TW202028608A - 微流體致動器 - Google Patents

Abstract

一種微流體致動器，包含：一基板，具有複數個第一出流孔洞以及複數個第二出流孔洞；一腔體層，具有一儲流腔室；一振動層；一第一金屬層；一壓電致動層；一第二金屬層，具有一上電極焊墊以及一下電極焊墊；一入口層；一共振層；以及一陣列孔片；提供具有不同相位電荷之驅動電源至上電極焊墊以及下電極焊墊，以驅動並控制振動層產生上下位移，使流體自入口層吸入，匯流至儲流腔室，最後受擠壓經由複數個第一出流孔洞以及複數個第二出流孔洞並推開陣列孔片後排出以完成流體傳輸。

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面型及體型加工製程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，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。

現有技術中已發展多種微機電製程製出之微流體致動器，然而，藉創新結構增進流體傳輸之功效，仍為發展之重要內容。

本案之主要目的係提供一種有閥式微流體致動器，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微機電面型及體型加工製程，並輔以封裝技術製作而成。

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、一第一金屬層、一壓電致動層、一隔離層、一第二金屬層、一防水層、一光阻層、一入口層、一流道層、一共振層以及一陣列孔片。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、複數個第一出流孔洞以及複數個第二出流孔洞。出口溝槽與複數個第一出流孔洞以及複數個第二出流孔洞相連通。複數個第二出流孔洞設置在複數個第一出流孔洞的外側。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。儲流腔室與複數個第一出流孔洞以及複數個第二出流孔洞相連通。振動層透過沉積製程形成於腔體層上，且透過蝕刻製程形成複數個流體溝槽以及一振動區。複數個流體溝槽對稱形成於振動層之相對兩側，藉以定義出振動區。第一金屬層透過沉積製程形成於振動層上，且透過蝕刻製程形成一下電極區、複數個阻障區以及複數個間隙。下電極區形成於對應振動區的位置。複數個間隙形成於下電極區與複數個阻障區之間。複數個阻障區對應形成於複數個流體溝槽之外側位置。壓電致動層透過沉積製程形成於第一金屬層上，且透過蝕刻製程於對應第一金屬層之下電極區的位置形成一作動區。隔離層透過沉積製程形成於壓電致動層與第一金屬層上，且透過蝕刻製程於複數個間隙內形成複數個間隙壁。第二金屬層透過沉積製程形成於壓電致動層、第一金屬層以及隔離層上，且透過蝕刻製程於第一金屬層上形成一上電極焊墊以及一下電極焊墊。防水層透過鍍膜製程形成於第一金屬層、第二金屬層以及隔離層上，並透過蝕刻製程露出上電極焊墊以及下電極焊墊。光阻層透過顯影製程形成於第一金屬層、第二金屬層以及防水層上。入口層透過蝕刻製程或雷射製程形成複數個流體入口。流道層形成於入口層上，且透過微影製程形成一入流腔室、複數個入流通道以及複數個流道入口。複數個流道入口分別與入口層之複數個流體入口相連通。複數個入流通道以及複數個流道入口圍繞設置於入流腔室周圍。複數個入流通道連通於複數個流道入口與入流腔室之間。共振層透過滾壓製程形成於流道層上，透過蝕刻製程形成一腔體通孔，且透過翻轉對位製程以及晶圓接合製程接合於光阻層上。陣列孔片透過黏貼製程形成於基板上。陣列孔片具有複數個孔片孔洞。複數個孔片孔洞與複數個第一出流孔洞以及複數個第二出流孔洞相互錯位設置，藉此封閉第一基板之複數個第一出流孔洞以及複數個第二出流孔洞。提供具有不同相位電荷之驅動電源至上電極焊墊以及下電極焊墊，以驅動並控制振動層之振動區產生上下位移，使流體自複數個流體入口吸入，通過複數個入流通道流至入流腔室，再通過腔體通孔流至共振腔室，最後通過複數個流體溝槽流至儲流腔室，再最後受擠壓經由複數個第一出流孔洞以及複數個第二出流孔洞並推開陣列孔片後自複數個孔片孔洞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1A圖以及第1B圖，於本案實施例中，微流體致動器100包含：一第一基板1a、一腔體層1b、一振動層1c、一第一金屬層1d、一壓電致動層1e、一隔離層1f、一第二金屬層1g、一防水層1h、一第二基板1i、一薄膜膠層1j、一入口層1k、一共振層1m、一罩幕層1n、一陣列孔片1o、一第一光阻層M1、一第二光阻層M2、一流道層M3以及一第三光阻層M4。陣列孔片1o、第一基板1a、腔體層1b、振動層1c、第一金屬層1d、壓電致動層1e、隔離層1f、第二金屬層1g、防水層1h、第二光阻層M2、共振層1m、流道層M3以及入口層1k係依序堆疊結合後形成為一體，其製程如下說明。於本案第一實施例中，微流體致動器100包含一致動單元10。

