TW202019807A - 微流體致動器 - Google Patents

Abstract

一種微流體致動器，包含一基板、一腔體層、一振動層、一下電極層、一上電極層、一孔板層及一流道層。基板透過蝕刻製程形成一出流孔洞、複數個第一進流孔洞以及一第二進流孔洞。腔體層形成於基板上，並透過蝕刻製程形成一儲流腔室。振動層形成於腔體層上。下電極層形成於振動層上。壓電致動層形成於下電極層上。上電極層形成於壓電致動層上。孔板層透過蝕刻製程形成一出流口以及一進流口。流道層形成於孔板層之上，透過微影製程形成一出流通道及一進流通道，並接合於基板。提供驅動電源至上電極層及下電極層，以驅動並控制振動層產生上下位移，以完成流體傳輸。

Description

微流體致動器

本案關於一種致動器，尤指一種使用微機電半導體薄膜製作之微流體致動器。

目前於各領域中無論是醫藥、電腦科技、列印、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、工業列印裝置等產品所包含之流體致動器為其關鍵技術。

隨著科技的日新月異，流體輸送結構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、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，可見傳統的流體致動器已漸漸有朝向裝置微小化、流量極大化的趨勢。

於現有技術中，雖已有利用微機電製程製出之微流體致動器，但由於習知的微流體致動器在作動時，壓電層的位移量過小導致所傳輸的流量不足，是以，如何藉創新結構突破其技術瓶頸，為發展之重要內容。

本案之主要目的係提供一種微流體致動器，使用微機電製程製作，可傳輸流體。本案之微流體致動器使用半導體薄膜製作，因此其儲流腔室之深度可設計的非常淺，藉以增加作動時的流體壓縮比，來彌補壓電層位移量過小的缺點。

本案之一廣義實施態樣為一種微流體致動器，包含一基板、一腔體層、一振動層、一下電極層、一壓電致動層、一上電極層、一孔板層以及一流道層。基板具有一第一表面及一第二表面，並透過蝕刻製程形成一出口溝槽、一進口溝槽、一出流孔洞、複數個第一進流孔洞以及一第二進流孔洞。出口溝槽與出流孔洞相連通。進口溝槽與複數個第一進流孔洞以及第二進流孔洞相連通。腔體層透過沉積製程形成於基板之第一表面上，且透過蝕刻製程形成一儲流腔室。儲流腔室與出流孔洞、複數個第一進流孔洞以及第二進流孔洞相連通。振動層透過沉積製程形成於腔體層上。下電極層透過沉積製程及蝕刻製程形成於振動層上。壓電致動層透過沉積製程及蝕刻製程形成於下電極層上。上電極層透過沉積製程及蝕刻製程形成於壓電致動層上。孔板層透過蝕刻製程形成一出流口以及一進流口。流道層透過一乾膜材料滾壓製程形成於孔板層之上，透過微影製程形成一出流通道、一進流通道以及複數個柱狀結構，透過覆晶對位製程與熱壓製程接合於基板之第二表面。孔板層之出流口藉由出流通道與基板之出口溝槽相連通。孔板層之進流口藉由進流通道與基板之進口溝槽相連通。提供具有不同相位電荷之驅動電源至上電極層以及下電極層，以驅動並控制振動層產生上下位移，使流體自進流口吸入，通過複數個第一進流孔洞以及第二進流孔洞流至儲流腔室，最後受擠壓經由出流孔洞後自出流口排出以完成流體傳輸。

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。

本案之微流體致動器用於輸送流體，請參閱第1圖，於本案實施例中，微流體致動器100包含有：一基板1a、一腔體層1b、一振動層1c、一下電極層1d、一壓電致動層1e、一上電極層1f、一孔板層1h以及一流道層1i。流道層1i、孔板層1h、基板1a、腔體層1b、振動層1c、下電極層1d、壓電致動層1e以及上電極層1f係依序堆疊結合後形成為一體，其構成如下說明。

