CN111749874B - 微机电泵 - Google Patents
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Abstract
一种微机电泵，包含：第一基板；第一氧化层，具有汇流通道及汇流腔室；第二基板，结合至第一基板，包含：硅芯片层，具有：致动部，呈圆形，具有极限应力值及作动应力值；外周部，呈中空环状，环绕于致动部的外围；连接部，位于致动部与外周部之间；以及流体通道，环绕于致动部的外围，且位于连接部之间；第二氧化层，形成于硅芯片层上，并与硅芯片层定义振动腔室；硅材层，呈圆形，位于第二氧化层且结合至第一氧化层；以及压电组件，呈圆形，设于致动部，具有压电应力值；其中极限应力值大于作动应力值，作动应力值大于压电应力值。
Description
技术领域
本案是关于一种微机电泵，尤指一种透过半导体制程来制作微机电泵。
背景技术
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，而微机电泵能够将流体输送装置的尺寸大幅度地缩小，故微机电泵明显为当下微型化的流体输送装置的主要发展方向。
请参考图1所示，图1为目前微机电泵的一作动片1a及一压电片1b，作动片1a包含一致动部11a、一外周部12a、多个连接部13a及多个空隙14a，透过施加交流电压至压电片1b上，使压电片1b为压电材料，将因应交流电压的电压值与频率开始经由逆压电效应产生形变，来带动相连的致动部11a上、下位移，透过致动部11a的位移来推动流体，使流体由空隙14a排出，其中，目前的作动片1a的致动部11a、外周部12a及压电片1b皆为方形，故有压电片1b的四边与致动部11a的四边之间的距离不等长的情况发生，例如压电片1b的四角与致动部11a的四角之间的第一间距L1大于压电片1b的四边与致动部11a四边的第二间距L2，使得压电片1b在带动致动部11a的时候受力不均，造成致动部11a产生最大位移的地方并非在致动部11a的中心区域，而是变成在致动部11a的四角位置，将会有传输效率下降的问题；因此，如何提升微机电泵的效率外，还能够稳定的作动为当前主要的研究方向。
发明内容
本案的主要目的在于提供一种微机电泵，用以半导体制程所制造的微米等级的微机电泵，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，包含：一第一基板，具有多个流入孔，该多个流入孔呈锥形；一第一氧化层，叠设该第一基板，该第一氧化层具有多个汇流通道及一汇流腔室，该多个汇流通道连通于该汇流腔室及该多个流入孔之间；一第二基板，并结合至该第一基板，包含：一硅芯片层，具有：一致动部，呈圆形，具有一极限应力值及一作动应力值；一外周部，呈中空环状，环绕于该致动部的外围；多个连接部，分别连接于该致动部与该外周部之间；以及多个流体通道，环绕于该致动部的外围，且分别位于该多个连接部之间；一第二氧化层，形成于该硅芯片层上，呈中空环状，并与该硅芯片层定义一振动腔室；一硅材层，呈圆形，位于该第二氧化层且结合至该第一氧化层，具有：一穿孔，形成于该硅材层的中心；一振动部，位于该穿孔的周边区域；以及一固定部，位于该硅材层的周缘区域；以及一压电组件，呈圆形，叠设于该硅芯片层的该致动部，具有一压电应力值；其中，该极限应力值大于该作动应力值，该作动应力值大于该压电应力值。
附图说明
图1为先前技术中作动片与压电片的示意图。
图2A为本案的微机电泵剖面示意图。
图2B为本案的微机电泵分解示意图。
图3A至图3C为图2A所示的微机电泵的作动示意图。
1a：作动片
11a：致动部
12a：外周部
13a：连接部
14a：空隙
1b：压电片
100：微机电泵
2：第一基板
21：流入孔
22：第一表面
23：第二表面
3：第一氧化层
31：汇流通道
32：汇流腔室
4：第二基板
41：硅芯片层
411：致动部
412：外周部
413：连接部
414：流体通道
42：第二氧化层
421：振动腔室
43：硅材层
431：穿孔
432：振动部
433：固定部
434：第三表面
435：第四表面
5：压电组件
51：下电极层
52：压电层
53：绝缘层
54：上电极层
L1：第一间距
L2：第二间距
具体实施方式
