CN111217316A - 微流体致动器 - Google Patents

Abstract

一种微流体致动器，包含一基板、一腔体层、一振动层、一下电极层、一上电极层、一孔板层及一流道层。基板透过蚀刻制程形成一出流孔洞、多个第一进流孔洞以及一第二进流孔洞。腔体层形成于基板上，并透过蚀刻制程形成一储流腔室。振动层形成于腔体层上。下电极层形成于振动层上。压电致动层形成于下电极层上。上电极层形成于压电致动层上。孔板层透过蚀刻制程形成一出流口以及一进流口。流道层形成于孔板层之上，透过光刻制程形成一出流通道及一进流通道，并接合于基板。提供驱动电源至上电极层及下电极层，以驱动并控制振动层产生上下位移，以完成流体传输。

Description

微流体致动器

技术领域

本案关于一种致动器，尤指一种使用微机电半导体薄膜制作的微流体致动器。

背景技术

目前于各领域中无论是医药、电脑科技、打印、能源等工业，产品均朝精致化及微小化方向发展，其中微帮浦、喷雾器、喷墨头、工业打印装置等产品所包含的流体致动器为其关键技术。

随着科技的日新月异，流体输送结构的应用上亦愈来愈多元化，举凡工业应用、生医应用、医疗保健、电子散热等等，甚至近来热门的穿戴式装置皆可见它的踨影，可见传统的流体致动器已渐渐有朝向装置微小化、流量极大化的趋势。

于现有技术中，虽已有利用微机电制程制出的微流体致动器，但由于已知的微流体致动器在作动时，压电层的位移量过小导致所传输的流量不足，是以，如何借创新结构突破其技术瓶颈，为发展的重要内容。

发明内容

本案的主要目的是提供一种微流体致动器，使用微机电制程制作，可传输流体。本案的微流体致动器使用半导体薄膜制作，因此其储流腔室的深度可设计的非常浅，借以增加作动时的流体压缩比，来弥补压电层位移量过小的缺点。

本案的一广义实施态样为一种微流体致动器，包含一基板、一腔体层、一振动层、一下电极层、一压电致动层、一上电极层、一孔板层以及一流道层。基板具有一第一表面及一第二表面，并透过蚀刻制程形成一出口沟槽、一进口沟槽、一出流孔洞、多个第一进流孔洞以及一第二进流孔洞。出口沟槽与出流孔洞相连通。进口沟槽与多个第一进流孔洞以及第二进流孔洞相连通。腔体层透过沉积制程形成于基板的第一表面上，且透过蚀刻制程形成一储流腔室。储流腔室与出流孔洞、多个第一进流孔洞以及第二进流孔洞相连通。振动层透过沉积制程形成于腔体层上。下电极层透过沉积制程及蚀刻制程形成于振动层上。压电致动层透过沉积制程及蚀刻制程形成于下电极层上。上电极层透过沉积制程及蚀刻制程形成于压电致动层上。孔板层透过蚀刻制程形成一出流口以及一进流口。流道层透过一干膜材料滚压制程形成于孔板层的上，透过光刻制程形成一出流通道、一进流通道以及多个柱状结构，透过覆晶对位制程与热压制程接合于基板的第二表面。孔板层的出流口借由出流通道与基板的出口沟槽相连通。孔板层的进流口借由进流通道与基板的进口沟槽相连通。提供具有不同相位电荷的驱动电源至上电极层以及下电极层，以驱动并控制振动层产生上下位移，使流体自进流口吸入，通过多个第一进流孔洞以及第二进流孔洞流至储流腔室，最后受挤压经由出流孔洞后自出流口排出以完成流体传输。