請參閱第2A圖，於本案實施例中，基板1a為一種矽基材。基板1a具有一第一表面11a以及一相對於第一表面11a之第二表面12a。於本案實施例中，腔體層1b透過一二氧化矽材料沉積製程形成於基板1a之第一表面11a之上，沉積製程可為一物理氣相沉積製程(PVD)、一化學氣相沉積製程(CVD)或兩者之組合，但不以此為限。於本案實施例中，振動層1c透過一氮化矽材料沉積製程形成於腔體層1b之上。於本案實施例中，下電極層1d透過一金屬材料沉積製程形成於振動層1c之上，下電極層1d為一鉑金屬材料或一鈦金屬材料，但不以此為限。於本案實施例中，壓電致動層1e透過一壓電材料沉積製程形成於下電極層1d之上。於本案實施例中，上電極層1f透過一金屬材料沉積製程形成於壓電致動層1e之上，上電極層1f為一金金屬材料或一鋁金屬材料，但不以此為限。值得注意的是，第2A圖所示之結構，為現有代工技術可製作之結構，故具有低成本之優點。

請參閱第2B圖，於本案實施例中，下電極層1d、壓電致動層1e以及上電極層1f透過微影蝕刻製程蝕刻定義出一作動區M。值得注意的是，於本案實施例中，蝕刻製程可為一濕式蝕刻製程、一乾式蝕刻製程或兩者之組合，但不以此為限。

請參閱第2C圖，於本案實施例中，透過乾式蝕刻製程蝕刻基板1a之第二表面12a以形成一出口溝槽13a以及一進口溝槽14a。出口溝槽13a以及進口溝槽14a具有相同之蝕刻深度，且蝕刻深度為蝕刻至第一表面11a以及第二表面12a之間且不與腔體層1b接觸。

請參閱第2D圖及第2E圖，於本案實施例中，一遮罩層1g透過一二氧化矽材料沉積製程形成於基板1a之第二表面12a上以及出口溝槽13a與進口溝槽14a內。遮罩層1g再透過一精密穿孔製程於出口溝槽13a內形成一第一流通孔11g，於進口溝槽14a內形成複數個第二流通孔12g以及一第三流通孔13g。於本案實施例中，第一流通孔11g之孔徑大於第三流通孔13g之孔徑，第三流通孔13g之孔徑大於每一複數個第二流通孔12g之孔徑，但不以此為限。第一流通孔11g、複數個第二流通孔12g以及第三流通孔13g之穿孔深度為至與基板1a接觸為止，使得基板1a得以露出。於本案實施例中，精密穿孔製程為一準分子雷射加工製程，但不以此為限。

請參閱第2F圖及第3圖，於本案實施例中，基板1a透過低溫深蝕刻製程蝕刻基板1a對應於第一流通孔11g、複數個第二流通孔12g以及第三流通孔13g的部分，藉以形成基板1a之一出流孔洞15a、複數個第一進流孔洞16a以及一第二進流孔洞17a。出流孔洞15a為沿第一流通孔11g蝕刻至與腔體層1b接觸為止所構成，複數個第一進流孔洞16a為分別沿複數個第二流通孔12g蝕刻至與腔體層1b接觸為止所構成，以及第二進流孔洞17a為沿第三流通孔13g蝕刻至與腔體層1b接觸為止所構成。於本案實施例中，低溫深蝕刻製程為一深反應性離子蝕刻製程（BOSCH Process），但不以此為限。請參閱第2E圖及第5A圖，於本案實施例中，遮罩層1g利用準分子雷射加工製程形成第一流通孔11g、複數個第二流通孔12g以及第三流通孔13g時，為了避免穿孔位置或穿孔角度的偏差，於出口溝槽13a及進口溝槽14a之側壁特予保留一緩衝距離e。此外，採用深反應性離子蝕刻製程（BOSCH Process）只對於基板1a之矽材料做蝕刻，因此利用準分子雷射加工製程在基板1a上留有一過蝕深度t，有利於基板1a能確實且容易從過蝕深度t去蝕刻形成出流孔洞15a、複數個第一進流孔洞16a以及第二進流孔洞17a。於本案實施例中，出流孔洞15a、複數個第一進流孔洞16a以及第二進流孔洞17a之最小孔徑為5~50微米(μm)，並且孔徑大小視流體性質而定。接著請參閱第2F圖及第5B圖，出流孔洞15a、每一個第一進流孔洞16a以及第二進流孔洞17a具有一穿孔深度d以及一穿孔孔徑s，所形成之孔洞之深寬比d/s可達40，在實施此加工製程中考量適當孔洞之深寬比d/s可避免加工所產生的高溫影響後端壓電材料之極性分布，造成退極化反應。

