[发明专利]采用钛镍铜合金膜驱动的弦锥结构微驱动器及制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种MEMS微流体系统的执行器件，具体涉及一种采用三元TiNiCu形状记忆合金膜驱动的弦锥结构微驱动器及其制备方法。

背景技术：

微驱动器作为MEMS微流体系统的执行器件，是微流体系统发展水平的重要标志。它被广泛应用在药物微量传送、燃料微量喷射、细胞分离、集成电子冷却以及微量化学分析等方面。因此微驱动器的研究一直是微机械加工系统的一个重点，同时也是微流体系统实际应用的主要限制瓶颈。由于微驱动器的流量输出是通过驱动膜的往复运动，引起微系统中泵腔的体积和压力变化而实现的，所以驱动膜的驱动力直接决定了微驱动器性能指标，即驱动膜的形变程度、响应频率对微驱动器的工作有着至关重要的影响。目前，驱动膜的驱动形式有形状记忆效应驱动、压电、静电、电磁、热气动、热流动和双金属效应等。其中，热气动、双金属效应属于低频驱动，其缺点是驱动流量较小；压电陶瓷、静电、电磁属于高频驱动，尽管产生流量较大，但是其缺点是所需工作电压相应较高，应用匹配困难，例如，在“仪器仪表学报”清华大学的杨岳、周兆英和叶雄英等1996年发表的论文“双金属热致动微型泵”，他们研制的双金属驱动微型泵驱动电压为20V，驱动频率仅为5Hz，输出流量为36μl/min。而在“Micro ElectroMechanical Systems”上Fraunhofer Institute for Solid Technology(IFT)的R.Zengerle和A.Richter等人于1992年发表论文“A micro membrane pumpwith electrostatic actuation”，报道的静电驱动微型泵，工作电压高为170V，不利于应用。形状记忆合金因其具有良好的驱动特性，近年来成为微驱动器件首选的驱动材料。例如在“Sensors and Actuators”刊物上，上海交通大学徐东等人于2001年发表的论文“Characteristics and fabrication of NiTi/Sidiaphragm micropump”，报道的二元TiNi形状记忆合金驱动微泵，输出流量为340ml/min。但二元TiNi合金相变点受成分影响极大，制备过程中成品率低；同时，马氏体与奥氏体的相变温度分别在25°、75°左右，相变迟滞较大(ΔT≤50℃)，致使驱动频率较低，使应用受到限制。

发明内容：

本发明的目的是提供一种TiNiCu/Si形状记忆合金驱动薄膜的制备法、弦锥结构微泵的设计、制作并实现形状记忆合金薄膜对微泵的良好驱动的采用三元TiNiCu形状记忆合金膜驱动的弦锥结构微驱动器。形状记忆合金驱动薄膜采用溅射方式沉积于为驱动器的上体上，并完成条形化电阻设计以利于驱动。微驱动器的上、下体结构采用Si刻蚀工艺制备，并实现键合焊接。起到压力泵作用的上体2及阀体作用的下体3加工成具有压力泵作用的驱动腔4；下体3在加工驱动腔4的同时，制成具有单流向阀的阀体扩张管5和收缩管6；阀体扩张管和收缩管分别与进水管道7和出水管道8相对准连接，装有三元TiNiCu/Si形状记忆合金驱动薄膜1的弦锥结构微驱动器在电流的作用下即可完成流体的驱动功能。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种采用三元TiNiCu形状记忆合金膜驱动的弦锥结构微驱动器，其组成包括：能起到压力泵作用的上体及阀体作用的下体，所述的上体及下体加工成具有压力泵作用的驱动腔；所述的下体在加工驱动腔的同时，制成具有单流向阀的阀体扩张管和收缩管；所述的阀体扩张管和收缩管分别与进水管道和出水管道相对准连接，所述的弦锥结构微驱动器上装有三元TiNiCu/Si形状记忆合金驱动薄膜。上述的采用三元TiNiCu形状记忆合金膜驱动的弦锥结构微驱动器，其还包括用来接通外部驱动电源的电极及用来产生驱动压力的TiNiCu合金薄膜电阻条。

上述的采用三元TiNiCu形状记忆合金膜驱动的弦锥结构微驱动器，所述的上、下体的结构采用硅(Si)的微机械加工经过硅(Si)的各向异性刻蚀工艺腐蚀后制备，并利用键合技术焊接成型。

上述的采用三元TiNiCu形状记忆合金膜驱动的弦锥结构微驱动器，所述的扩张管和收缩管是利用硅Si的各向异性腐蚀工艺制作的，其弦锥形管的小口端的尺寸为20～30μm，其锥度以弦锥形管两壁弦切线夹角来标定，锥度值为10°～15°，管壁弦的弧度为直径4～5倍驱动腔直径圆所确定的弧，管壁外弦壁与驱动腔壁相切；管长1800～2000μm。

上述的采用三元TiNiCu形状记忆合金膜驱动的弦锥结构微驱动器，所述的驱动腔是采用硅Si的各向异性刻蚀工艺经过腐蚀后获得，其上体驱动腔硅膜的厚度为10～12μm。