CN113594148A - 微流体致动器的异质整合芯片 - Google Patents

微流体致动器的异质整合芯片 Download PDF

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Abstract

一种微流体致动器的异质整合芯片，包含：一第一基板，具有一第一腔体；一第一绝缘层，设置于第一基板上；一第一导电层，设置于第一绝缘层上，并具有至少一电极垫片；一压电层，设置于第一导电层上；一第二导电层，设置于压电层上；一第二基板，接合于第一基板，借以定义出一第二腔体，并具有一喷孔、一流体流道以及一第三腔体；一接合层，接合于第一基板与第二基板之间；一控制元件，设置于第二基板中；至少一穿孔槽，由至少一电极垫片贯穿至第二基板；以及至少一导电体，填充于至少一穿孔槽中。

Description

微流体致动器的异质整合芯片
技术领域
本案关于一种整合芯片，尤指一种使用微机电半导体制程制作的微流体致动器的异质整合芯片。
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，其中微型帮浦产品所包含的微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、生活电子产品……等，甚至近来热门的行动穿戴装置亦可见它的踨影，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半导体制程制出的微流体致动器，然而，如何整合微流体致动器本体与控制元件(如微控器、控制电路)的整合，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的异质整合芯片，与以半导体制程等制作的MOS电路IC或微控制器等，以硅穿孔(TSV)封装技术结合而成。
本案的一广义实施态样为一种微流体致动器的异质整合芯片，包含一第一基板、一第一绝缘层、一第一导电层、一压电层、一第二导电层、一第二基板、一接合层、一控制元件、至少一穿孔槽以及至少一导电体。第一基板，具有第一腔体。第一绝缘层，设置于第一基板上。第一导电层，设置于第一绝缘层上，并具有至少一电极垫片。压电层，设置于第一导电层上。第二导电层，设置于压电层上。第二基板，接合于第一基板，借以定义出第二腔体，并具有喷孔、流体流道以及第三腔体。接合层，接合于第一基板与第二基板之间。控制元件，设置于第二基板中。至少一穿孔槽，由至少一电极垫片贯穿至第二基板。至少一导电体，填充于至少一穿孔槽中。
本案的另一广义实施态样为一种微流体致动器的异质整合芯片，包含一第一基板、一第一绝缘层、一第一导电层、一压电层、一第二导电层、一第二基板、一控制元件、至少一穿孔槽以及至少一导电体。第一基板，具有至少一第一腔体。第一绝缘层，设置于第一基板上。第一导电层，设置于第一绝缘层上，并具有至少一电极垫片。压电层，设置于第一导电层上。第二导电层，设置于压电层上，第一导电层、压电层、第二导电层定义出至少一致动区。第二基板，接合于第一基板，借以定义出至少一第二腔体，并具有至少一喷孔、至少一流体流道以及至少一第三腔体，第一基板的至少一第一腔体、第二基板的至少一第二腔体、至少一喷孔、至少一流体流道以及至少一第三腔体与至少一致动区位置相对应。控制元件，设置于第二基板中。至少一穿孔槽，由至少一电极垫片贯穿至第二基板。至少一导电体，填充于至少一穿孔槽中。
附图说明
图1为本案微流体致动器的异质整合芯片的第一实施例的剖面示意图。
图2A至图3F为本案第一实施例的制造步骤分解示意图。
图4为本案第一实施例的微流体致动结构的剖面示意图。
图5A及图5B为本案第一实施例的不同深度态样示意图。
图6为本案第一实施例的流体流动示意图。