体现本案特征与优点的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之用，而非用以限制本案。
本案的微机电泵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。请参阅图2A及图2B，图2A为本案的微机电泵100的剖面示意图，图2B为本案的微机电泵100的分解示意图，本案的微机电泵100透过微机电制程所产生，理应无法分解，为明确说明其细部特征，特采用其分解图说明；本案的微机电泵100包含有：一第一基板2、一第一氧化层3、一第二基板4以及一压电组件5。
第一基板2为一硅芯片(Si wafer)，其厚度介于150至400微米(μm)之间，第一基板2具有多个流入孔21、一第一表面22、一第二表面23，于本实施例中，该多个流入孔21的数量为4个，但不以此为限，且每个流入孔21皆由第二表面23贯穿至第一表面22，而流入孔21为了提升流入效果，将流入孔21自第二表面23至第一表面22呈现渐缩的锥形。
第一氧化层3为一二氧化硅(SiO2)薄膜，其厚度介于10至20微米(μm)之间，第一氧化层3叠设于第一基板2的第一表面22上，第一氧化层3具有多个汇流通道31以及一汇流腔室32，汇流通道31与第一基板2的流入孔21其数量及位置相互对应。于本实施例中，汇流通道31的数量同样为4个，4个汇流通道31的一端分别连通至第一基板2的4个流入孔21，而4个汇流通道31的另一端则连通于汇流腔室32，让流体分别由流入孔21进入之后，通过其对应相连的汇流通道31后汇聚至汇流腔室32内。
请参阅图2A与图2B，第二基板4为一绝缘层上覆硅的硅芯片(SOIwafer)，包含有：一硅芯片层41、一第二氧化层42以及一硅材层43；硅芯片层41的厚度介于10至20微米(μm)之间，具有一致动部411、一外周部412、多个连接部413以及多个流体通道414，致动部411呈圆形，且具有一极限应力值及一作动应力值；外周部412呈中空环状，环绕于致动部411的外围；该多个连接部413分别位于致动部411与外周部412之间，并且连接两者，提供弹性支撑的功能。该多个流体通道414环绕形成于致动部411的外围，且分别位于该多个连接部413之间。
第二氧化层42是一氧化硅层其厚度介于0.5至2微米(μm)之间，形成于硅芯片层41上，呈中空环状，并与硅芯片层41定义一振动腔室421。硅材层43呈圆形，位于第二氧化层42且结合至第一氧化层3，硅材层43是二氧化硅(SiO2)薄膜，厚度介于2至5微米(μm)之间，具有一穿孔431、一振动部432、一固定部433、一第三表面434及一第四表面435。穿孔431形成于硅材层43的中心，振动部432位于穿孔431的周边区域，且垂直对应于振动腔室421，固定部433则为硅材层43的周缘区域，由固定部433固定于第二氧化层42，第三表面434与第二氧化层42接合，第四表面435与第一氧化层3接合；压电组件5叠设于硅芯片层41的致动部411，具有一压电应力值。前述的致动部411的极限应力值大于作动应力值，作动应力值大于压电组件5的压电应力值。
请再参阅图2A所示，压电组件5包含有一下电极层51、压电层52、绝缘层53及上电极层54，下电极层51叠置于硅芯片层41的致动部411，而压电层52叠置于下电极层51，两者透过其接触的区域做电性连接，此外，压电层52的宽度小于下电极层51的宽度，使得压电层52无法完全遮蔽住下电极层51，在于压电层52的部分区域以及下电极层51未被压电层52所遮蔽的区域上叠置绝缘层53，最后在于绝缘层53以及未被绝缘层53遮蔽的压电层52的区域上叠置上电极层54，让上电极层54得以与压电层52接触来电性连接，同时利用绝缘层53阻隔于上电极层54及下电极层51之间，避免两者直接接触造成短路。
请在参阅图2A所示，第一氧化层3位于第一基板2的第一表面22及第二基板4的硅材层43之间，第二氧化层42位于第二基板4的硅材层43及硅芯片层41之间，压电组件5位于硅芯片层41的致动部411，将第一基板2、第一氧化层3、第二基板4的硅材层43、第二氧化层42、硅芯片层41、压电组件5依序排列后结合为一体，位于第一基板2及第二基板4之间的第一氧化层3，其内部的汇流通道31与第一基板2的流入孔21相通，汇流腔室32与硅材层43的穿孔431相通，让气体由第一基板2的流入孔21进入后通过汇流通道31于汇流腔室32汇聚后由穿孔431向上流动，而位于硅材层43及硅芯片层41之间的第二氧化层42，其振动腔室421与硅材层43的穿孔431及硅芯片层41的流体通道414相通，使得气体得以由穿孔431进入振动腔室421后，由流体通道414向上排出，达到传输气体的功效。