請參閱第2A圖，於本案第一實施例中，第一基板1a為一矽基材。第一基板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。於本案第一實施例中，腔體層1b透過一二氧化矽材料沉積製程形成於第一基板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。於本案第一實施例中，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。

請參閱第2B圖以及第3圖，於本案第一實施例中，振動層1c透過一蝕刻製程形成複數個流體溝槽11c以及一振動區12c。流體溝槽11c對稱形成於振動層1c的相對兩側，藉以定義出振動區12c。值得注意的是，於本案第一實施例中，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。值得注意的是，於本案第一實施例中，振動層1c，具有二流體溝槽11c，分別形成於振動層1c縱向的相對兩側，但不以此為限。

請參閱第2C圖以及第2D圖，於本案第一實施例中，第一金屬層1d透過一第一金屬材料沉積製程形成於振動層1c之上。於本案實施例中，第一金屬材料為一氮化鈦金屬材料或一鉭金屬材料，但不以此為限。第一金屬層1d透過蝕刻製程形成一下電極區11d、複數個阻障區12d、複數個間隙13d以及複數個第一接合對位記號AM1。下電極區11d形成於對應振動層1c之振動區12c的位置。間隙13d形成於下電極區11d與阻障區12d之間。阻障區12d對應形成於振動層1c之流體溝槽11c的外側位置。第一接合對位記號AM1形成於阻障區12d之上。

請參閱第2E圖以及第2F圖，於本案第一實施例中，壓電致動層1e透過一壓電材料沉積製程形成於第一金屬層1d之上，且透過蝕刻製程於對應第一金屬層1d之下電極區11d的位置形成一作動區11e。

請參閱第2G圖以及第2H圖，於本案第一實施例中，隔離層1f透過一二氧化矽材料沉積製程形成於第一金屬層1d以及壓電致動層1e上，且透過蝕刻製程於第一金屬層1d之間隙13d內形成複數個間隙壁11f。

請參閱第2I圖以及第2J圖，於本案第一實施例中，第一光阻層M1透過一光阻塗佈製程形成於第一金屬層1d、壓電致動層1e以及隔離層1f上，並透過一顯影製程形成一第一光阻區M1a。值得注意的是，光阻塗佈製程可為一旋塗（Spin Coating）製程或一層壓（Laminate Rolling）製程，但不以此為限，得以依照製程需求作變更。於本案第一實施例中，第一光阻層M1為一負光阻，但不以此為限。

請參閱第2K圖、第2L圖以及第3圖，於本案第一實施例中，第二金屬層1g透過一第二金屬材料沉積製程形成於第一金屬層1d、壓電致動層1e、該隔離層1f以及第一光阻層M1之第一光阻區M1a之上。於本案第一實施例中，第二金屬材料為一金金屬材料或一鋁金屬材料，但不以此為限。第二金屬層1g透過一掀離（Lift-Off）製程將第一光阻層M1移除，藉以形成一焊墊隔離區11g、一上電極區12g、一上電極焊墊13g以及一下電極焊墊14g。上電極區12g形成於壓電致動層1e之作動區11e之上。上電極焊墊13g以及下電極焊墊14g形成於第一金屬層1d之上，並位於壓電致動層1e之作動區11e之相對兩側。上電極區12g與下電極焊墊14g藉由焊墊隔離區11g相分離。

請參閱第2M圖，於本案第一實施例中，防水層1h透過一鍍膜製程形成於第一金屬層1d、第二金屬層1g以及隔離層1f上，並透過蝕刻製程露出第二金屬層1g之上電極焊墊13g以及下電極焊墊14g。值得注意的是，於本案第一實施例中，防水層1h為一聚對二甲苯（Parylene）材質，但不以此為限。聚對二甲苯可於室溫下鍍膜，並且具有包覆性強、耐化性高以及生物相容性佳等優點。值得注意的是，防水層1h的設置，可避免第一金屬層1d、壓電致動層1e以及第二金屬層1g遭流體腐蝕而產生短路現象。

請參閱第2N圖以及第2O圖，於本案第一實施例中，第二光阻層M2透過光阻塗佈製程形成於第一金屬層1d、第二金屬層1g以及防水層1h上，並透過顯影製程形成複數個第二光阻孔洞M2a以及一第二光阻開口M2b。

