CN112814878B - 微型流体致动器 - Google Patents

Abstract

一种微型流体致动器，包含基板、腔室层、承载层及压电组件。基板，具有至少一进气孔。腔室层形成于该基板上，并具有第一腔室、共振薄层及第二腔室。第一腔室连接至至少一进气孔。共振薄层具有中心通孔，中心通孔连通于第一腔室与第二腔室之间。承载层形成于腔室层上，并具有固定区、振动区、至少一连接部及至少一通孔。固定区形成于腔室层上。振动区位于固定区中央，并与第二腔室对应。至少一连接部连接于固定区与振动区之间。至少一通孔形成于固定区、振动区及至少一连接部之间。压电组件形成于振动区上。

Description

微型流体致动器

技术领域

本案是关于一种微型流体致动器，尤指一种通过半导体制程制出的微型流体致动器。

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踨影，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，目前微型流体致动器大多都使用多个晶片通过蚀刻制程后依序堆叠结合而成，但是微型泵体致动器其体积极小，其结合难度大、或是结合造成内部气体流动的腔室位置错位、深度产生误差，都会使其功效大幅降低，甚至是被归类为不良品，因此，如何产生一体成形的微型流体致动器，为本案所研发的主要课题。

发明内容

本案的主要目的在于提供一种微型流体致动器，用以半导体制程所制造并辅以1P6M制程的微型流体致动器。

为达上述目的，本案的较广义实施态样为提供一种微型流体致动器，包含：一基板，具有至少一进气孔；一腔室层，形成于该基板上，具有：一第一腔室，连接至该至少一进气孔；一共振薄层，具有一中心通孔，该中心通孔连通于该第一腔室；以及一第二腔室，与该第一腔室对应，并通过该中心通孔与该第一腔室连通；一承载层，形成于该腔室层上，具有：一固定区，形成于该腔室层；一振动区，位于该固定区中央，并与该第二腔室对应；至少一连接部，连接于该固定区与该振动区之间；以及至少一通孔，位于该固定区、该振动区及该至少一连接部之间；以及一压电组件，形成于该振动区。

附图说明

图1为本案微型流体致动器的第一实施例示意图。

图2为本案微型流体致动器的第二实施例示意图。

图3为本案微型流体致动器的第三实施例示意图。

图4为本案微型流体致动器的第四实施例示意图。

图5为本案微型流体致动器结合阀结构示意图。

图6A、图6B为本案微型流体致动器作动示意图。

附图标记说明

100：微型流体致动器

1：基板

11：进气孔

12：第一表面

13：第二表面

2：腔室层

21：第一腔室

22：共振薄层

221：中心通孔

23：第二腔室

24：绝缘层

25：多晶硅层

25a：第一多晶硅层

25b：第二多晶硅层

26：保护层结构

26a：第一保护层结构

26b：第二保护层结构

27：金属层结构

3：乘载层

31：固定区

32：振动区

33：连接部

34：通孔

4：压电组件

41：下电极层

42：压电层

43：上电极层

5a：第一阀结构

5b：第二阀结构

51a：第一阀座

511a：第一阀孔

52a：第一阀片

521a：第一阀片体

522a：第一阀通孔

51b：第二阀座

511b：第二阀孔

52b：第二阀片

521b：第二阀片体

522b：第二阀通孔

61：第一干膜

62：第二干膜

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。

请参阅图1所示，本案的微型流体致动器100包含有一基板1、一腔室层2、一乘载层3及一压电组件4，腔室层2形成于基板1上，乘载层3形成于腔室层2上，压电组件4形成于乘载层3上。

基板1具有至少一进气孔11、一第一表面12及一第二表面13，第一表面12与第二表面13为两相对表面，进气孔11自第一表面12贯穿至第二表面13。

腔室层2位于基板1的第一表面12，具有一第一腔室21、一共振薄层22及一第二腔室23。第一腔室21邻接于基板1的第一表面12，并与基板1的进气孔11相连通。共振薄层22位于第一腔室21与第二腔室之间，且具有一中心通孔221，中心通孔221与第一腔室21相连通。第二腔室23与第一腔室21相互对应，并通过共振薄层22的中心通孔221与第一腔室21连通。

乘载层3位于腔室层2上，具有一固定区31、振动区32、至少一连接部33及至少一通孔34。乘载层3通过固定区31固定于腔室层2上，振动区32位于固定区31的中央并与第二腔室23相互对应。连接部33连接于固定区31及振动区32之间，达到弹性支撑的效果。通孔34形成于固定区31、振动区32及连接部33之间，供流体通过。

