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(Lithographgalvanfomung 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，为了满足微泵的流体进出需要，制作出了另外一种双面式的集成微阀系统，如图7、8所示。
图7聚对二甲苯止回阀工作原理图图8两种双面的聚对二甲苯止回阀实物图制作过程从一个覆有热镀1.5微米厚二氧化硅的硅晶片，它起到蚀刻掩罩作用。
第一步用氢氧化钾腐蚀形成盲孔，剩下的20微米厚硅片膜在后续步骤中起到结构支撑作用。
然后经过氟化溴气体腐蚀使表面粗糙，这样不仅可以减少聚对二甲苯对基板的静摩擦力，而且可以加固聚对二甲苯与基板连接部分的牢固程度。
接下来在涂附着力促进剂和2微米厚的聚对二甲苯，并在氧等离子体里面定型，形成微阀顶部的圆形支撑圈。
然后涂5微米厚的牺牲光刻胶并对之定型，以分开微阀的盖和基座。
为了避免尖角处的机械疲劳破损，对光刻胶进行硬性烘烤处理形成圆角。
接下来在表面沉积第二层3微米厚的聚对二甲苯，并热镀一层铝掩护膜，但是由于热镀铝掩护摸时会对光刻胶和聚对二甲苯层有伤害，要先在它们表面涂10微米厚的光刻胶。
经过氟化溴气体腐蚀，除去20微米厚的硅膜和牺牲层光刻胶，最终形成通孔。
对牺牲层光刻胶和铝光刻胶混合层进行加工，形成最终的阀【6】。
具体过程示意图如图9所示，最终加工成品如图10所示。
图9双面止回阀加工过程示意图图10加工完成的止回阀扫描电镜图4.2硅橡胶泵膜大的挠度和良好的密封性是泵膜必须要具备的特性。
同时，为了达到大的压缩比，需要一种能够按照要求形成规定的泵腔的材料。
硅橡胶由于杨氏模量和硬度比较低，而且延展率比较好，是一种理想的材料。
首先用氢氧化钾在二氧化硅和硅基板上腐蚀出硅薄膜和固定支撑柱（Pillar），然后在表面涂一层硅橡胶，然后经过压膜、腐蚀去除形成最终的硅橡胶泵膜[7]，加工过程示意图如图11，加工成品如图12所示。
图11带固定柱的硅有机树脂膜加工过程示意图图12带固定柱的硅有机树脂膜实物图4.3硅橡胶垫圈硅橡胶垫圈是用来把止回阀安装在泵的基座上的，该垫圈能够实现自调整、圆柱定位，以固定在树脂玻璃上。
首先在硅片上涂一层10微米厚的光刻胶，以形成固定用圆柱。
然后经过氧等离子体和高炉清洗去除浮渣，用深反应离子蚀刻法蚀刻出300微米深的盲孔。
接下来重复涂光刻胶、清洗浮渣步骤，以确定垫圈形状，然后经过蚀刻，形成了1带有400微米高的100微米厚的垫圈模具，如图所示，聚对二甲苯或者是沉积有聚四氟乙烯的等离子体可以用来填入模具制作垫圈[]，加工成的垫圈和垫圈与基座的装配结构如图13、14所示图13硅橡胶垫圈加工过程示意图图14硅橡胶垫圈成品及其在泵基座上装配实物图4.4微隔膜泵组装结构最终装配成的微泵及其CAD结构如图15所示，微泵是通过螺钉夹紧和胶粘的方式装配的。
用胶把隔膜片粘在有机玻璃基座上，然后被压紧，聚乙烯管连接在入口和出口处，作动器采用螺线型作动器，安装固定在隔膜下方的合适位置[9]。
图15最终装配成的微泵及其CAD结构示意图5结论MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及其他人们所接触到的几乎所有领域中都有十分广阔的应用前景。
随着MEMS技术、微电子技术和纳米技术的飞速发展，硅微机械流体传感器、MEMS微流控芯片将会成为微流体的主要发展趋势。
参考文献1林秉承,秦建华.图解微流控芯片实验室[M].科学出版社.2008.2王沫然,李志信.基于MEMS的微流体机械研究进展[J].Fluid Mchinery.2002,30(4):23-28. 3Folta et.al.Design,Fabrication and Testing of a Miniature Peristaltic Membrane Pump[J].Solid State Sensor and Actuator Workshop.1992:186-189.4van de Pol,et.al.A Thermopneumatic Micropump Based on Micro-engineering Techniques[J].Sensors and Actuators A.1990,21:198-202.5Wang,X.-Q.Integrated Parylene Micro Electro Mechanical Systems(MEMS),Ph.D. Thesis in Electrical Engineering.2000,California Institute of Technology:Pasadena, CA.6Wang,X.-Q.,X.Yang,K.Walsh,and Y.-C.Tai,Gas-Phase Silicon Etching with Bromine Trifluoride,in1997Solid State Sensor and Actuator Workshop.1997:1505-1508.7Grosjean,C.Silicone MEMS for Fluidics,Ph.D.Thesis in Electrical Engineering. 2001,California Institute of Technology:Pasadena,CA.8Yang,X.,C.Grosjean,and Y.-C.Tai,A Low Power MEMS Silicone/Parylene Valve, in1998Solid-State Sensor and Actuator Workshop.1998:Hilton Head Island,South Carolina.p.316-319.9Ellis Meng.MEMS TECHNOLOGY AND DEVICES FOR A MICRO FLUID DOSING SYSTEM,Ph.D.Thesis in Philosophy in Electrical Engineering.2003,California Institute of Technology.。