CN117927442A - 微型流体泵 - Google Patents

Abstract

一种微型流体泵，包含：第一基板，设有流体通槽，以及至少一第一流体通道；第一接着层；第二基板，其中第一基板、第一接着层、第二基板依序由下而上叠设，并定义出第二流体通道，第二基板更包含至少一穿孔；第二接着层；第三基板，其中第二基板、第二接着层、第三基板依序由下而上叠设，并定义出共振腔室，第三基板更包含至少一第三流体通道、致动部、连接部与外周部，第三流体通道则贯通第三基板，使第三流体通道、共振腔室得通过穿孔依序连通第二流体通道、第一流体通道、流体通槽；以及压电组件，叠设于致动部之上。

Description

微型流体泵

【技术领域】

本案是关于一种微型流体泵，尤指一种通过半导体制程来制作的微型流体泵。

【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，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为先前技术微型流体泵90，包含第一基板901、第一接着层902、第二基板903及压电组件904。第一基板901为硅基材，具有多个第一流体通道9011，该多个第一流体通道9011呈锥形；第一接着层902为氧化硅，定义出第二流体通道9021，并叠设于第一基板901上；第二基板903叠设第一接着层902上，包含由下而上依序堆栈的硅结构层9031、第二接着层9035及硅薄化层9037；硅结构层9031具有一个穿孔9032、振动部9033及固定部9034；第二接着层9035为氧化硅，具有共振腔室9036；硅薄化层9037具有一个致动部9038、外周部9039、连接部903A以及第三流体通道903B，其中致动部9038的外环之外周部9039与连接部903A连接，并具有第三流体通道903B；压电组件904叠设于硅薄化层9037的致动部9038上，包含依序堆栈于致动部9038上方的下电极层9041、压电层9042、绝缘层9043及上电极层9044。

先前技术在第一流体通道9011制程上，由于晶圆的晶向造成锥状的湿蚀刻角度太大，且改用干蚀刻也有深宽比太高的问题，其制程难度高，且流阻又大；再者，第一接着层902所定义出的第二流体通道9021要够厚，然而要生成较厚的氧化硅并不容易，且会有明显的应力问题，造成与第二基板903接合时较易发生剥离(peeling)。

【发明内容】

本案的主要目的在于提供一种微机电泵，是以半导体制程所制造的微米等级的微机电泵，俾改善先前技术中微机电泵结构上造成的流阻与剥离的问题。

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泵，包含：一第一基板，设有一流体通槽，以及至少一第一流体通道，其中该流体通槽为深槽状；一第一接着层；一第二基板，其中该第一基板、该第一接着层、该第二基板依序由下而上叠设，并定义出一第二流体通道，该第二流体通道顶端设有一穿孔；一第二接着层；一第三基板，其中该第二基板、该第二接着层、该第三基板依序由下而上叠设，并定义出一共振腔室，该第三基板更包含至少一第三流体通道、一致动部、一连接部与一外周部，其中该外周部环设于该致动部的外围，该外周部并通过该连接部耦接该致动部，该第三流体通道则贯通该第三基板，使该第三流体通道、该共振腔室得通过该穿孔依序连通该第二流体通道、该第一流体通道、该流体通槽；以及一压电组件，叠设于该致动部之上。

