TW202035871A

TW202035871A - 微機電泵浦

Info

Publication number: TW202035871A
Application number: TW108111384A
Authority: TW
Inventors: 莫皓然; 余榮侯; 張正明; 戴賢忠; 廖文雄; 黃啟峰; 韓永隆; 郭俊毅
Original assignee: 研能科技股份有限公司
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-10-01
Also published as: US11454232B2; US20200309111A1; TWI695934B

Abstract

一種微機電泵浦，包含第一基板、第一氧化層、第二基板以及壓電組件。第一氧化層具有匯流通道及匯流腔室。第二基板結合至第一基板，且包含矽晶片層、第二氧化層及矽材層。矽晶片層具有致動部、外周部、連接部以及流體通道。致動部具有極限應力值及作動應力值。外周部環繞於致動部外圍。連接部連接於致動部與外周部之間。流體通道環繞於致動部外圍，且位於連接部之間。第二氧化層與矽晶片層定義振動腔室。矽材層結合至第一氧化層。壓電組件設於致動部，具有壓電應力值，其中極限應力值大於作動應力值，作動應力值大於壓電應力值。

Description

微機電泵浦

本案係關於一種微機電泵浦，尤指一種透過半導體製程來製作之微機電泵浦。

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、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，而微機電泵浦能夠將流體輸送裝置的尺寸大幅度地縮小，故微機電泵浦明顯為當下微型化之流體輸送裝置的主要發展方向。

請參考第1圖所示，第1圖為目前微機電泵浦的一作動片1a及一壓電片1b，作動片1a包含一致動部11a、一外周部12a、複數個連接部13a及複數個空隙14a，透過施加交流電壓至壓電片1b上，使壓電片1b為壓電材料，將因應交流電壓的電壓值與頻率開始經由逆壓電效應產生形變，來帶動相連的致動部11a上、下位移，透過致動部11a的位移來推動流體，使流體由空隙14a排出，其中，目前的作動片1a的致動部11a、外周部12a及壓電片1b皆為方形，故有壓電片1b的四邊與致動部11a的四邊之間的距離不等長的情況發生，例如壓電片1b的四角與致動部11a的四角之間的第一間距L1大於壓電片1b的四邊與致動部11a四邊的第二間距L2，使得壓電片1b在帶動致動部11a的時候受力不均，造成致動部11a產生最大位移的地方並非在致動部11a的中心區域，而是變成在致動部11a的四角位置，將會有傳輸效率下降的問題；因此，如何提升微機電泵浦的效率外，還能夠穩定的作動為當前主要的研究方向。

本案之主要目的在於提供一種微機電泵浦，用以半導體製程所製造的微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，包含：一第一基板，具有複數個流入孔，該些流入孔呈錐形；一第一氧化層，疊設該第一基板，該第一氧化層具有複數個匯流通道及一匯流腔室，該些匯流通道連通於該匯流腔室及該些流入孔之間；一第二基板，結合至該第一基板，包含：一矽晶片層，具有：一致動部，呈圓形，具有一極限應力值及一作動應力值；一外周部，呈中空環狀，環繞於該致動部的外圍；複數個連接部，分別連接於該致動部與該外周部之間；以及複數個流體通道，環繞於該致動部的外圍，且分別位於該些連接部之間；一第二氧化層，形成於該矽晶片層上，呈中空環狀，並與該矽晶片層定義一振動腔室；一矽材層，呈圓形，位於該第二氧化層且結合至該第一氧化層，具有：一穿孔，形成於該矽材層的中心；一振動部，位於該穿孔的周邊區域；以及一固定部，位於該矽材層的周緣區域；以及一壓電組件，呈圓形，疊設於該矽晶片層的該致動部，具有一壓電應力值；其中，該極限應力值大於該作動應力值，該作動應力值大於該壓電應力值。

體現本案特徵與優點的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。請參閱第2A圖及第2B圖，第2A圖為本案之微機電泵浦100之剖面示意圖，第2B圖為本案之微機電泵浦100之分解示意圖，本案之微機電泵浦100透過微機電製程所產生，理應無法分解，為明確說明其細部特徵，特採用其分解圖說明之；本案之微機電泵浦100包含有：一第一基板2、一第一氧化層3、一第二基板4以及一壓電組件5。