請參閱第2G圖，於本案實施例中，腔體層1b再經一濕蝕刻製程於內部蝕刻出一儲流腔室11b。意即，透過蝕刻液由第一流通孔11g、複數個第二流通孔12g以及第三流通孔13g流入，經由出流孔洞15a、複數個第一進流孔洞16a以及第二進流孔洞17a流至腔體層1b，進而蝕刻並釋放移除腔體層1b之部分，藉以定義出一儲流腔室11b。藉此，儲流腔室11b與出流孔洞15a、複數個第一進流孔洞16a以及第二進流孔洞17a相連通。於本案實施例中，濕蝕刻製程利用氫氟酸（HF）蝕刻液蝕刻腔體層1b，但不以此為限。於本案實施例中，腔體層1b厚度為1~5微米(μm)，但不以此為限。值得注意的是，透過濕蝕刻製程成形儲流腔室11b的同時，遮罩層1g亦會被一併移除。完成儲流腔室11b成形與移除遮罩層1g後，基板1a之出口溝槽13a與出流孔洞15a相連通、進口溝槽14a與複數個第一進流孔洞16a以及第二進流孔洞17a相連通。再請參閱第2G圖及第5C圖，於本案實施例中，濕蝕刻製程通常為等向性蝕刻，於本案實施例中，在蝕刻儲液腔室11b時，儲液腔室11b具有一腔體深度r，其等同於腔體層1b之厚度，而濕蝕刻所產生的側蝕距離為r'，因此腔體深度r與側蝕距離r'相等，即為一等向性蝕刻。又由於出流孔洞15a、每一個第一進流孔洞16a以及第二進流孔洞17a的孔徑僅介於5~50微米(μm)之間，而腔體深度r僅介於1~5微米(μm)之間，因此在蝕刻儲液腔室11b時需要一過度蝕刻，以加長蝕刻時間才能將未被蝕刻之餘料移除乾淨。於本案實施例中，以此進行濕蝕刻製程形成儲液腔室11b時，會產生一過蝕距離L，並且過蝕距離L大於側蝕距離為r'，才能使儲液腔室11b範圍內的二氧化矽材料完全被移除。

請參閱第2H圖及第2I圖，於本案實施例中，提供孔板層1h，透過蝕刻製程於孔板層1h蝕刻出一出流口11h以及一進流口12h。於本案實施例中，孔板層1h之蝕刻製程可為一濕蝕刻製程、一乾蝕刻製程或二者之組合，但不以此為限。於本案實施例中，孔板層1h為一不銹鋼材料或一玻璃材料，但不以此為限。

請參閱第2J圖、第2K圖及第4圖，於本案實施例中，流道層1i透過一乾膜材料滾壓製程形成於孔板層1h之上，並透過微影製程於流道層1i上形成一出流通道11i、一進流通道12i以及複數個柱狀結構13i，且構成出流通道11i與孔板層1h之出流口11h相連通，以及構成進流通道12i與孔板層1h之進流口12h相連通。於本案實施例中，複數個柱狀結構13i交錯排列形成於進流通道12i內(如第4圖)，用以過濾流體中之雜質。於本案實施例中，乾膜材料為一感光型高分子乾膜，但不以此為限。

請回到第1圖，流道層1i最後透過一覆晶對位製程以及一熱壓製程接合於基板1a之第二表面12a，形成本案之微流體致動器100。藉此，孔板層1h之出流口11h藉由流道層1i之出流通道11i與基板1a之出口溝槽13a相連通；以及孔板層1h之進流口12h藉由流道層1i之進流通道12i與基板1a之進口溝槽14a相連通。

