CN111750142A - 微流体致动器模块 - Google Patents
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Abstract
一种微流体致动器模块，包含：一第一基板，透过蚀刻制程形成多个流体出口以及多个喷口；一第一光阻层，透过显影制程形成一连通流道；一阀层，透过蚀刻制程形成多个出口阀以及多个入口阀；一第二基板，透过蚀刻制程定义多个振动区；一第二光阻层，透过滚压制程形成于该第二基板上，透过显影制程与第二基板共同形成多个振动腔室；一压电层，透过切割制程定义多个致动区；以及一电极层，具有多个上电极区以及多个下电极区。提供驱动电源驱动振动区产生往复式位移，使流体自连通流道吸入，再由喷口排出以完成流体传输。
Description
技术领域
本案关于一种致动器模块，尤指一种使用微机电面型及体型加工制程制作的微流体致动器模块。
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，其中微帮浦、喷雾器、喷墨头、工业打印装置等产品所包含的流体致动器为其关键技术。
随着科技的日新月异，流体输送结构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，甚至近来热门的穿戴式装置皆可见它的踨影，可见传统的流体致动器已渐渐有朝向装置微小化、流量极大化的趋势。
现有技术中已发展多种微机电制程制出的微流体致动器，然而，借创新结构增进流体传输的功效，仍为发展的重要内容。
发明内容
本案的主要目的是提供一种微流体致动器模块，使用微机电面型及体型加工制程，并辅以精密封装技术一体成型制作而成。
本案的一广义实施态样为一种微流体致动器模块，包含一第一基板、一第一保护层、一第一光阻层、一阀层、一第二基板、一第二光阻层、一导电胶层、一压电层以及一电极层。第一基板具有一第一表面及一第二表面，透过蚀刻制程形成多个流体出口以及多个喷口。流体出口分别与喷口相连通。第一保护层透过沉积制程形成于第一基板的第一表面上，且透过蚀刻制程形成出口开口。出口开口分别透过流体出口与喷口相连通。第一光阻层透过滚压制程形成于第一保护层上，且透过显影制程形成一连通流道、多个入口流道、多个阀座以及多个腔体开口。阀层透过翻转对位制程接合于第一光阻层，并透过蚀刻制程形成多个出口阀、多个入口阀以及一第一流道开口。第一流道开口与第一光阻层的连通流道相连通。第二基板透过蚀刻制程形成多个振动开口，并定义多个振动区。振动区分别与振动开口的位置相对应。第二光阻层透过滚压制程形成于第二基板上，透过显影制程形成多个腔体孔洞以及一第二流道开口，并透过覆晶制程与阀层热压接合。腔体孔洞分别与第二基板的振动开口以及第一光阻层的腔体开口相连通，借以形成多个振动腔室。第二流道开口透过阀层的第一流道开口与第一光阻层的连通流道相连通。导电胶层透过网印制程形成于第二基板上。压电层透过粘贴制程形成于导电胶层上，并透过切割制程定义多个致动区。电极层透过焊接制程形成于压电层以及第二基板上，并具有多个上电极区以及多个下电极区。提供具有不同相位电荷的驱动电源至上电极区以及下电极区，借以驱动并控制第二基板的振动区产生往复式位移，使流体自连通流道吸入，通过入口流通后推开入口阀流至振动腔室，最后受挤压，推开出口阀后通过流体出口再自喷口排出以完成流体传输。
附图说明
图1为本案微流体致动器模块的部分剖面示意图。
图2A至图2T为本案微流体致动器模块的微流体致动器的制造步骤分解示意图。
图3为本案微流体致动器模块的俯视示意图。
图4为本案微流体致动器模块的另一俯视示意图。
图5A及图5B为本案微流体致动器模块的微流体致动器的作动示意图。
图6A至图6E为本案微流体致动器的阀的不同型态的俯视剖面示意图。
图7为本案微流体致动器模块的驱动电路示意图。
附图标记说明
100：微流体致动器模块
10：微流体致动器
1a：第一基板
11a：第一表面
12a：第二表面
13a：IC线路
14a：流体出口
15a：喷口
1b：第一保护层
11b：出口开口
1c：第一光阻层
11c：连通流道
12c：入口流道
121c：栏栅结构
13c：阀座
131c：柱状结构
14c：腔体开口
1d：辅助基板
1e：薄膜胶层
1f：阀层
11f：出口阀
12f：入口阀
121f：沟槽
13f：第一流道开口
1g：第二基板
11g：振动开口
