CN110905785B - 微机电泵的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种微机电泵的制造方法，包含以下步骤：(a)提供第一基板，将第一基板薄化至第一厚度；(b)于第一基板形成第一氧化层并蚀刻出进气孔；(c)提供第二基板，将第二基板薄化至第二厚度，并于第二基板上蚀刻出穿孔；(d)将第二基板结合至第一基板，且第一氧化层位于第一基板与第二基板之间，进气孔与穿孔错位；(e)提供第三基板，将第三基板薄化至第三厚度；(f)于第三基板上形成第二氧化层并蚀刻出气体通道；(g)于第三基板设置压电组件；以及(h)将第三基板结合至第二基板，且第二氧化层位于第二基板与第三基板之间。

Description

微机电泵的制造方法

【技术领域】

本案是关于一种微机电泵的制造方法，尤指一种通过半导体制程来制作微机电泵的制造方法。

【背景技术】

目前于各领域中无论是医药、电脑科技、打印、能源等工业，产品均朝精致化及微小化方向发展，其中微泵浦、喷雾器、喷墨头、工业打印装置等产品所包含的用以输送流体的泵构为其关键元件，是以，如何借创新结构突破其技术瓶颈，为发展的重要内容。

随着科技的日新月异，流体输送装置的应用上亦愈来愈多元化，举凡工业应用、生医应用、医疗保健、电子散热等等，甚至近来热门的穿戴式装置皆可见它的踪影，可见传统的泵已渐渐有朝向装置微小化、流量极大化的趋势。

然而，目前微型化的泵虽然持续地改良使其微小化，但仍旧无法突破毫米等级进而将泵缩小到微米等级，因此如何将泵缩小到微米等级并且将其完成为本案所欲发明的主要课题。

【发明内容】

本案的主要目的在于提供一种微机电泵的制造方法，用以制造一纳米等级的微机电泵，来减少体积对于泵的限制。

为达上述目的，本案的较广义实施态样为提供一种微机电泵的制造方法，包含以下步骤：

(a)提供一第一基板，将该第一基板薄化至一第一厚度；

(b)于该第一基板形成一第一氧化层，且该第一基板蚀刻出至少一进气孔；

(c)提供一第二基板，将该第二基板薄化至一第二厚度，并于该第二基板上蚀刻出一穿孔；

(d)将该第二基板结合至该第一基板，且该第一氧化层位于该第一基板与该第二基板之间，该进气孔与该穿孔错位；

(e)提供一第三基板，将该第三基板薄化至一第三厚度；

(f)于该第三基板上形成一第二氧化层，及于该第三基板蚀刻出至少一气体通道；

(g)于该第三基板设置一压电组件，该压电组件设置于与该第二氧化层相对的另一表面；以及

(h)将该第三基板结合至该第二基板，且该第二氧化层位于该第二基板与该第三基板之间，该气体通道与该穿孔错位。

【附图说明】

图1为本案微机电泵的制造方法的流程示意图。

图2为本案微机电泵剖面示意图。

图3为本案微机电泵的压电组件的制造流程图。

图4A至图4C为本案微机电泵的作动示意图。

图5为本案微机电泵的第三基板俯视角度视得的示意图。

【具体实施方式】

体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明的用，而非用以限制本案。

本案提供一种微机电泵的制造方法，使其所制成的微机电泵100能够应用于医药生技、能源、电脑科技或是打印等领域，用于导送流体并且增加或是控制流体的流速。请同时参阅图1及图2，图1为本案的微机电泵100的制造方法的流程示意图，图2为利用本案微机电泵100 的制造方法所制造的微机电泵100剖面示意图；本案的微机电泵100 的流程依序概述如下：步骤a，提供一第一基板1，将第一基板1薄化至一第一厚度；步骤b，于第一基板形成一第一氧化层3，且第一基板1蚀刻出至少一进气孔11；步骤c，提供一第二基板2，将第二基板2薄化至一第二厚度，并于第二基板上蚀刻出一穿孔21；步骤d，将第二基板2结合至第一基板1，且第一氧化层3位于第一基板1与该第二基板2之间，进气孔11与穿孔21错位；步骤e，提供一第三基板4，将第三基板4薄化至一第三厚度；步骤f，于第三基板4上形成一第二氧化层5，及于第三基板4蚀刻出至少一气体通道41；步骤g，于第三基板4设置与第二氧化层5相对的一压电组件6；以及步骤h，将第三基板4结合至第二基板2，且第二氧化层5位于第二基板2与第三基板4之间，气体通道41与穿孔21错位。

首先如步骤a所示，先提供第一基板1，将第一基板1通过如研磨、蚀刻、切割等方式将第一基板1薄化至第一厚度(未图示)，第一基板1 薄化至第一厚度后具有第一上表面12及第一下表面13；