【附图说明】

图1为先前技术中微型流体泵的示意图。

图2A为本案的微型流体泵的第一实施例示意图。

图2B为本案的微型流体泵的第二实施例示意图。

图2C为本案的微型流体泵的第三实施例示意图。

【符号说明】

10、20、30：微型流体泵

101、201、301：第一基板

1011、2011、3011：流体通槽

1012、2012、3012：第一流体通道

102、202、302：第一接着层

103、203、303：第二基板

1031、2031、3031：穿孔

1032、2032、3032：振动部

1033、2033、3033：固定部

104、204、304：第二流体通道

105、205、305：第二接着层

106、206、306：第三基板

1061、2061、3061：共振腔室

1062、2062、3062：第三流体通道

1063、2063、3063：致动部

1064、2064、3064：连接部

1065、2065、3065：外周部

107、207、307：压电组件

1071、2071、3071：下电极层

1072、2072、3072：压电层

1073、2073、3073：绝缘层

1074、2074、3074：上电极层

90：微型流体泵

901：第一基板

9011：第一流体通道

902：第一接着层

9021：第二流体通道

903：第二基板

9031：硅结构层

9032：穿孔

9033：振动部

9034：固定部

9035：第二接着层

9036：共振腔室

9037：硅薄化层

9038：致动部

9039：外周部

903A：连接部

903B：第三流体通道

904：压电组件

9041：下电极层

9042：压电层

9043：绝缘层

9044：上电极层

【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2A，其为本案的微型流体泵的第一实施例，微型流体泵10包含：第一基板101、第一接着层102、第二基板103、第二接着层105、第三基板106及压电组件107。第一基板101设有流体通槽1011以及至少一第一流体通道1012，其中流体通槽1011为深槽状；第一基板101、第一接着层102、第二基板103依序由下而上叠设，并定义出第二流体通道104，第二流体通道104顶端设有穿孔1031；第二基板103、第二接着层105、第三基板106依序由下而上叠设，并定义出共振腔室1061；第三基板106更包含至少一第三流体通道1062、致动部1063、连接部1064与外周部1065，其中外周部1065环设于致动部1063的外围，外周部1065并通过连接部1064耦接致动部1063，第三流体通道1062则贯通第三基板106，使第三流体通道1062、共振腔室1061得通过穿孔1031依序连通第二流体通道104、第一流体通道1012、流体通槽1011；压电组件107，叠设于致动部1063之上。

值得注意的是，第一基板101为硅基材(Si)，厚度为270～430μm，但不以此为限。

如图2A所示的流体通槽1011为分段蚀刻，解决了先前技术的蚀刻问题，并且降低了流体流通第一流体通道1012的流阻。

如图2A所示的第一接着层102为氧化硅，但厚度调整为0.5～2μm，可以避免与第二基板103接合所造成的应力剥离问题。第二流体通道104则改以蚀刻第一基板101来定义出。

如图2A所示的第二基板103是为硅结构层，可以由绝缘层上覆硅SOI(Silicon OnInsulator)芯片转移而来，厚度为2～5μm，但不以此为限，第二基板103的厚度可视设计需求加以调整。第二基板103区分为穿孔1031、振动部1032及固定部1033三个区域，穿孔1031位于中心位置，振动部1032位于穿孔1031的周边区域，固定部1033位于第二基板103的周缘区域。

如图2A所示的第二接着层105为氧化硅，厚度为0.5～2μm。第一接着层102的厚度可以等于该第二接着层105的厚度，其厚度可以是1.1μm，但不以此为限，第一接着层102的厚度与第二接着层105的厚度亦可以不相等，可视设计需求加以调整。第二接着层105堆栈于第二基板103上方。

如图2A所示的第三基板106为硅结构层，可以由SOI芯片转移而来，厚度为3～15μm，但不以此为限，第三基板106的厚度可视设计需求加以调整；第三基板106堆栈于第二接着层105上方，形成共振腔室1061；第三基板106具有致动部1063及外周部1065，致动部1063的外环具有第三流体通道1062及连接部1064，连接部1064是用以连接致动部1063与外周部1065。

值得注意的是，第二基板103、第三基板106可以是单晶硅、多晶硅或非晶硅。第二基板103、第三基板106也可以使用沉积或薄化制程而来。

压电组件107更包含：下电极层1071、压电层1072、绝缘层1073及上电极层1074。压电层1072叠设于下电极层1071上；绝缘层1073铺设于压电层1072的部分表面上及下电极层1071的部分表面上，其中绝缘层1073为电性绝缘；上电极层1074叠设于绝缘层1073上以及压电层1072未设有绝缘层1073的其余表面上。值得注意的是，压电层1072为圆形设置于该第三基板106的致动部1063上方，使致动部1063亦呈圆形。此外，值得注意的是，压电层1072的直径为140～500μm，但不以此为限，压电层1072的直径，可视微型流体泵10整体大小加以调整。另外，值得注意的是，压电层1072与致动部1063的直径比例范围为1：1.3～1：3.6，换言之，压电层1072的尺寸小于致动部1063的尺寸。

