TWI681117B

TWI681117B - 微機電泵浦

Info

Publication number: TWI681117B
Application number: TW107133250A
Authority: TW
Inventors: 莫皓然; 余榮侯; 張正明; 戴賢忠; 廖文雄; 黃啟峰; 韓永隆; 蔡長諺
Original assignee: 研能科技股份有限公司
Priority date: 2018-09-17
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2020-01-01
Also published as: TW202012783A

Abstract

一種微機電泵浦，包含：第一基板，其厚度為第一厚度，第一基板具有進氣孔；第一氧化層，疊置第一基板該第一氧化層具有進氣流道及匯流腔室，進氣流道之一端與匯流腔室相通，另一端與進氣孔相通；第二基板，疊置於第一氧化層，其厚度為第二厚度，第二基板具有穿孔，穿孔與第一基板之進氣孔錯位；第二氧化層，疊置於第二基板，其中心凹陷形成氣體腔室；第三基板，疊置於第二氧化層，其厚度為第三厚度，第三基板具有氣體通道，氣體通道與第二基板的穿孔錯位；以及壓電組件，疊置於第三基板。

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所製造的微米等級的微機電泵浦。

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、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，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，透過半導體製程製出且透過薄化製程製出具有一第一厚度，並透過微影蝕刻製出形成具有至少一進氣孔；一第一氧化層，透過體製程製出而疊置該第一基板上，並透過微影蝕刻製程製出形成具有至少一進氣流道及一匯流腔室，該進氣流道之一端與該匯流腔室相通，另一端與該進氣孔相通；一第二基板，透過半導體製程製出且透過薄化製程製出具有一第二厚度，而疊置於該第一氧化層上，並透過微影蝕刻製出形成具有一穿孔，該穿孔與該第一基板之該進氣孔錯位，且該穿孔與該第一氧化層之該匯流腔室相通；一第二氧化層，透過濺鍍半導體製程製出，而疊置於該第二基板上，並透過微影蝕刻製程製出形成中心凹陷之一氣體腔室；一第三基板，透過半導體製程製出且透過薄化製程製出具有一第三厚度，而疊置於該第二氧化層上，並透過微影蝕刻製出形成具有複數個氣體通道，該氣體通道與該第二基板之該穿孔錯位，而該第二氧化層之該氣體腔室分別與該第二基板之該穿孔及該第三基板之該氣體通道相通；以及一壓電組件，透過半導體製程製出而生成疊置於該第三基板上。

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1圖，第1圖為本案之微機電泵浦100之示意圖。本案之微機電泵浦100包含有：一第一基板1、一第二基板2、一第一氧化層3、一第三基板4、一第二氧化層5以及一壓電組件6，且第一基板1、第一氧化層3、第二基板2、第二氧化層5、第三基板4以及壓電組件6依序排列堆疊結合後形成為一體。

上述的第一基板1、第二基板2以及第三基板4可為相同材質的基板，於本實施例中，三者皆為透過一半導體製程之長晶製程所產生的一矽晶片，且長晶製程可為多晶矽生成技術，意味著第一基板1、第二基板2以及第三基板4皆為一種多晶矽的矽晶片基板，而第一基板1的厚度為一第一厚度，第二基板2的厚度為一第二厚度，第三基板4的厚度為一第三厚度，第一基板1可透過薄化製程製出的第一厚度，並能夠大於第三基板4可透過薄化製程製出的第三厚度，而第三基板4可透過薄化製程製出的第三厚度，並能夠大於第二基板2可透過薄化製程出的第二厚度。基板薄化製程係可透過如研磨、蝕刻、切割等方式來達成基板需求的厚度，因此上述之第一厚度透過薄化製程製出厚度為介於150至200微米之間，第二厚度透過薄化製程製出厚度為介於2至5微米之間，第三厚度透過薄化製程製出厚度為介於10至20微米之間。

上述之第一氧化層3與第二氧化層5可為相同材料之薄膜，在本實施例中，第一氧化層3以及第二氧化層5為一種二氧化矽(SiO ₂)薄膜，第一氧化層3以及第二氧化層5可利用濺鍍或高溫氧化等半導體製程方式所生成一厚度之薄膜。而第一氧化層3的厚度為大於第二氧化層5的厚度，於本實施例中，第一氧化層3所生成厚度為介於10至20微米之間，第二氧化層5所生成厚度為介於0.5至2微米之間。

