TW202012301A - 微機電泵浦的製造方法 - Google Patents

Abstract

一種微機電泵浦的製造方法，包含以下步驟：(a)提供第一基板，將第一基板薄化至第一厚度且第一基板蝕刻出至少一進氣孔；(b)提供第二基板，將第二基板薄化至第二厚度，於第二基板設置相對的第一氧化層及第二氧化層，並於第二基板上蝕刻出穿孔；(c)將第二基板結合至第一基板，且第一氧化層位於第一基板與第二基板之間，進氣孔與穿孔錯位；(d)提供第三基板，將第三基板薄化至第三厚度並蝕刻出至少一氣體通道；(e)於第三基板設置壓電組件；(f)以及將第三基板結合至第二基板，且第二氧化層位於第二基板與第三基板之間，氣體通道與穿孔錯位。

Description

微機電泵浦的製造方法

本案係關於一種微機電泵浦的製造方法，尤指一種透過半導體製程來製作微機電泵浦的製造方法。

目前於各領域中無論是醫藥、電腦科技、列印及能源等工業，產品均朝精緻化及微小化方向發展，其中微幫浦、噴霧器、噴墨頭及工業列印裝置等產品所包含之用以輸送流體的泵浦構為其關鍵元件，是以，如何藉創新結構突破其技術瓶頸，為發展之重要內容。

隨著科技的日新月異，流體輸送裝置的應用上亦愈來愈多元化，舉凡工業應用、生醫應用、醫療保健及電子散熱等等，甚至近來熱門的穿戴式裝置皆可見它的踨影，可見傳統的泵浦已漸漸有朝向裝置微小化、流量極大化的趨勢。

然而，目前微型化之泵浦雖然持續地改良使其微小化，但仍舊無法突破毫米等級進而將泵浦縮小到微米等級，因此如何將泵浦縮小到微米等級並且將其完成為本案所欲發明的主要課題。

本案之主要目的在於提供一種微機電泵浦的製造方法，用以製造一奈米等級的微機電泵浦，來減少體積對於泵浦的限制。

為達上述目的，本案之較廣義實施態樣為提供一種微機電泵浦的製造方法，包含以下步驟：(a)提供一第一基板，將該第一基板薄化至一第一厚度且該第一基板蝕刻出至少一進氣孔；(b)提供一第二基板，將該第二基板薄化至一第二厚度，於該第二基板設置相對的一第一氧化層及一第二氧化層，並於該第二基板上蝕刻出一穿孔；(c)將該第二基板結合至該第一基板，且該第一氧化層位於該第一基板與該第二基板之間，該進氣孔與該穿孔錯位；(d)提供一第三基板，將該第三基板薄化至一第三厚度並蝕刻出至少一氣體通道；(e)於該第三基板設置一壓電組件；以及(f)將該第三基板結合至該第二基板，且該第二氧化層位於該第二基板與該第三基板之間，該氣體通道與該穿孔錯位。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非用以限制本案。

本案提供一種微機電泵浦之製造方法，使其所製成之微機電泵浦100能夠應用於醫藥生技、能源、電腦科技或是列印等領域，用於導送流體並且增加或是控制流體的流速。請同時參閱第1圖及第2圖，第1圖為本案之微機電泵浦100之製造方法的流程示意圖，第2圖為利用本案微機電泵浦100之製造方法所製造的微機電泵浦100剖面示意圖；本案之微機電泵浦100的製造之流程依序概述如下：步驟a，提供一第一基板1，將第一基板1薄化至一第一厚度且第一基板1蝕刻出至少一進氣孔11；步驟b，提供一第二基板2，將第二基板2薄化至一第二厚度，於第二基板2設置相對的一第一氧化層3及一第二氧化層5，並於該第二基板2上蝕刻出一穿孔；步驟c，將該第二基板2結合至該第一基板1，且該第一氧化層3位於該第一基板1與該第二基板2之間，該進氣孔11與該穿孔21錯位；步驟d，提供一第三基板4，將該第三基板4薄化至一第三厚度並蝕刻出至少一氣體通道41；步驟e，於該第三基板4設置一壓電組件6；以及步驟f，將該第三基板4結合至該第二基板2，且該第二氧化層5位於該第二基板2與該第三基板4之間，該氣體通道41與該穿孔21錯位。

首先如步驟a所示，先提供第一基板1，將第一基板1透過如研磨、蝕刻、切割等方式將第一基板1薄化至第一厚度(未圖示)，第一基板1薄化至第一厚度後具有第一上表面12及第一下表面13，再將第一基板1的第一下表面13透過乾式蝕刻或是濕式蝕刻形成至少一進氣孔11，進氣孔11將貫穿第一基板1的第一上表面12及第一下表面13，且進氣孔11的孔徑可由第一下表面13至第一上表面12呈現漸縮狀的錐形。