12g：振动区
13g：管径区
131g：贯穿孔
1h：第二光阻层
11h：腔体孔洞
12h：第二流道开口
1i：导电胶层
1j：压电层
1k：电极层
11k：下电极区
12k：上电极区
13k：第二保护层
131k：引线
A、B、C、D：端点(控制信号端)
B1、B2：接合处
E：振动腔室
CT1、CT2：切割方向
G：端点(接地端)
L：逻辑产生器
M：致动区
P：定位记号
PD：接点垫片
PL：端点(左电源端)
PR：端点(右电源端)
T：切割记号
X-X、Y-Y：剖面线
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。
本案的微流体致动器用于输送流体，请参阅图1以及图3，于本案实施例中，微流体致动器模块100包含多个微流体致动器10，且由一第一基板1a、一第一保护层1b、一第一光阻层1c、一辅助基板1d(如图2H到图2J)、一薄膜胶层1e(如图2H到图2J)、一阀层1f、一第二基板1g、一第二光阻层1h、一导电胶层1i、一压电层1j以及一电极层1k组成。其中，第一基板1a、第一保护层1b、第一光阻层1c、第二光阻层1h、第二基板1g、导电胶层1i、压电层1j以及电极层1k是依序堆叠结合后形成为一体，其制程将以单个微流体致动器10做为说明。
请参阅图2A至图2E，于本案实施例中，第一基板1a为一硅基材。第一基板1a具有一第一表面11a以及一相对于第一表面11a的第二表面12a。于本案实施例中，第一基板1a包含一IC线路13a，设置于第一基板1a上。于本案实施例中，第一基板1a透过一蚀刻制程形成一流体出口14a以及一喷口15a，流体出口14a与喷口15a相连通。于本案实施例中，第一基板1a透过一深蚀刻制程制出流体出口14a，但不以此为限。于本案实施例中，第一基板1a透过一干式蚀刻制程制出喷口15a，但不以此为限。于本案实施例中，第一基板1a透过一研磨制程使第一基板1a薄化，但不以此为限。
请参阅图2A至图2E，于本案实施例中，第一保护层1b透过一氮化硅材料沉积制程形成于第一基板1a的第一表面11a之上，沉积制程为一化学气相沉积制程(CVD)，但不以此为限。于本案实施例中，第一保护层1b透过蚀刻制程形成一出口开口11b，出口开口11b透过第一基板1a的流体出口14a与喷口15a相连通。于本案实施例中，第一保护层1b的蚀刻制程可为一湿式蚀刻制程、一干式蚀刻制程或两者的组合，但不以此为限。
请参阅图2F、图2G以及图3，于本案实施例中，第一光阻层1c透过一光阻材料滚压制程形成于第一保护层1b之上。于本案实施例中，第一光阻层1c透过一显影制程形成一连通流道11c、一入口流道12c、一阀座13c以及一腔体开口14c。于本案实施例中，第一光阻层1c的光阻材料为一厚膜光阻，但不以此为限。于本案实施例中，入口流道12c内设有多个栏栅结构121c(如图3所示)，用以过滤流体中的杂质，此外，栏栅结构121c的设置亦可形成阻尼(damping)效果，借以减少流体的回流量。于本案其他实施例中，入口流道12c的栏栅结构121c，亦可被省略，不以此为限。于本案实施例中，腔体开口14c透过入口流道12c与连通流道11c相连通。
请参阅图2H以及第2I图，于本案实施例中，薄膜胶层1e透过滚压制程形成于辅助基板1d之上，阀层1f透过滚压制程形成于薄膜胶层1e之上。于本案实施例中，阀层1f为一聚酰亚胺(Polyimide,PI)材料，但不以此为限。于本案实施例中，阀层1f透过蚀刻制程形成一出口阀11f、一入口阀12f以及一第一流道开口13f。于本案实施例中，阀层1f透过一干式蚀刻制程或一激光蚀刻形成出口阀11f、入口阀12f以及第一流道开口13f，但不以此为限。
请参阅图2J以及图2K，于本案实施例中，阀层1f透过翻转对位制程接合于第一光阻层1c上，借此，阀层1f的第一流道开口13f与第一光阻层1c的连通流道11c相连通。于本案实施例中，阀层1f与第一光阻层1c的接合为一晶圆级接合(Wafer Level Bonding)，但不以此为限。于本案实施例中，以化学药剂浸泡薄膜胶层1e使薄膜胶层1e失去粘性，借此移除辅助基板1d。于本案实施例中，在阀层1f的入口阀12f以及第一光阻层1c的阀座13c的接合处B1，可于入口阀12f或阀座13c的表面施做一表面处理制程，使入口阀12f与阀座13c之间无接合效果，以利于入口阀12f的作动。