第一基板2為一矽晶片(Si wafer)，其厚度介於150至400微米(μm)之間，第一基板2具有複數個流入孔21、一第一表面22、一第二表面23，於本實施例中，該些流入孔21的數量為4個，但不以此為限，且每個流入孔21皆由第二表面23貫穿至第一表面22，而流入孔21為了提升流入效果，將流入孔21自第二表面23至第一表面22呈現漸縮的錐形。

第一氧化層3為一二氧化矽(SiO₂ )薄膜，其厚度介於10至20微米(μm)之間，第一氧化層3疊設於第一基板2的第一表面22上，第一氧化層3具有複數個匯流通道31以及一匯流腔室32，匯流通道31與第一基板2的流入孔21其數量及位置相互對應。於本實施例中，匯流通道31的數量同樣為4個，4個匯流通道31的一端分別連通至第一基板2的4個流入孔21，而4個匯流通道31的另一端則連通於匯流腔室32，讓流體分別由流入孔21進入之後，通過其對應相連之匯流通道31後匯聚至匯流腔室32內。

請參閱第2A圖與第2B圖，第二基板4為一絕緣層上覆矽之矽晶片(SOI wafer)，包含有：一矽晶片層41、一第二氧化層42以及一矽材層43；矽晶片層41的厚度介於10至20微米(μm)之間，具有一致動部411、一外周部412、複數個連接部413以及複數個流體通道414，致動部411呈圓形，且具有一極限應力值及一作動應力值；外周部412呈中空環狀，環繞於致動部411的外圍；該些連接部413分別位於致動部411與外周部412之間，並且連接兩者，提供彈性支撐的功能。該些流體通道414環繞形成於致動部411的外圍，且分別位於該些連接部413之間。

第二氧化層42係一氧化矽層其厚度介於0.5至2微米(μm)之間，形成於矽晶片層41上，呈中空環狀，並與矽晶片層41定義一振動腔室421。矽材層43呈圓形，位於第二氧化層42且結合至第一氧化層3，矽材層43係二氧化矽(SiO₂ )薄膜，厚度介於2至5微米(μm)之間，具有一穿孔431、一振動部432、一固定部433、一第三表面434及一第四表面435。穿孔431形成於矽材層43的中心，振動部432位於穿孔431的周邊區域，且垂直對應於振動腔室421，固定部433則為矽材層43的周緣區域，由固定部433固定於第二氧化層42，第三表面434與第二氧化層42接合，第四表面435與第一氧化層3接合；壓電組件5疊設於矽晶片層41的致動部411，具有一壓電應力值。前述之致動部411的極限應力值大於作動應力值，作動應力值大於壓電組件5的壓電應力值。

請再參閱第2A圖所示，壓電組件5包含有一下電極層51、壓電層52、絕緣層53及上電極層54，下電極層51疊置於矽晶片層41的致動部411，而壓電層52疊置於下電極層51，兩者透過其接觸的區域做電性連接，此外，壓電層52的寬度小於下電極層51的寬度，使得壓電層52無法完全遮蔽住下電極層51，在於壓電層52的部分區域以及下電極層51未被壓電層52所遮蔽的區域上疊置絕緣層53，最後在於絕緣層53以及未被絕緣層53遮蔽的壓電層52的區域上疊置上電極層54，讓上電極層54得以與壓電層52接觸來電性連接，同時利用絕緣層53阻隔於上電極層54及下電極層51之間，避免兩者直接接觸造成短路。

請在參閱第2A圖所示，第一氧化層3位於第一基板2的第一表面22及第二基板4的矽材層43之間，第二氧化層42位於第二基板4的矽材層43及矽晶片層41之間，壓電組件5位於矽晶片層41的致動部411，將第一基板2、第一氧化層3、第二基板4的矽材層43、第二氧化層42、矽晶片層41、壓電組件5依序排列後結合為一體，位於第一基板2及第二基板4之間的第一氧化層3，其內部的匯流通道31與第一基板2的流入孔21相通，匯流腔室32與矽材層43的穿孔431相通，讓氣體由第一基板2的流入孔21進入後通過匯流通道31於匯流腔室32匯聚後由穿孔431向上流動，而位於矽材層43及矽晶片層41之間的第二氧化層42，其振動腔室421與矽材層43的穿孔431及矽晶片層41的流體通道414相通，使得氣體得以由穿孔431進入振動腔室421後，由流體通道414向上排出，達到傳輸氣體的功效。