附图说明

图1为本案微流体致动器的剖面示意图。

图2A至图2K为本案微流体致动器的制造步骤分解示意图。

图3为本案微流体致动器的俯视示意图。

图4为本案微流体致动器的仰视示意图。

图5A至图5C为本案为流体致动器的进流孔洞的蚀刻步骤分解示意图。

图6A至图6B为本案微流体致动器的作动示意图。

附图标记说明

100：微流体致动器

1a：基板

11a：第一表面

12a：第二表面

13a：出口沟槽

14a：进口沟槽

15a：出流孔洞

16a：第一进流孔洞

17a：第二进流孔洞

1b：腔体层

11b：储流腔室

1c：振动层

1d：下电极层

1e：压电致动层

1f：上电极层

1g：遮罩层

11g：第一流通孔

12g：第二流通孔

13g：第三流通孔

1h：孔板层

11h：出流口

12h：进流口

1i：流道层

11i：出流通道

12i：进流通道

13i：柱状结构

e：缓冲距离

t：过蚀深度

d：穿孔深度

s：穿孔孔径

r：腔体深度

r'：侧蚀距离

L：过蚀距离

M：作动区

具体实施方式

体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本案。

本案的微流体致动器用于输送流体，请参阅图1，于本案实施例中，微流体致动器100包含有：一基板1a、一腔体层1b、一振动层1c、一下电极层1d、一压电致动层1e、一上电极层1f、一孔板层1h以及一流道层1i。流道层1i、孔板层1h、基板1a、腔体层1b、振动层1c、下电极层1d、压电致动层1e以及上电极层1f是依序堆叠结合后形成为一体，其构成如下说明。

请参阅图2A，于本案实施例中，基板1a为一种硅基材。基板1a具有一第一表面11a以及一相对于第一表面11a的第二表面12a。于本案实施例中，腔体层1b透过一二氧化硅材料沉积制程形成于基板1a的第一表面11a之上，沉积制程可为一物理气相沉积制程(PVD)、一化学气相沉积制程(CVD)或两者的组合，但不以此为限。于本案实施例中，振动层1c透过一氮化硅材料沉积制程形成于腔体层1b之上。于本案实施例中，下电极层1d透过一金属材料沉积制程形成于振动层1c之上，下电极层1d为一铂金属材料或一钛金属材料，但不以此为限。于本案实施例中，压电致动层1e透过一压电材料沉积制程形成于下电极层1d之上。于本案实施例中，上电极层1f透过一金属材料沉积制程形成于压电致动层1e之上，上电极层1f为一金金属材料或一铝金属材料，但不以此为限。值得注意的是，图2A所示的结构，为现有代工技术可制作的结构，故具有低成本的优点。

请参阅图2B，于本案实施例中，下电极层1d、压电致动层1e以及上电极层1f透过光刻蚀刻制程蚀刻定义出一作动区M。值得注意的是，于本案实施例中，蚀刻制程可为一湿式蚀刻制程、一干式蚀刻制程或两者的组合，但不以此为限。

请参阅图2C，于本案实施例中，透过干式蚀刻制程蚀刻基板1a的第二表面12a以形成一出口沟槽13a以及一进口沟槽14a。出口沟槽13a以及进口沟槽14a具有相同的蚀刻深度，且蚀刻深度为蚀刻至第一表面11a以及第二表面12a之间且不与腔体层1b接触。

请参阅图2D及图2E，于本案实施例中，一遮罩层1g透过一二氧化硅材料沉积制程形成于基板1a的第二表面12a上以及出口沟槽13a与进口沟槽14a内。遮罩层1g再透过一精密穿孔制程于出口沟槽13a内形成一第一流通孔11g，于进口沟槽14a内形成多个第二流通孔12g以及一第三流通孔13g。于本案实施例中，第一流通孔11g的孔径大于第三流通孔13g的孔径，第三流通孔13g的孔径大于每一多个第二流通孔12g的孔径，但不以此为限。第一流通孔11g、多个第二流通孔12g以及第三流通孔13g的穿孔深度为至与基板1a接触为止，使得基板1a得以露出。于本案实施例中，精密穿孔制程为一准分子激光加工制程，但不以此为限。