请参阅图2L、图2M以及图4，于本案实施例中，第二基板1g透过蚀刻制程形成一振动开口11g以及一切割记号T。于本案实施例中，振动开口11g以及切割记号T形成于第二基板1g的相反两侧。于本案实施例中，振动开口11g的设置定义出一振动区12g，并且振动区12g与振动开口11g的位置相对应。于本案实施例中，第二基板1g为一不锈钢材料，但不以此为限。于本案实施例中，第二基板1g的蚀刻制程为一半蚀刻制程，但不以此为限。
请参阅图2N以及图2O，于本案实施例中，第二光阻层1h透过光阻材料滚压制程形成于第二基板1g上，并透过显影制程形成一腔体孔洞11h以及一第二流道开口12h。于本案实施例中，第二光阻层1h为一厚膜光阻，但不以此为限。
请参阅图2P，于本案实施例中，第二光阻层1h透过覆晶(Flip-Chip)制程与阀层1f进行对位及热压接合，借此，第二光阻层1h的腔体孔洞11h与第二基板1g的振动开口11g以及第一光阻层1c的腔体开口14c相连通。如此，腔体孔洞11h、振动开口11g以及腔体开口14c共同形成一振动腔室E。此外，第二流道开口12h透过阀层1f的第一流道开口13f与第一光阻层1c的连通流道11c相连通。值得注意的是，于本案实施例中，在阀层1f的出口阀11f以及第二光阻层1h的接合处B2，在进行热压接合时并未接合，即出口阀11f与第二光阻层1h之间无接合效果，以利于出口阀11f的作动。
请参阅图2Q至图2S，于本案实施例中，导电胶层1i透过网印制程形成于第二基板1g上，以及压电层1j透过粘贴制程形成于导电胶层1i上。于本案实施例中，压电层1j透过一切割制程定义一致动区M。于本案实施例中，振动开口11g的开口宽度大于压电层1j的致动区M的宽度。于本案实施例中，导电胶层1i为一异方性导电胶(Anisotropic ConductivePaste,ACP)，但不以此为限。
请参阅图2T，于本案实施例中，电极层1k透过一焊接制程形成于压电层1j以及第二基板1g上，具有一下电极区11k及一上电极区12k，并包含一第二保护层13k。下电极区11k以及上电极区12k露出于第二保护层13k外，并分别与压电层1j以及第二基板1g电性连接。下电极区11k形成于压电层1j的致动区M上。于本案实施例中，电极层1k为一软性电路板，并以一聚酰亚胺(Polyimide,PI)为基材，但不以此为限。于本案实施例中，第二保护层13k包含多个引线131k，与第一基板1a的IC线路13a电性连接。于本案实施例中，每一引线131k为一铜箔镀金材料，但不以此为限。
请参阅图4，于本案实施例中，图2A至图2T取自X-X剖面。于本案实施例中，第二基板1g还具有多个定位记号P，借此，导电胶层1i依照定位记号P范围进行网印制程，再进行压电层1j的粘贴制程。而依照第二基板1g的切割记号T，沿着切割方向CT1、CT2进行切割制程或激光裁切制程，借以定义出压电层1j的致动区M。值得注意的是，于本案实施例中，以两条压电层1j进行粘接制程，使得废料总量降低，借以降低成本，于其他实施例中，亦可以一整片压电层1h进行粘接制程。
请参阅图4，第二基板1g还具有至少一管径区13g，至少一管径区包含一贯穿孔131g，与第一光阻层1c的连通流道11c相连通。管径区13g远离压电层1j的致动区M而设置，借以避免压电层1j受潮。于本案实施例中，贯穿孔131g借由自第二基板1g的两侧进行半蚀刻制程而成形，但不以此为限。于本案实施例中，第二基板1g具有二管径区13g，于其他实施例中，管径区13g的数量可依设计需求而变更。于本案实施例中，贯穿孔131g为一椭圆形态样，但不以此为限，贯穿孔131g的态样可依设计需求而变更。
请参阅图1、图5A以及图5B，于本案实施例中，微流体致动器模块100的具体作动方式，是提供具有不同相位电荷的驱动电源至下电极区11k以及上电极区12k，借以驱动并控制第二基板1g的振动区12g产生往复式位移。如图1以及图5A所示，当施加正电压给上电极区12k以及负电压给下电极区11k时，压电层1j的致动区M带动第二基板1g的振动区12g朝向远离第一基板1a的方向位移。借此，外部流体由连通流道11c被吸入，通过入口流道12c后推开入口阀12f，再汇集于振动腔室E内。值得注意的是，此时出口阀11f被流体推动而抵顶第二光阻层1h，使得流体无法自出口阀11f流入。如图1以及图5B所示，接着转换下电极区11k以及上电极区12k的电性，施加负电压给上电极区12k以及正电压给下电极区11k，如此压电层1j的致动区M带动第二基板1g的振动区12g朝向靠近第一基板1a的方向位移。借此，汇集于振动腔室E内的流体被挤压，并推开出口阀11f，通过第一基板1a的流体出口14a后自喷口15a排出，完成流体的传输。值得注意的是，此时入口阀12f被流体推动而抵顶第一光阻层1c的阀座13c，使得流体无法自入口阀12f排出。
