个大问题。平面的设计结构使这种泵容易加工和装配,但是这种泵需要多重电子作动器。现研制出的微泵如
图4、5所示[4]。
图4一种蠕动式微泵示意图
图5一种蠕动式微泵示意图及实物图
此外还有无阀泵、旋转式泵、动力泵(包括超声波泵和离心泵)和非机械泵等。
对于微粒和多相流体机械泵是一个理想的操作手段,在微泵的领域内,它已被广泛并深入地研究。但是可以传送大量流体的隔膜泵因其复杂的结构,比较难加工。作动器使其中的一个限制因素,由于微泵的微流量限制了微作动器动作幅度,所以需要在外面安装作动器。下面介绍隔膜式微泵的元件和其加工过程。
4.1微阀和微阀加工过程
现有的微阀种类有圆圈台面阀(Ring Mesa)、悬臂结构阀(Cantilever)、膜结构阀(Membrance)、V型阀(V-Shape)、多晶硅圆盘阀(Poly-Si disc)和硅有机树脂悬浮阀(Silicone Float),其示意图依次见图6[5]。
图6多种阀结构及工作原理示意图
为了减少前端的流体阻力,选择了一种具有特殊几何形状的弹性材料(聚对二甲苯)微阀。由于聚对二甲苯杨氏模量很低,同时固定形状是S型的,使得微阀具有两个方向的自由度,并具有动作快、阻力小等优点。但是由于此种阀只能实现一个方向的流体控制,为了满