如步骤b所示，第一基板1的第一下表面13形成第一氧化层3，再将第一基板1的第一下表面13通过干式蚀刻或是湿式蚀刻形成至少一进气孔11，进气孔11将贯穿第一基板1的第一上表面12及第一下表面13，于且进气孔11的孔径可由第一下表面13至第一上表面12呈现渐缩状的锥形；此外，步骤b更包含了于第一氧化层3上同样利用蚀刻制程形成至少一进气流道31及一汇流腔室32，进气流道31的一端与进气孔11连通，另一端与汇流腔室32连通。

再如步骤c所示，提供一第二基板2，经由研磨、蚀刻、切割等方式将第二基板2薄化至第二厚度(未图示)，第二基板2薄化至第二厚度后具有一第二上表面22及一第二下表面23，并且于第二基板2的中央使用蚀刻制程形成穿孔21，穿孔21贯穿第二基板2的第二上表面 22及第二下表面23。

再如步骤d所示，将第二基板2结合至第一基板1，将第二基板2的第二下表面23结合至第一基板1的第一上表面12上的第一氧化层3，使第一氧化层3位于第一基板1与第二基板2之间，此时，第二基板 2上的穿孔21与第一基板1的进气孔11错位设置；其中，上述的第二基板2的穿孔21与汇流腔室32相互连通，第一氧化层3的进气流道31与第一基板1的进气孔11的数量相同，且位置相互对应，进气流道31的一端连接于进气孔11并与进气孔11相互连通，进气流道31的另一端则与汇流腔室32相互连通，使气体得以分别由第一基板 1的进气孔11进入后，通过其对应的进气流道31后于汇流腔室32 汇聚。

如步骤e所示，提供一第三基板4，同样将第三基板4通过研磨、蚀刻或切割等制成薄化至第三厚度(未图示)，使得第三基板4具有一第三上表面42及一第三下表面43。

再参考步骤f所示，于第三基板4的第三下表面43形成一第二氧化层5，在于第三基板4形成气体通道41，气体通道41贯穿第三基板4 的第三上表面42及第三下表面43，且定义出一振动部44、一外周部 45以及多个连接部46的三部分(如图5所示)，分别为被气体通道41 包围的振动部44，围绕在气体通道41外围的外周部45，以及在各气体通道41之间并且连接于振动部44与外周部45之间的多个连接部 46。于本实施例中，气体通道41的数量为4个，连接部46数量同样为4个；此外，于步骤f更包含了将第二氧化层5的中央区域使用蚀刻制程形成一气体腔室51，气体腔室51与第三基板4的气体通道41 相互连通。

于步骤g，在第三基板4的第三上表面42形成压电组件6，使得位于第三上表面42的压电组件6与位于第三下表面43的第二氧化层5的设置位置相互对应。

最后如步骤h所示，将第三基板4的第三下表面43的第二氧化层5 结合于第二基板2，令第二氧化层5位于第二基板2及第三基板4之间，且第二基板2的穿孔21与第三基板4的气体通道41为错位设置，其中，第二基板2的穿孔21与第二氧化层5的气体腔室51连通，完成以上的步骤后，便可制造出达到微米等级的大小的微机电泵100。

此外，请参考同时参考图2及图3，前述步骤g中于第三基板4形成压电组件6的步骤流程依序概述如下：步骤g1，沉积一下电极层61；步骤g2，于下电极层61上沉积一压电层62；步骤g3，于压电层62 的部分区域与下电极61的部分区域沉积一绝缘层63；步骤g4，于压电层62未沉积绝缘层63的区域上沉积一上电极层64，上电极层64 的部分与压电层62电性连接。

承上所述，请先参考步骤g1，于第三基板4的第三上表面42上利用溅镀、蒸镀等物理或化学气相沉积形成下电极层61，再如步骤(g2)，于下电极层61上同样利用利用溅镀、蒸镀等物理或化学气相沉积将压电层62沉积形成在下电极层61之上，或者利用溶胶-凝胶法(sol-gel) 制程将压电层62沉积形成在下电极层61之上，且两者通过接触的区域做电性连接，此外压电层62的面积小于下电极层61的面积，使得压电层62无法完全遮蔽下电极层61；再进行步骤g3，于压电层62 的部分区域以及下电极层61未被压电层62遮蔽的区域利用溅镀、蒸镀等物理或化学气相沉积形成沉积绝缘层63；最后再进行步骤g4，在绝缘层63及未沉积绝缘层63的压电层62的另一部分区域上利用溅镀、蒸镀等物理或化学气相沉积形成上电极层64，使上电极层64 与该压电层62电性连接外，通过绝缘层63阻隔于上电极64与下电极层61之间，避免两者电性连接而产生短路，其中，下电极层61与上电极64可通过细间距焊线封装技术来向外延伸导电接脚(未图示)，用以接收外接驱动信号及驱动电压。

