TW502004B - Electrically discharged micro pump and manufacture method thereof - Google Patents

Description

五、發明說明d) 發明領域： 本發明係有關一種流體應用之幫浦，特別是關於一種 利用车道舰 、/干等體微加工技術製作之放電驅動式微幫浦，及應用 ;微机體系統之設計製造方法，尤其是喷墨印表機噴墨頭 及微型化學分析處理系統等。 發明背景： 近幾年’微幫浦發展迅速，且應用非常廣泛，特別是 應用於微流體系統（Micro Fluids )，微型化學分析處理 ^、、先（Micro Total Analysis System，#TAS)，以及最 韦見的=墨印表機噴墨頭（Ink Jet Print Head )。 最《見之微幫浦驅動方式有熱驅動式及壓電式二種， 5 ί 2 3 ΐ浦製造簡單’沒有致動元件，僅靠加熱方式 抓/同/皿化’藉由汽化所產生氣泡擠壓流體，達到流 七ί j輸出之目的。此種方法最大缺點在於高溫汽化導致 Γ : ί化^質，此點對於生物或化學流體影響特別大，而 加…=式無法達到高速操作，以因應未來之需求。 而^，式微幫浦係利用壓電材料在垂直面 =液滴喷出，其速度快且不影響流體的K 、二从要優但是製作成本高為其最大缺點。 人提出，但是成i，ti”、磁力式及致動器方式皆有 場競爭力。而ii明不如上述二種方式，不具市 浦，其係兼具有：二提：一種全新的放電驅動式微幫 ’則面所达之優點，以有效克服習知技術之

ι^ϋ 第4頁 五、發明說明（2) 該等缺失。 發明目的與概述： 、 本發明之主要目的，係在提出一種放電驅動式微幫 浦/其係利用微放電原理來產生驅動力，以間接驅動一流 體來達到幫浦的目標’並且防止流體品質劣化。 本發明之另一目的，係在提出一種快速的幫浦驅動方 式以利用電場控制的放電原理，達到快速的流體驅動。

、本發明之再一目的，係在提出一種便宜的微幫浦製造 方f ’其係利用半導體微加工技術，達到批量生產，品質 控管且價袼便宜的微幫浦製作。 、 y 為達到上述之目的，本發明所提出之一種放電驅動式 微$浦結構，其主要係為一雙腔體設計，第一腔體充填驅 動冰體’第二腔體充填待驅動流體；藉由一對製作於第一 腔體間的電極，施加脈衝電壓導致電極間產生放電行為， 放f作用在該驅動流體使其產生高溫，該驅動流體因此受 熱％服或南溫汽化產生氣泡，透過該喷射孔擠壓位於第二 腔體之待驅動流體’可以將待驅動流體由出射孔擠壓而 出’達成待驅動流體液滴噴出之功效者。

本發明用以製造一種放電驅動式微幫浦之流程係包括 下列步驟：首先，提供一具有第一面及第二面之矽基板； 在石夕基板的第一面上沈積一絕緣層，並利用光刻技術定義 一接觸孔以裸露部份之該矽基板；再沈積並定義第一電極 於該絕緣層上；接續再沈積並定義一犧牲層於該第一電極

第5頁 502004 五、發明說明（3) 一 及接觸孔上方，沈積並定義第：電極於該犧牲層及絕緣層 上方’以定義該第二電極中央區域的開口為一喷射孔；在 矽基板的第一面上形成一v型凹#，且v型凹槽底部係連接 於該接觸孔；去除該犧牲層*，形成一第一腔體；組裝一 出射板於該第一腔體上方’以形成-第二腔體；最後在第 一腔體及第二腔體中注滿驅動流體及待驅動流體。 底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，舍 容易暸解本發明之目的、技術内容、特點及其所達成之功 效0 圖號說明· 10 石夕基板 12 第一腔體 14 驅動流體 16 喷射孔 18 第一電極 20 第—電極 22 出射板 24 第二腔體 26 待驅動流體 28 V型槽 30 出射孔 32 待驅動流體液滴 34 絕緣層 36 接觸孔 38 犧牲層 詳細說明： 請參閱第一圖，其係為本發明放電驅動式微幫浦之名士 構剖視圖，如圖所示，一微幫浦之基本結構為一雙腔體形 成於一石夕基板10表面，該石夕基板10係具有第—面及第: 面，在該矽基板10第一面上設有第一腔體12，且該第一腔