請參閱第2P圖、第2Q圖以及第4圖，於本案第一實施例中，第二基板1i為一玻璃基板。薄膜膠層1j透過一滾壓製程形成於第二基板1i上。入口層1k透過滾壓製程形成於薄膜膠層1j。於本案第一實施例中，入口層1k為一聚醯亞胺（Polyimide, PI）材質，但不以此為限。薄膜膠層1j以及入口層1k透過蝕刻製程形成複數個流體入口I以及複數個接合對位記號窗AW。接合對位記號窗AW形成於流體入口I之外側。值得注意的是，成形流體入口I以及接合對位記號窗AW之蝕刻製程為一乾蝕刻製程或一雷射蝕刻製程，但不以此為限。於本案第一實施例中，微流體致動器100具有四個流體入口I，分別位於微流體致動器100之四個角落，於其他實施例中，流體入口I的數量以及分佈方式得依設計需求而變化。

請參閱第2R圖、第2S圖以及第4圖，於本案第一實施例中，流道層M3透過光阻塗佈製程形成於入口層1k上，且透過顯影製程形成複數個流道入口M31、一腔體開口M32以及複數個入流通道M33。流道入口M31分別與入口層1k之流體入口I相連通。流道入口M31以及入流通道M33圍繞設置在腔體開口M32周圍。入流通道M33連通於流道入口M31與腔體開口M32之間。於本案第一實施例中，流道層M3具有四個流道入口M31以及四個入流通道M33，於其他實施例中，流道入口M31以及入流通道M33的數量可以設計需求而變更，不以此為限。於本案第一實施例中，流道層M3為一厚膜光阻，但不以此為限。

請參閱第2T圖以及第2U圖，於本案第一實施例中，共振層1m透過滾壓製程形成於流道層M3上，且透過蝕刻製程形成一腔體通孔11m以及複數個第二接合對位記號AM2。共振層1m覆蓋流道層M3之腔體開口M32，藉以定義出一入流腔室C1。腔體通孔11m與流道層M3之入流腔室C1相連通。第二接合對位記號AM2形成於共振層1m之外側。共振層1m自腔體通孔11m向外延伸至對應入流腔室C1外緣處定義為一可動部12m。共振層1m自可動部12m向外延伸至第二接合對位記號AM2處定義為一固定部13m。值得注意的是，成形共振層1m之蝕刻製程為乾蝕刻製程或雷射蝕刻製程，但不以此為限。

請參閱第2V圖，於本案第一實施例中，共振層1m透過一翻轉對位製程以及一晶圓接合製程接合於第二光阻層M2上。於翻轉對位製程時，利用接合對位記號窗AW與相對應之第一接合對位記號AM1以及相對應之第二接合對位記號AM2相對準，以完成對位製程。值得注意的是，於本案第一實施例中，由於流道層M3以及第二基板1i呈透光性，於翻轉對位製程時，可藉由正面透視對位（Top-Side Transparent Alignment）方法進行人工對位，因此對位精度需求為±10μm。於本案第一實施例中，共振層1m為一聚醯亞胺（Polyimide, PI）材質，但不以此為限。

請參閱第2W圖，於本案第一實施例中，第二基板1i藉由將薄膜膠層1j浸泡藥劑使薄膜膠層1j失去黏性而移除。值得注意的是，於本案第一實施例中，浸泡薄膜膠層1j所需的時間極短，並且薄膜膠層1j與流道層M3的材質特性不同，因此藥劑不會對流道層M3起反應，也不會產生泡脹（Swelling）的問題。

請參閱第2X圖至第2Z圖，於本案第一實施例中，罩幕層1n透過一二氧化矽材料沉積製程形成於第一基板1a之第二表面12a上，且透過蝕刻製程形成一罩幕開口11n以及複數個罩幕孔洞12n，使得第一基板1a露出。第一基板1a之第二表面12a分別沿著罩幕開口11n以及罩幕孔洞12n，透過蝕刻製程形成一出口溝槽13a以及複數個輔助溝槽14a。出口溝槽13a以及輔助溝槽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。輔助溝槽14a對稱設置在出口溝槽13a的相對兩側。每一輔助溝槽14a與出口溝槽13a之間形成一定位柱P。

請參閱第2AA圖及第2AB圖，於本案第一實施例中，罩幕層1n再透過一二氧化矽材料沉積製程形成於第一基板1a之出口溝槽13a以及輔助溝槽14a內，且透過一精密穿孔製程於出口溝槽13a內形成複數個第一罩幕通孔13n以及複數個第二罩幕通孔14n。第二罩幕通孔14n對稱設置於第一罩幕通孔13n的外側。於本案第一實施例中，第一罩幕通孔13n之孔徑小於第二罩幕通孔14n之孔徑，但不以此為限。第一罩幕通孔13n以及第二罩幕通孔14n之穿孔深度為至與第一基板1a接觸為止，使得第一基板1a得以露出。於本案第一實施例中，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2AC圖、第2AD圖以及第5圖，於本案第一實施例中，第一基板1a透過一低溫深蝕刻製程蝕刻第一基板1a對應於第一罩幕通孔13n以及第二罩幕通孔14n的部分，藉以形成第一基板1a之複數個第一出流孔洞15a以及複數個第二出流孔洞16a。第一出流孔洞15a為分別沿第一罩幕通孔13n蝕刻至與腔體層1b接觸為止所構成，以及第二出流孔洞16a為分別沿第二罩幕通孔14n蝕刻至與腔體層1b接觸為止所構成。藉此，第二出流孔洞16a設置在第一出流孔洞15a的外側，並且每一第二出流孔洞16a之孔徑大於每一第一出流孔洞15a之孔徑。於本案第一實施例中，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。於本案第一實施例中，每一第一出流孔洞15a以及每一第二出流孔洞16a具有方形之截面，但不以此為限。