请参阅图2F及图3，于本案实施例中，基板1a透过低温深蚀刻制程蚀刻基板1a对应于第一流通孔11g、多个第二流通孔12g以及第三流通孔13g的部分，借以形成基板1a的一出流孔洞15a、多个第一进流孔洞16a以及一第二进流孔洞17a。出流孔洞15a为沿第一流通孔11g蚀刻至与腔体层1b接触为止所构成，多个第一进流孔洞16a为分别沿多个第二流通孔12g蚀刻至与腔体层1b接触为止所构成，以及第二进流孔洞17a为沿第三流通孔13g蚀刻至与腔体层1b接触为止所构成。于本案实施例中，低温深蚀刻制程为一深反应性离子蚀刻制程(BOSCH Process)，但不以此为限。请参阅图2E及图5A，于本案实施例中，遮罩层1g利用准分子激光加工制程形成第一流通孔11g、多个第二流通孔12g以及第三流通孔13g时，为了避免穿孔位置或穿孔角度的偏差，于出口沟槽13a及进口沟槽14a的侧壁特予保留一缓冲距离e。此外，采用深反应性离子蚀刻制程(BOSCH Process)只对于基板1a的硅材料做蚀刻，因此利用准分子激光加工制程在基板1a上留有一过蚀深度t，有利于基板1a能确实且容易从过蚀深度t去蚀刻形成出流孔洞15a、多个第一进流孔洞16a以及第二进流孔洞17a。于本案实施例中，出流孔洞15a、多个第一进流孔洞16a以及第二进流孔洞17a的最小孔径为5～50微米(μm)，并且孔径大小视流体性质而定。接着请参阅图2F及图5B，出流孔洞15a、每一个第一进流孔洞16a以及第二进流孔洞17a具有一穿孔深度d以及一穿孔孔径s，所形成的孔洞的深宽比d/s可达40，在实施此加工制程中考量适当孔洞的深宽比d/s可避免加工所产生的高温影响后端压电材料的极性分布，造成退极化反应。

请参阅图2G，于本案实施例中，腔体层1b再经一湿蚀刻制程于内部蚀刻出一储流腔室11b。意即，透过蚀刻液由第一流通孔11g、多个第二流通孔12g以及第三流通孔13g流入，经由出流孔洞15a、多个第一进流孔洞16a以及第二进流孔洞17a流至腔体层1b，进而蚀刻并释放移除腔体层1b的部分，借以定义出一储流腔室11b。借此，储流腔室11b与出流孔洞15a、多个第一进流孔洞16a以及第二进流孔洞17a相连通。于本案实施例中，湿蚀刻制程利用氢氟酸(HF)蚀刻液蚀刻腔体层1b，但不以此为限。于本案实施例中，腔体层1b厚度为1～5微米(μm)，但不以此为限。值得注意的是，透过湿蚀刻制程成形储流腔室11b的同时，遮罩层1g亦会被一并移除。完成储流腔室11b成形与移除遮罩层1g后，基板1a的出口沟槽13a与出流孔洞15a相连通、进口沟槽14a与多个第一进流孔洞16a以及第二进流孔洞17a相连通。再请参阅图2G及图5C，于本案实施例中，湿蚀刻制程通常为等向性蚀刻，于本案实施例中，在蚀刻储液腔室11b时，储液腔室11b具有一腔体深度r，其等同于腔体层1b的厚度，而湿蚀刻所产生的侧蚀距离为r'，因此腔体深度r与侧蚀距离r'相等，即为一等向性蚀刻。又由于出流孔洞15a、每一个第一进流孔洞16a以及第二进流孔洞17a的孔径仅介于5～50微米(μm)之间，而腔体深度r仅介于1～5微米(μm)之间，因此在蚀刻储液腔室11b时需要一过度蚀刻，以加长蚀刻时间才能将未被蚀刻的余料移除干净。于本案实施例中，以此进行湿蚀刻制程形成储液腔室11b时，会产生一过蚀距离L，并且过蚀距离L大于侧蚀距离为r'，才能使储液腔室11b范围内的二氧化硅材料完全被移除。