502004 五、發明說明（4) 體1 2係充滿一驅動流體1 4 ; 一喷射孔1 6位於該第一腔體1 2 上表面，並有一對電極18、20設於第一腔體12上下表面， 且違第一電極1 8係位於唢·射孔1 6下方，而該第二電極2 〇係 環繞於該喷射孔1 6 ;再利用設於矽基板1 〇第一面及該第一 腔體12上方的出射板22，以便在該出射板22與第一腔體12 之間形成第二腔體24，且該第二腔體24係充滿一待驅動流 體26 ;在該矽基板10内係設有一v型槽28，其開口位於矽 基板10的第二面，並蝕穿矽基板1〇，且V型槽28底部設有 之小方形孔係連接該第一腔體丨2，該V型槽28係作為導通 該驅動流體1 4的連接歧道，以連接該第一腔體丨2與該驅動 流體1 4供應槽（圖中未示）’使驅動流體1 4能夠經由V型 槽28而充填於第一腔體12内；另在該出射板22上係設置有 出射孔3 0。 如第二圖所示，在操作該微幫浦時，藉由輸入一適當 之脈衝電壓於該第一電極18及第二電極2〇，即會在該對電 極18 20之間形成放電效應（Eiectricai j)ischarge)， 而產生高溫高熱，而此高溫高熱直接作用於該第一腔體12 内之聰動流體14導致熱膨脹或汽化形成氣泡，形成一往外 推擠的力量’如圖中箭頭所示，透過該喷射孔16擠壓該第 二腔體24内之待驅動流體26，進而將該待驅動流體液滴32 由出射孔30喷出。 本發明之優點在於利用電場直接作用在高阻抗的驅動 流體1 4 ’特別是高純度水，也可以是空氣或其他可以迅速 吸收能量而快速膨脹的流體，此膨脹後的驅動流體丨4再經

502004 j

由喷射孔16擠壓第二腔體24内的待驅動流體“，特

ί ί Ϊ物及化學樣品。如此一來該待驅動流體26係非直： :到電場作用’使得待驅動流體26之品質保持穩 J 有效克服習知現有各種熱驅動式微幫浦設計的缺 :占。同時’本發明之結構亦相當簡單，沒有致動元件 J:相關的穩定性與可靠度問題。再者，#由微放電驅動 方式’亦可以加快操作速度。 以下將以第三a圖至第三6圖之製造流程的 本發明第一圖所示實施例之放電驅動式微幫浦的

如第三&圖所示，提供一石夕基板1〇，其晶向通 吊j ( 〇 )方向的矽晶圓，再沈積一絕緣層34於該矽基 …差山面絕緣層3 4之材質為氮化石夕；並利用光蚀刻技術 疋義出二接觸孔36，以裸露部份之該矽基板1〇。 续爲ίΠ,圖所示，沈積並定義第一電極18於該絕 、、曰上，以第一電極1 8之材質為多晶矽，亦可以是碳化 矽（SiC)或其他高硬度金屬，如白金及鎢等。 再參考第以圖所示，先定義出一犧牲層38於該第一 電極18及該接觸孔36上方，該犧牲層38之材質係為氧化

矽’抑或是多晶矽及光阻材/料；由於該犧牲層38的厚 決疋整個放電式幫浦的操作電壓及放電效能，因此豆产 通常係介於1〜10微米之間。 /、子又 如第三d圖所示，接續沈積並定義第二電極20於該犧 牲層38及該絕緣層34上方，該第二電極2〇之材質為多晶

502004 五、發明說明（6) t，，可以疋碳化石夕或其他高硬度金屬如白金及鎢# J1 中，第二電極y與又㈡兔及螞4。其 fI _中央區域的開口係作為一喷射孔1 6。 1 η繁-而^ 圖所示，以異方性蝕刻溶液，從矽基板 成-第-腔體12，該犧牲層38，以形 互導通者。 以第一腔體12係與該V型凹槽28為相 隨後再透過組奘古4 . , Α 斑篦二e m所-6 /式 有出射孔30之出射板Μ 土=: 件組合起來，此-組裝方式為習 分；’在此不贅述；該出射板材料為鎳或高 及/#叙士疋1301 y 1 m 1 de),緊接著再注滿驅動流體 14及待驅動流體26即形成第一圖所示之微幫浦結構。 雷之背面"型槽的製作也可以由電感搞合 電漿反應式離子蝕刻（稱之為Inductively C⑽pied plasma ICP RIE ’ f歹！| : AIppi十pi finii?、 J ^ Aicatei 601E )，所形成的垂直 管壁ϋ型溝槽（trench )所取代。 x j n 因此，本發明所揭露之放電驅動式微幫浦設計，其係 以間接驅動一流體來達到幫浦的目的，以有效防止流體品 質劣化。且本發明之微幫浦製造方法係利用半導體微加工 技術製作微幫浦，故具有較佳之品質控管及價格便宜之優 點。 以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特 點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之内 容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大