值得注意的是，於本案第一實施例中，罩幕層1n利用準分子雷射加工製程形成第一罩幕通孔13n以及第二罩幕通孔14n來克服光阻不易塗佈以及接觸式光罩曝光難以聚焦等問題。此外，於本案第一實施例中，深反應性離子蝕刻製程（BOSCH Process）屬於低溫製程，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。再者，於本案第一實施例中，深反應性離子蝕刻製程（BOSCH Process）所形成之穿孔具有高深寬比（Aspect Ratio），所以穿孔之蝕刻深度以100μm為宜，使得穿孔之孔徑可以達到10μm以下，藉此維持結構的強度。於本案第一實施例中，出口溝槽13a的設置使得深反應性離子蝕刻製程（BOSCH Process）所形成之穿孔得以降低。

請參閱第2AD圖，於本案第一實施例中，腔體層1b再經一濕蝕刻製程於內部蝕刻出一儲流腔室C3。意即，透過蝕刻液由第一罩幕通孔13n以及第二罩幕通孔14n流入，經由第一出流孔洞15a以及第二出流孔洞16a流至腔體層1b，進而蝕刻並釋放移除腔體層1b之部分，藉以定義出儲流腔室C3。藉此，儲流腔室C3與第一出流孔洞15a以及第二出流孔洞16a相連通。值得注意的是，透過濕蝕刻製程成形儲流腔室C3的同時，罩幕層1n亦會被一併移除。完成儲流腔室C3成形與移除罩幕層1n後，第一出流孔洞15a以及第二出流孔洞16a與出口溝槽13a相連通。

值得注意的是，於本案第一實施例中，由於儲流腔室C3周圍兩側距離略大於出口溝槽13a之兩側距離，因此每一第二出流孔洞16a之孔徑大於每一第一出流孔洞15a之孔徑之設置有利於儲流腔室C3的腔體側蝕。

請參閱第2AE圖至第2AG圖，於本案第一實施例中，第三光阻層M4透過滾壓製程形成於入口層1k上，且透過顯影製程形成複數個第三光阻開口M41。第三光阻開口M41對應上電極焊墊13g以及下電極焊墊14g的位置而設置。上電極焊墊13g以及下電極焊墊14g透過蝕刻製程移除位於上電極焊墊13g以及下電極焊墊14g上之結構，使得上電極焊墊13g以及下電極焊墊14g得以露出。於本案第一實施例中，第三光阻層M4為一硬遮罩乾膜光阻，但不以此為限。值得注意的是，為了避免第一基板1a完成蝕刻後的結構支撐力不足，第三光阻層M4的覆膜也可在完成共振層1m與第二光阻層M2的晶圓接合製程後先進行，但不以此為限。

請參閱第2AH圖以及第5圖，於本案第一實施例中，陣列孔片1o具有複數個孔片孔洞11o以及複數個定位孔12o，並透過一黏貼製程貼附於第一基板1a之出口溝槽13a以及輔助溝槽14內。孔片孔洞11o與第一出流孔洞15a以及第二出流孔洞16a相互錯位設置，藉此封閉第一出流孔洞15a以及第二出流孔洞16a，以構成一單向閥，避免在傳輸流體時發生流體回流的現象。第一基板1a之定位柱P分別穿過定位孔12o。於本案第一實施例中，第一基板1a之定位柱P的設置使得黏貼陣列孔片1o時可以以人工定位，並藉由膠合方式固定，於其他實施例中，陣列孔片1o可以以光學自動對位方式進行定位，如此可增加陣列孔片1o之孔片孔洞11o以及與第一基板1a之第一出流孔洞15a以及第二出流孔洞16a的設置密集度。於本案第一實施例中，每一定位孔12o的孔徑大於每一定位柱P的孔徑50μm，但不以此為限。於本案第一實施例中，陣列孔片1o為一聚醯亞胺（Polyimide, PI）材質，但不以此為限。於本案第一實施例中，陣列孔片1o具有二定位孔12o，於其他實施例中，定位孔12o的數量可依設計需求而變更，不以此為限。

請參閱第3圖，值得注意的是，於本案第一實施例中，振動層1c之二流體溝槽11c分別形成於振動層1c縱向的相對兩側，如此，以振動層1c之橫向支撐，可使得振動層1c在縱向有較佳之變形量。

