一种MEMS微流体装置及其制作方法与流程

一种mems微流体装置及其制作方法技术领域1.本发明属于微流体装置技术领域，尤其涉及一种mems微流体装置及其制作方法。背景技术：2.微流体技术与装置应用广泛，例如，在石油和天然气工业领域研究原油和盐水通过多孔介质的行为和在国际空间站的微重力检查。目前，微流体技术与装置在生物与医学领域正得到越来越广泛的应用，从药物研究到药物输送，从抗体研究到抗原检测，从器官芯片到生命检测，从基因测序到基因传递，从单细胞裂解到人工器官的3d打印等等。3.微流体系统通过使用微机电(mems)器件工作。不同类型泵以1μl/分钟至10,000μl/分钟的速度精确移动器件内的液体。在器件内部，有微流体通道可以处理液体，例如混合、化学或物理反应。液体可能携带微小颗粒，例如细胞或纳米颗粒。该微流体装置使得这些颗粒的处理，例如，捕获和癌细胞的集合从血液中的正常细胞。4.基于mems技术的微流体装置，其长度或宽度从1厘米(0.5英寸)到10厘米(4英寸)。芯片厚度范围从大约0.5毫米(1/64英寸)到5毫米(1/4英寸)。微流控器件内部有细如发丝的微通道，这些微通道通过芯片上称为入口/出口端口的孔与外部相连。mems器件有压电或由热塑性塑料制成，例如石英、压电陶瓷、丙烯酸、玻璃、或pdms等。3d打印可用于生产微流控芯片，尽管它在最小特征尺寸、表面粗糙度、光学透明度或材料选择方面存在严重限制。5.现有的微流体装置为传统的mems工艺，存在工艺稳定性、可靠性、一致性差、制造成本高、体积大、重量大等缺点。技术实现要素：6.本发明的目的在于提供一种mems微流体装置及其制作方法，旨在解决现有技术中的微流体装置为传统的mems工艺的技术问题。7.为实现上述目的，本发明实施例提供的一种mems微流体装置的制作方法，包括以下步骤：8.提供衬底，在所述衬底制作声波反射层；9.在所述声波反射层上制作压电层结构；10.在压电层结构上制作第一光刻胶层，在所述第一光刻胶层的表面上制作腔壁；11.在所述腔壁的表面上制作第二光刻胶层，所述第二光刻胶层上加工有第一通孔，通过所述第一通孔在所述腔壁上制作出喷嘴，去除所述第一光刻胶层和所述第二光刻胶层，所述第一光刻胶层去除后形成一空腔，所述喷嘴连通至所述空腔，制作得到所述mems微流体装置。12.可选地，在所述声波反射层上制作压电层结构的步骤中包括：13.在所述声波反射层上制作所述下电极，在所述下电极上制作所述压电材料层，在所述压电材料层上制作所述上电极，在所述压电材料层上制作第二通孔，从所述第二通孔中引出所述第一导电层，所述第一导电层电连接所述下电极，沿所述上电极的外延方向制作出所述第二导电层，所述第二导电层电连接所述上电极。14.可选地，所述下电极和/或所述上电极的制作工艺选自金属蒸镀工艺、溅射工艺、原子层沉积工艺、cvd工艺、金属剥离工艺或金属刻蚀工艺中的任意一种；所述第一导电层和/或所述第二导电层的制作工艺选自cvd工艺、pvd工艺、溅射工艺、蒸镀工艺或电镀工艺中的任意一种；在所述压电材料层上制作所述第二通孔包括以下步骤：光刻工艺、刻蚀所述压电材料层和光刻胶去除。15.可选地，该mems微流体装置的制作方法还包括以下步骤：在所述第一导电层和第二导电层的上方制作得到第三通孔和第四通孔；所述第三通孔和所述第四通孔均依次通过光刻工艺和通孔刻蚀工艺制作得到；所述第三通孔和所述第四通孔分别贯穿所述腔壁直至所述第一导电层和第二导电层表面，分别在所述第三通孔和所述第四通孔中制作金属层而得到第一焊盘和第二焊盘。16.可选地，在所述压电层结构的表面上覆盖钝化层，所述第一光刻胶层制作在所述钝化层上。17.可选地，在所述腔壁的表面上覆盖保护层，所述保护层对应至所述喷嘴的位置镂空。