图7为本案微流体致动器的异质整合芯片的第二实施例的部分立体俯视图。
图8为本案第二实施例的流体流动示意图。
图9为本案微流体致动器的异质整合芯片的第三实施例的剖面示意图。
图10A至图10C为本案第三实施例的不同结构态样的局部立体示意图。
图11为本案微流体致动器的异质整合芯片的第四实施例的剖面示意图。
图12A至图12C为本案第四实施例的不同接合态样的局部立体爆炸示意图。
附图标记说明
10、10'、10”、100、100a、100b、100c：微流体致动器的异质整合芯片
1a：第一基板
1b：第一绝缘层
1c：第一导电层
1d：压电层
1e：第二导电层
1f：接合层
1g：接合凹槽
11a：第一腔体
2a：第二基板
21a：流体流道
22a：第二腔体
23a：第三腔体
24a：喷孔
25a：接合凸件
26a：过滤结构
2b：第一遮罩层
2c：第二遮罩层
21c：遮罩区
3：控制元件
4：穿孔槽
5：导电体
6：布线体
7：保护层
8：阀层
8a：阀区
9：致动单元
D：漏极区
D'：漏极电极垫片
G：栅极区
G'：栅极电极垫片
M：致动区
P1：第一深度
Q1：第二深度
R1：第三深度
S：源极区
S'：源极电极垫片
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。
请参阅图1，于本案第一实施例中，本案微流体致动器的异质整合芯片10，是由一第一基板1a、一第一绝缘层1b、一第一导电层1c、一压电层1d、一第二导电层1e、一接合层1f、一第二基板2a、一控制元件3、至少一穿孔槽4、至少一导电体5以及至少一布线体6组合而成。
值得注意的是，于本案第一实施例中，微流体致动器的异质整合芯片10包含一保护层7，用以保护第二基板2a、控制元件3以及布线体6，但不以此为限，于其他实施例中，保护层7的设置可依设计需求而增减。此外，于本案第一实施例中，微流体致动器的异质整合芯片10更包含一阀层8，阀层8内具有至少一阀区8a，阀区8a内具有一逆止阀，用以防止流体传输过程中逆流，但不以此为限，于其他实施例中，阀层8与阀区8a的设置可依设计需求而变更。
另外值得注意的是，于本案第一实施例中，微流体致动器的异质整合芯片10包含单一个致动单元9，但不以此为限，于其他实施例中，微流体致动器的异质整合芯片10可由多个致动单元9串联、并联、串并联组合而成。
请参阅图2A至图2D，第一基板1a包含至少一第一腔体11a，于下列实施例中的第一腔体11a的数量是使用一个做举例说明，但不以此为限。第一导电层1c、压电层1d、第二导电层1e利用光刻及蚀刻制程定义出至少一致动区M，于下列实施例中的致动区M的数量是使用一个做举例说明，但不以此为限。于本案第一实施例中，第一基板1a包含一第一腔体11a，利用光刻及蚀刻制程制出。值得注意的是，于本案第一实施例中，第一基板1a为一硅基材，但不以此为限，于其他实施例中，第一基板1a的材料可依设计需求而变更。第一绝缘层1b设置于第一基板1a上。值得注意的是，于本案第一实施例中，第一绝缘层1b为一氮化硅材料，但不以此为限，于其他实施例中，第一绝缘层1b的材料可依设计需求而变更。第一导电层1c设置于第一绝缘层1b上，并具有至少一电极垫片(S'、D'、G')，于本案第一实施例中，第一导电层1c具有三个电极垫片(S'、D'、G')，但不以此为限。值得注意的是，于本案第一实施例中，第一导电层1c为一导电材料，如钛/白金(Ti/Pt)，但不以此为限，于其他实施例中，第一导电层1c的材料可依设计需求而变更。压电层1d设置于第一导电层1c上。值得注意的是，于本案第一实施例中，压电层1d为一压电材料，如锆钛酸铅(PZT)的薄膜或块材，但不以此为限，于其他实施例中，压电层1d的材料可依设计需求而变更。第二导电层1e设置于压电层1d上。