請參閱第6A圖及第6B圖，於本案實施例中，微流體致動器100的具體作動方式，係提供具有相反相位電荷之驅動電源至上電極層1f以及下電極層1d，以驅動並控制振動層1c產生上下位移。如第6A圖所示，當施加正電壓給上電極層1f以及負電壓給下電極層1d時，壓電致動層1e帶動振動層1c朝向遠離基板1a的方向位移，藉此，外部流體由孔板層1h之進流口12h被吸入至微流體致動器100內，而進入微流體致動器100內的流體接著依序通過流道層1i之進流通道12i、基板1a之進口溝槽14a以及基板1a之複數個第一進流孔洞16a與或第二進流孔洞17a，最後匯集於腔體層1b之儲流腔室11b內。如第6B圖所示，接著轉換上電極層1f以及下電極層1d之電性，施加負電壓給上電極層1f以及正電壓給下電極層1d，如此振動層1c朝向靠近基板1a的方向位移，使儲流腔室11b內體積受振動層1c壓縮，致使匯集於儲流腔室11b內的流體得以依序通過基板1a之出流孔洞15a、基板1a之出口溝槽13a以及流道層1i之出流通道11i後自孔板層1h之出流口11h排出於微流體致動器100外，完成流體之傳輸。

值得注意的是，當微流體致動器100吸入外部流體時，部分外部流體會由孔板層1h之出流口11h被吸入微流體致動器100內，但由於基板1a之出流孔洞15a對應到壓電致動層1c的位置並非位移量最大之區域，所以外部流體自出流口11h被吸入的量相對較少。當微流體致動器100排出流體時，流道層1i之複數個柱狀結構13i對於回流之流體會產生阻尼效果，此外，基板1a之第二進流孔洞17a對應到壓電致動層1c位移量最小的邊緣位置。所以流體自進流口12h被排出的量相對較少。

再者，值得注意的是，基板1a之複數個第一進流孔洞16a流通阻力過大的問題可藉由調整電壓波形、拉長微流體致動器100吸入外部流體的作動時間而改善。

綜上所述，本案提供一微流體致動器，主要以微機電半導體製程來完成的微流體致動器，並且藉由施加不同相位電荷之驅動電源於上電極層以及下電極層，使得振動層產生上下位移，進而達到流體傳輸。如此，微流體致動器能夠在作動時增加流體壓縮比來彌補壓電層位移量過小的缺點，達到傳輸流體之實施可行性及在極微型化結構中產生極大的傳輸效率，極具產業之利用價值，爰依法提出申請。

本案得由熟知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:微流體致動器1a:基板11a:第一表面12a:第二表面13a:出口溝槽14a:進口溝槽15a:出流孔洞16a:第一進流孔洞17a:第二進流孔洞1b:腔體層11b:儲流腔室1c:振動層1d:下電極層1e:壓電致動層1f:上電極層1g:遮罩層11g:第一流通孔12g:第二流通孔13g:第三流通孔1h:孔板層11h:出流口12h:進流口1i:流道層11i:出流通道12i:進流通道13i:柱狀結構e:緩衝距離t:過蝕深度d:穿孔深度s:穿孔孔徑r:腔體深度r':側蝕距離L:過蝕距離M:作動區

第1圖為本案微流體致動器之剖面示意圖。 第2A圖至第2K圖為本案微流體致動器之製造步驟分解示意圖。 第3圖為本案微流體致動器之俯視示意圖。 第4圖為本案微流體致動器之仰視示意圖。 第5A圖至第5C圖為本案為流體致動器之進流孔洞之蝕刻步驟分解示意圖。 第6A圖至第6B圖為本案微流體致動器之作動示意圖。

100:微流體致動器

1a:基板

11a:第一表面

12a:第二表面

13a:出口溝槽

14a:進口溝槽

15a:出流孔洞

16a:第一進流孔洞

17a:第二進流孔洞

1b:腔體層

11b:儲流腔室

1c:振動層

1d:下電極層

1e:壓電致動層

1f:上電極層

1h:孔板層

11h:出流口

12h:進流口

1i:流道層

11i:出流通道

12i:進流通道

13i:柱狀結構

Claims (18)