请参阅图2H及图2I，于本案实施例中，提供孔板层1h，透过蚀刻制程于孔板层1h蚀刻出一出流口11h以及一进流口12h。于本案实施例中，孔板层1h的蚀刻制程可为一湿蚀刻制程、一干蚀刻制程或二者的组合，但不以此为限。于本案实施例中，孔板层1h为一不锈钢材料或一玻璃材料，但不以此为限。

请参阅图2J、图2K及图4，于本案实施例中，流道层1i透过一干膜材料滚压制程形成于孔板层1h之上，并透过光刻制程于流道层1i上形成一出流通道11i、一进流通道12i以及多个柱状结构13i，且构成出流通道11i与孔板层1h的出流口11h相连通，以及构成进流通道12i与孔板层1h的进流口12h相连通。于本案实施例中，多个柱状结构13i交错排列形成于进流通道12i内(如图4)，用以过滤流体中的杂质。于本案实施例中，干膜材料为一感光型高分子干膜，但不以此为限。

请回到图1，流道层1i最后透过一覆晶对位制程以及一热压制程接合于基板1a的第二表面12a，形成本案的微流体致动器100。借此，孔板层1h的出流口11h借由流道层1i的出流通道11i与基板1a的出口沟槽13a相连通；以及孔板层1h的进流口12h借由流道层1i的进流通道12i与基板1a的进口沟槽14a相连通。

请参阅图6A及图6B，于本案实施例中，微流体致动器100的具体作动方式，是提供具有相反相位电荷的驱动电源至上电极层1f以及下电极层1d，以驱动并控制振动层1c产生上下位移。如图6A所示，当施加正电压给上电极层1f以及负电压给下电极层1d时，压电致动层1e带动振动层1c朝向远离基板1a的方向位移，借此，外部流体由孔板层1h的进流口12h被吸入至微流体致动器100内，而进入微流体致动器100内的流体接着依序通过流道层1i的进流通道12i、基板1a的进口沟槽14a以及基板1a的多个第一进流孔洞16a与或第二进流孔洞17a，最后汇集于腔体层1b的储流腔室11b内。如图6B所示，接着转换上电极层1f以及下电极层1d的电性，施加负电压给上电极层1f以及正电压给下电极层1d，如此振动层1c朝向靠近基板1a的方向位移，使储流腔室11b内体积受振动层1c压缩，致使汇集于储流腔室11b内的流体得以依序通过基板1a的出流孔洞15a、基板1a的出口沟槽13a以及流道层1i的出流通道11i后自孔板层1h的出流口11h排出于微流体致动器100外，完成流体的传输。

值得注意的是，当微流体致动器100吸入外部流体时，部分外部流体会由孔板层1h的出流口11h被吸入微流体致动器100内，但由于基板1a的出流孔洞15a对应到压电致动层1c的位置并非位移量最大的区域，所以外部流体自出流口11h被吸入的量相对较少。当微流体致动器100排出流体时，流道层1i的多个柱状结构13i对于回流的流体会产生阻尼效果，此外，基板1a的第二进流孔洞17a对应到压电致动层1c位移量最小的边缘位置。所以流体自进流口12h被排出的量相对较少。

再者，值得注意的是，基板1a的多个第一进流孔洞16a流通阻力过大的问题可借由调整电压波形、拉长微流体致动器100吸入外部流体的作动时间而改善。

综上所述，本案提供一微流体致动器，主要以微机电半导体制程来完成的微流体致动器，并且借由施加不同相位电荷的驱动电源于上电极层以及下电极层，使得振动层产生上下位移，进而达到流体传输。如此，微流体致动器能够在作动时增加流体压缩比来弥补压电层位移量过小的缺点，达到传输流体的实施可行性及在极微型化结构中产生极大的传输效率，极具产业的利用价值，爰依法提出申请。