值得注意的是，于本案第一实施例中，第二导电层1e为一导电材料，如钛/铝(Ti/Al)或铬/金(Cr/Au)……等，但不以此为限，于其他实施例中，第二导电层1e的材料可依设计需求而变更。第一导电层1c、压电层1d、第二导电层1e利用光刻及蚀刻制程定义出一致动区M。致动区M与第一腔体11a的位置相对应。接合层1f设置于第一基板1a相反于第一绝缘层1b的一面。值得注意的是，于本案第一实施例中，接合层1f为干膜光阻(dry film photoresist)材料，但不以此为限，于其他实施例中，接合层1f的材料可依设计需求而变更。
请参阅图3A至图3F，第二基板2a包含至少一流体流道21a、至少一第二腔体22a、至少一第三腔体23a以及至少一喷孔24a，于下列实施例中的流体流道21a、第二腔体22a、第三腔体23a以及喷孔24a的数量是使用一个做举例说明，但不以此为限。流体流道21a、第二腔体22a、第三腔体23a以及喷孔24a亦可为多个的组合。于本案第一实施例中，第二基板2a包含一流体流道21a、一第二腔体22a、一第三腔体23a以及一喷孔24a。流体流道21a、第二腔体22a以及第三腔体23a是利用光刻及蚀刻制程制出。喷孔24a是利用激光蚀刻制出。流体流道21a连通于喷孔24a以及第一基板1a的第一腔体11a之间。第二腔体22a连通于第三腔体23a以及第一基板1a的第一腔体11a之间。值得注意的是，于本案第一实施例中，第二基板2a为一硅基材，但不以此为限，于其他实施例中，第二基板2a的材料可依设计需求而变更。在进行流体流道21a以及第三腔体23a的光刻蚀刻制程时，先于第二基板2a上设置一第一遮罩层2b，借以定义出蚀刻的位置。值得注意的是，于本案第一实施例中，第一遮罩层2b为干膜光阻(dry film photoresist)材料，但不以此为限，于其他实施例中，第一遮罩层2b的材料可依设计需求而变更。在进行第二腔体22a的光刻蚀刻制程时，先于第二基板2a上设置一第二遮罩层2c，第二遮罩层2c具有一遮罩区21c，借以定义出蚀刻的位置。值得注意的是，于本案第一实施例中，第二遮罩层2c为干膜光阻(dry film photoresist)材料，但不以此为限，于其他实施例中，第二遮罩层2c的材料可依设计需求而变更。
请参阅图4，于本案第一实施例中，第一基板1a与第二基板2a透过接合层1f相互接合。
请回到图1，于本案第一实施例中，控制元件3为一金属氧化物半导体场效晶体管，控制元件3设置于第二基板2a中。至少一穿孔槽4由至少一电极垫片(S'、D'、G')贯穿至第二基板2a。于本案第一实施例中，微流体致动器的异质整合芯片10包含三个穿孔槽4，与电极垫片(S'、D'、G')的数量相对应，但不以此为限。至少一导电体5填充于至少一穿孔槽4中，于本案第一实施例中，微流体致动器的异质整合芯片10包含三个导电体5，分别填充三个穿孔槽4中，但不以此限。至少一布线体6电性连接于控制元件3与至少一导电体5之间，于本案第一实施例中，微流体致动器的异质整合芯片10包含三个布线体6，电性连接于控制元件3与三个导电体5之间，但不以此为限。又，布线体6是于第二基板2a上电性连接于控制元件3与至少一导电体5之间，理应于同一平面，图示是为了方便示意控制元件3与布线体6的电性连接关系，且布线体6不会影响喷孔24a的流体流出，于喷孔24a处以虚线示意。于本案第一实施例中，至少一穿孔槽4以及至少一导电体5的结构是为硅穿孔(TSV)技术，但不以此为限。于本案第一实施例中，保护层7用以保护第二基板2a、控制元件3以及布线体6，且保护层7不会影响喷孔24a的流体流出，于喷孔24a处以虚线示意，但不以此为限，于其他实施例中，保护层7的设置可依设计需求而增减，但不以此为限。于本案第一实施例中，阀层8，具有至少一阀区8a，阀区8a内具有一逆止阀，用以防止流体传输过程中逆流，且阀区8a不会影响喷孔24a的流体流出，于喷孔24a处以虚线示意，但不以此为限，于其他实施例中，阀区8a的设置可依设计需求而变更，但不以此为限。