上述之第一基板2厚度介於150至400微米之間，矽材層43厚度介於2至5微米之間，第一氧化層3、矽晶片層41厚度介於10至20微米之間。

請參考第3A至第3C圖，第3A至3C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3A圖，當壓電組件5的下電極層51及上電極層54接收外部所傳遞之驅動電壓及驅動訊號(未圖示)後，將其傳導至壓電層52，當壓電層52接受到驅動電壓及驅動訊號後，因逆壓電效應的影響開始產生形變，會帶動矽晶片層41的致動部411開始位移，當壓電組件5帶動致動部411向上位移拉開與第二氧化層42之間的距離，此時，第二氧化層42的振動腔室421的容積將提升，讓振動腔室421內形成負壓，用於將第一氧化層3的匯流腔室32內的氣體通過穿孔431吸入其中。請繼續參閱第3B圖，當致動部411受到壓電組件5的牽引向上位移時，矽材層43的振動部432會因共振原理的影響向上位移，當振動部432向上位移時，會壓縮振動腔室421的空間並且推動振動腔室421內的流體往矽晶片層41的流體通道414移動，讓流體能夠通過流體通道414向上排出，在振動部432向上位移來壓縮振動腔室421的同時，匯流腔室32的容積因振動部432位移而提升，其內部形成負壓，將吸取微機電泵浦100外的流體由流入孔21進入其中，最後如第3C圖所示，壓電組件5帶動矽晶片層41的致動部411向下位移時，將振動腔室421的流體往流體通道414推動，並將流體排出，而矽材層43的振動部432亦受致動部411的帶動向下位移，同步壓縮匯流腔室32的氣體通過穿孔431向振動腔室421移動，後續再將壓電組件5帶動致動部411向上位移時，其振動腔室421的容積會大幅提升，進而有較高的汲取力將氣體吸入振動腔室421，再重複以上的動作，以至於透過壓電組件5持續帶動致動部411上下位移且來連動振動部432上下位移，來改變微機電泵浦100的內部壓力，使其不斷地汲取及排出流體，藉此以完成微機電泵浦100的動作。

本案的微機電泵浦100經由微機電製程來產生微型化的流體泵浦，由於其體積極小的關係，為了提升其傳輸效率，需要使用較高的作動頻率，但過高的作動頻率又可能會造成內部結構的損壞，使用壽命降低，故本案的微機電泵浦100的致動部411，具有極限應力值與作動應力值，其作動應力值須低於極限應力值，避免致動部411龜裂或碎裂，而致動部411的作動應力值會因其本身的面積、壓電組件5的面積以及連接部413的面積受到影響，故需大量的計算與實驗來設計三者之間的關係。

此外，致動部411具有一極限頻率與一作動頻率，當作動頻率大於極限頻率時，會因變形過快而導致致動部411毀損，降低使用壽命，而作動應力值會連帶影響到作動頻率，作動應力值越大，致動部411的變形量就會越大，位移幅度也隨之提升，但作動頻率則會下降，雖然位移幅度提升，但由於變形量過大可能會使致動部411龜裂，且作動頻率連帶降低，未必會有較佳的傳輸效率。反之，作動應力值越小，雖然作動頻率較高，但較高的作動頻率可能會超過極限頻率而損壞，且較小的作動應力值其致動部411的位移幅度也較低。故，微機電泵浦100必須使作動頻率低於極限頻率下，使作動應力值與作動頻率之間取得平衡，以獲得較佳的傳輸效率。

承上所述，本案的微機電泵浦100經大量實驗後得出，矽晶片層41的致動部411其直徑介於400至550微米(μm)之間，壓電組件5的直徑介於150至400微米(μm)之間，且致動部411與壓電組件5的直徑比例介於3.6：1至1.3：1之間，而連接部413與流體通道414面積的比例介於0.7：1至2.7：1之間，在上述條件下的致動部411的極限應力值為200百萬帕(Mpa)，而作動應力值則介於120至160百萬帕(Mpa)之間較佳。其中，壓電組件5本身具有壓電應力值，為避免壓電組件5變形所產生的應力破壞致動部411，故壓電應力值須小於作動應力值，其壓電應力值介於30至60百萬帕(Mpa)之間為較佳。在前述之結構下，致動部411之極限頻率為2百萬赫茲(Mhz)，作動頻率介於0.8至1.9百萬赫茲(Mhz)之間為較佳。

綜上所述，本案提供一微機電泵浦的製作方法，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，且透過同樣為圓型的壓電組件與致動部，使得壓電組件帶動致動部時施力較平均，以及調控致動部、壓電組件的直徑及連接部、流體通道的面積，以調整微機電泵浦的作動應力值(位移距離)及作動頻率，讓微機電泵浦能夠具有較佳的傳輸效率的同時能夠保有極佳的工作壽命，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。