通过压电组件107的作动，致动部1063亦跟着上下振动，第二基板103的振动部1032随之呈不同相位振动，使共振腔室1061形成负压，流体便由流体通槽1011通过第一流体通道1012，再经过第二流体通道104，并由第二基板103的穿孔1031继续流经共振腔室1061，最后通过第三基板106的第三流体通道1062完成流体的输送。值得注意的是致动部1063的作动频率为0.1～1.5MHz高频范围，同时振动部1032的作动频率亦为0.1～1.5MHz，借此微流体可以积少成多产生更多的流量，但不以此为限，致动部1063的作动频率可由整体微型流体泵10的设计加以调整。此外，值得注意的是，致动部1063呈圆形且直径为400～550μm，但不以此为限，致动部1063的形状尺寸亦可由整体微型流体泵10的设计加以调整。

微型流体泵10的工作电压为2～12V，值得一提的是，微型流体泵10的工作电压、第三基板106的致动部1063的作动频率、第三基板的厚度以及第二基板103的振动部1032的共振皆会影响流体的吞吐量与效率。

请参阅图2B，为本案的微型流体泵的第二实施例，与第一实施例主要的差异处在于第三基板206具有蚀刻一深度。于本实施例中，微型流体泵20包含第一基板201、第一接着层202、第二接着层205、第三基板206及压电组件207。第一基板201设有流体通槽2011以及至少一第一流体通道2012，其中流体通槽2011为深槽状；第一基板201、第一接着层202、第二基板203依序由下而上叠设，并定义出第二流体通道204，第二流体通道204顶端设有穿孔2031；第二基板203、第二接着层205、第三基板206依序由下而上叠设，并定义出共振腔室2061；第三基板206更包含至少一第三流体通道2062、致动部2063、连接部2064与外周部2065，其中外周部2065环设于致动部2063的外围，外周部2065并通过连接部2064耦接致动部2063，第三流体通道2062则贯通第三基板206，使第三流体通道2062、共振腔室2061得通过穿孔2031依序连通第二流体通道204、第一流体通道2012、流体通槽2011；压电组件207叠设于致动部2063之上。

值得注意的是，第一基板201为硅基材(Si)，厚度为270～430μm，但不以此为限。

如图2B所示的流体通槽2011为分段蚀刻，解决了先前技术的蚀刻问题，并且降低了流体流通第一流体通道2012的流阻。

如图2B所示的第一接着层202为氧化硅，但厚度调整为0.5～2μm，可以避免与第二基板203接合所造成的应力剥离问题。第二流体通道204则改以蚀刻第一基板201来定义出。

如图2B所示的第二基板203为硅结构层，可以由SOI芯片转移而来，厚度为2～5μm，但不以此为限，第二基板203的厚度可视设计需求加以调整。第二基板203区分为穿孔2031、振动部2032及固定部2033三个区域，穿孔2031位于中心位置，振动部2032位于穿孔2031的周边区域，固定部2033位于第二基板203的周缘区域。

如图2B所示的第二接着层205为氧化硅，厚度为0.5～2μm。第一接着层202的厚度可以等于该第二接着层205的厚度，其厚度可以是1.1μm，但不以此为限，第一接着层202的厚度与第二接着层205的厚度亦可以不相等，可视设计需求加以调整。第二接着层205堆栈于第二基板203上方。

