基于SOI技术的MEMS超声分离器制备方法研究

　　0 引言

　　基于MEMS的悬浮颗粒超声分离技术是一种高效、连续、无污染且能保证颗粒活性以备后步处理的物理分离技术,在生物颗粒、病毒分离检测上显示出了独特的优越性。超声分离器的分离腔的制作是整个分离器制作的重点。分离腔传统的制备一般由带图形腔的Si和Pyrex玻璃键合而成。英国Southampton大学Hill用湿法刻蚀、键合等方法制成了基于一维驻波原理的超声波分离器,加工出的分离器的分离腔深度平均加工误差达到了2018%。误差导致整个分离器达不到最佳的工作状态,影响分离器分离效率和能量利用率[1]。基于二维简正模式的MEMS超声分离器除了对腔体腐蚀深度均匀性要求较高外,对侧壁与腔体底面的平整度以及壁面的光滑度也有较高的要求,这为分离器的加工实现提出了新难题。

　　近些年,干法刻蚀工艺在MEMS器件制备上应用广泛[2],较湿法刻蚀而言,干法刻蚀最大的优点在于能保证加工腔体侧壁的垂直度,加上可控性好、选择比高等优点,使其在MEMS加工中逐渐取代了湿法刻蚀的地位;另外SOI (silicon oninsulator)技术应用于MEMS器件制备是现阶段发展的趋势,所制备的器件抗辐射能力强、集成度高,国外在这些方面取得了诸多研究成果[3-5]。事实上,将SOI材料的顶层硅与衬底间引入的埋氧化层(一般为SiO2)作为附加的/掩蔽层0,再结合刻蚀工艺,可以制备实现诸多微流控件[6-7]。将其应用在超声分离器的制作上,有利于制备出深度均匀、下表面光滑的凹状腔体。国内外采用该方法制备MEMS超声分离器的报道未曾见到。本文采用SOI片,结合干法刻蚀工艺,对基于简正模式的MEMS超声分离器的制作方法进行了探究,并加工出成品。最后通过台阶仪与显微镜检测,加工的分离器满足要求。

　　1 二维简正模式MEMS超声分离器

　　二维简正模式MEMS超声分离器结构如图1所示,图1中(a)为分离器三维图, (b), (c), (d)分别为分离器的正面、截面以及背面图。整个分离器由Pyrex玻璃层、玻璃层与Si片形成的分离腔(空腔)、Si片以及PZT换能器四层构成。二维简正模式MEMS超声分离技术主要基于简正波理论,通过激发截面为矩形的腔体(1, 1)阶简正模态构建二维声场。根据悬浮颗粒在超声场中受到超声辐射力作用,汇聚在波节面这一特性,悬浮颗粒将沿腔体截面长度和宽度两个方向同时向波节面汇聚,最终汇聚在腔体截面几何中心处,整个腔体内,悬浮颗粒汇聚在腔体的中心轴上。基于该原理的超声分离器工作过程为:悬浮液从图1中(d)图左侧经进流口沿楔形导流槽以一定的流速流入分离腔形成层流,层流液中的悬浮颗粒,在PZT层驱动形成的图1(b)所示超声辐射力作用区受到辐射力,汇聚在流道方向的中央位置,然后经右侧楔形导流槽捕捉后由中部的浊流口流出,清洁液体则由洁流口流出。简正波理论定义了二维矩形空间为刚性边壁条件,腔体声场主要靠入射波与产生镜面反射形成的反射波叠加而成,如果腔体内壁(反射面)粗糙,入射波在壁面将发生漫反射,这样产生的声场比较混乱,影响腔体单一、稳定的二维声场的建立。因此,加工出侧壁垂直度较高、壁面光滑以及具有较高的几何平整度的分离腔是保证分离器稳定工作的前提,同时也是提高分离器分离效率的一种手段。