请参阅图4、图5A及图5B，于本案第一实施例中，第一腔体11a具有一第一深度(P1)，介于50μm与200μm之间，但不以此为限，并可依设计需求而变更。于本案第一实施例中，接合层1f具有一第二深度(Q1)，为14μm，但不以此为限，于其他实施例中，接合层1f的第二深度(Q1)可介于10μm与35μm之间，并可依设计需求而变更。于本案第一实施例中，由接合层1f底部至第二基板2a底部的深度定义为一第三深度(R1)，介于370μm与525μm之间，但不以此为限。值得注意的是，于本案实施例中，第一深度(P1)、第二深度(Q1)及第三深度(R1)是可依设计需求而相互变更；为配合流体的特性，不同的流体具备不同的粘滞性及压缩性，可依此调整第一深度(P1)的深度，以提升流体输送效率。
请参阅图6，于本案第一实施例中，微流体致动器的异质整合芯片10致动时，流体会自第三腔体23a经由第二腔体22a汇集至第一腔体11a，接着再由第一腔体11a经由流体流道21a流至喷孔24a后，由喷孔24a排出至微流体致动器的异质整合芯片10之外。
请参阅图7及图8，本案第二实施例与第一实施例大致相同，主要差异在于，微流体致动器的异质整合芯片100包含多个致动单元9。于本案第二实施例中，致动单元9是借由串并联组合而成，但不以此为限。微流体致动器的异质整合芯片100致动时，流体分别由各致动单元9的第三腔体23a经由第二腔体22a汇集至第一腔体11a，再由第一腔体11a经由流体流道21a流至喷孔24a后，由喷孔24a排出至微流体致动器的异质整合芯片100之外。于本案第二实施例中，保护层7不会影响喷孔24a的流体流出，于喷孔24a处以虚线示意，但不以此为限，于其他实施例中，保护层7的设置可依设计需求而增减，但不以此为限。于本案第二实施例中，具有至少二阀区8a，阀区8a内具有一逆止阀，用以防止流体传输过程中逆流，且阀区8a不会影响喷孔24a的流体流出，于喷孔24a处以虚线示意，但不以此为限，于其他实施例中，阀区8a的设置可依设计需求而变更，但不以此为限。
请参阅图9，本案第三实施例与第一实施例大致相同，主要差异在于，微流体致动器的异质整合芯片10'还包含一过滤结构26a，设置于第二基板2a的第二腔体22a内，供以过滤流体。
请参阅图10A至图10C，于本案第三实施例中，过滤结构26a具有不同结构态样，可为导槽状(如图10A)、方柱状(如图10B)、圆柱状(如图10C)其中之一，但不以此为限，于其他实施例中，过滤结构26a的结构态样可依设计需求而变更。
请参阅图11，本案第四实施例与第一实施例大致相同，主要差异在于，微流体致动器的异质整合芯片10”不包含接合层1f。第一基板1a与第二基板2a的接合是以卡榫接合方式来接合。值得注意的是，于本案实施例中，卡榫接合方式为自体对准接合，与传统需以定位点对位的接合方式不同，即，透过卡榫第一基板1a与第二基板2a可相互自行对准并接合。于本案第四实施例中，保护层7不会影响喷孔24a的流体流出，于喷孔24a处以虚线示意，但不以此为限，于其他实施例中，保护层7的设置可依设计需求而增减，但不以此为限。于本案第四实施例中，具有至少一阀区8a，阀区8a内具有一逆止阀，用以防止流体传输过程中逆流，且阀区8a不会影响喷孔24a的流体流出，于喷孔24a处以虚线示意，但不以此为限，于其他实施例中，阀区8a的设置可依设计需求而变更，但不以此为限。