18.可选地，在所述腔壁上制作出所述喷嘴包括以下步骤：通过光刻工艺在所述第二光刻胶层上制作出所述第一通孔，通过所述第一通孔在腔壁上刻蚀出所述喷嘴；形成所述空腔包括以下步骤：通过光刻工艺在所述压电层结构上制作所述第一光刻胶层，在所述第一光刻胶层上制作薄膜以形成所述腔壁，通过所述喷嘴去除所述第一光刻胶层以在所述腔壁内形成所述空腔。19.可选地，所述声波反射层为布拉格反射器，所述布拉格反射器通过声波阻抗不同的第一材料层和第二材料层交替层叠制作而成；在所述衬底制作声波反射层的步骤中，所述第一材料层为二氧化硅层，所述二氧化硅层的制作工艺选自cvd工艺、sacvd工艺、pecvd工艺、lpcvd工艺或ald工艺中的任意一种；所述第二材料层为钨层，所述钨层的制作工艺选自cvd工艺、蒸镀工艺、溅射工艺或ald工艺中的任意一种。20.本发明实施例提供的mems微流体装置的制作方法中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：1)采用半导体工艺制作mems微流体器件，衬底可以使用大尺寸的硅晶圆，利于大规模生产，降低成本；2)可以采用以cmos兼容的工艺技术，进一步提高良率、减小制造成本；3)可以制作与其它器件的多功能的集成器件，提升性能和集成度。21.为实现上述目的，本发明实施例提供的一种mems微流体装置，包括衬底、声波反射层、压电层结构、空腔以及喷嘴，所述声波反射层设置在所述衬底上；所述压电层结构设置在所述声波反射层上；所述空腔具有一腔壁，所述腔壁设置在所述压电层结构上并与所述压电层结构围合成所述空腔；所述喷嘴设置在所述腔壁上并连通至所述空腔。22.可选地，该mems微流体装置还包括钝化层、保护层、第一焊盘和第二焊盘，所述压电层结构包括下电极、压电材料层、上电极、第一导电层和第二导电层，所述下电极设置在所述声波反射层上，所述压电材料层设置在所述下电极上，所述上电极设置在所述压电材料层上，所述第一导电层和所述第二导电层分别电连接所述下电极和所述上电极；所述钝化层覆盖在所述压电层结构的表面上，所述空腔形成在所述腔壁和所述钝化层之间，所述保护层覆盖在所述腔壁的表面，所述第一焊盘和所述第二焊盘穿过所述保护层、所述腔壁和所述钝化层并分别电连接至所述第一导电层和所述第二导电层。23.本发明实施例提供的mems微流体装置中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：该mems微流体装置可以通过半导体工艺制作得到，从而提高工艺稳定性、可靠性和一致性，具有制造成本低、体积小以及重量小的特点。附图说明24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。25.图1为本发明实施例提供的声波反射层的制作示意图。26.图2为本发明实施例提供的下电极的制作示意图。27.图3为本发明实施例提供的压电材料层的制作示意图。28.图4为本发明实施例提供的上电极的制作示意图。29.图5为本发明实施例提供的第二通孔的制作示意图。30.图6为本发明实施例提供的第一导电层和第二导电层的制作示意图。31.图7为本发明实施例提供的钝化层的制作示意图。32.图8为本发明实施例提供的第一光刻胶层的制作示意图。33.图9为本发明实施例提供的腔壁的制作示意图。34.图10为本发明实施例提供的第二光刻胶层的制作示意图。35.图11为本发明实施例提供的喷嘴和空腔的制作示意图。36.图12为本发明实施例提供的保护层的制作示意图。37.图13为本发明实施例提供的第一焊盘和第二焊盘的制作示意图。38.图14为本发明实施例提供的mems微流体装置的工作示意图。