如步驟b所示，提供第二基板2，經由研磨、蝕刻或切割等方式將第二基板2薄化至第二厚度(未圖示)，第二基板2薄化至第二厚度後具有一第二上表面22及一第二下表面23，再於第二基板2的第二下表面23形成第一氧化層3及第二上表面22形成第二氧化層5，並且於第二基板2的中央使用蝕刻製程形成穿孔21，穿孔21貫穿第二基板2的第二上表面22及第二下表面23；此外，步驟b更包含了於第一氧化層3上同樣利用蝕刻製程形成至少一進氣流道31及一匯流腔室32，進氣流道31與匯流腔室32相互連通，以及，於步驟b更包含了將第二氧化層5的中央區域使用蝕刻製程形成一氣體腔室51。

再如步驟c所示，將第二基板2結合至第一基板1，將第二基板2的第二下表面23的第一氧化層3結合至第一基板1的第一上表面12上，使第一氧化層3位於第一基板1與第二基板2之間，此時，第二基板2上的穿孔21與第一基板1的進氣孔11錯位設置；其中，上述之第一氧化層3的進氣流道31與第一基板1的進氣孔11的數量相同，且位置相互對應，進氣流道31的一端連接於進氣孔13，並與進氣孔11連通，進氣流道31的另一端則與匯流腔室32連通，使氣體得以分別由第一基板1的進氣孔11進入後，通過其對應之進氣流道31後於匯流腔室32匯聚。

如步驟d所示，提供一第三基板4，同樣將第三基板4透過研磨、蝕刻或切割等製成薄化至第三厚度，使得第三基板4具有一第三上表面42及一第三下表面43，並於第三基板4蝕刻形成複數個氣體通道41，氣體通道41貫穿第三基板4的第三上表面42及第三下表面43，且定義出一振動部44、一外周部45以及複數個連接部46的三部分(如第5圖所示)，分別為被氣體通道41包圍的振動部44，圍繞在氣體通道41外圍的外周部45，以及在各氣體通道41之間並且連接於振動部44與外周部45之間的複數個連接部46。於本實施例中，氣體通道41的數量為4個，連接部46數量同樣為4個；再參考步驟e，在第三基板4的第三上表面41形成一壓電組件6。

最後，如步驟(f)所示，將第三基板4之第三下表面43結合於第二基板2其第二上表面22的第二氧化層5上，令第二氧化層5位於第二基板2及第三基板4之間，且第二基板2的穿孔21與第三基板4的氣體通道41為錯位設置，其中，第二基板2的穿孔21與第二氧化層5的氣體腔室51相互連通，第三基板4的氣體通道41與氣體腔室51相互連通，完成以上之步驟後，便可製造出達到微米等級的大小之微機電泵浦100。

此外，請參考同時參考第2圖及第3圖，前述步驟e中於第三基板4形成壓電組件6之步驟流程依序概述如下：步驟e1，沉積一下電極層61；步驟e2，於下電極層61上沉積一壓電層62；步驟e3，於壓電層62之部分區域與下電極層61之部分區域沉積一絕緣層63；步驟e4，於壓電層62未沉積絕緣層63之區域上沉積一上電極層64，上電極層64之部分與壓電層62電性連接。

承上所述，請先參考步驟e1，於第三基板4的第三上表面42上利用濺鍍、蒸鍍等物理或化學氣相沉積形成下電極層61，再如步驟e2，於下電極層61上同樣利用濺鍍、蒸鍍等物理或化學氣相沉積將壓電層62沉積形成在下電極層61之上，或者利用溶膠-凝膠法(sol-gel)製程將壓電層62沉積形成在下電極層61之上，且兩者透過接觸的區域做電性連接，此外壓電層62的面積小於下電極層61的面積，使得壓電層62無法完全遮蔽下電極層61；再進行步驟e3，於壓電層62的部分區域以及下電極層61未被壓電層62遮蔽的區域利用濺鍍、蒸鍍等物理或化學氣相沉積形成來沉積絕緣層63；最後再進行步驟e4，在絕緣層63及未沉積絕緣層63的壓電層62的另一部分區域上利用濺鍍、蒸鍍等物理或化學氣相沉積形成上電極層64，使上電極層64與該壓電層62電性連接外，透過絕緣層63阻隔於上電極64與下電極層61之間，避免兩者電性連接而產生短路，其中，下電極層61與上電極64可透過細間距銲線封裝技術來向外延伸導電接腳(未圖示)，用以接收外接驅動訊號及驅動電壓。

上述的第一基板1、第二基板2及第三基板4可為相同材質的基板，於本實施例中，三者皆為透過一長晶製程所產生的一矽晶片，且長晶製程可為多晶矽生長控制技術，意味著第一基板1、第二基板2及第三基板4皆為多晶矽晶片，此外，第一基板1薄化後的第一厚度大於第三基板4薄化後的第三厚度，而第三基板4薄化後的第三厚度大於二基板2薄化後的第二厚度。