1. 一種微流體致動器，包含： 一基板，具有一第一表面及一第二表面，透過蝕刻製程形成一出口溝槽、一進口溝槽、一出流孔洞、複數個第一進流孔洞以及一第二進流孔洞，該出口溝槽與該出流孔洞相連通，該進口溝槽與該複數個第一進流孔洞以及該第二進流孔洞相連通； 一腔體層，透過沉積製程形成於該基板之該第一表面上，且透過蝕刻製程形成一儲流腔室，該儲流腔室與該出流孔洞、該複數個第一進流孔洞以及該第二進流孔洞相連通； 一振動層，透過沉積製程形成於該腔體層上； 一下電極層，透過沉積製程及蝕刻製程形成於該振動層上； 一壓電致動層，透過沉積製程及蝕刻製程形成於該下電極層上； 一上電極層，透過沉積製程及蝕刻製程形成於該壓電致動層上； 一孔板層，透過蝕刻製程形成一出流口以及一進流口；以及 一流道層，透過一乾膜材料滾壓製程形成於該孔板層之上，透過微影製程形成一出流通道、一進流通道以及複數個柱狀結構，透過覆晶對位製程與熱壓製程接合於該基板之該第二表面，該孔板層之該出流口藉由該出流通道與該基板之該出口溝槽相連通，該孔板層之該進流口藉由該進流通道與該基板之該進口溝槽相連通； 其中，提供具有不同相位電荷之驅動電源至該上電極層以及該下電極層，以驅動並控制該振動層產生上下位移，使流體自該進流口吸入，通過該複數個第一進流孔洞以及該第二進流孔洞流至該儲流腔室，最後受擠壓經由該出流孔洞後自該出流口排出以完成流體傳輸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中流體自該進流口吸入後，依序通過該進流通道、該進口溝槽以及該複數個第一進流孔洞與該第二進流孔洞流進入該儲流腔室。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該儲流腔室中之流體受擠壓後依序通過該出流孔洞、該出口溝槽以及該出流通道後自該出流口排出。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該複數個柱狀結構形成於該進流通道內。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該基板為一矽基材。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該腔體層為一二氧化矽材料。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該下電極層為一鉑金屬材料。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該下電極層為一鈦金屬材料。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該上電極層為一金金屬材料。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該上電極層為一鋁金屬材料。
11. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該基板透過深反應性離子蝕刻製程形成該出流孔洞、該複數個第一進流孔洞以及該第二進流孔洞。
12. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該腔體層透過氫氟酸濕蝕刻製程形成該儲流腔室。
13. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該孔板層為一不鏽鋼材料。
14. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該孔板層為一玻璃材料。
15. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該流道層之該乾膜材料為一感光型高分子乾膜。
16. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中施加正電壓給該上電極層以及負電壓給該下電極層，使得該壓電致動層帶動該振動層朝向遠離該基板的方向位移。
17. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中施加負電壓給該上電極層以及正電壓給該下電極層，使得該壓電致動層帶動該振動層朝向靠近該基板的方向位移。
18. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中： 施加正電壓給該上電極層以及負電壓給該下電極層，使得該壓電致動層帶動該振動層朝向遠離該基板的方向位移，使外部流體由該進流口被吸入至該微流體致動器內，而進入該微流體致動器內的流體，依序通過該進流通道、該進口溝槽、以及該複數個第一進流孔洞與該第二進流孔洞流，再匯集於該儲流腔室內；以及 轉換該上電極層以及該下電極層之電性，施加負電壓給該上電極層以及正電壓給該下電極層，該振動層朝向靠近該基板的方向位移，使該儲流腔室內體積受該振動層壓縮，致使匯集於該儲流腔室內的流體得以依序通過該出流孔洞、該出口溝槽以及該出流通道後自該出流口排出於該微流體致動器外，完成流體之傳輸。

Images