39.附图标记说明：40.1、衬底；2、声波反射层；21、第一材料层；22、第二材料层；3、压电层结构；31、下电极；32、压电材料层；321、第二通孔；33、上电极；34、第一导电层；35、第二导电层；4、第一光刻胶层；5、腔壁；51、空腔；52、喷嘴；6、第二光刻胶层；61、第一通孔；7、钝化层；8、保护层；9a、第一焊盘；9b、第二焊盘；10、外部电源。具体实施方式41.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明的实施例，而不能理解为对本发明的限制。42.在本发明实施例的描述中，需要理解的是，若本发明实施例中有涉及方向性指示，例如上、下、左、右、前、后、内、外等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。43.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。44.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，若有“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语，应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。45.在本发明的实施例中，提供一种mems微流体装置的制作方法，包括以下步骤：46.提供衬底1，在衬底1上制作声波反射层2；47.在声波反射层2上制作压电层结构3；48.在压电层结构3上制作第一光刻胶层4，在第一光刻胶层4的表面上制作腔壁5；49.在腔壁5的表面上制作第二光刻胶层6，第二光刻胶层6上加工有第一通孔61，通过第一通孔61在腔壁5上制作出喷嘴52，去除第一光刻胶层4和第二光刻胶层6，第一光刻胶层4去除后形成一空腔51，喷嘴52连通至空腔51，制作得到mems微流体装置。50.在本发明的实施例中，如图1所示，提供的衬底1可以是硅、蓝宝石和玻璃等，尺寸优选为3-12寸(75mm-300mm)。51.具体地，该mems微流体装置制作在晶圆上，晶圆的衬底材料可以是前述的任何一种：硅、蓝宝石、玻璃等，厚度为100um-1000um。对于硅衬底，晶圆尺寸更优选是4-12寸(100-300mm)。制作完成后的晶圆呈网格状，每一格为一个芯片，芯片可以是正方形或长方形，边长范围在200um-5mm之间。每颗芯片上的器件(mems微流体装置)数目从几十到几百、甚至几万。本发明采用半导体工艺制作该mems微流体装置，提升了芯片的集成度、可靠性、一致性、均匀性，并简化了制作工艺、降低成本、利于大规模生产与应用。52.在本发明的实施例中，如图1所示，在衬底1上制作声波反射层2具体方法如下：本发明中的声波反射层2为布拉格反射器(bragg reflector)，是由具有不同的声波阻抗(acoustic impedance)的两种材料交替组成。布拉格反射器的作用是将声波反射到压电层里面。53.具体地，布拉格反射器通过声波阻抗不同的第一材料层21和第二材料层22交替层叠制作而成。而且每层的厚度是声波的λ/4，这样大部分波会反射回来和原来的波叠加，从而减少能量损耗。54.示例性地，布拉格反射器优选是低阻抗的二氧化硅和高阻抗的钨交替层叠组成。每一层的厚度为1/4波长，层数可以是2-50。材料层的制作方法，根据不同的材料，可以不同的方法。在本发明中，制作二氧化硅，可以用cvd、sacvd、pecvd、lpcvd、ald等方法。制作钨，可以用cvd、蒸镀、溅射、ald等方法。55.