上述之第一厚度介於150至200微米之間，第二厚度介於2至5微米之間，第三厚度介於10至20微米之間。

此外，前述之第一氧化層3的厚度將大於第二氧化層5的厚度，於本實施例中，第一氧化層3的厚度介於10至20微米之間，第二氧化層5的厚度介於0.5至2微米之間，且第一氧化層3與第二氧化層5可為相同材料之薄膜，第一氧化層3、第二氧化層5可為二氧化矽(SiO2)薄膜，可利用濺鍍、高溫氧化等方式產生。

請繼續參閱第2圖所示，微機電泵浦100由第一基板1、設有第一氧化層3、第二氧化層5的第二基板2及第三基板4以層疊方式結合，於本實施例中，第一基板1上的進氣孔11的數量為2個，且2個進氣孔11皆為呈現漸縮的錐形，當與第二基板2結合後，於第二基板2的第二下表面23的第一氧化層3將與第一基板1相連，第一氧化層3的進氣流道31的位置及數量皆與第一基板1的進氣孔11相互對應，因此於本實施例中，進氣流道31同樣也為2個，2個進氣流道31的一端分別連接2個進氣孔11，而2個進氣流道31的另一端則連通於匯流腔室32，讓氣體分別由2個進氣孔11進入後，得以通過其對應之進氣流道31並於匯流腔室32聚集，而第二基板2的穿孔21與匯流腔室32相通，供氣體通行，而第三基板4結合至第二基板2時，與位於第二基板2的第二上表面22的第二氧化層5相鄰，第二氧化層5的氣體腔室51則分別與第二基板2的穿孔21及第三基板4的氣體通道41相通，致使氣體得以由穿孔21進入氣體腔室51後再由氣體通道41排出。

承上所述，第三基板4的氣體通道41將第三基板4分割為三部分，分別是位於氣體通道41中央的振動部44，位於氣體通道41周圍的外周部45，以及位於氣體通道41之間並且用於彈性連接振動部44及外周部45的連接部46，其中，振動部44的區域與第二氧化層5的氣體腔室51相對應，且壓電組件6位於振動部44的區域，讓壓電組件6帶動振動部44振動位移時，得以壓縮或擴張氣體腔室51之容積，以產生氣流。

此外，第二基板2的穿孔21的周緣區域為一共振部24，位於共振部24外圍的則為固定部25，共振部24與第一氧化層3的匯流腔室32及第二氧化層5的氣體腔室51相互對應，讓共振部24能夠於匯流腔室32及氣體腔室51之間振動位移。

請參考第2圖及第4A圖至第4C圖，第4A圖至第4C圖為經由本案的製造方法所製造出的微機電泵浦其作動示意圖；請先參考第4A圖所示，當壓電組件6的下電極層61及上電極64接收外部所傳遞之驅動電壓及驅動訊號(未圖示)後，並將其傳導至壓電層62，此時壓電層62接受到驅動電壓及驅動訊號後因壓電效應的影響開始產生形變，其形變的變化量及頻率受控於驅動電壓及驅動訊號，而壓電層62開始受驅動電壓及驅動訊號開始產生形變後，得以帶動第三基板4的振動部44開始位移，且壓電組件6帶動振動部44朝向一第一方向振動位移，以拉開與第二氧化層5之間的距離，其中第一方向為振動部44朝遠離第二氧化層5的振動方向，如此，第二氧化層5的氣體腔室51的容積得以提升，讓氣體腔室51內形成負壓，得以吸取微機電泵浦100外的氣體由進氣孔11進入其中，並導入用於將第一氧化層3的匯流腔室32內再請繼續參閱第4B圖所示，當振動部44受到壓電組件6的位移時，第二基板2的共振部24會因共振原理的影響而朝向第一方向位移，而共振部24朝向第一方向位移時，得以壓縮氣體腔室51的空間，並且推動氣體腔室51內的氣體往第三基板4的氣體通道41移動，讓氣體能夠通過氣體通道41排出，同時，在共振部24朝向第一方向位移來而壓縮氣體腔室51時，匯流腔室32的容積因共振部24位移而提升，使其內部形成負壓，得以持續吸取微機電泵浦100外的空氣由進氣孔11進入其中；最後如第4C圖所示，壓電組件6帶動第三基板4的振動部44朝向一第二方向振動位移，其中該第二方向為振動部44朝接近第二氧化層5的振動方向，且第一方向與第二方向為相反之兩個方向，藉此第二基板2的共振部24亦受振動部44的帶動而朝向第二方向位移，同步壓縮匯流腔室32的氣體通過其穿孔21向氣體腔室51移動，而微機電泵浦100外的氣體由進氣孔11暫緩進入，且氣體腔室51的氣體則推往第三基板4的氣體通道41內，使氣體通道41的氣體排出微機電泵浦100外，後續壓電組件6再恢復帶動振動部44朝向第一方向位移時，其氣體腔室51的容積會大幅提升，進而有較高的汲取力將氣體吸入氣體腔室51(如第4A圖所示)，如此重複第4A圖至第4C圖之操作動作，即可透過壓電組件6持續帶動振動部44振動位移，且同步連動共振部24振動位移，以改變微機電泵浦100的內部壓力，使其不斷地汲取、排出氣體來完成微機電泵浦100的氣體傳輸動作。