请参阅图6A至图6E，于本案实施例中，微流体致动器模块100的阀与阀座可有不同实施态样，以下以入口阀12f为例做叙述。如图6A所示，于本案实施例中，入口阀12f借由阀座13c的支撑，利于作动后恢复原始位置。如图6B所示，于本案实施例中，入口阀12f借由S型支架设计，利于作动时的伸张量以及作动后恢复原始位置。如图6C所示，于本案实施例中，阀座13c可加入柱状结构131c，借以确保入口阀12f在长期操作下不易变形，同时入口阀12f对于柱状结构131c的相对位置设置穿孔，借此增加流体通过入口阀12f时的流量。图6D为图6C的衍伸设计，而图6E为图6D中Y-Y剖面的示意图，于本案实施例中，入口阀12f的正面及背面交错蚀刻出多个沟槽121f，使入口阀12f在作动时产生弹簧效果，借以大幅增加作动的伸张量，并且同时也有使入口阀12f平整的效果。值得注意的是，阀的实施态样不以上述所限，可依不同设计需求而变更。
请参阅图1以及图7，于本案实施例中，微流体致动器模块100还包含一逻辑产生器L以及多个接点垫片PD，电性连接第一基板1a的IC线路13a，用以控制微流体致动器模块100的作动。电极层1k包含多个端点PL、PR、G、A、B、C、D，用以接收外部输入的控制信号。其中，端点PL、PR分别代表左、右电源端，可直接通电至第二基板1g而形成下电极电源；端点G代表着接地端；以及端点A、B、C、D代表控制信号端。接点垫片PD透过第一基板1a的IC线路13a与逻辑产生器L电性连接。举例来说，于本案实施例中，微流体致动器模块100包含8个微流体致动器10，当外部输入一控制信号(A＝1、B＝1、C＝1)时，经逻辑产生器L解码后输出信号给接点垫片PD1，借此驱动编号1的微流体致动器10，而当外部输入一控制信号(A＝1、B＝1、C＝0)时，经逻辑产生器L解码后输出信号给接点垫片PD2，借此驱动编号2的微流体致动器10，编号3～8的微流体致动器10的驱动以此类推。值得注意的是，微流体致动器10的数量不以本实施例的8个为限，可依设计需求而变更。
本案提供一微流体致动器模块，主要以微机电面型及体型加工制程，并辅以精密封装技术一体成型制作而成，并且可借由控制微流体致动器的驱动来达成需求的流量，极具产业的利用价值，依法提出申请。
本案得由熟知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 (20)
1.一种微流体致动器模块，其特征在于，包含：
一第一基板，具有一第一表面及一第二表面，透过蚀刻制程形成多个流体出口以及多个喷口，该多个流体出口分别与该多个喷口相连通；
一第一保护层，透过沉积制程形成于该第一基板的该第一表面上，且透过蚀刻制程形成多个出口开口，该多个出口开口分别透过该多个流体出口与该多个喷口相连通；
一第一光阻层，透过滚压制程形成于该第一保护层上，且透过显影制程形成一连通流道、多个入口流道、多个阀座以及多个腔体开口；
一阀层，透过翻转对位制程接合于该第一光阻层，并透过蚀刻制程形成多个出口阀、多个入口阀以及一第一流道开口，该第一流道开口与该第一光阻层的该连通流道相连通；
一第二基板，透过蚀刻制程形成多个振动开口，并定义多个振动区，该多个振动区分别与该多个振动开口的位置相对应；
一第二光阻层，透过滚压制程形成于该第二基板上，透过显影制程形成多个腔体孔洞以及一第二流道开口，并透过覆晶制程与该阀层热压接合，该多个腔体孔洞分别与该第二基板的该多个振动开口以及该第一光阻层的该多个腔体开口相连通，借以形成多个振动腔室，该第二流道开口透过该阀层的该第一流道开口与该第一光阻层的该连通流道相连通；
一导电胶层，透过网印制程形成于该第二基板上；
一压电层，透过粘贴制程形成于该导电胶层上，并透过切割制程定义多个致动区；以及
一电极层，透过焊接制程形成于该压电层以及该第二基板上，并具有多个上电极区以及多个下电极区；