502004 五、發明說明（7) 凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵 蓋在本發明之專利範圍内。 第10頁 502004 圖式簡單說明 圖式說明： 第一圖為本發明放電驅動式微幫浦之結構剖視圖。 第二圖為第一圖所示微幫浦之操作原理示意圖。 第三a圖至第三e圖為本發明製造方法之各流程步驟剖視圖

第11頁

Claims (1)

1. 毳 毳

   六、申請專利範圍

   :=電；動式微幫浦’其係利用微放電原理來產生驅 動力：-半導體微加工技術製作之雙腔 ::體=驅動流體，第二腔體充填待驅動流體；以： 2乍於第一腔體間的電極’施加脈衝電壓導致 電才:間產生放電行為’放電作用在該驅動流體使其產生 ;動流體因此受熱膨脹或高溫汽化產生氣泡擠 ::於5亥第二腔體之待驅動流體’使該待驅動流體液滴 Τ出。 2· 3· 如申請專利範圍第丨項所述之放電驅動式微幫浦 该驅動流體為高純度水。 如申請專利範圍第1項所述之放電驅動式微幫浦 該驅動流體為空氣或高阻抗有機溶劑。 ，其中

   ，其中 如申請專利範圍第1項所述之放電 該該待驅動流體為墨水。 驅動式微幫浦，其中

   如申請專利範圍第1項所述之放電驅動式微幫浦，其中 該待驅動流體為生物及化學樣品。 A 一種放電驅動式微幫浦，包括： 一基板，其係具有第一面及第二面；

   第、腔體，位於该基板的第一面上，且該第一腔體係 充滿一驅動流體； 一喷射孔，位於該第一腔體上表面； 十電極，位於该第一腔體上下表面，其中該下電極係 一位於該噴射孔下方，而該上電極係環繞於該喷射孔； v型槽，位於該基板的第二面，並蝕穿該基板，該v型

   502004 六、申請專利範圍 槽底部設有之小方形孔係連接該第一腔體，該V型槽 係作為導通該驅動流體的連接歧道，以連接該第一曰腔 體與該驅動流體供應槽； ~ 一出射板，位於該基板的第一面及該第一腔體上，· 一第二腔體，位在該出射板與該第一腔體間，該第二腔 體充滿了一待，驅動流體；以及 一 *出射孔，設置於該出射板上且位於該喷射孔上方，以 藉由該對電極，施加脈衝電壓導致 =第-腔體内之驅動流體受溫膨腺或m二皿 ^軋泡，透過該喷射孔擠壓位於第二腔體之待驅 7如Ϊ二：以將該待驅動流體由該出射孔擠壓而出。抓 8.如申請專利範圍第二所V之放？或 該待驅㈣體為墨水或生物及式”浦，其中 .提：放：f動式微幫浦之製造方法，包括下列步驟. 棱供一基板’其係具有第-面及第二面.步驟. 沈積一絕緣層於該矽基板的第— 義-接觸孔，以裰露邱怜夕兮並利用先刻技術定 嗦籍* A iM裸路部伤之該矽基板； :積並疋義第一電極於該絕緣層上； 沈積並定義一犧牲層於該第一及 沈積並定義第二電極於該犧牲層及J =二上方； ，該第二電極中央區域的“ m層上方’並定 形成一 V型凹槽於 -"喷射孑， 、基板的第二面，該V型凹槽底部係連 第13頁 六、 10 π 12, 13. 14· 15. 16· 申請專利範圍 接於該接觸孔； 腔體上方，以形成 腔體及該第二腔體 ^除該犧牲層，以形成一第一腔體 、-且裝:具有出射孔的出射板於該第 一第二腔體；以及 左^驅動流體及待驅動流體於該第 申响專利範圍第9項所述之放電驅動式 去，其中該絕緣層之材料為氮化石夕者。幫▲之製造 .如申請專利範圍第9項所述之放電驅 方法中該第一、二電極之材質為多晶：：浦之製造 方口申請專利範圍第9項所述之放電驅動式 如申？皇中該第一、二電極之材質為碳化矽ΐ :之製造 如申靖專利範圍第9項所述之放電驅動式 法，其中該第一、二電極之材質為古 ，之製造 及鎢等。 孖貨為四硬度金屬如白金 如申凊專利範圍第9項所述之放電驅動式 方法，其中該犧牲層之厚度係介於丨〜^^幫冻之製造 如申請專利範圍第9項所述之放電驅動式^幫 去，其中該該犧牲層之材質為氧化矽者。，之製造 如申請專利範圍第9項所述之放微 歹法’其中該犧牲層之材質為多晶石夕；式微幫、瑜之製造 如申請專利範圍第9項所述之放 以，其中該犧牲層之材質為高微幫浦之製造 17·