具体地，如图2-图6所示，在所述声波反射层上制作压电层结构的步骤中包括：在声波反射层2上制作下电极31，在下电极31上制作压电材料层32，在压电材料层32上制作上电极33，在压电材料层32上制作第二通孔321，从第二通孔321中引出第一导电层34，第一导电层34电连接下电极31，沿上电极33的外延方向制作出第二导电层35，第二导电层35电连接上电极33。56.在本发明的实施例中，如图2所示，在声波反射层2上制作下电极31具体如下：电极材料优选为mo、au、ti、al、w、pt、cu、ta等。下电极31的厚度为0.1-2um之间。下电极31的制作方式有多种，如：金属蒸镀、溅射、原子层沉积、cvd等。57.具体地，下电极31的制作工艺一般为以下两种：58.1)金属剥离工艺(metal lift-off)，制作步骤如下：a)光刻，包括涂胶，对准、曝光、显影；b)金属沉积；c)金属剥离；d)光刻胶去除；e)晶圆清洗。59.2)金属刻蚀工艺(metal etch)，制作步骤如下：a)晶圆表面处理；b)金属沉积；c)光刻，包括涂胶，对准、曝光、显影；d)金属刻蚀，包括干法刻蚀或湿法刻蚀；e)光刻胶去除；f)晶圆清洗。60.在本发明的实施例中，如图3所示，在下电极31上制作压电材料层32的步骤具体如下：压电材料优选为aln、gan、pzt、zno、钽酸锂和铌酸锂等，可以是单晶的或多晶的，掺杂或非惨杂的。压电材料层32的厚度为10nm-5um之间。61.在本发明的实施例中，如图4所示，在压电材料层32上制作上电极33的步骤具体如下：电极材料优选为mo、au、ti、al、w、pt、cu、ta等。上电极33的厚度为0.1-2um之间。上电极33的制作方式有多种，如：金属蒸镀、溅射、原子层沉积、cvd等。62.具体地，上电极33制作工艺包括以下两种：63.1)金属剥离工艺(metal lift-off)，制作步骤如下：a)光刻，包括涂胶，对准、曝光、显影；b)金属沉积；c)金属剥离；d)光刻胶去除；e)晶圆清洗。64.2)金属刻蚀工艺(metal etch)，制作步骤如下：a)晶圆表面处理；b)金属沉积；c)光刻，包括涂胶，对准、曝光、显影；d)金属刻蚀，包括干法刻蚀或湿法刻蚀；e)光刻胶去除；f)晶圆清洗。65.在本发明的实施例中，为了引出下电极31，需要刻蚀通孔(via)穿过压电材料层32，如图5所示，在压电材料层32上制作第二通孔321的步骤具体如下：66.a)光刻，包括涂胶、对准、曝光、显影；67.b)刻蚀压电材料层32，对于不同的材料，选用不同的刻蚀方法。例如，如果采用氮化铝作为压电材料，可以采用干法刻蚀，即等离子体的刻蚀方法，采用的气体可以是cl2和bcl3的混合气体；68.c)光刻胶去除，可以是干法或湿法；69.d)晶圆清洗。70.在本发明的实施例中，如图6所示，第一导电层34和第二导电层35的制作具体如下：第一导电层34和第二导电层35优选为al、w、cu、au等金属，可以用cvd，pvd，溅射，蒸镀，电镀等方法制作而成。71.在本发明的实施例中，如图7所示，为了保护谐振器(声波反射层2和压电层结构3的结合)而在压电层结构3表面上覆盖钝化层7，在压电层结构3上制作钝化层7的步骤具体如下：钝化层7的材质选自氧化硅、氮化硅、碳化硅或氮化铝中的任意一种，也可以是一种以上材料的叠层，钝化层7常用的制作方法有pecvd、sacvd、lpcvd、mocvd、pvd和ald等。钝化层7的厚度优选为10nm-2um。72.在本发明的实施例中，如图8-图11所示，形成空腔51的步骤包括：73.a)光刻工艺，包括涂胶、对准、曝光、显影，以形成第一光刻胶层4；第一光刻胶层4限定出空腔51的尺寸、形状等特征；74.b)在第一光刻胶层4上制作一层薄膜，形成腔壁5，薄膜可以是金属、氮化物、氧化物等；75.