一种基于TGV填充的MEMS吸气剂泵、制备方法和激活方法

本申请属于吸气剂泵的设计与制造，特别涉及一种基于tgv填充的mems吸气剂泵、制备方法和激活方法。

背景技术：

1、现有mems（micro electro mechanical systems，微机电系统/结构）吸气剂泵多采用硅基衬底制备方案，通常以单晶硅片为基底，在衬底表面依次制备绝缘层、薄膜加热电路与吸气剂功能层，通过对加热电路通电产生焦耳热，使吸气剂达到激活温度，恢复其吸附活性。部分改进方案通过电化学腐蚀工艺在硅衬底表面制备三维多孔硅支架，再在支架表面沉积吸气剂薄膜，以增大吸气剂的有效比表面积，提升吸气容量与吸气速率。

2、然而，现有硅基mems吸气剂泵在实际应用中仍存在诸多难以克服的技术缺陷：

3、其一，硅材料本身热导率较高，加热激活过程中，大量热量会通过硅衬底快速向外传导散失，导致吸气剂加热效率低、激活功耗居高不下；同时热量向周边区域传导产生的热串扰，会影响同封装内其他mems功能器件的工作稳定性与性能精度。

4、其二，平面薄膜式吸气剂的有效比表面积有限，难以满足小体积、高吸气容量的应用需求；而多孔硅支架方案依赖电化学腐蚀工艺制备，孔隙形貌与尺寸的晶圆级一致性差、制备良率低，且工艺过程引入的化学污染易对mems器件造成不良影响，难以适配高精度、高一致性的量产需求。

5、其三，现有mems吸气剂泵多为分立器件结构，需要通过额外的装配工艺集成至mems封装腔体内部，不仅增加了封装步骤与整体体积，还难以与玻璃盖帽封装、硅-硅键合封装等先进晶圆级封装工艺实现深度集成，制约了mems系统的进一步微型化与集成化。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本申请提供了一种基于tgv填充的mems吸气剂泵，包括：

2、玻璃基板包括第一玻璃基板；

3、至少一个贯通第一玻璃基板的通孔；

4、以及填充于通孔内、用于吸附真空腔体内残余气体的吸气剂材料；

5、位于第一玻璃基板上的第二玻璃基板，在第二玻璃基板和第一玻璃基板之间设有加热电路，用于加热通孔内的吸气剂材料，其中，所述加热电路路线经过通孔。

6、进一步地，通孔为多个，且在玻璃基板上呈阵列排布。

7、进一步地，吸气剂材料为非蒸散型吸气剂，且为多孔烧结体。

8、进一步地，非蒸散型吸气剂为钛锆钒合金，其中钛、锆、钒的原子比为1:1:1，或钛、锆、钒的原子比为(0.8~1.2):1:1。

9、进一步地，第二玻璃基板与第一玻璃基板通过键合层相对设置并密封连接，键合层用于将第二玻璃基板与第一玻璃基板固定并形成封闭空间。

10、进一步地，加热电路为蛇形走线的薄膜加热电路。

11、进一步地，还包括绝缘钝化层，绝缘钝化层设置于加热电路与通孔内的吸气剂材料之间。

12、进一步地，绝缘钝化层的材料为氮化硅。

13、进一步地，还包括多孔阻挡层和真空腔体，多孔阻挡层设置于玻璃基板朝向真空腔体的一端上，真空腔体与玻璃基板密封连接，通孔通过多孔阻挡层与真空腔体连通，多孔阻挡层用于允许气体通过并阻挡吸气剂颗粒。

14、进一步地，多孔阻挡层的材料为多孔二氧化硅。

15、进一步地，第二玻璃基板上设有至少一个电引线通孔，电引线通孔内填充有导电材料，用于将加热电路与外部电源电连接。

16、进一步地，电引线通孔的孔径为30~50μm，导电材料为铜、钨、金或导电银浆中的一种。

17、进一步地，通孔的孔径为30~50μm，玻璃基板的厚度为400~600μm。

18、本申请还提供一种基于tgv填充的mems吸气剂泵的制备方法，包括以下步骤：

19、提供第一玻璃基板和第二玻璃基板；

20、在第一玻璃基板上形成至少一个贯通第一玻璃基板的通孔；

21、将第一玻璃基板与第二玻璃基板相对设置并密封连接；

22、在第二玻璃基板上形成加热电路；

23、在通孔内填充吸气剂材料。

24、进一步地，填充吸气剂材料包括：将钛锆钒合金粉末制成浆料，填入通孔后干燥、烧结，形成多孔烧结体。

25、本申请还提供一种基于tgv填充的mems吸气剂泵的激活方法，包括以下步骤：

26、对加热电路通电，使加热电路产生焦耳热；

27、焦耳热通过玻璃基板传导至通孔内的吸气剂材料，使其升温至激活温度并保温预设时间，以激活吸气剂材料。

28、进一步地，激活温度为350~400℃。

29、进一步地，激活过程在外部高真空环境中进行，并在激活完成后于氧含量低于10ppm、水汽含量低于10ppm的气氛下完成永久气密封装。

30、与现有技术相比，本申请具有如下优点：

31、采用玻璃基板替代传统的硅基板。玻璃的热导率远低于硅的热导率，因此能够有效阻断加热激活过程中热量向衬底的大规模传导散失，使热量集中作用于通孔内的吸气剂材料，大幅提升加热效率、降低激活功耗。同时，由于热量被局限在通孔阵列区域，不会向周边mems功能器件扩散，从根源上抑制了热串扰，保障了同封装内其他器件的工作稳定性与性能精度。

