CN112808330B - 微流体致动器的制造方法 - Google Patents

微流体致动器的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种微流体致动器的制造方法，包含以下步骤：1.提供通过互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程出的流道主体；2.以沉积、光刻及蚀刻制出致动单元；3.蚀刻制出至少一个流道；4.以光刻、蚀刻制程制出一振动层及一中心通孔；5.提供一孔板层，蚀刻孔板层以制出至少一个流道出口，以及滚压成型干膜材料于孔板层，借此定义出一腔室；6.覆盖对位及热压接合孔板层与流道主体，以构成该微流体致动器整体结构。

Description

微流体致动器的制造方法
技术领域
本案关于一种微流体致动器的制造方法，尤指一种使用互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程搭配微机电半导体制程的微流体致动器的制造方法。
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、喷雾器、喷墨头、工业打印装置等产品所包含的流体输送结构为其关键技术。
随着科技的日新月异，微流体致动器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踨影，可见传统的微流体致动器已渐渐有朝向装置微小化、流量极大化的趋势。
然而，目前微流体致动器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
本案的主要目的是提供一种微流体致动器的制造方法，以标准化微机电半导体制程制造，微流体致动器使用半导体薄膜制作，用以传输流体。因此，将薄膜腔体的深度控制在非常浅的范围时，仍可增加微流体致动器作动时的流体压缩比。
本案的一广义实施态样为一种微流体致动器的制造方法，包含以下步骤：1.提供通过互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程出的一流道主体，由一基板上氧化生成一绝缘层，再通过互补式金属氧化物半导体的沉积制程制出一氧化层内堆叠多层金属层定义出一流道蚀刻区域，以及在最外部沉积制程制出一保护层所构成；2.沉积、光刻及蚀刻制出一致动单元，通过沉积制程制出一下电极层堆叠一压电致动层堆叠一上电极层，再通过光刻及蚀刻制程制出该下电极层、该压电致动层及该上电极层所需求尺寸的该致动单元；3.蚀刻制出至少一个流道，通过蚀刻制程定义制出该基板底部的该至少一个流道；4.光刻、蚀刻制程实施制出一振动层及一中心通孔，通过光刻、蚀刻制程将该流道主体的该流道蚀刻区域定义出该振动层及该中心通孔；5.提供一孔板层蚀刻至少一个流道出口以及滚压成型一干膜材料定义出一腔室；以及6.覆盖对位及热压接合该孔板层，通过一覆盖对位制程以及一热压制程将孔板层接合于该流道主体上形成该腔室密封，以构成该微流体致动器整体结构。
附图说明
图1为本案微流体致动器的制造方法的流程示意图。
图2A至图2F为本案微流体致动器的制造步骤相关构件形成示意图。
图3为图2D中本案微流体致动器的俯视示意图。
图4为本案微流体致动定义出振动层及中心通孔另一实施例示意图。
图5A至图5B为本案微流体致动器作动示意图。
附图标记说明
1：流道主体
1a：基板
11a：流道
1b：绝缘层
1c：氧化层
1d：金属层
1e：保护层
1f：流道蚀刻区域
1g：振动层
1h：中心通孔
1i：连通流道
2：致动单元
2a：下电极层
2b：压电致动层
2c：上电极层
3：孔板层
3a：流道出口
3b：干膜材料
3c：腔室
A：保护层蚀刻区域
S1～S6：微流体致动器的制造方法的步骤
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2F，本案的微流体致动器包含有：一流道主体1、一致动单元2及一孔板层3。其制造方法如下步骤说明。
请参阅图1及图2A，如步骤S1所示，提供一通过互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，简称CMOS)制程出的流道主体1，由一基板1a上氧化生成一绝缘层1b，再通过沉积制程制出一氧化层1c，并且于氧化层1c内堆叠多层金属层1d，以定义出一流道蚀刻区域1f，以及在最外部沉积制程制出一保护层1e所构成。于本案实施例中，基板1a为一硅基材，绝缘层1b为一二氧化硅材料，但不以此为限。于本案实施例中，流道蚀刻区域1f及振动层1g(如图2D所示)为通过沉积制程制出，并且于氧化层1c内堆叠6层金属层1d。沉积制程可为一物理气相沉积制程(PVD)、一化学气相沉积制程(CVD)或两者的组合，但不以此为限。于本案实施例中，保护层1e为一二氧化硅(SiO2)或者氮化硅(Si3N4)材料，但不以此为限。