請參閱第1A圖、第1B圖、第6A圖至第6E圖，於本案第一實施例中，微流體致動器100的具體作動方式，係提供具有不同相位電荷之驅動電源至上電極焊墊13g以及下電極焊墊14g，以驅動並控制振動層1c之振動區12c產生上下位移。如第1A圖以及第6A圖所示，當施加負電壓給上電極焊墊13g以及正電壓給下電極焊墊14g時，壓電致動層1e之作動區11e帶動振動層1c之振動區12c朝向靠近第一基板1a的方向位移。藉此，外部流體由流體入口I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M3之流道入口M31、入流通道M33流至入流腔室C1，再通過共振層1m之腔體通孔11m流至內共振腔室C2。如第1A圖以及第6B圖所示，停止施加電壓給上電極焊墊13g以及下電極焊墊14g，使得壓電致動層1e之作動區11e帶動振動層1c之振動區12c回復到未被致動的位置。此時，共振層1m之可動部12m因共振而位移，朝向靠近第一基板1a的方向位移並貼附於防水層1h上，使得共振層1m之腔體通孔11m與共振腔室C2不連通。藉此，共振腔室C2內的流體被擠壓後通過振動層1c之流體溝槽11c匯入腔體層1b之儲流腔室C3內。如第1A圖以及第6C圖所示，接著轉換上電極焊墊13g以及下電極焊墊14g之電性，施加正電壓給上電極焊墊13g以及負電壓給下電極焊墊14g，如此振動層1c之振動區12c朝向遠離第一基板1a的方向位移，以及共振層1m之可動部12m回復到未產生共振位移時的位置，使共振腔室C2內體積受振動層1c壓縮，致使匯集於儲流腔室C3內的流體開始注入第一出流孔洞15a以及第二出流孔洞16a。如第1A圖以及第6D圖所示，再停止施加電壓給上電極焊墊13g以及下電極焊墊14g，使得壓電致動層1e之作動區11e帶動振動層1c之振動區12c回復到未被致動的位置。此時，共振層1m之可動部12m因共振而位移，朝向遠離第一基板1a的方向位移並貼附於入口層1k上，使得共振層1m之腔體通孔11m與入流腔室C1不連通。藉此，儲流腔室C3內的流體被擠壓後通過第一出流孔洞15a以及第二出流孔洞16a後推開陣列孔片1o。如第1A圖以及第6E圖所示，當共振層1m之可動部12m停止共振並回復到未產生共振位移時的位置，流體通過陣列孔片1o的孔片孔洞11o後排出於微流體致動器100外，以完成流體之傳輸。

請參閱第7A圖，本案第二實施例與第一實施例大致相同，不同之處在於微流體致動器100'包含二個致動單元10，藉以增加流量輸出。

請參閱第7B圖，於本案其他實施例中，微流體致動器100"包含複數個致動單元10。複數個致動單元10可藉串聯、並聯或串並聯方式設置，藉以增加流量輸出，複數個致動單元10的設置方式可依照使用需求而設計，不以此為限。

請參閱第8圖，本案第三實施例與第一實施例大致相同，不同之處在於微流體致動器100'"之定位柱P'"以及陣列孔片1o'"之定位孔12o'"對稱設置於第一基板1a'''之相對角落，並且每一第一出流孔洞15a'"以及每一第二出流孔洞16a'"具有一圓形截面。此外，陣列孔片1o'"具有一支架部13o'"，用以增加陣列孔片1o'"之伸張量，達到一彈簧之效果。於本案第三實施例中，陣列孔片1o'"可用以過濾流體中的雜質，增加微流體致動器100'"中元件的可靠性及使用壽命。

請參閱第9A圖至第9C圖，本案第四實施例與第一實施例大致相同，不同之處在於翻轉對位製程以及晶圓接合製程不同。由於第一基板1a與第二基板1i的熱傳導差異大，加上晶圓接合製程易有熱應力及氣泡（Void）等問題發生，因此，先成形第一基板1a、腔體層1b、振動層1c、第一金屬層1d、壓電致動層1e、隔離層1f、第二金屬層1g、防水層1h、第二光阻層M2以及共振層1m成為一單顆半成品後，再另外於入口層1k上進行滾壓及顯影製程成形流道層M3，最後翻轉入口層1k及流道層M3以覆晶（Flip Chip）方式與前述單顆半成品進行光學雙面對位完成接合。此外，為了減少第一基板1a經過蝕刻製程後產生脆裂的可能，可先於接合表面進行活性處理，藉此降低熱壓時的壓力。於本案第四實施例中，入口層1k為一電鑄或不銹鋼材質，藉以增加入口層1k之剛性，但不以此為限。