上述的第一基板1、第二基板2及第三基板4可为相同材质的基板，于本实施例中，三者皆为通过一长晶制程所产生的一硅芯片，且长晶制程可为多晶硅生长控制技术，意味着第一基板1、第二基板2及第三基板4皆为多晶硅芯片，此外，第一基板1薄化后的第一厚度大于第三基板4薄化后的第三厚度，而第三基板4薄化后的第三厚度大于二基板2薄化后的第二厚度。

上述的第一厚度介于150至200微米之间，第二厚度介于2至5微米之间，第三厚度介于10至20微米之间。

此外，前述的第一氧化层3的厚度将大于第二氧化层5的厚度，于本实施例中，第一氧化层3的厚度介于10至20微米之间，第二氧化层 5的厚度介于0.5至2微米之间，且第一氧化层3与第二氧化层5可为相同材料的薄膜，第一氧化层3、第二氧化层5可为二氧化硅(SiO₂) 薄膜，可利用溅镀、高温氧化等方式产生。

请参阅图2所示，微机电泵100由设有第一氧化层3的第一基板1、第二基板2及设有第二氧化层5的第三基板4以层叠方式结合，于本实施例中，第一基板1上的进气孔11的数量为2个，但不以此为限， 2个进气孔11皆为呈现渐缩的锥形，当与第二基板2结合后，于第二基板2的第二下表面23与位于第一基板1的第一氧化层3相连，第一氧化层3的进气流道31的位置及数量皆与第一基板1的进气孔11 相互对应，因此于本实施例中，进气流道31同样也为2个，2个进气流道31的一端分别连接2个进气孔11，而2个进气流道31的另一端则连通于汇流腔室32，让气体分别由2个进气孔11进入后，得以通过其对应的进气流道31并于汇流腔室32聚集，而第二基板2的穿孔 21与汇流腔室32相通，供气体通行，而第三基板4结合至第二基板 2时，第二氧化层5与第二基板2的第二上表面22相邻，第二氧化层 5的气体腔室51则分别与第二基板2的穿孔21及第三基板4的气体通道41相通，致使气体得以由穿孔21进入气体腔室51后再由气体通道41排出。

承上所述，第三基板4的气体通道41将第三基板4分割为三部分，分别是位于通道41设置的振动部44，位于气体通道41周围的外周部 45，以及位于气体通道41之间并且用于弹性连接振动部44及外周部 45的连接部46，其中，振动部44的区域与第二氧化层5的气体腔室 51相对应，且压电组件6位于振动部44的区域，让压电组件6带动振动部44振动位移时，得以于气体腔室51移动。

此外，第二基板2的穿孔21的周缘区域为一共振部24，位于共振部 24外围的则为固定部25，共振部24与第一氧化层3的汇流腔室32 及第二氧化层5的气体腔室51相互对应，让共振部24能够于汇流腔室32及气体腔室51之间振动位移。

请参考图2及图4A至图4C，图4A至图4C为经由本案的制造方法所制造出的微机电泵100的作动示意图；请先参考图4A所示，当压电组件6的下电极层61及上电极64接收外部所传递的驱动电压及驱动信号(未图示)后，并将其传导至压电层62，此时压电层62接受到驱动电压及驱动信号后，因压电效应的影响开始产生形变，其形变的变化量及频率受控于驱动电压及驱动信号，而当压电层62开始受驱动电压及驱动信号开始产生形变后，得以带动第三基板4的振动部 44开始位移，且压电组件6带动振动部44朝向一第一方向振动位移，以拉开与第二氧化层5之间的距离，其中第一方向为振动部44朝远离第二氧化层5的振动方向如此，第二氧化层5的气体腔室51的容积得以提升，让气体腔室51内形成负压，得以吸取微机电泵100 外的气体由进气孔11进入其中，并导入第一氧化层3的汇流腔室32 内的气体吸入其中；再请继续参阅图4B，当振动部44受到压电组件 6的位移时，第二基板2的共振部24会因共振原理的而影响朝向第一方向位移，而当共振部24朝向第一方向位移时，得以压缩气体腔室 51的空间，并且推动气体腔室51内的气体往第三基板4的气体通道 41移动，让气体能够通过气体通道41排出，同时，在共振部24朝向第一方向位移而压缩气体腔室51时，汇流腔室32的容积因共振部24 位移而提升，使其内部形成负压，得以持续吸取微机电泵100外的空气由进气孔11进入其中；最后如图4C所示，压电组件6带动第三基板4的振动部44朝向一第二方向振动位移，其中该第二方向为振动部44朝接近第二氧化层5的振动方向，且第一方向与第二方向为相反之两个方向，藉此第二基板2的共振部24亦受振动部44的带动而朝向第二方向位移，同步压缩汇流腔室32的气体通过其穿孔21向气体腔室51移动，而微机电泵100外的气体由进气孔11暂缓进入，且气体腔室51的气体推往第三基板4的气体通道41内，使气体通道41 的气体排出微机电泵100外，而第二基板2的共振部24亦受振动部 44的带动朝向第二方向位移，同步压缩汇流腔室32的气体通过其穿孔21向气体腔室51移动，后续压电组件6再恢复带动振动部44朝向第一方向位移时，其气体腔室51的容积会大幅提升，进而有较高的汲取力将气体吸入气体腔室51(如图4A所示)，如此重复图4A至图4C的操作动作，即可通过压电组件6持续带动振动部44振动位移，且同步连动共振部24振动位移，以改变微机电泵100的内部压力，使其不断地汲取、排出气体来完成微机电泵100的气体传输动作。