请续参阅图1、图2B及图3，如步骤S2所示，沉积、光刻及蚀刻制出致动单元2，通过沉积制程在流道主体1的保护层1e上制出一下电极层2a，并依序堆叠一压电致动层2b及一上电极层2c于下电极层2a上，再通过光刻及蚀刻制程制出该下电极层2a、该压电致动层2b及该上电极层2c所需求尺寸的致动单元2。其中，先通过一第一金属材料沉积于流道主体1的保护层1e上形成一下电极层2a，再通过一压电材料沉积于下电极层2a上形成压电致动层2b，再通过一第二金属材料沉积于压电致动层2b上形成上电极层2c，复以根据上电极层2c、压电致动层2b以及下电极层2a的顺序进行各层的黄光光刻制程定义图形，接着搭配蚀刻制程制作出上电极层2c、压电致动层2b以及下电极层2a定义出所需求尺寸的致动单元2。于本案实施例中，沉积制程可为一物理气相沉积制程(PVD)、一化学气相沉积制程(CVD)或两者的组合，但不以此为限。于本案实施例中，第一金属材料为一铂金属材料或一钛金属材料，但不以此为限。于本案实施例中，第二金属材料为一金金属材料或一铝金属材料，但不以此为限。值得注意的是，于本案实施例中，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1及图2C，如步骤S3所示，蚀刻制出至少一流道11a，是通过蚀刻制程定义制出该基板1a底部的多个流道11a。于本案实施例中，基板1a底部蚀刻出二流道11a，而流道11a蚀刻制程为一干蚀刻制程，所需求蚀刻深度为贯穿绝缘层1b直至流道主体1的流道蚀刻区域1f露出为止。
请参阅图1及图2D，如步骤S4所示，光刻、蚀刻制程实施于流道主体1的流道蚀刻区域1f，借此以定义出一振动层1g及一中心通孔1h，通过光刻制程先定义出流道主体1上保护层蚀刻区域A(如图2C所示)，再以蚀刻制程蚀刻保护层1e去除保护层蚀刻区域A，直至流道主体1的流道蚀刻区域1f露出为止，复再采以蚀刻制程蚀刻去除流道主体1的流道蚀刻区域1f，以定义制出一振动层1g及一中心通孔1h。于本案实施例中，蚀刻保护层蚀刻区域A所采用蚀刻制程是一干蚀刻制程。于本案实施例中，振动层1g及中心通孔1h制出所需求蚀刻制程是采用一湿式蚀刻制程，具有深度蚀刻的能力，将流道主体1的流道蚀刻区域1f蚀刻制出振动层1g及中心通孔1h，且流道蚀刻区域1f被蚀刻的部分可以形成一连通流道1i，供与该基板1a底部的二个流道11a连通。其中，中心通孔1h定义在振动层1g的中心位置，而振动层1g是由一金属层1d外部包围一层氧化层1c所构成，如此振动层1g在驱动振动运作上具有较佳刚性支撑。
请参阅图1及图2E，如步骤S5所示，提供一孔板层3蚀刻至少一个流道出口3a以及滚压成型干膜材料3b定义出一腔室3c。孔板层3通过蚀刻制程蚀刻至少一个流道出口3a，以及利用一干膜材料3b滚压成型于孔板层3两侧，促使两侧干膜材料3b之间定义出一腔室3c。于本案实施例中，孔板层3为蚀刻出二流道出口3a，孔板层3的蚀刻制程可为一湿蚀刻制程、一干蚀刻制程或二者的组合，但不以此为限。于本案实施例中，孔板层3为一不锈钢材料或一玻璃材料，但不以此为限。于本案实施例中，干膜材料3b为一感光型高分子干膜，但不以此为限。
请参阅图1及图2F，如步骤S6所示，覆盖对位及热压接合孔板层3，是通过一覆盖对位制程以及一热压制程将孔板层3接合且密封于流道主体1上，以形成该腔室3c，以构成本实施例的微流体致动器整体结构。于本案实施例中，腔室3c的所需求体积得由孔板层3滚压成型干膜材料3b的高度来取决。
值得注意的是，由于上述步骤S4所示，光刻、蚀刻制程实施流道主体1的流道蚀刻区域1f定义出一振动层1g及一中心通孔1h，其中，振动层1g的定义可依据实际需求实施，如图1及图4所示，于步骤S1中，互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程所制出的流道主体1通过沉积制程制出一氧化层1c，并于氧化层1c内堆叠多层金属层1d，并且定义出需求流道蚀刻区域1f，因此，再依序步骤S2至步骤S4通过蚀刻制程将流道主体1的流道蚀刻区域1f予以蚀刻去除，以制出一振动层1g及一中心通孔1h，如此图4所示振动层1g是一氧化层1c所构成，也可以实施振动层1g的驱动振动运作，而实际振动层1g的厚度也可以依据实际需求去实施步骤S1定义出需求流道蚀刻区域1f，再依序步骤S2至步骤S4通过蚀刻制程将流道主体1的流道蚀刻区域1f予以蚀刻去除，以制出需求厚度的振动层1g。
请参阅图5A及图5B，于本案第一实施例中，微流体致动器具体作动方式，提供具有相反相位电荷的驱动电源至上电极层2c以及下电极层2a，以驱动控制振动层1g产生上下位移。如图5A所示，当施加正电压给上电极层2c以及负电压给下电极层2a时，压电致动层2b带动振动层1g朝向远离基板1a的方向位移，借此，外部流体由基板1a的流道11a被吸入至微流体致动器内部，而进入流体接着依序通过流道主体1的连通流道1i、振动层1g以及中心通孔1h，最后汇集于腔室3c内。如图5B所示，接着转换上电极层2c以及下电极层2a的电性，施加负电压给上电极层2c以及正电压给下电极层2a，如此振动层1g朝向靠近基板1a的方向位移，使连通流道1i内体积受压缩，且振动层1g被压缩连动朝向靠近基板1a的方向位移，致使汇集于腔室3c内的流体得以依序通过孔板层3的至少一个流道出口3a排出于微流体致动器外部，完成流体的传输。
本案提供一微流体致动器的制造方法，主要以互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程搭配微机电半导体制程来完成的，并且借由施加不同相位电荷的驱动电源于上电极层以及下电极层，使得振动层产生上下位移，进而达到流体传输，极具产业的利用价值，爰依法提出申请。
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 (18)