请参阅图12A至图12C，于本案第四实施例中，第一基板1a具有至少一接合凹槽1g，以及第二基板2a具有至少一接合凸件25a。接合凹槽1g与接合凸件25a的形状相互对应，以使第一基板1a与第二基板2a得利用卡榫接合方式来接合。如图12A所示，接合凸件25a的形状为正方体，如图12B所示，接合凸件25a的形状为四边体，如图12C所示，接合凸件25a的形状为长方体，但不以此为限，于其他实施例中，接合凹槽1g与接合凸件25a的形状可依设计需求而变更。
本案提供一微流体致动器的异质整合芯片，使用微机电半导体制程，并辅以硅穿孔(TSV)封装技术制作而成，微流体致动器与控制元件在相对两面，并且可借由控制微流体致动器的芯片整合来达成流体输送目的，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 (14)

1.一种微流体致动器的异质整合芯片，包含：
一第一基板，具有一第一腔体；
一第一绝缘层，设置于该第一基板上；
一第一导电层，设置于该第一绝缘层上，并具有至少一电极垫片；
一压电层，设置于该第一导电层上；
一第二导电层，设置于该压电层上；
一第二基板，接合于该第一基板，借以定义出一第二腔体，并具有一喷孔、一流体流道以及一第三腔体；
一接合层，接合于该第一基板与该第二基板之间；
一控制元件，设置于该第二基板中；
至少一穿孔槽，由该至少一电极垫片贯穿至该第二基板；以及
至少一导电体，填充于该至少一穿孔槽中。
2.如权利要求1所述的微流体致动器的异质整合芯片，其特征在于，该第一基板与该第二基板分别为一硅基板。
3.如权利要求1所述的微流体致动器的异质整合芯片，其特征在于，该第一绝缘层为一氮化硅材料。
4.如权利要求1所述的微流体致动器的异质整合芯片，其特征在于，该控制元件为一金属氧化物半导体场效晶体管。
5.如权利要求1所述的微流体致动器的异质整合芯片，其特征在于，更包含至少一布线体，电性连接于该控制元件与该至少一导电体之间。
6.如权利要求1所述的微流体致动器的异质整合芯片，其特征在于，该第一腔体的一第一深度介于50μm～200μm之间。
7.如权利要求1所述的微流体致动器的异质整合芯片，其特征在于，该接合层的一第二深度介于10μm～35μm之间。
8.如权利要求1所述的微流体致动器的异质整合芯片，其特征在于，该接合层底部至该第二基板底部的一第三深度介于370μm～525μm之间。
9.如权利要求1所述的微流体致动器的异质整合芯片，其特征在于，该第二基板具有至少一接合凸件。
10.如权利要求9所述的微流体致动器的异质整合芯片，其特征在于，该至少一接合凸件的形状为正方体、长方体、四边体其中之一。
11.如权利要求10所述的微流体致动器的异质整合芯片，其特征在于，该第一基板具有至少一接合凹槽，该至少一接合凹槽与该第二基板的该至少一接合凸件的形状相对应。
12.如权利要求1所述的微流体致动器的异质整合芯片，其特征在于，更包含一过滤结构，设置于该第二腔体内。
13.如权利要求12所述的微流体致动器的异质整合芯片，其特征在于，该过滤结构的形状为导槽状、方柱状、圆柱状其中之一。
14.一种微流体致动器的异质整合芯片，包含：
一第一基板，具有至少一第一腔体；
一第一绝缘层，设置于该第一基板上；
一第一导电层，设置于该第一绝缘层上，并具有至少一电极垫片；
一压电层，设置于该第一导电层上；
一第二导电层，设置于该压电层上，该第一导电层、该压电层、该第二导电层定义出至少一致动区；
一第二基板，接合于该第一基板，借以定义出至少一第二腔体，并具有至少一喷孔、至少一流体流道以及至少一第三腔体，该第一基板的该至少一第一腔体、该第二基板的该至少一第二腔体、该至少一喷孔、该至少一流体流道以及该至少一第三腔体与该至少一致动区位置相对应；
一控制元件，设置于该第二基板中；
至少一穿孔槽，由该至少一电极垫片贯穿至该第二基板；以及
至少一导电体，填充于该至少一穿孔槽中。
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