微流体致动器的制作方法

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，其中微泵、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。

技术实现要素：

本案的主要目的是提供一种微流体致动器，使用微机电半导体制程制作，可传输流体。本案的微流体致动器使用半导体薄膜制作，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，通过蚀刻制程形成一出口沟槽、二进口沟槽、一出流孔洞、多个第一进流孔洞以及二第二进流孔洞。出口沟槽与出流孔洞相连通。每一个进口沟槽与部分的多个第一进流孔洞以及相对应的第二进流孔洞相连通。进口沟槽分别对称设置在出口沟槽的两侧。多个第一进流孔洞对称设置在出流孔洞的两侧。第二进流孔洞分别对称设置在出流孔洞的两侧，且于多个第一进流孔洞的一端。腔体层通过沉积制程形成于基板的第一表面上，且通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。振动层通过沉积制程形成于腔体层上。下电极层通过沉积制程及蚀刻制程形成于振动层上。压电致动层通过沉积制程及蚀刻制程形成于下电极层上。上电极层通过沉积制程及蚀刻制程形成于压电致动层上。孔板层通过蚀刻制程形成一出流口以及二进流口。进流口分别对称设置在出流口的两侧。流道层通过一干膜材料滚压制程形成于孔板层之上、通过光刻制程形成一出流通道、二进流通道以及多个柱状结构、以及通过覆晶对位制程与热压制程接合于基板的第二表面。进流通道分别对称设置在出流通道的两侧。多个柱状结构对称设置在出流通道的两侧。孔板层的出流口借由出流通道与基板的出口沟槽相连通。孔板层的进流口分别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第一实施例的剖面示意图。

图2A至第2K图为本案第一实施例的制造步骤分解示意图。

图3为本案第一实施例的俯视示意图。

图4为本案第一实施例的仰视示意图。

图5A至图5C为本案第一实施例的进流孔洞的蚀刻步骤分解示意图。

图6A至图6B为本案第一实施例的作动示意图。

图7为本案微流体致动器的第二实施例的剖面示意图。

图8为本案其他实施例的仰视示意图。

【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：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依序堆叠结合后形成为一体，其构成如下说明。于本案第一实施例中，微流体致动器100包含一致动单元10。

请参阅图2A，于本案第一实施例中，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。于本案第一实施例中，腔体层1b通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。于本案第一实施例中，振动层1c通过一氮化硅材料沉积制程形成于腔体层1b之上。于本案第一实施例中，下电极层1d通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。于本案第一实施例中，压电致动层1e通过一压电材料沉积制程形成于下电极层1d之上。于本案第一实施例中，上电极层1f通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，于本案第一实施例中，下电极层1d、压电致动层1e以及上电极层1f通过光刻蚀刻制程蚀刻定义出一作动区M。值得注意的是，于本案第一实施例中，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，于本案第一实施例中，通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以及二进口沟槽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。进口沟槽14a分别对称设置在进口沟槽13a的两侧。

请参阅图2D及图2E，于本案第一实施例中，一遮罩层1g通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再通过一精密穿孔制程于出口沟槽13a内形成一第一流通孔11g，分别于进口沟槽14a内形成多个第二流通孔12g以及一第三流通孔13g。于本案第一实施例中，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。于本案第一实施例中，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2E、图2F及图3，于本案第一实施例中，基板1a通过一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以及二第二进流孔洞17a。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为分别沿第三流通孔13g蚀刻至与腔体层1b接触为止所构成。多个第一进流孔洞16a对称设置在出流孔洞15a的两侧。第二进流孔洞17a分别对称设置在出流孔洞15a的两侧，且于多个第一进流孔洞16a的一端。于本案第一实施例中，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，于本案第一实施例中，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的硅基材做蚀刻，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。于本案第一实施例中，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以及每一个第二进流孔洞17a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2E及第2G图，于本案第一实施例中，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，通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。于本案第一实施例中，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。于本案第一实施例中，腔体层1b厚度为1～5微米(μm)，但不以此为限。值得注意的是，通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分别与多个第一进流孔洞16a以及第二进流孔洞17a相连通。再请参阅第2G图及图5C，于本案第一实施例中，湿蚀刻制程通常为等向性蚀刻，于本案第一实施例中，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以及每一个第二进流孔洞17a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。于本案第一实施例中，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。

请参阅第2H图及第2I图，于本案第一实施例中，提供孔板层1h，通过蚀刻制程于孔板层1h蚀刻出一出流口11h以及二进流口12h。进流口12h分别对称设置于出流口11h的两侧。于本案第一实施例中，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。于本案第一实施例中，孔板层1h为一不锈钢材料或一玻璃材料，但不以此为限。

请参阅第2J图、第2K图及图4，于本案第一实施例中，流道层1i 通过一干膜材料滚压制程形成于孔板层1h之上，并通过光刻制程于流道层1i上形成一出流通道11i、二个进流通道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分别与孔板层1h的进流口12h相连通。进流通道 12i分别对称设置在出流通道11i的两侧。于本案第一实施例中，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。于本案第一实施例中，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最后通过一覆晶对位以及一热压合制程接合于基板1a的第二表面12a，形成本案微流体致动器100的致动单元10。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分别借由流道层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，于本案第一实施例中，微流体致动器100的具体作动方式，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，但由于孔板层1h的出流道口11h的孔径较入流道口12h的孔径小，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或拉长微流体致动器100吸入外部流体的作动时间而改善。

请参阅图7，本案第二实施例与第一实施例大致相同，不同之处在于微流体致动器100'包含二致动单元10，借以增加流量输出。

请参阅图8，于本案其他实施例中，微流体致动器100"包含多个致动单元10。多个致动单元10可借串联、并联或串并联方式设置，借以增加流量输出，多个致动单元10的设置方式可依照使用需求而设计，不以此为限。

值得注意的是，于本案第一实施例以及第二实施例中，每一个致动单元10具有一对称性结构，于本案其他实施例中，每一个致动单元10 的结构设置方式可以依照使用需求而设计，不以此为限。

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。

【符号说明】

100、100'、100"：微流体致动器

10：致动单元

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。