如图2B所示的第三基板206为硅结构层，可以由SOI芯片转移而来，厚度为3～15μm，但不以此为限，第三基板206的厚度可视设计需求加以调整；第三基板206堆栈于第二接着层205上方，形成共振腔室2061；第三基板206具有致动部2063及外周部2065，致动部2063的外环具有第三流体通道2062及连接部2064，连接部2064是用以连接致动部2063与外周部2065。值得注意的是，第三基板206在SOI芯片转移前先就表面蚀刻一深度，借此加深共振腔室2061。

值得注意的是，第二基板203、第三基板206可以是单晶硅、多晶硅或非晶硅。第二基板203、第三基板206也可以使用沉积或薄化制程而来。

压电组件207更包含下电极层2071、压电层2072、绝缘层2073及上电极层2074。压电层2072叠设于下电极层2071上；绝缘层2073铺设于压电层2072的部分表面上及下电极层2071的部分表面上，其中绝缘层2073为电性绝缘；上电极层2074叠设于绝缘层2073上以及压电层2072未设有绝缘层2073的其余表面上。值得注意的是，压电层2072为圆形设置于该第三基板206的致动部2063上方，使致动部2063亦呈圆形。此外，值得注意的是，压电层2072的直径为140～500μm，但不以此为限，压电层2072的直径，可视微型流体泵20整体大小加以调整。另外，值得注意的是，压电层2072与致动部2063的直径比例范围为1：1.3～1：3.6，换言之，压电层2072的尺寸小于致动部2063的尺寸。

通过压电组件207的作动，致动部2063亦跟着上下振动，第二基板203的振动部2032随的呈不同相位振动，使共振腔室2061形成负压，流体便由流体通槽2011通过第一流体通道2012，再经过第二流体通道204，并由第二基板203的穿孔2031继续流经共振腔室2061，最后通过第三基板206的第三流体通道2062完成流体的输送。值得注意的是致动部2063的作动频率为0.1～1.5MHz高频范围，同时振动部2032的作动频率亦为0.1～1.5MHz，借此微流体可以积少成多产生更多的流量，但不以此为限，致动部2063的作动频率可由整体微型流体泵20的设计加以调整。此外，值得注意的是，致动部2063呈圆形且直径为400～550μm，但不以此为限，致动部2063的形状尺寸亦可由整体微型流体泵20的设计加以调整。

微型流体泵20的工作电压为2～12V，值得一提的是，微型流体泵20的工作电压、第三基板206的致动部2063的作动频率、第三基板的厚度以及第二基板203的振动部2032的共振皆会影响流体的吞吐量与效率。

另外，值得注意的是，第二实施例与第一实施例最主要的差异在于第三基板206具有蚀刻一深度，其改良的特色在于，因为共振腔室2061的空间提高了，可以适当降低挤压膜阻尼(squeeze film damping)，且当压电组件207作动带动第三基板206的致动部2063振动时，也较不易与第二基板203的振动部2032产生沾粘(stiction)。

请参阅图2C，为本案的微型流体泵的第三实施例，与第一实施例主要的差异处在于第二接着层305是为氧化硅-多晶硅-氧化硅的复合结构。于本实施例中，微型流体泵30包含第一基板301、第一接着层302、第二基板303、第二接着层305、第三基板306及压电组件307。第一基板301设有流体通槽3011以及至少一第一流体通道3012，其中流体通槽3011为深槽状；第一基板301、第一接着层302、第二基板303依序由下而上叠设，并定义出第二流体通道304，第二流体通道304顶端设有穿孔3031；第二基板303、第二接着层305、第三基板306依序由下而上叠设，并定义出共振腔室3061；第三基板306更包含至少一第三流体通道3062、致动部3063、连接部3064与外周部3065，其中外周部3065环设于致动部3063的外围，外周部3065并通过连接部3064耦接致动部3063，第三流体通道3062则贯通第三基板306，使第三流体通道3062、共振腔室3061得通过穿孔3031依序连通第二流体通道304、第一流体通道3012、流体通槽3011；压电组件307叠设于致动部3063之上。