在本发明的实施例中，如图10和图11所示，在腔壁5制作喷嘴52的步骤具体如下：76.a)光刻工艺，包括涂胶、对准、曝光、显影，以形成第二光刻胶层6，并在第二光刻胶层6上加工有第一通孔61；通过所述第一通孔61在所述腔壁5上制作出喷嘴52；77.b)喷嘴52刻蚀、去胶、清洗，以去除所述第一光刻胶层4和所述第二光刻胶层6，第一光刻胶层4去除后形成一空腔51；78.c)通过喷嘴52去除第一光刻胶层4以在腔壁5内形成空腔51。79.优选地，喷嘴52的直径在1-100um之间。80.在本发明的实施例中，该制备方法还包括以下步骤：在腔壁5的表面上覆盖保护层8。如图12所示，保护层8的制作具体如下：保护层8的材质优选是氮化物、氧化物、苯并环丁烯和聚亚胺薄膜，其厚度优选为10-100nm。保护层8对应至喷嘴52的位置镂空，以使喷嘴52外露。81.在本发明的实施例中，如图13所示，为了引出上电极33和下电极31，该制备方法还包括以下步骤：制作第一焊盘9a和第二焊盘9b。第一焊盘9a和第二焊盘9b的制作步骤包括：82.a)光刻，包括涂胶、对准、曝光显影；83.b)通孔刻蚀，第三通孔和第四通孔分别穿过保护层8、腔壁5、钝化层7，直至停在第一导电层34和第二导电层35表面上；刻蚀优选为采用干法工艺；84.c)制作金属层，分别在第三通孔和第四通孔中制作金属层而得到第一焊盘9a和第二焊盘9b，制作焊盘的材料优选是au、al、cu等，可以采用蒸镀、溅射、电镀的方法制作。85.综上所述，本发明的制作方法采用半导体工艺制作mems微流体器件，衬底1可以使用大尺寸的硅晶圆，利于大规模生产，降低成本。该制作方法可以采用以cmos兼容的工艺技术，进一步提高良率、减小制造成本。该制作方法可以制作与其它器件的多功能的集成器件，提升性能和集成度。86.根据上述制作方法制作得到的mems微流体装置，包括衬底1、声波反射层2、压电层结构3、空腔51以及喷嘴52，声波反射层2设置在衬底1上。压电层结构3设置在声波反射层2上。空腔51具有一腔壁5，腔壁5设置在压电层结构3上并与压电层结构3围合成空腔51。喷嘴52设置在腔壁5上并连通至空腔51。87.具体地，该mems微流体装置还包括钝化层7、保护层8、第一焊盘9a和第二焊盘9b，压电层结构3包括下电极31、压电材料层32、上电极33、第一导电层34和第二导电层35，下电极31设置在声波反射层2上，压电材料层32设置在下电极31上，上电极33设置在压电材料层32上，第一导电层34和第二导电层35分别电连接下电极31和上电极33。钝化层7覆盖在压电层结构3的表面上，空腔51形成在腔壁5和钝化层7之间，保护层8覆盖在腔壁5的表面，第一焊盘9a和第二焊盘9b均穿过保护层8、腔壁5和钝化层7，并分别电连接至第一导电层34和第二导电层35。88.在该装置应用中，空腔51用于储存液体。如图14所示，当该微流体装置通过第一焊盘9a和第二焊盘9b接通外部电源10对该装置施加电压，由于压电材料的压电效应，将电能转化为机械能，导致谐振器的上下震动。谐振器的震动将空腔51里的液体经由喷嘴52喷出。液滴的大小由喷嘴52决定，喷射的频率由电源频率控制。通过改变喷嘴52的大小和电源的频率，可以得到不同的液体体积和喷射频率，实现各种微流体和微流控的应用。89.该mems微流体装置可以通过半导体工艺制作得到，从而提高工艺稳定性、可靠性和一致性，具有制造成本低、体积小以及重量小的特点。90.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。