CN111217317B - 微流体致动器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种微流体致动器的制造方法，包含步骤：1.提供一基板，并沉积一氧化材料于基板上，形成一腔体层；2.沉积一氮化材料于腔体层，以形成一振动层；3.沉积一金属材料及一压电材料于振动层上，并蚀刻形成一致动层；4.蚀刻基板，以形成多个流道；5.沉积氧化材料于基板，以形成一遮罩层，并蚀刻基板，以形成多个连接流道；6.蚀刻腔体层，以形成一储流腔室；7.提供一孔板层，并蚀刻形成多个流道口；8.以滚压干膜及光刻制程于孔板层制出一流道层及多个通道；以及9.以覆晶对位及热压接合基板与流道层，以构成微流体致动器整体结构。
Description
技术领域
本案关于一种微流体致动器的制造方法，尤指一种使用微机电半导体制程的微流体致动器的制造方法。
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输送结构为其关键技术。
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，可见传统的流体输送结构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一体成型的微型化流体输送结构，但因存在着薄膜压电层位移量过小的缺点，现有的微型化流体输送结构常有作动流体压缩比不足的问题，使得传输流量过小，是以，如何借创新微型化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的制造方法，以标准化微机电半导体制程制造，微流体致动器使用半导体薄膜制作，用以传输流体。因此，将薄膜腔体的深度控制在非常浅的范围时，仍可增加微流体致动器作动时的流体压缩比。
本案的一广义实施态样为一种微流体致动器的制造方法，包含以下步骤：1.提供一基板沉积一腔体层，该基板具有一第一表面及一第二表面，是透过一氧化材料沉积于该基板的该第一表面上，以形成该腔体层；2.该腔体层沉积一振动层，是透过一氮化材料沉积于该腔体层上，以形成该振动层；3.该振动层沉积蚀刻一致动层，是先透过一第一金属材料沉积于该振动层上，以形成一下电极层，透过一压电材料沉积于该下电极层上，以形成一压电致动层，以及再透过一第二金属材料沉积于该压电致动层上，以形成一上电极层，最后透过蚀刻定义出该致动层；4.该基板蚀刻多个流道，是透过蚀刻定义出该基板的一出口流道及一入口流道；5.该基板沉积一遮罩层蚀刻多个连接流道，是先透过该氧化材料沉积于该基板的该第二表面上以及该出口流道与该入口流道内，以形成该遮罩层，再透过穿孔露出该基板，而该基板经低温深蚀刻定义出一出流连接流道、多个第一进流连接流道及一第二进流连接流道；6.该腔体层蚀刻一储流腔室，是在该腔体层透过蚀刻定义出该储流腔室，该储流腔室与该出流连接流道、该多个第一进流连接流道及该第二进流连接流道相连通；7.提供一孔板层，并蚀刻多个流道口，该孔板层透过蚀刻定义出一出流道口以及一入流道口；8.该孔板层滚压干膜及光刻制出一流道层的多个通道，该孔板层先透过一干膜材料滚压于该孔板层上，以形成该流道层，再于该流道层透过光刻制程于该流道层中定义出与该出流道口相连通的一出流通道、与该入流道口相连通的一入流通道以及多个柱状结构；以及9.覆晶对位及热压接合该流道层，该流道层是透过覆晶对位及热压接合该流道层于该基板的该第二表面，使该孔板层的该出流道口与该基板的该出口流道相连通，该流道层的该入流通道对应到该基板的该入口流道，以及该孔板层的该入流道口与该基板的该入口流道相连通，以构成该微流体致动器整体结构。
附图说明
图1为本案微流体致动器的剖面示意图。
图2为本案微流体致动器的制造方法的流程示意图。
图3A至图3K为本案微流体致动器的制造步骤分解示意图。
图4为本案微流体致动器的俯视示意图。
图5为本案微流体致动器的仰视示意图。
图6A至图6C为本案为流体致动器的进流连接流道的蚀刻步骤分解示意图。
图7A至图7B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：出口流道
14a：入口流道
15a：出流连接流道
16a：第一进流连接流道
17a：第二进流连接流道
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：出流道口
12h：入流道口
1i：流道层
11i：出流通道
12i：入流通道
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：致动层
S1～S9：微流体致动器制造方法的步骤
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，其制造方法如下步骤说明。
请参阅图2及图3A，如步骤S1所示，提供一基板沉积一腔体层，是透过一氧化材料沉积于基板1a的第一表面11a之上以形成腔体层1b。于本案实施例中，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，基板1a为一硅基材，氧化材料为一二氧化硅材料，但不以此为限。
请参阅图2及图3A，如步骤S2所示，腔体层沉积一振动层，是透过一氮化材料沉积于腔体层1b之上以形成振动层1c。于本案实施例中，氮化材料为一氮化硅材料，但不以此为限。
请参阅图2及图3B，如步骤S3所示，振动层沉积蚀刻一致动层，是先透过一第一金属材料沉积于振动层1c上，以形成下电极层1d，再透过一压电材料沉积于下电极层1d上，以形成压电致动层1e，再透过一第二金属材料沉积于压电致动层1e上，以形成上电极层1f，复以蚀刻下电极层1d、压电致动层1e及上电极层1f，以定义出所需求尺寸的一致动层M。于本案实施例中，第一金属材料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，第二金属材料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，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2及图3C，如步骤S4所示，基板蚀刻多个流道，是透过干式蚀刻制程于基板1a的第二表面12a蚀刻以形成一出口流道13a以及一入口流道14a，且出口流道13a以及入口流道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之间而不穿透第一表面11a。
请参阅图2、及图3D至图3F，如步骤S5所示，基板沉积一遮罩层蚀刻多个连接流道，是先透过氧化材料沉积于基板1a的第二表面12a上以及出口流道13a与入口流道14a内以形成遮罩层1g，再透过一精密穿孔制程于出口流道13a内形成一第一流通孔11g、于入口流道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。值得注意的是，由于第一流通孔11g、多个第二流通孔12g以及第三流通孔13g分别具有一深度，若透过光刻制程来成形会有对焦不易的问题，而准分子激光加工制程无此问题存在。