本案提供一微流體致動器，主要以微機電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焊墊以及下電極焊墊，使得振動層之振動區產生上下位移，進而達到流體傳輸。此外，藉由貼覆一陣裂孔片於出流孔洞上，作為一單向閥，避免流體回流現象發生，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、100'、100"、100'":微流體致動器10:致動單元1a、1a'":第一基板11a:第一表面12a:第二表面13a:出口溝槽14a:輔助溝槽15a、15a'":第一出流孔洞16a、16a'":第二出流孔洞1b:腔體層1c:振動層11c:流體溝槽12c:振動區1d:第一金屬層11d:下電極區12d:阻障區13d:間隙1e:壓電致動層11e:作動區1f:隔離層11f:間隙壁1g:第二金屬層11g:焊墊隔離區12g:上電極區13g:上電極焊墊14g:下電極焊墊1h:防水層1i:第二基板1j:薄膜膠層1k:入口層1m:共振層11m:腔體通孔12m:可動部13m:固定部1n:罩幕層11n:罩幕開口12n:罩幕孔洞13n:第一罩幕通孔14n:第二罩幕通孔1o、1o'":陣列孔片11o:孔片孔洞12o、12o'":定位孔13o'":支架部AM1:第一接合對位記號AM2:第二接合對位記號AW:接合對位記號窗C1:入流腔室C2:共振腔室C3:儲流腔室I:流體入口M1:第一光阻層M1a:第一光阻區M2:第二光阻層M2a:第二光阻孔洞M2b:第二光阻開口M3:流道層M31:流道入口M32:腔體開口M33:入流通道M4:第三光阻層M41:第三光阻開口P、P'":定位柱

第1A圖為本案微流體致動器之第一實施例之正面剖面示意圖。 第1B圖為本案第一實施例之側面剖面示意圖。 第2A圖至第2AH圖為本案第一實施例之製造步驟分解示意圖。 第3圖為本案第一實施例之俯視示意圖。 第4圖為本案第一實施例之入口層之俯視示意圖。 第5圖為本案第一實施例之流通孔之俯視示意圖。 第6A圖至第6E圖為本案第一實施例之作動示意圖。 第7A圖為本案微流體致動器之第二實施例之剖面示意圖。 第7B圖為本案其他實施例之仰視示意圖。 第8圖為本案第三實施例之陣列孔片之仰視示意圖。 第9A圖至第9C圖為本案第四實施例之翻轉對位製程以及晶圓接合製程示意圖。

100:微流體致動器

10:致動單元

1a:第一基板

11a:第一表面

12a:第二表面

13a:出口溝槽

14a:輔助溝槽

15a:第一出流孔洞

16a:第二出流孔洞

1b:腔體層

1c:振動層

12c:振動區

1d:第一金屬層

11d:下電極區

12d:阻障區

1e:壓電致動層

11e:作動區

1f:隔離層

11f:間隙壁

1g:第二金屬層

13g:上電極焊墊

14g:下電極焊墊

1h:防水層

1k:入口層

1m:共振層

11m:腔體通孔

12m:可動部

13m:固定部

1o:陣列孔片

11o:孔片孔洞

C1:入流腔室

C2:共振腔室

C3:儲流腔室

I:流體入口

M2:第二光阻層

M3:第三光阻層

P:定位柱

Claims (23)