压电组件4形成于振动区32上，包含有一下电极层41、一压电层42及一上电极层43，下电极层41形成于振动区32的表面上。压电层42叠置于下电极层41的表面上。上电极层43叠置于压电层42的表面上，以与压电层42电性连接。

本案的微型流体致动器100的腔室层2内的第一腔室21及第二腔室23的容积将直接影响微型流体致动器100的效果，因此本案于制作腔室层2时，为了能够精确的定义第一腔室21与第二腔室23的容积，除一般半导体制程外，更通过其他结构与制程辅以完成。请继续参阅图1所示，腔室层2具有一绝缘层24、一多晶硅层25、一保护层结构26及多个金属层结构27，绝缘层24为形成于基板1的第一表面12，绝缘层24可为二氧化硅(SiO₂)层，但不以此为限。多晶硅层25叠置绝缘层24上，保护层结构26与多个金属层结构27形成于多晶硅层25上。本实施例辅以的制程如CMOS-MEMS的1P6M(One-Poly-Six-Metal)制程，通过1P6M制程将多个金属层于沉积于第一腔室21与第二腔室23的预设位置，以确立第一腔室21与第二腔室23的位置与大小，其余地区皆用保护层结构26，之后再以蚀刻制程将位于第一腔室21与第二腔室23的金属层移除，使第一腔室21与第二腔室23的位置及大小能够精确定义，减少制程对于第一腔室21与第二腔室23所产生的误差。

请继续参阅图1，亦为本案的第一实施例，通过1P6M制程得以将第一腔室21与第二腔室23精确的形成于腔室层2内，其中，共振薄层22可由保护层结构26所形成。

请参阅图2所示，本案的第二实施例，本实施例同样辅以1P6M制程来制作腔室层2，与第一实施例的差异在于共振薄层22由保护层结构26包覆该多个金属层结构27的其中一层所形成。

请参阅图3所示，本案的第三实施例，同样以1P6M制程来制作腔室层2，而本实施例为利用多晶硅层25来做为共振薄层22。

再如图4所示，本案的第四实施例，本实施例利用2P4M(two-Poly-four-Metal)制程来形成腔室层2，其中，该腔室层2包含一绝缘层24、一第一多晶硅层25a、一第一保护层结构26a、一第二多晶硅层25b、一第二保护层结构26b及多个金属层结构27。绝缘层24形成于基板1上，第一多晶硅层25a形成于绝缘层24上，第一保护层结构26a形成于该第一多晶硅层25a上，该第二多晶硅层25b形成于该第一保护层结构26a上，该第二保护层结构26b与该多个金属层结构27形成于该第二多晶硅层25b上，而共振薄层22由第一多晶硅层25a、第一保护层结构26a及该第二多晶硅层25b所形成。

上述的绝缘层24可为但不限为一二氧化硅层；保护层结构26、第一保护层结构26a及第二保护层结构26b可为但不限为一氧化层结构；乘载层3可为一二氧化硅层或一氮化硅层，但不以此为限。

请参阅图5所示，本案的微型流体致动器100更包含有一第一阀结构5a及一第二阀结构5b。第一阀结构5a通过一第一干膜61固定于基板1的第二表面13。第二阀结构5b通过一第二干膜62固定于乘载层3的固定区31。第一阀结构5a与包含有第一阀座51a及第一阀片52a，第二阀结构5b包含有第二阀座51b及第二阀片52b，第一阀座51a设有至少一第一阀孔511a，以及第二阀座51b设有至少一第二阀孔511b。其中第一阀结构5a的第一阀孔511a与基板1的进气孔11对应设置，第二阀结构5b的第二阀孔511b与第二腔室23相连通。第一阀片52a、第二阀片52b分别设置于第一阀座51a、第二阀座51b上，且第一阀片52a具有第一阀片体521a及至少一第一阀通孔522a，第二阀片52b具有第二阀片体521b及至少一第二阀通孔522b。第一阀片体521a、第二阀片体521b分别对应封闭于第一阀孔511a、第二阀孔511b，第一阀通孔522a、第二阀通孔522b分别位于第一阀片体521a、第二阀片体521b周边，并分别被第一阀座51a、第二阀座51b封闭。