上述之第一基板1透過半導體長晶製程製出一第一上表面12及一第一下表面13，並微影蝕刻製出形成具有至少一進氣孔11，而每個進氣孔11皆由第一下表面13貫穿至第一上表面12，於本實施例中，進氣孔11的數量為2個，但不以此為限，而進氣孔11為了提升進氣效果，將進氣孔11自第一下表面13至第一上表面12呈現漸縮的錐形。

上述之第一氧化層3透過濺鍍或高溫氧化等半導體製程製出疊置於第一基板1的第一上表面12上，第一氧化層3透過微影蝕刻製程製出形成具有至少一進氣流道31以及一匯流腔室32，進氣流道31與第一基板1的進氣孔11其數量及位置相互對應，因此於本實施例中，進氣流道31的數量同樣為2個，2個進氣流道31的一端分別連通至第一基板1的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進入之後，通過其對應之進氣流道31後匯聚至匯流腔室32內。

上述之第二基板2透過半導體長晶製程形成一第二上表面22、一第二下表面23、一共振部24以及一固定部25，並微影蝕刻製出形成具有一穿孔21，穿孔21形成於第二基板2的中心位置，並貫穿第二上表面22及第二下表面23，而穿孔21的周緣區域為共振部24，於共振部24的外圍區域為固定部25，其中，第二基板2的第二下表面23疊置於第一氧化層3上，第二基板2的穿孔21與第一氧化層3的匯流腔室32垂直對應且相通，而穿孔21與第一基板1的進氣孔11錯位設置。

上述之第二氧化層5透過濺鍍或高溫氧化等半導體製程製出疊置於第二基板2的第二上表面22上，且第二氧化層5透過微影蝕刻製程製出形成中央區域凹陷之一氣體腔室51，氣體腔室51與第二基板2的穿孔21及其與穿孔21周緣區域的共振部24垂直對應，使氣體得以通過穿孔21進入氣體腔室51以及共振部24可於氣體腔室51內位移。

上述之第三基板4透過半導體長晶製程形成一第三上表面42、一第三下表面43，並微影蝕刻製出形成具有貫穿第三上表面42及第三下表面43之複數個氣體通道41，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3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同樣為4個。

請再參考第1圖所示，壓電組件6包含有一下電極層61、一壓電層62、一絕緣層63及一上電極層64，壓電組件6可由物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)等薄膜沉積或溶膠-凝膠法(sol-gel)製程，因此本實施例中，上電極層64以及下電極層61透過物理氣相沉積(PVD) 或化學氣相沉積(CVD)等薄膜沉積製成，下電極層61疊置於第三基板4的第三上表面42上，且位於第三基板4的振動部44上，而壓電層62可透過薄膜沉積或溶膠-凝膠法(sol-gel)製成，壓電層62疊置於下電極層61上方，兩者透過其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無法完全遮蔽住下電極層61，在於壓電層62的部分區域以及下電極層61未被壓電層61所遮蔽的區域上疊置形成絕緣層63，最後在於絕緣層63部分區域以及未被絕緣層63遮蔽的壓電層62的部分區域上疊置上電極層64，讓上電極層64得以與壓電層62接觸來電性連接，同時利用絕緣層63阻隔於上電極層64及下電極層61之間，避免兩者直接接觸造成短路。

請在參閱第1圖所示，第一氧化層3位於第一基板1的第一上表面12及第二基板2的第二下表面23之間，第二氧化層5位於第二基板2的第二上表面22及第三基板4的第三下表面43之間，壓電組件6位於第三基板4的第三上表面42上，壓電組件6與位於第三下表面43的第二氧化層5相對，且壓電組件6更可與位於第三下表面43的第二氧化層5的氣體腔室51相對，位於第一基板1以及第二基板2之間的第一氧化層3，其內部的進氣流道31與第一基板1的進氣孔11相通，匯流腔室32與第二基板2的穿孔21相通，讓氣體由第一基板1的進氣孔11進入後通過氣體通道31於匯流腔室32匯聚後由穿孔21向上流動，而位於第二基板2以及第三基板4之間的第二氧化層5，其氣體腔室51與第二基板2的穿孔21及第三基板4的氣體通道41相通，使得氣體得以由穿孔21進入氣體腔室51後，由氣體通道41向上排出，達到傳輸氣體的功效。