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、複數個第一出流孔洞以及複數個第二出流孔洞，該出口溝槽與該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞相連通，該複數個第二出流孔洞設置在該複數個第一出流孔洞的外側； 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，該儲流腔室與該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞相連通； 一振動層，透過沉積製程形成於該腔體層上，且透過蝕刻製程形成複數個流體溝槽以及一振動區，該複數個流體溝槽對稱形成於該振動層之相對兩側，藉以定義出該振動區； 一第一金屬層，透過沉積製程形成於該振動層上，且透過蝕刻製程形成一下電極區、複數個阻障區以及複數個間隙，該下電極區形成於對應該振動區的位置，該複數個間隙形成於該下電極區與該複數個阻障區之間，該複數個阻障區對應形成於該複數個流體溝槽之外側位置； 一壓電致動層，透過沉積製程形成於該第一金屬層上，且透過蝕刻製程於對應該第一金屬層之該下電極區的位置形成一作動區； 一隔離層，透過沉積製程形成於該壓電致動層與該第一金屬層上，且透過蝕刻製程於該複數個間隙內形成複數個間隙壁； 一第二金屬層，透過沉積製程形成於該壓電致動層、該第一金屬層以及該隔離層上，且透過蝕刻製程於該第一金屬層上形成一上電極焊墊以及一下電極焊墊； 一防水層，透過鍍膜製程形成於該第一金屬層、該第二金屬層以及該隔離層上，並透過蝕刻製程露出該上電極焊墊以及該下電極焊墊； 一光阻層，透過顯影製程形成於該第一金屬層、該第二金屬層以及該防水層上； 一入口層，透過蝕刻製程或雷射製程形成複數個流體入口； 一流道層，形成於該入口層上，且透過微影製程形成一入流腔室、複數個入流通道以及複數個流道入口，該複數個流道入口分別與該入口層之該複數個流體入口相連通，該複數個入流通道以及該複數個流道入口圍繞設置於該入流腔室周圍，該複數個入流通道連通於該複數個流道入口與該入流腔室之間； 一共振層，透過滾壓製程形成於該流道層上，透過蝕刻製程形成一腔體通孔，且透過翻轉對位製程以及晶圓接合製程接合於該光阻層上；以及 一陣列孔片，透過黏貼製程形成於該基板上，該陣列孔片具有複數個孔片孔洞，該複數個孔片孔洞與該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞相互錯位設置，藉此封閉該基板之該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞； 其中，提供具有不同相位電荷之驅動電源至該上電極焊墊以及該下電極焊墊，以驅動並控制該振動層之該振動區產生上下位移，使流體自該複數個流體入口吸入，通過該複數個入流通道流至該入流腔室，再通過該腔體通孔流至該共振腔室，通過該複數個流體溝槽流至該儲流腔室，最後受擠壓經由該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞並推開該陣列孔片後自該複數個孔片孔洞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，其中該上電極焊墊以及該下電極焊墊分別形成於該壓電致動層之相對兩側。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中每一該第二出流孔洞具有一孔徑大於每一該第一出流孔洞之孔徑。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該基板透過蝕刻製程形成複數個輔助溝槽，對稱形成於該出口溝槽之相對兩側。
5. 如申請專利範圍第4項所述之微流體致動器，其中每一該輔助溝槽與該出口溝槽之間形成一定位柱，該定位柱用以定位該陣列孔片。
6. 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。
7. 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。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該振動層為一氮化矽材料。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該第一金屬層為一氮化鈦金屬材料。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該第一金屬層為一鉭金屬材料。
11. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該隔離層為一二氧化矽材料。
12. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該第二金屬層為一金金屬材料。
13. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該第二金屬層為一鋁金屬材料。
14. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該基板透過深反應性離子蝕刻製程形成該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞。
15. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該腔體層透過濕蝕刻製程形成該儲流腔室。
16. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該光阻層為一厚膜光阻。
17. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該共振層透過乾蝕刻製程形成該腔體通孔。
18. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器，其中該共振層透過雷射蝕刻製程形成該腔體通孔。
19. 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焊墊以及負電壓給該下電極焊墊，使得該壓電致動層之作動區帶動該振動層之該振動區朝向遠離該基板的方向位移。
20. 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焊墊以及正電壓給該下電極焊墊，使得該壓電致動層之作動區帶動該振動層之該振動區朝向靠近該基板的方向位移。
21. 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焊墊以及正電壓給該下電極焊墊，使得該壓電致動層之作動區帶動該振動層之該振動區朝向靠近該基板的方向位移，藉此，外部流體由該複數個流體入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，依序通過該複數個入流通道流至該入流腔室，再通過該腔體通孔流至該共振腔室，最後通過該複數個流體溝槽匯集於該儲流腔室內；以及 轉換該上電極焊墊以及該下電極焊墊之電性，施加正電壓給該上電極焊墊以及負電壓給該下電極焊墊，如此該振動層之該振動區朝向遠離該基板的方向位移，致使匯集於該儲流腔室內的流體得以依序通過該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞後自該複數個孔片孔洞排出於該微流體致動器外，完成流體之傳輸。