值得注意的是，第一基板301为硅基材(Si)，厚度为270～430μm，但不以此为限。

如图2C所示的流体通槽3011为分段蚀刻，解决了先前技术的蚀刻问题，并且降低了流体流通第一流体通道3012的流阻。

如图2C所示的第一接着层302为氧化硅，但厚度调整为0.5～2μm，可以避免与第二基板303接合所造成的应力问题。第二流体通道304则改以蚀刻第一基板301来定义出。

如图2C所示的第二基板303为硅结构层，可以由SOI芯片转移而来，厚度为2～5μm，但不以此为限，第二基板303的厚度可视设计需求加以调整。第二基板303区分为穿孔3031、振动部3032及固定部3033三个区域，穿孔3031位于中心位置，振动部3032位于穿孔3031的周边区域，固定部3033位于第二基板303的周缘区域。

如图2C所示的第二接着层305是为氧化硅-多晶硅-氧化硅的复合结构，借此使总厚度范围可为0.5～10μm，然而第二接着层305亦可为多于三层的复合结构，可视设计需求加以调整。第二接着层305堆栈于第二基板303上方。

如图2C所示的第三基板306为硅结构层，可以由SOI芯片转移而来，厚度为3～15μm，但不以此为限，第三基板306的厚度可视设计需求加以调整；第三基板306堆栈于第二接着层305上方，形成共振腔室3061，；第三基板306具有致动部3063及外周部3065，致动部3063的外环具有第三流体通道3062及连接部3064，连接部3064是用以连接致动部3063与外周部3065。

值得注意的是，第二基板303、第三基板306可以是单晶硅、多晶硅或非晶硅。第二基板303、第三基板306也可以使用沉积或薄化制程而来。

压电组件307更包含下电极层3071、压电层3072、绝缘层3073及上电极层3074。压电层3072叠设于下电极层3071上；绝缘层3073铺设于压电层3072的部分表面上及下电极层3071的部分表面上，其中绝缘层3073为电性绝缘；上电极层3074叠设于绝缘层3073上以及压电层3072未设有绝缘层3073的其余表面上。值得注意的是，压电层3072为圆形设置于该第三基板306的致动部3063上方，使致动部3063亦呈圆形。此外，值得注意的是，压电层3072的直径为140～500μm，但不以此为限，压电层3072的直径，可视微型流体泵30整体大小加以调整。另外，值得注意的是，压电层3072与致动部3063的直径比例范围为1：1.3～1：3.6，换言之，压电层3072的尺寸小于致动部3063的尺寸。

通过压电组件307的作动，致动部3063亦跟着上下振动，第二基板303的振动部3032随的呈不同相位振动，使共振腔室3061形成负压，流体便由流体通槽3011通过第一流体通道3012，再经过第二流体通道304，并由第二基板303的穿孔3031继续流经共振腔室3061，最后通过第三基板306的第三流体通道3062完成流体的输送。值得注意的是致动部3063的作动频率为0.1～1.5MHz高频范围，同时振动部3032的作动频率亦为0.1～1.5MHz，借此微流体可以积少成多产生更多的流量，但不以此为限，致动部3063的作动频率可由整体微型流体泵30的设计加以调整。此外，值得注意的是，致动部3063呈圆形且直径为400～550μm，但不以此为限，致动部3063的形状尺寸亦可由整体微型流体泵30的设计加以调整。

微型流体泵30的工作电压为2～12V，值得一提的是，微型流体泵30的工作电压、第三基板306的致动部3063的作动频率、第三基板的厚度以及第二基板303的振动部3032的共振皆会影响流体的吞吐量与效率。

另外，值得注意的是，第三实施例与第一实施例最主要的差异在于第二接着层305为氧化硅-多晶硅-氧化硅的复合结构，其中，因为共振腔室3061的空间提高了，可以适当降低挤压膜阻尼(squeeze film damping)，且当压电组件307作动带动第三基板306的致动部3063振动时，也较不易与第二基板303的振动部3032产生沾粘(stiction)。