上述的第一阀座51a及第二阀座51b可为硅基板、不锈钢或玻璃，第一阀片52a及第二阀片52b可为聚酰亚胺(PI，Polymide)膜。

请先参阅图6A，当上电极层43与下电极层41接收到驱动电压后，将驱动电压传递至压电层42，压电层42因压电效应的影响产生形变，进而带动振动区32上下移动，当压电层42带动振动区32向上移动时，会带动共振薄板22向上移动，同时第一腔室21的容积提升，内部压力下降，将由进气孔11汲取气体，而由进气孔11吸取气体时，由于进气孔11的气压低于微型流体致动器100外的气压，故外部气体会将第一阀结构5a的第一阀片体521a向上推动，使第一阀片体521a离开对应的第一阀孔511a，气体开始由第一阀孔511a进入，并通过第一阀通孔522a流入进气孔11。

请再参阅图6B所示，当压电层42带动振动区32向下移动时，同步带动共振薄层22向下移动，此时，将推挤第二腔室23的气体朝通孔34移动，此时，第二阀结构5b的第二阀片体521b将被向上推动，开启第二阀结构5b的第二阀孔511b，气体将通过第二阀结构5b的第二阀孔511b及第二阀通孔522b向外输送。持续以上步骤，驱动压电层42使振动区32上下移动，改变第一腔室21与第二腔室23的气压，来完成输送气体的动作。

综上所述，本案提供一微型流体致动器，于半导体制程中辅以1P6M或2P4M等制程，精确形成第一腔室与第二腔室，可减少于制程中的第一腔室与第二腔室的位置、深度所产生的误差，且能够无须压合等组结合制程，来避免因第一腔室与第二腔室因其深度误差导致功效降低的问题，极具产业的利用价值，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 (10)

1.一种微型流体致动器，其特征在于，包含：

一基板，具有至少一进气孔；

一腔室层，形成于该基板上，其中该腔室层包含由至少一保护层结构及多个金属层结构所形成，具有：

一第一腔室，连接至该至少一进气孔；

一共振薄层，具有一中心通孔，该中心通孔连通于该第一腔室；以及

一第二腔室，与该第一腔室对应，并通过该中心通孔与该第一腔室连通；

一承载层，形成于该腔室层上，具有：

一固定区，形成于该腔室层；

一振动区，位于该固定区中央，并与该第二腔室对应；

至少一连接部，连接于该固定区与该振动区之间；以及

至少一通孔，形成于该固定区、该振动区及该至少一连接部之间；以及

一压电组件，形成于该振动区。

2.如权利要求1所述的微型流体致动器，其特征在于，该腔室层包含一绝缘层、至少一多晶硅层，该绝缘层形成于该基板上，该至少一多晶硅层形成于该绝缘层上，该至少一保护层结构与该多个金属层结构形成于该至少一多晶硅层上。

3.如权利要求2所述的微型流体致动器，其特征在于，该共振薄层由该至少一多晶硅层所形成。

4.如权利要求1或2中任一项所述的微型流体致动器，其特征在于，该共振薄层由该至少一保护层结构形成。

5.如权利要求1或2中任一项所述的微型流体致动器，其特征在于，该共振薄层由该至少一保护层结构与该多个金属层结构其中之一形成。

6.如权利要求2所述的微型流体致动器，其特征在于，其中该至少一保护层结构包含一第一保护层结构及一第二保护层结构，该至少一多晶硅层包含一第一多晶硅层及一第二多晶硅层，该第一多晶硅层形成于该绝缘层上，该第一保护层结构形成于该第一多晶硅层上，该第二多晶硅层形成于该第一保护层结构上，该第二保护层结构与该多个金属层形成于该第二多晶硅层上。

7.如权利要求6所述的微型流体致动器，其特征在于，其中该共振薄层由该第一多晶硅层、该第一保护层结构及该第二多晶硅层所形成。

8.如权利要求1所述的微型流体致动器，其特征在于，该压电组件更包含了：

一下电极层；

一压电层，叠置于该下电极层；以及

一上电极层，叠置于该压电层，与该压电层电性连接。

9.如权利要求1所述的微型流体致动器，其特征在于，更包含一第一阀结构，该第一阀结构通过一第一干膜固定于该基板。

10.如权利要求1所述的微型流体致动器，其特征在于，更包含一第二阀结构，该第二阀结构通过一第二干膜固定于该固定区。

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