綜上所述，本案提供一微機電泵浦的製造方法，主要以半導體製程來完成微機電泵浦的結構，以進一步縮小泵浦得體積，使其更加地輕薄短小，達到微米等級的大小，減少過往泵浦體積過大，無法達到微米等級尺寸的限制的問題，極具產業之利用價值，爰依法提出申請。

本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

100:微機電泵浦1:第一基板11:進氣孔12:第一上表面13:第一下表面2:第二基板21:穿孔22:第二上表面23:第二下表面24:共振部25:固定部3:第一氧化層31:進氣流道32:匯流腔室4:第三基板41:氣體通道42:第三上表面43:第三下表面44:振動部45:外周部46:連接部5:第二氧化層51:氣體腔室6:壓電組件61:下電極層62:壓電層63:絕緣層64:上電極層a~f:微機電泵浦的製造方法之步驟e1~e4:壓電組件製造方法之步驟

第1A圖為本案微機電泵浦之製造方法的流程示意圖。 第2圖為本案微機電泵浦剖面示意圖。 第3圖為本案微機電泵浦之壓電組件的製造流程圖。 第4A圖至第4C圖為本案微機電泵浦之作動示意圖。 第5圖為本案微機電泵浦之第三基板俯視角度視得示意圖。

a~f:微機電泵浦的製造方法之步驟

Claims (13)

1. 一種微機電泵浦的製造方法，包含以下步驟： (a) 提供一第一基板，將該第一基板薄化至一第一厚度，且該第一基板蝕刻出至少一進氣孔； (b) 提供一第二基板，將該第二基板薄化至一第二厚度，於該第二基板設置相對的一第一氧化層及一第二氧化層，並於該第二基板上蝕刻出一穿孔； (c) 將該第二基板結合至該第一基板，且該第一氧化層位於該第一基板與該第二基板之間，該進氣孔與該穿孔錯位； (d) 提供一第三基板，將該第三基板薄化至一第三厚度並蝕刻出複數個氣體通道； (e) 於該第三基板設置一壓電組件；以及 (f) 將該第三基板結合至該第二基板，且該第二氧化層位於該第二基板與該第三基板之間，該氣體通道與該穿孔錯位。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦的製造方法，其中步驟(b)更包含於該第一氧化層蝕刻出至少一進氣流道及一匯流腔室，該進氣流道連通於該匯流腔室與該進氣孔之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦的製造方法，其中步驟(b)更包含於該第二氧化層蝕刻出一氣體腔室。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦的製造方法，步驟(e)包含有以下步驟： (e1) 沉積一下電極層； (e2) 於該下電極層上沉積一壓電層； (e3) 於該壓電層之部分與該下電極之部分沉積一絕緣層；及 (e4) 於該壓電層未沉積該絕緣層之區域上沉積一上電極層，該上電極層與該壓電層電性連接。
5. 申請專利範圍第4項所述之微機電泵浦的製造方法，其中步驟(g) 係以一物理氣相沉積製程進行沉積。
6. 申請專利範圍第4項所述之微機電泵浦的製造方法，其中步驟(g) 係以一化學氣相沉積製程進行沉積。
7. 申請專利範圍第4項所述之微機電泵浦的製造方法，其中步驟(g2)係以一溶膠凝膠法製程進行沉積。
8. 如申請專利範圍第1項所示之微機電泵浦的製造方法，其中該第一基板之該進氣孔之孔隙由等向性蝕刻形成錐形。
9. 如申請專利範圍第1項所示之微機電泵浦的製造方法，其中該第一基板、該第二基板及該第三基板皆透過研磨製程分別薄化至該第一厚度、該第二厚度及該第三厚度。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦的製造方法，其中該第一厚度大於該第三厚度，該第三厚度大於該第二厚度。
11. 如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦的製造方法，其中該第一氧化層的厚度大於該第二氧化層的厚度。
12. 如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦的製造方法，其中該第一基板、該第二基板及該第三基板為透過一長晶製程所形成之一矽晶片。
13. 如申請專利範圍第12項所述之微機電泵浦的製造方法，其中該長晶製程為多晶矽生長控制技術。

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