1a:作動片11a:致動部12a:外周部13a:連接部14a:空隙1b:壓電片100:微機電泵浦2:第一基板21:流入孔22:第一表面23:第二表面3:第一氧化層31:匯流通道32:匯流腔室4:第二基板41:矽晶片層411:致動部412:外周部413:連接部414:流體通道42:第二氧化層421:振動腔室43:矽材層431:穿孔432:振動部433:固定部434:第三表面435:第四表面5:壓電組件51:下電極層52:壓電層53:絕緣層54:上電極層L1:第一間距L2:第二間距

第1圖為先前技術中作動片與壓電片的示意圖。第2A圖為本案之微機電泵浦剖面示意圖。第2B圖為本案之微機電泵浦分解示意圖。第3A圖至第3C圖為第2A圖所示之微機電泵浦之作動示意圖。

100:微機電泵浦

2:第一基板

21:流入孔

22:第一表面

23:第二表面

3:第一氧化層

31:匯流通道

32:匯流腔室

4:第二基板

41:矽晶片層

411:致動部

412:外周部

413:連接部

414:流體通道

42:第二氧化層

421:振動腔室

43:矽材層

431:穿孔

432:振動部

433:固定部

434:第三表面

435:第四表面

5:壓電組件

51:下電極層

52:壓電層

53:絕緣層

54:上電極層

Claims

一種微機電泵浦，包含：一第一基板，具有複數個流入孔，該些流入孔呈錐形；一第一氧化層，疊設該第一基板，該第一氧化層具有複數個匯流通道及一匯流腔室，該些匯流通道連通於該匯流腔室及該些流入孔之間；一第二基板，結合至該第一基板，包含：一矽晶片層，具有：一致動部，呈圓形，具有一極限應力值及一作動應力值；一外周部，呈中空環狀，環繞於該致動部的外圍；複數個連接部，分別連接於該致動部與該外周部之間；以及複數個流體通道，環繞於該致動部的外圍，且分別位於該些連接部之間；一第二氧化層，形成於該矽晶片層上，呈中空環狀，並與該矽晶片層定義一振動腔室；一矽材層，呈圓形，位於該第二氧化層且結合至該第一氧化層，具有：一穿孔，形成於該矽材層的中心；一振動部，位於該穿孔的周邊區域；以及一固定部，位於該矽材層的周緣區域；以及一壓電組件，呈圓形，疊設於該矽晶片層的該致動部，具有一壓電應力值；其中，該極限應力值大於該作動應力值，該作動應力值大於該壓電應力值。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該壓電組件更包含：一下電極層；一壓電層，疊置於該下電極層；一絕緣層，鋪設於該壓電層之部分表面及該下電極層之部分表面；以及一上電極層，疊置於該絕緣層及該壓電層未設有絕緣層之其餘表面，用以與該壓電層電性連接。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該第一基板為一矽晶片(Si wafer)。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該第二基板為一絕緣層上覆矽之矽晶片(SOI wafer)。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該第一基板的厚度介於150至400微米(μm)之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該第二基板的該矽材層的厚度介於2至5微米(μm)之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該第二基板的矽晶片層的厚度介於10至20微米(μm)之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該第一氧化層的厚度大於該第二氧化層的厚度。
如申請專利範圍第8項所述之微機電泵浦，其中該第一氧化層的厚度界於10至20微米(μm)之間。
如申請專利範圍第8項所述之微機電泵浦，其中該第二氧化層的厚度介於0.5至2微米(μm)之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該極限應力值係為200百萬帕(Mpa)。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該作動應力值係介於120至160百萬帕(Mpa)之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該壓電應力值係介於30至60百萬帕(Mpa)之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該致動部包含一極限頻率及一作動頻率，該作動頻率低於該極限頻率。
如申請專利範圍第14項所述之微機電泵浦，其中該極限頻率係為2百萬赫茲(Mhz)。
如申請專利範圍第14項所述之微機電泵浦，其中該作動頻率係介於0.8至1.9百萬赫茲(Mhz)之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該些連接部的面積與該些流體通道的面積比例介於0.7：1至2.7：1之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該矽晶片層的該致動部其直徑介於400至550微米(μm)之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該壓電組件的直徑介於150至400微米(μm)之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該致動部的直徑與該壓電組件的直徑其比例介於3.6：1至1.3：1之間。