请参阅图2、图3F及图4，承上所述，于本案实施例中，成形第一流通孔11g、多个第二流通孔12g以及第三流通孔13g后，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的一出流连接流道15a、多个第一进流连接流道16a以及一第二进流连接流道17a。出流连接流道15a为沿第一流通孔11g蚀刻至与腔体层1b接触为止所构成，多个第一进流连接流道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，以及第二进流连接流道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(BOSCH Process)，但不以此为限。
请参阅图2、图3E及图6A，承上所述，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，于出口流道13a及入口流道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去蚀刻形成出流连接流道15a、多个第一进流连接流道16a以及第二进流连接流道17a。于本案实施例中，出流连接流道15a、多个第一进流连接流道16a以及第二进流连接流道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3F及图6B，出流连接流道15a、每一个第一进流连接流道16a以及第二进流连接流道17a具有一穿孔深度d以及一穿孔孔径s，所形成的连接流道的深宽比d/s可达40，在实施此加工制程中考量适当连接流道的深宽比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2、图3G，如步骤S6所示，腔体层蚀刻一储流腔室，是腔体层1b透过一湿蚀刻制程于腔体层1b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，经由出流连接流道15a、多个第一进流连接流道16a以及第二进流连接流道17a流至腔体层1b，进而蚀刻并释放移除腔体层1b的部分，借以定义出储流腔室11b。借此，储流腔室11b与出流连接流道15a、多个第一进流连接流道16a以及第二进流连接流道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，透过湿时刻制程成形储流腔室11b时，遮罩层1g亦会一并被移除。完成储流腔室11b成形与移除遮罩层1g后，基板1a的出口流道13a与出流连接流道15a相连通、入口流道14a与多个第一进流连接流道16a以及第二进流连接流道17a相连通。
请参阅图3G及图6C，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。又由于出流连接流道15a、每一个第一进流连接流道16a以及第二进流连接流道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2、图3H及图3I，如步骤S7所示，提供一孔板层蚀刻多个流道口，是透过蚀刻制程于孔板层1h蚀刻出一出流道口11h以及一入流道口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2、图3J、图3K及图5，如步骤S8所示，孔板层滚压干膜及光刻制出一流道层的多个通道，是先透过一干膜材料滚压于孔板层1h之上以形成流道层1i，再透过光刻制程于流道层1i形成一出流通道11i、一入流通道12i以及多个柱状结构13i，且构成出流通道11i与孔板层1h的出流道口11h相连通，以及构成入流通道12i与孔板层1h的入流道口12h相连通。于本案实施例中，多个柱状结构13i交错排列形成于入流通道12i内(如图5)，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及图2，如步骤S9所示，覆晶对位及热压接合流道层，是透过一覆晶对位制程以及一热压制程将流道层1i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的出流道口11h借由流道层1i的出流通道11i与基板1a的出口流道13a相连通；以及孔板层1h的入流道口12h借由流道层1i的入流通道12i与基板1a的入口流道14a相连通。
值得注意的是，由于第三流通孔13g的孔径大于每一多个第二流通孔12g的孔径，多个第一进流连接流道16a是分别对应多个第二流通孔12g的位置设置，以及第二进流连接流道17a是对应第三流通孔13g的位置设置，因此第二进流连接流道17a的孔径大于每一多个第一进流连接流道16a的孔径。再者，第二进流连接流道17a设置在相对于储液腔室11b的边缘部分，因此第二进流连接流道17a的设置有助于储液腔室11b的湿蚀刻制程。
请参阅图7A及图7B，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7A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的入流道口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的入流通道12i、基板1a的入口流道14a以及基板1a的多个第一进流连接流道16a与第二进流连接流道17a，最后汇集于腔体层1b的储流腔室11b内。如图7B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的出流连接流道15a、基板1a的出口流道13a以及流道层1i的出流通道11i后自孔板层1h的出流道口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的出流道口11h被吸入微流体致动器100内，但由于基板1a的出流连接流道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道口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的第二进流连接流道17a对应到压电致动层1c位移量最小的边缘位置。所以流体自入流道口12h被排出的量相对较少。
再者，值得注意的是，基板1a的多个第一进流连接流道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。
本案提供一微流体致动器的制造方法，主要以微机电半导体制程来完成的，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极浅的腔室结构中克服静电力，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 (21)