上述的第一基板2厚度介于150至400微米之间，硅材层43厚度介于2至5微米之间，第一氧化层3、硅芯片层41厚度介于10至20微米之间。
请参考图3A至图3C，图3A至图3C为经由本案的制造方法所制造出的微机电泵其作动示意图。请先参考图3A，当压电组件5的下电极层51及上电极层54接收外部所传递的驱动电压及驱动信号(未图示)后，将其传导至压电层52，当压电层52接受到驱动电压及驱动信号后因逆压电效应的影响开始产生形变，会带动硅芯片层41的致动部411开始位移，当压电组件5带动致动部411向上位移拉开与第二氧化层42之间的距离，此时，第二氧化层42的振动腔室421的容积将提升，让振动腔室421内形成负压，用于将第一氧化层3的汇流腔室32内的气体通过穿孔431吸入其中；请继续参阅图3B，当致动部411受到压电组件5的牵引向上位移时，硅材层43的振动部432会因共振原理的影响向上位移，当振动部432向上位移时，会压缩振动腔室421的空间并且推动振动腔室421内的流体往硅芯片层41的流体通道414移动，让流体能够通过流体通道414向上排出，在振动部432向上位移来压缩振动腔室421的同时，汇流腔室32的容积因振动部432位移而提升，其内部形成负压，将吸取微机电泵100外的流体由流入孔21进入其中，最后如图3C所示，压电组件5带动硅芯片层41的致动部411向下位移时，将振动腔室421的流体往流体通道414推动，并将流体排出，而硅材层43的振动部432亦受致动部411的带动向下位移，同步压缩汇流腔室32的气体通过穿孔431向振动腔室421移动，后续再将压电组件5带动致动部411向上位移时，其振动腔室421的容积会大幅提升，进而有较高的汲取力将气体吸入振动腔室421，再重复以上的动作，以至于透过压电组件5持续带动致动部411上下位移且来连动振动部432上下位移，来改变微机电泵100的内部压力，使其不断地汲取及排出流体，藉此以完成微机电泵100的动作。
本案的微机电泵100经由微机电制程来产生微型化的流体泵，由于其体积极小的关系，为了提升其传输效率，需要使用较高的作动频率，但过高的作动频率又可能会造成内部结构的损坏，使用寿命降低，故本案的微机电泵100的致动部411，具有极限应力值与作动应力值，其作动应力值须低于极限应力值，避免致动部411龟裂或碎裂，而致动部411的作动应力值会因其本身的面积、压电组件5的面积以及连接部413的面积受到影响，故需大量的计算与实验来设计三者之间的关系。
此外，致动部411具有一极限频率与一作动频率，当作动频率大于极限频率时，会因变形过快而导致致动部411毁损，降低使用寿命，而作动应力值会连带影响到作动频率，作动应力值越大，致动部411的变形量就会越大，位移幅度也随的提升，但作动频率则会下降，虽然位移幅度提升，但由于变形量过大可能会使致动部411龟裂，且作动频率连带降低，未必会有较佳的传输效率。反之，作动应力值越小，虽然作动频率较高，但较高的作动频率可能会超过极限频率而损坏，且较小的作动应力值其致动部411的位移幅度也较低。故，微机电泵100必须使作动频率低于极限频率下，使作动应力值与作动频率之间取得平衡，以获得较佳的传输效率。
承上所述，本案的微机电泵100经大量实验后得出，硅芯片层41的致动部411其直径介于400至550微米(μm)之间，压电组件5的直径介于150至400微米(μm)之间，且致动部411与压电组件5的直径比例介于3.6：1至1.3：1之间，而连接部413与流体通道414面积的比例介于0.7：1至2.7：1之间，在上述条件下的致动部411的极限应力值为200百万帕(Mpa)，而作动应力值则介于120至160百万帕(Mpa)之间较佳，其中，压电组件5本身具有压电应力值，为避免压电组件5变形所产生的应力破坏致动部411，故压电应力值须小于作动应力值，其压电应力值介于30至60百万帕(Mpa)之间为较佳。在前述的结构下，致动部411的极限频率为2百万赫兹(Mhz)，作动频率介于0.8至1.9百万赫兹(Mhz)之间为较佳。