22. 一種微流體致動器，包含複數個致動單元，每一個致動單元包含： 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、複數個第一出流孔洞以及複數個第二出流孔洞，該出口溝槽與該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞相連通，該複數個第二出流孔洞設置在該複數個第一出流孔洞的外側； 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，該儲流腔室與該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞相連通； 一振動層，透過沉積製程形成於該腔體層上，且透過蝕刻製程形成複數個流體溝槽以及一振動區，該複數個流體溝槽對稱形成於該振動層之相對兩側，藉以定義出該振動區； 一第一金屬層，透過沉積製程形成於該振動層上，且透過蝕刻製程形成一下電極區、複數個阻障區以及複數個間隙，該下電極區形成於對應該振動區的位置，該複數個間隙形成於該下電極區與該複數個阻障區之間，該複數個阻障區對應形成於該複數個流體溝槽之外側位置； 一壓電致動層，透過沉積製程形成於該第一金屬層上，且透過蝕刻製程於對應該第一金屬層之該下電極區的位置形成一作動區； 一隔離層，透過沉積製程形成於該壓電致動層與該第一金屬層上，且透過蝕刻製程於該複數個間隙內形成複數個間隙壁； 一第二金屬層，透過沉積製程形成於該壓電致動層、該第一金屬層以及該隔離層上，且透過蝕刻製程於該第一金屬層上形成一上電極焊墊以及一下電極焊墊； 一防水層，透過鍍膜製程形成於該第一金屬層、該第二金屬層以及該隔離層上，並透過蝕刻製程露出該上電極焊墊以及該下電極焊墊； 一光阻層，透過顯影製程形成於該第一金屬層、該第二金屬層以及該防水層上； 一入口層，透過蝕刻製程或雷射製程形成複數個流體入口； 一流道層，形成於該入口層上，且透過微影製程形成一入流腔室、複數個入流通道以及複數個流道入口，該複數個流道入口分別與該入口層之該複數個流體入口相連通，該複數個入流通道以及該複數個流道入口圍繞設置於該入流腔室周圍，該複數個入流通道連通於該複數個流道入口與該入流腔室之間； 一共振層，透過滾壓製程形成於該流道層上，透過蝕刻製程形成一腔體通孔，且透過翻轉對位製程以及晶圓接合製程接合於該光阻層上；以及 一陣列孔片，透過黏貼製程形成於該基板上，該陣列孔片具有複數個孔片孔洞，該複數個孔片孔洞與該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞相互錯位設置，藉此封閉該基板之該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞； 其中，提供具有不同相位電荷之驅動電源至該上電極焊墊以及該下電極焊墊，以驅動並控制該振動層之該振動區產生上下位移，使流體自該複數個流體入口吸入，通過該複數個入流通道流至該入流腔室，再通過該腔體通孔流至該共振腔室，通過該複數個流體溝槽流至該儲流腔室，最後受擠壓經由該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞並推開該陣列孔片後自該複數個孔片孔洞排出以完成流體傳輸；以及 其中，該複數個致動單元以串聯、並聯或串並聯方式連接設置，藉以增加流體之傳輸流量。
23. 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，透過蝕刻製程形成至少一出口溝槽、複數個第一出流孔洞以及複數個第二出流孔洞，該至少出口溝槽與該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞相連通； 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至少一儲流腔室，該至少儲流腔室與該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞相連通； 一振動層，透過沉積製程形成於該腔體層上，且透過蝕刻製程形成複數個流體溝槽以及至少一振動區，該複數個流體溝槽對稱形成於該振動層之相對兩側，藉以定義出該至少一振動區； 一第一金屬層，透過沉積製程形成於該振動層上，且透過蝕刻製程形成至少一下電極區、複數個阻障區以及複數個間隙，該至少一下電極區形成於對應該至少一振動區的位置，該複數個間隙形成於該至少一下電極區與該複數個阻障區之間； 一壓電致動層，透過沉積製程形成於該第一金屬層上，且透過蝕刻製程於對應該第一金屬層之該至少一下電極區的位置形成至少一作動區； 一隔離層，透過沉積製程形成於該壓電致動層與該第一金屬層上，且透過蝕刻製程於該複數個間隙內形成複數個間隙壁； 一第二金屬層，透過沉積製程形成於該壓電致動層、該第一金屬層以及該隔離層上，且透過蝕刻製程於該第一金屬層上形成至少一上電極焊墊以及至少一下電極焊墊； 一防水層，透過鍍膜製程形成於該第一金屬層、該第二金屬層以及該隔離層上，並透過蝕刻製程露出該至少一上電極焊墊以及該至少一下電極焊墊； 一光阻層，透過顯影製程形成於該第一金屬層、該第二金屬層以及該防水層上； 一入口層，透過蝕刻製程或雷射製程形成複數個流體入口； 一流道層，形成於該入口層上，且透過微影製程形成至少一入流腔室、複數個入流通道以及複數個流道入口，該複數個流道入口分別與該入口層之該複數個流體入口相連通，該複數個入流通道以及該複數個流道入口圍繞設置於該至少一入流腔室周圍，該複數個入流通道連通於該複數個流道入口與該至少一入流腔室之間； 一共振層，透過滾壓製程形成於該流道層上，透過蝕刻製程形成至少一腔體通孔，且透過翻轉對位製程以及晶圓接合製程接合於該光阻層上；以及 一陣列孔片，透過黏貼製程形成於該基板上，該陣列孔片具有複數個孔片孔洞，該複數個孔片孔洞與該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞相互錯位設置，藉此封閉該基板之該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞； 其中，提供具有不同相位電荷之驅動電源至該至少一上電極焊墊以及該至少一下電極焊墊，以驅動並控制該振動層之該至少一振動區產生上下位移，使流體自該複數個流體入口吸入，通過該複數個入流通道流至該至少一入流腔室，再通過該至少一腔體通孔流至該至少一共振腔室，通過該複數個流體溝槽流至該至少一儲流腔室，最後受擠壓經由該複數個第一出流孔洞以及該複數個第二出流孔洞並推開該陣列孔片後自該複數個孔片孔洞排出以完成流體傳輸。

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