综上所述，本案提供一种微型流体泵，是利用半导体制程来完成微型流体泵的结构，以利缩小泵的体积，此外改善了先前技术在锥状的第一流体通道蚀刻的问题，降低流阻，更改善了流体进入微型流体泵的效率，另外，于第二实施例及第三实施例更增加了第三基板的致动部与第二基板的振动部之间的距离，降低共振腔室的阻尼，也较不易使第三基板的致动部与第二基板的振动部产生沾粘，提高了微型流体泵的使用寿命，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 (19)

1.一种微型流体泵，其特征在于，包含：

一第一基板，设有一流体通槽，以及至少一第一流体通道，其中该流体通槽为深槽状；

一第一接着层；

一第二基板，其中该第一基板、该第一接着层、该第二基板依序由下而上叠设，并定义出一第二流体通道，该第二流体通道顶端设有一穿孔；

一第二接着层；

一第三基板，其中该第二基板、该第二接着层、该第三基板依序由下而上叠设，并定义出一共振腔室，该第三基板更包含至少一第三流体通道、一致动部、一连接部与一外周部，其中该外周部环设于该致动部的外围，该外周部并通过该连接部耦接该致动部，该第三流体通道则贯通该第三基板，使该第三流体通道、该共振腔室得通过该穿孔依序连通该第二流体通道、该第一流体通道、该流体通槽；以及

一压电组件，叠设于该致动部之上。

2.如权利要求1所述的微型流体泵，其特征在于，该第一基板为硅基材。

3.如权利要求1所述的微型流体泵，其特征在于，该第二接着层覆盖于作为硅芯片的该第二基板上，使该第二接着层、该第二基板成为绝缘层上覆硅的芯片结构(SOI wafer)。

4.如权利要求1所述的微型流体泵，其特征在于，该第二基板更包含：

一振动部，位于该穿孔的周边区域；以及

一固定部，位于该第二基板的周缘区域。

5.如权利要求1所述的微型流体泵，其特征在于，该压电组件更包含：

一下电极层；

一压电层，叠设于该下电极层上；

一绝缘层，铺设于该压电层的部分表面上及该下电极层的部分表面上，其中该绝缘层为电性绝缘；以及

一上电极层，叠设于该绝缘层上以及该压电层未设有该绝缘层的其余表面上。

6.如权利要求1所述的微型流体泵，其特征在于，该第一接着层为氧化硅，且厚度等于该第二接着层的厚度。

7.如权利要求6所述的微型流体泵，其特征在于，该第一接着层为氧化硅，且厚度范围为0.5～2μm。

8.如权利要求1所述的微型流体泵，其特征在于，该第二接着层是为氧化硅-多晶硅-氧化硅的复合结构，其厚度范围为0.5～10μm。

9.如权利要求6所述的微型流体泵，其特征在于，该第二接着层是为氧化硅，且厚度范围为0.5～2μm。

10.如权利要求1所述的微型流体泵，其特征在于，该第三基板的厚度为3～15μm。

11.如权利要求1所述的微型流体泵，其特征在于，该第一基板的厚度为270～430μm。

12.如权利要求1所述的微型流体泵，其特征在于，该第二基板的厚度为2～5μm。

13.如权利要求5所述的微型流体泵，其特征在于，该压电层为圆形且设置于该第三基板的该致动部上方，该致动部亦呈圆形。

14.如权利要求13所述的微型流体泵，其特征在于，该致动部的直径为400～550μm。

15.如权利要求13所述的微型流体泵，其特征在于，该压电层的直径为140～500μm。

16.如权利要求13所述的微型流体泵，其特征在于，该压电层与该致动部的直径比例范围为1：1.3～1：3.6。

17.如权利要求1所述的微型流体泵，其特征在于，该微型流体泵的工作电压为2～12V。

18.如权利要求17所述的微型流体泵，其特征在于，该致动部的作动频率为0.1～1.5MHz。

19.如权利要求4所述的微型流体泵，其特征在于，该振动部的作动频率为0.1～1.5MHz。