其中，提供具有不同相位电荷的驱动电源至该多个上电极区以及该多个下电极区，借以驱动并控制该第二基板的该多个振动区产生往复式位移，使流体自该连通流道吸入，通过该多个入口流通后推开该多个入口阀流至该多个振动腔室，最后该振动腔室受挤压使流体推开该多个出口阀后，通过该多个流体出口再自该多个喷口排出，以完成流体传输。
2.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，该第一基板包含一IC线路，设置于该第一基板上，并与该电极层电性连接。
3.如权利要求2所述的微流体致动器模块，其特征在于，还包含一逻辑产生器，电性连接该IC线路，用以控制该微流体致动器模块的作动。
4.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，该多个入口流道内设有多个柱状结构。
5.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，该多个喷口以干式蚀刻制程制出。
6.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，该多个流体出口以深蚀刻制程制出。
7.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，该多个出口阀、该多个入口阀以及该第一流道开口以干式蚀刻或激光蚀刻制程制出。
8.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，每一该振动开口的开口宽度大于该压电层相对应的该致动区的宽度。
9.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，该第一基板为一硅基材。
10.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，该第一保护层为一氮化硅材料。
11.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，该第一光阻层以及该第二光阻层分别为一厚膜光阻。
12.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，该阀层为一聚酰亚胺材料，以及该电极层以一聚酰亚胺为基材。
13.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，该电极层为一软性电路板。
14.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，该第二基板为一不锈钢材料。
15.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，该导电胶层为一异方性导电胶。
16.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，该电极层包含多个引线。
17.如权利要求16所述的微流体致动器模块，其特征在于，该多个引线为铜箔镀金材料。
18.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，施加正电压给该多个上电极区以及负电压给该多个下电极区，使得该压电层的该多个致动区带动该第二基板的该多个振动区朝向远离该第一基板的方向位移。
19.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于，施加负电压给该多个上电极区以及正电压给该多个下电极区，使得该压电层的该多个致动区带动该第二基板的该多个振动区朝向靠近该第一基板的方向位移。
20.如权利要求1所述的微流体致动器模块，其特征在于：
施加负电压给该多个上电极区以及正电压给该多个下电极区，使得该压电层的该多个致动区带动该第二基板的该多个振动区朝向靠近该第一基板的方向位移，借此，外部流体由该连通流道被吸入，通过该多个入口流通道后推开该多个入口阀，汇集于该多个振动腔室内；以及
转换该多个上电极区以及该多个下电极区的电性，施加正电压给该多个上电极区以及负电压给该多个下电极区，如此该第二基板的该多个振动区朝向远离该第一基板的方向位移，致使汇集于该振动腔室内的流体得以推开该多个出口阀后通过该多个流体出口，最后自该多个喷口排出，完成流体的传输。
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