32、通过在第一玻璃基板中设置贯通的通孔并在通孔内填充吸气剂材料，利用通孔的侧壁为吸气剂提供了三维承载空间。相较于传统的平面薄膜结构，通孔结构使吸气剂的有效比表面积得到大幅拓展，在有限的器件面积下实现了吸气容量的显著提升，满足了小型化、高真空寿命的应用需求。

33、采用tgv（through glass via，玻璃通孔）工艺在第一玻璃基板上形成规则的通孔阵列作为吸气剂的承载骨架。tgv工艺为标准mems晶圆级加工工艺，通孔的孔径、深度、排布可通过光刻和刻蚀工艺精确控制，晶圆级一致性和制备良率远优于电化学腐蚀制备的多孔硅支架方案。同时，tgv工艺不涉及湿法腐蚀等易引入化学污染的工艺步骤，消除了对mems器件的污染风险。

34、采用由第一玻璃基板和第二玻璃基板组成的玻璃基板结构，与mems器件常用的阳极键合、玻璃盖帽封装等晶圆级封装工艺完全兼容。该结构可以直接集成于mems器件的真空封装盖帽内部，无需额外的装配空间，减少了封装步骤与整体体积，有利于mems系统的进一步微型化与集成化。

35、本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

1.一种基于tgv填充的mems吸气剂泵，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于tgv填充的mems吸气剂泵，其特征在于，所述通孔（10）为多个，且在所述玻璃基板（1）上呈阵列排布。

3.根据权利要求1或2所述的基于tgv填充的mems吸气剂泵，其特征在于，所述吸气剂材料（2）为非蒸散型吸气剂，且为多孔烧结体。

4.根据权利要求3所述的基于tgv填充的mems吸气剂泵，其特征在于，所述非蒸散型吸气剂为钛锆钒合金，其中钛、锆、钒的原子比为1:1:1，或钛、锆、钒的原子比为(0.8~1.2):1:1。

5.根据权利要求1所述的基于tgv填充的mems吸气剂泵，其特征在于，

6.根据权利要求1或5所述的基于tgv填充的mems吸气剂泵，其特征在于，所述加热电路（3）为蛇形走线的薄膜加热电路（3）。

7.根据权利要求1或5所述的基于tgv填充的mems吸气剂泵，其特征在于，还包括绝缘钝化层（4），所述绝缘钝化层（4）设置于所述加热电路（3）与所述通孔（10）内的吸气剂材料（2）之间。

8.根据权利要求7所述的基于tgv填充的mems吸气剂泵，其特征在于，所述绝缘钝化层（4）的材料为氮化硅。

9.根据权利要求1所述的基于tgv填充的mems吸气剂泵，其特征在于，还包括多孔阻挡层（5）和真空腔体（6），所述多孔阻挡层（5）设置于所述玻璃基板（1）朝向所述真空腔体（6）的一端上，所述真空腔体（6）与所述玻璃基板（1）密封连接，所述通孔（10）通过所述多孔阻挡层（5）与所述真空腔体（6）连通，所述多孔阻挡层（5）用于允许气体通过并阻挡吸气剂颗粒。

10.根据权利要求9所述的基于tgv填充的mems吸气剂泵，其特征在于，所述多孔阻挡层（5）的材料为多孔二氧化硅。

11.根据权利要求1所述的基于tgv填充的mems吸气剂泵，其特征在于，所述第二玻璃基板（12）上设有至少一个电引线通孔（121），所述电引线通孔（121）内填充有导电材料，用于将所述加热电路（3）与外部电源电连接。

12.根据权利要求11所述的基于tgv填充的mems吸气剂泵，其特征在于，所述电引线通孔（121）的孔径为30~50μm，所述导电材料为铜、钨、金或导电银浆中的一种。

13.根据权利要求1所述的基于tgv填充的mems吸气剂泵，其特征在于，所述通孔（10）的孔径为30~50μm，所述玻璃基板（1）的厚度为400~600μm。

14.一种基于tgv填充的mems吸气剂泵的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述填充吸气剂材料（2）包括：将钛锆钒合金粉末制成浆料，填入所述通孔（10）后干燥、烧结，形成多孔烧结体。

16.一种如权利要求1至13任一项所述的基于tgv填充的mems吸气剂泵的激活方法，其特征在于，包括以下步骤：

17.根据权利要求16所述的激活方法，其特征在于，所述激活温度为350~400℃。

18.根据权利要求16所述的激活方法，其特征在于，所述激活过程在外部高真空环境中进行，并在激活完成后于氧含量低于10ppm、水汽含量低于10ppm的气氛下完成永久气密封装。