综上所述，本案提供一微机电泵的制作方法，以半导体制程来完成微机电泵的结构，以进一步缩小泵得体积，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，且透过同样为圆型的压电组件与致动部，使得压电组件带动致动部时施力较平均，以及调控致动部、压电组件的直径及连接部、流体通道的面积，以调整微机电泵的作动应力值(位移距离)及作动频率，让微机电泵能够具有较佳的传输效率的同时能够保有极佳的工作寿命，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。
Claims (17)
1.一种微机电泵，其特征在于，包含：
一第一基板，具有多个流入孔，该多个流入孔呈锥形；
一第一氧化层，叠设该第一基板，该第一氧化层具有多个汇流通道及一汇流腔室，该多个汇流通道连通于该汇流腔室及该多个流入孔之间；
一第二基板，结合至该第一基板，包含：
一硅芯片层，具有：
一致动部，呈圆形，具有一极限应力值及一作动应力值；其中，该极限应力值为200百万帕，并对应一极限频率为2百万赫兹；
一外周部，呈中空环状，环绕于该致动部的外围；
多个连接部，分别连接于该致动部与该外周部之间；以及
多个流体通道，环绕于该致动部的外围，且分别位于该多个连接部之间；其中，该多个连接部的面积与该多个流体通道的面积比例介于0.7：1至2.7：1之间；
一第二氧化层，形成于该硅芯片层上，呈中空环状，并与该硅芯片层定义一振动腔室；
一硅材层，呈圆形，位于该第二氧化层且结合至该第一氧化层，具有：
一穿孔，形成于该硅材层的中心；
一振动部，位于该穿孔的周边区域；以及
一固定部，位于该硅材层的周缘区域；以及
一压电组件，呈圆形，叠设于该硅芯片层的该致动部，具有一压电应力值；
其中，该极限应力值大于该作动应力值，该作动应力值大于该压电应力值。
2.如权利要求1所述的微机电泵，其特征在于，该压电组件更包含：
一下电极层；
一压电层，叠置于该下电极层；
一绝缘层，铺设于该压电层的部分表面及该下电极层的部分表面；以及
一上电极层，叠置于该绝缘层及该压电层未设有绝缘层的其余表面，用以与该压电层电性连接。
3.如权利要求1所述的微机电泵，其特征在于，该第一基板为一硅芯片。
4.如权利要求1所述的微机电泵，其特征在于，该第二基板为一绝缘层上覆硅的硅芯片。
5.如权利要求1所述的微机电泵，其特征在于，该第一基板的厚度介于150至400微米之间。
6.如权利要求1所述的微机电泵，其特征在于，该第二基板的该硅材层的厚度介于2至5微米之间。
7.如权利要求1所述的微机电泵，其特征在于，该第二基板的硅芯片层的厚度介于10至20微米之间。
8.如权利要求1所述的微机电泵，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8所述的微机电泵，其特征在于，该第一氧化层的厚度界于10至20微米之间。
10.如权利要求8所述的微机电泵，其特征在于，该第二氧化层的厚度介于0.5至2微米之间。
11.如权利要求1所述的微机电泵，其特征在于，该作动应力值是介于120至160百万帕之间。
12.如权利要求1所述的微机电泵，其特征在于，该压电应力值是介于30至60百万帕之间。
13.如权利要求1所述的微机电泵，其特征在于，该致动部包含一作动频率，该作动频率低于该极限频率。
14.如权利要求13所述的微机电泵，其特征在于，该作动频率是介于0.8至1.9百万赫兹之间。
15.如权利要求1所述的微机电泵，其特征在于，该硅芯片层的该致动部其直径介于400至550微米之间。
16.如权利要求1所述的微机电泵，其特征在于，该压电组件的直径介于150至400微米之间。
17.如权利要求1所述的微机电泵，其特征在于，该致动部的直径与该压电组件的直径比例介于3.6：1至1.3：1之间。
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- 2019-03-29 CN CN201910251449.8A patent/CN111749874B/zh active Active
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