1.一种微流体致动器的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)提供通过互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程出的一流道主体，由一基板上氧化生成一绝缘层，再通过互补式金属氧化物半导体的沉积制程制出一氧化层内堆叠多层金属层定义出一流道蚀刻区域，以及在最外部沉积制程制出一保护层所构成；
2)沉积、光刻及蚀刻制出一致动单元，通过沉积制程制出一下电极层堆叠一压电致动层堆叠一上电极层，再通过光刻及蚀刻制程制出该下电极层、该压电致动层及该上电极层所需求尺寸的该致动单元；
3)蚀刻制出至少一个流道，通过蚀刻制程定义制出该基板底部的该至少一个流道；
4)光刻、蚀刻制程实施制出一振动层及一中心通孔，通过光刻、蚀刻制程将该流道主体的该流道蚀刻区域定义出该振动层及该中心通孔；
5)提供一孔板层蚀刻至少一个流道出口以及滚压成型一干膜材料定义出一腔室；以及
6)覆盖对位及热压接合该孔板层，通过一覆盖对位制程以及一热压制程将孔板层接合于该流道主体上形成该腔室密封，以构成该微流体致动器整体结构。
2.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该基板为一硅基材。
3.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该绝缘层为一二氧化硅材料。
4.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该保护层为一二氧化硅材料。
5.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该保护层为一氮化硅材料。
6.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，步骤2的制造方法为该致动单元通过一第一金属材料沉积于该流道主体上形成该下电极层，再通过一压电材料沉积于该下电极层上形成该压电致动层，再通过一第二金属材料沉积于该压电致动层上形成该上电极层，复以根据该上电极层、该压电致动层以及该下电极层的顺序进行各层的光刻制程定义图形，接着搭配蚀刻制程制作出该上电极层、该压电致动层以及该下电极层定义出所需求尺寸的该致动单元。
7.如权利要求6所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该第一金属材料为一铂金属材料。
8.如权利要求6所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该第一金属材料为一钛金属材料。
9.如权利要求6所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该第二金属材料为一金金属材料。
10.如权利要求6所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该第二金属材料为一铝金属材料。
11.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，步骤4的制造方法为通过光刻制程先定义出该流道主体上一保护层蚀刻区域，再以蚀刻制程蚀刻该保护层而去除该保护层蚀刻区域，直至该流道主体的该流道蚀刻区域露出为止，复再采用蚀刻制程将该流道主体的该流道蚀刻区域予以蚀刻去除而定义制出该振动层及该中心通孔，且该流道蚀刻区域被去除的部分形成一连通流道，供与该基板底部至少一个该流道连通。
12.如权利要求11所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该振动层是由一金属层外部包围一层氧化层所构成。
13.如权利要求11所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该振动层是一氧化层所构成。
14.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该孔板层为一不锈钢材料。
15.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该孔板层为一玻璃材料。
16.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该干膜材料为一感光型高分子干膜。
17.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该腔室的体积由该孔板层滚压成型干膜材料的高度来取决。
18.如权利要求11所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，提供具有不同相位电荷的驱动电源至该上电极层以及该下电极层，以驱动并控制该振动层产生上下位移，使流体自由该基板的至少一个该流道吸入，通过该流道主体的该连通流道、该振动层以及该中心通孔，最后汇集于该腔室内，最后受挤压经由通过该孔板层的至少一个该流道出口排出于外，完成流体的传输。
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