請參考第2A圖至第2C圖，為本案用以半導體製程所製出微米等級之微機電泵浦100作動示意圖；請先參閱第2A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向上位移拉開與第二氧化層5之間的距離，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，並導入第一氧化層3的匯流腔室32內；再請繼續參閱第2B圖所示，當振動部44受到壓電組件6的牽引向上位移時，第二基板2的共振部24會因共振原理的影響而向上位移，而共振部24向上位移時，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向上排出，同時，在共振部24向上位移而壓縮氣體腔室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外的氣體由進氣孔11進入其中；最後如第2C圖所示，壓電組件6帶動第三基板4的振動部44向下位移時，第二基板2的共振部24亦受振動部44的帶動而向下位移，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，向外排出，後續壓電組件6再恢復帶動振動部44向上位移時，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2A圖所示)，如此重複第2A圖至第2C圖之操作動作，即可透過壓電組件6持續帶動振動部44上下位移，且同步連動共振部24上下位移，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，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

第1圖為本案微機電泵浦之剖面示意圖。第2A圖至第2C圖為第1圖中本案微機電泵浦之作動示意圖。第3圖為第1圖中本案微機電泵浦之第三基板俯視角度視得示意圖。

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

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

Claims

一種微機電泵浦，包含：一第一基板，透過半導體製程製出且透過薄化製程製出具有一第一厚度，並透過微影蝕刻製出形成具有至少一進氣孔；一第一氧化層，透過半導體製程製出而疊置該第一基板上，並透過一微影蝕刻製程製出形成具有至少一進氣流道及一匯流腔室，該進氣流道之一端與該匯流腔室相通，另一端與該進氣孔相通；一第二基板，透過半導體製程製出且透過薄化製程製出具有一第二厚度，而疊置於該第一氧化層上，並透過微影蝕刻製出形成具有一穿孔，該穿孔與該第一基板之該進氣孔錯位，且該穿孔與該第一氧化層之該匯流腔室相通；一第二氧化層，透過濺鍍半導體製程製出，而疊置於該第二基板上，並透過微影蝕刻製程製出形成中心凹陷之一氣體腔室；一第三基板，透過半導體製程製出且透過薄化製程製出具有一第三厚度，而疊置於該第二氧化層上，並透過微影蝕刻製出形成具有複數個氣體通道，該氣體通道與該第二基板之該穿孔錯位，而該第二氧化層之該氣體腔室分別與該第二基板之該穿孔及該第三基板之該氣體通道相通；以及一壓電組件，透過半導體製程製出而生成疊置於該第三基板上。
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、該第二基板及該第三基板皆透過長晶製程之半導體製程製出之矽晶片。
如申請專利範圍第2項所述之微機電泵浦，其中該矽晶片為一多晶矽晶片。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該薄化製程為一研磨製程製出。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該薄化製程為一蝕刻製程製出。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該薄化製程為一切割製程製出。
申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該壓電組件由一薄膜沉積製程之半導體製程製出。
申請專利範圍第7項所述之微機電泵浦，其中該薄膜沉積製程為一物理氣相沉積製程。
申請專利範圍第7項所述之微機電泵浦，其中該薄膜沉積製程為一化學氣相沉積製程。
申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該壓電組件由溶膠凝膠法製程之半導體製程製出。
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，覆蓋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，其中該第一基板之該進氣孔呈錐形。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該第一厚度介於150至200微米之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該第二厚度介於2至5微米之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該第三厚度介於10~20微米之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該第一厚度大於該第三厚度，該第三厚度大於該第二厚度。
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界於10至20微米之間。
如申請專利範圍第1項所述之微機電泵浦，其中該第二氧化層的厚度介於0.5至2微米之間。
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第二氧化層的厚度。