综上所述，本案提供一微机电泵的制造方法，主要以半导体制程来完成微机电泵的结构，以进一步缩小泵的体积，使其更加地轻薄短小，达到微米等级的大小，减少过往泵体积过大，无法达到微米等级尺寸的限制的问题，极具产业的利用价值，爰依法提出申请。

本案得由熟习此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

【符号说明】

100：微机电泵

1：第一基板

11：进气孔

12：第一上表面

13：第一下表面

2：第二基板

21：穿孔

22：第二上表面

23：第二下表面

24：共振部

25：固定部

3：第一氧化层

31：进气流道

32：汇流腔室

4：第三基板

41：气体通道

42：第三上表面

43：第三下表面

44：振动部

45：外周部

46：连接部

5：第二氧化层

51：气体腔室

6：压电组件

61：下电极层

62：压电层

63：绝缘层

64：上电极层

a～h：微机电泵浦的制造方法的步骤

g1～g4：压电组件制造方法的步骤

Claims (10)

1.一种微机电泵的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：

(a)提供一第一基板，将该第一基板薄化至一第一厚度；

(b)于该第一基板形成一第一氧化层，且该第一基板蚀刻出至少一进气孔，其中该第一基板的该进气孔由等向性蚀刻形成锥形；

(c)提供一第二基板，将该第二基板薄化至一第二厚度，且该第二基板上蚀刻出一穿孔；

(d)将该第二基板结合至该第一基板，且该第一氧化层位于该第一基板与该第二基板之间，该进气孔与该穿孔错位；

(e)提供一第三基板，将该第三基板薄化至一第三厚度；

(f)于该第三基板上形成一第二氧化层，于该第二氧化层蚀刻出一气体腔室，且该第三基板蚀刻出多个气体通道；

(g)于该第三基板通过沉积工艺设置一压电组件，该压电组件设置于与该第二氧化层相对的另一表面,更包含有以下步骤:

(g1)沉积一下电极层；

(g2)于该下电极层上沉积一压电层；

(g3)于该压电层的部分与该下电极层的部分沉积一绝缘层；及

(g4)于该压电层未沉积该绝缘层之区域上沉积一上电极层，该上电极层与该压电层电性连接；以及

(h)将该第三基板结合至该第二基板，且该第二氧化层位于该第二基板与该第三基板之间，该气体通道与该穿孔错位。

2.如权利要求1所述的微机电泵的制造方法，其特征在于，步骤(b)更包含于该第一氧化层蚀刻出至少一进气流道及一汇流腔室，该进气流道的连通于该汇流腔室与该进气孔之间。

3.权利要求1所述的微机电泵的制造方法，其特征在于，步骤(g)系以一物理气相沉积制程进行沉积。

4.权利要求1所述的微机电泵的制造方法，其特征在于，步骤(g)系以一化学气相沉积制程进行沉积。

5.权利要求1所述的微机电泵的制造方法，其特征在于，步骤(g2)系以一溶胶凝胶法制程进行沉积。

6.如权利要求1项所述的微机电泵的制造方法，其特征在于，该第一基板、该第二基板及该第三基板皆通过研磨制程分别薄化至该第一厚度、该第二厚度及该第三厚度。

7.如权利要求1所述的微机电泵的制造方法，其特征在于，该第一厚度大于该第三厚度，该第三厚度大于该第二厚度。

8.如权利要求1所述的微机电泵的制造方法，其特征在于，该第一氧化层的厚度大于该第二氧化层的厚度。

9.如权利要求1所述的微机电泵的制造方法，其特征在于，该第一基板、该第二基板及该第三基板为通过一长晶制程所形成的一硅芯片。

10.如权利要求9所述的微机电泵的制造方法，其特征在于，该长晶制程为多晶硅生长控制技术。

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