1.一种微流体致动器的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)提供一基板沉积一腔体层，该基板具有一第一表面及一第二表面，是透过一氧化材料沉积于该基板的该第一表面上，以形成该腔体层；
2)该腔体层沉积一振动层，是透过一氮化材料沉积于该腔体层上以形成该振动层；
3)该振动层沉积蚀刻一致动层，是先透过一第一金属材料沉积于该振动层上以形成一下电极层，透过一压电材料沉积于该下电极层上以形成一压电致动层，以及再透过一第二金属材料沉积于该压电致动层上以形成一上电极层，最后透过蚀刻定义出该致动层；
4)该基板蚀刻多个流道，是透过蚀刻定义出该基板的一出口流道及一入口流道；
5)该基板沉积一遮罩层蚀刻多个连接流道，是先透过该氧化材料沉积于该基板的该第二表面上以及该出口流道与该入口流道内，以形成该遮罩层，再透过穿孔露出该基板，而该基板经低温深蚀刻定义出一出流连接流道、多个第一进流连接流道及一第二进流连接流道；
6)该腔体层蚀刻一储流腔室，是在该腔体层透过蚀刻定义出该储流腔室，该储流腔室与该出流连接流道、该多个第一进流连接流道及该第二进流连接流道相连通；
7)提供一孔板层蚀刻多个流道口，该孔板层透过蚀刻定义出一出流道口以及一入流道口；
8)该孔板层滚压干膜及光刻制出一流道层的多个通道，该孔板层先透过一干膜材料滚压于该孔板层上，以形成该流道层，再于该流道层透过光刻制程于该流道层中定义出与该出流道口相连通的一出流通道、与该入流道口相连通的一入流通道以及多个柱状结构；以及
9)覆晶对位及热压接合该流道层，该流道层是透过覆晶对位及热压接合该流道层于该基板的该第二表面，使该孔板层的该出流道口与该基板的该出口流道相连通，该流道层的该入流通道对应到该基板的该入口流道，以及该孔板层的该入流道口与该基板的该入口流道相连通，以构成该微流体致动器整体结构。
2.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该出流连接流道与该出口流道相连通，该多个第一进流连接流道及该第二进流连接流道与该入口流道相连通。
3.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，步骤5更包含步骤：透过穿孔于该出口流道内，以形成一第一流通孔，以及透过穿孔于该入口流道内形成多个第二流通孔及一第三流通孔，以使该基板露出。
4.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该低温深蚀刻为一深反应性离子蚀刻制程。
5.如权利要求2所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，步骤6是透过一氢氟酸湿蚀刻制程于该腔体层内部蚀刻出该储流腔室。
6.如权利要求5所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该氢氟酸湿蚀刻透过蚀刻液由该出流连接流道、该多个第一进流连接流道及该第二进流连接流道流至该腔体层，释放并移除该腔体层的部分来定义出该储流腔室，借以构成该储流腔室与该出流连接流道、该多个第一进流连接流道及该第二进流连接流道相连通。
7.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该多个柱状结构显影形成于该入流通道内。
8.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该基板为一硅基材。
9.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该氧化材料为一二氧化硅材料。
10.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该第一金属材料为一铂金属材料。
11.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该第一金属材料为一钛金属材料。
12.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该第二金属材料为一金金属材料。
13.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该第二金属材料为一铝金属材料。
14.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该氮化材料为一氮化硅材料。
15.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该孔板层为一不锈钢材料。
16.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该孔板层为一玻璃材料。
17.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，该干膜材料为一感光型高分子干膜。
18.如权利要求1所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，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，使流体自该入流道口吸入，通过该多个第一进流连接流道及该第二进流连接流道流至该储流腔室，最后受挤压经由该出流连接流道后，自该出流道口排出以完成流体传输。
19.如权利要求18所述的微流体致动器的制造方法，其特征在于，流体自该入流道口吸入后，依序通过该入流通道、该入口流道以及该多个第一进流连接流道与该第二进流连接流道流进入该储流腔室。
20.如权利要求18所述的微流体致动器的制造方法，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连接流道、该出口流道以及该出流通道后，自该出流道口排出。
21.如权利要求18所述的微流体致动器的制造方法，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，外部流体得由该入流道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，依序通过该入流通道、该入口流道、以及该多个第一进流连接流道与该第二进流连接流道，再汇集于该储流腔室内，再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，汇集于该储流腔室内的流体得以依序通过该出流连接流道、该出口流道以及该出流通道后自该出流道口排出于该微流体致动器外，完成流体的传输。
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