本案得由熟知此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

Claims (18)

1.一种微流体致动器，其特征在于，包含：

一基板，具有一第一表面及一第二表面，透过蚀刻制程形成一出口沟槽、一进口沟槽、一出流孔洞、多个第一进流孔洞以及一第二进流孔洞，该出口沟槽与该出流孔洞相连通，该进口沟槽与该多个第一进流孔洞以及该第二进流孔洞相连通；

一腔体层，透过沉积制程形成于该基板的该第一表面上，且透过蚀刻制程形成一储流腔室，该储流腔室与该出流孔洞、该多个第一进流孔洞以及该第二进流孔洞相连通；

一振动层，透过沉积制程形成于该腔体层上；

一下电极层，透过沉积制程及蚀刻制程形成于该振动层上；

一压电致动层，透过沉积制程及蚀刻制程形成于该下电极层上；

一上电极层，透过沉积制程及蚀刻制程形成于该压电致动层上；

一孔板层，透过蚀刻制程形成一出流口以及一进流口；以及

一流道层，透过一干膜材料滚压制程形成于该孔板层之上，透过光刻制程形成一出流通道、一进流通道以及多个柱状结构，透过覆晶对位制程与热压制程接合于该基板的该第二表面，该孔板层的该出流口借由该出流通道与该基板的该出口沟槽相连通，该孔板层的该进流口借由该进流通道与该基板的该进口沟槽相连通；

其中，提供具有不同相位电荷的驱动电源至该上电极层以及该下电极层，以驱动并控制该振动层产生上下位移，使流体自该进流口吸入，通过该多个第一进流孔洞以及该第二进流孔洞流至该储流腔室，最后受挤压经由该出流孔洞后自该出流口排出以完成流体传输。

2.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，流体自该进流口吸入后，依序通过该进流通道、该进口沟槽以及该多个第一进流孔洞与该第二进流孔洞流进入该储流腔室。

3.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，该储流腔室中的流体受挤压后依序通过该出流孔洞、该出口沟槽以及该出流通道后自该出流口排出。

4.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，该多个柱状结构形成于该进流通道内。

5.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，该基板为一硅基材。

6.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，该腔体层为一二氧化硅材料。

7.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，该下电极层为一铂金属材料。

8.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，该下电极层为一钛金属材料。

9.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，该上电极层为一金金属材料。

10.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，该上电极层为一铝金属材料。

11.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，该基板透过深反应性离子蚀刻制程形成该出流孔洞、该多个第一进流孔洞以及该第二进流孔洞。

12.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，该腔体层透过氢氟酸湿蚀刻制程形成该储流腔室。

13.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，该孔板层为一不锈钢材料。

14.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，该孔板层为一玻璃材料。

15.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，该流道层的该干膜材料为一感光型高分子干膜。

16.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，施加正电压给该上电极层以及负电压给该下电极层，使得该压电致动层带动该振动层朝向远离该基板的方向位移。

17.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于，施加负电压给该上电极层以及正电压给该下电极层，使得该压电致动层带动该振动层朝向靠近该基板的方向位移。

18.如权利要求1所述的微流体致动器，其特征在于：

施加正电压给该上电极层以及负电压给该下电极层，使得该压电致动层带动该振动层朝向远离该基板的方向位移，使外部流体由该进流口被吸入至该微流体致动器内，而进入该微流体致动器内的流体，依序通过该进流通道、该进口沟槽、以及该多个第一进流孔洞与该第二进流孔洞流，再汇集于该储流腔室内；以及

转换该上电极层以及该下电极层的电性，施加负电压给该上电极层以及正电压给该下电极层，该振动层朝向靠近该基板的方向位移，使该储流腔室内体积受该振动层压缩，致使汇集于该储流腔室内的流体得以依序通过该出流孔洞、该出口沟槽以及该出流通道后自该出流口排出于该微流体致动器外，完成流体的传输。

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