CN111747376B - 微流体致动器模块的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种微流体致动器模块的制造方法，包含以下步骤：1.提供第一基板沉积及蚀刻第一保护层；2.第一保护层滚压及显影第一光阻层；3.提供辅助基板滚压及蚀刻薄膜胶层以及阀层；4.阀层翻转对位以及接合于第一光阻层上；5.提供第二基板；6.第二基板滚压及显影第二光阻层；7.第二光阻层覆晶以及热压接合于阀层；8.第二基板网印导电胶层；9.导电胶层粘贴压电层；以及10.压电层以及第二基板焊接电极层。
Description
技术领域
本案关于一种微流体致动器模块的制造方法，尤指一种使用微机电面型及体型加工制程的微流体致动器模块的制造方法。
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，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。
现有技术中已发展多种微机电制程制出的微流体致动器，然而，借创新结构增进流体传输的功效，仍为发展的重要内容。
发明内容
本案的主要目的是提供一种微流体致动器模块的制造方法，使用微机电面型及体型加工制程，并辅以精密封装技术一体成型制作而成。
本案的一广义实施态样为一种微流体致动器模块的制造方法，包含以下步骤：1.提供一第一基板沉积及蚀刻一第一保护层；2.该第一保护层滚压及显影一第一光阻层；3.提供一辅助基板滚压及蚀刻一薄膜胶层以及一阀层；4.该阀层翻转对位以及接合于该第一光阻层上；5.提供一第二基板；6.该第二基板滚压及显影一第二光阻层；7.该第二光阻层覆晶以及热压接合于该阀层；8.该第二基板网印一导电胶层；9.该导电胶层粘贴一压电层；以及10.该压电层以及该第二基板焊接一电极层。第一基板具有一第一表面及一第二表面，是先通过一氮化材料沉积制程形成于第一基板的第一表面上以形成第一保护层，再通过蚀刻制程形成多个出口开口、多个流体出口以及多个喷口。出口开口分别通过流体出口与喷口相连通。通过一光阻材料滚压制程形成于第一保护层上以形成第一光阻层，再通过显影制程形成一连通流道、多个入口流道、多个阀座以及多个腔体开口。通过一薄膜材料滚压制程形成于辅助基板上以形成薄膜胶层，再通过一聚合材料滚压制程形成于薄膜胶层上以形成阀层，最后通过蚀刻制程形成多个出口阀、多个入口阀以及一第一流道开口。通过翻转对位以及接合制程将阀层接合于第一光阻层，再通过浸泡移除辅助基板。阀层的第一流道开口与第一光阻层的连通流道相连通。通过蚀刻制程形成多个振动开口，并定义多个振动区。振动区分别与振动开口的位置相对应。通过光阻材料滚压制程形成于第二基板上以形成第二光阻层，再通过显影制程形成多个腔体孔洞以及一第二流道开口。通过覆晶以及热压制程将第二光阻层接合于阀层。第二光阻层的腔体孔洞分别与第二基板的振动开口以及第一光阻层的腔体开口相连通，借以形成多个振动腔室。第二光阻层的第二流道开口通过阀层的第一流道开口与第一光阻层的连通流道相连通。通过一导电胶材网印制程形成于第二基板上以形成导电胶层。通过一压电材料粘贴制程形成于导电胶层上以形成压电层，再通过切割制程定义多个致动区。通过一电极材料焊接制程形成于压电层以及第二基板上以形成电极层。电极层具有多个上电极区以及多个下电极区。
附图说明
图1为本案微流体致动器模块的部分剖面示意图。
图2为本案微流体致动器模块的制造方法的流程示意图。
图3A至图3T为本案微流体致动器模块的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模块的俯视示意图。
图5为本案微流体致动器模块的另一俯视示意图。
图6A及图6B为本案微流体致动器模块的微流体致动器的作动示意图。
图7A至图7E为本案微流体致动器的阀的不同型态的俯视剖面示意图。
图8为本案微流体致动器模块的驱动电路示意图。
附图标记说明
100：微流体致动器模块
10：微流体致动器
1a：第一基板
11a：第一表面
12a：第二表面
13a：IC线路
14a：流体出口
15a：喷口
1b：第一保护层
11b：出口开口
1c：第一光阻层
11c：连通流道
12c：入口流道
121c：栏栅结构
13c：阀座
131c：柱状结构
14c：腔体开口
1d：辅助基板
1e：薄膜胶层
1f：阀层
11f：出口阀
12f：入口阀
121f：沟槽
13f：第一流道开口
1g：第二基板
11g：振动开口
12g：振动区
13g：管径区
131g：贯穿孔
1h：第二光阻层
11h：腔体孔洞
12h：第二流道开口
1i：导电胶层
1j：压电层
1k：电极层
11k：下电极区
12k：上电极区
13k：第二保护层
131k：引线
A、B、C、D：端点(控制信号端)
B1：第一接合处
B2：第二接合处
E：振动腔室
CT1、CT2：切割方向
G：端点(接地端)
L：逻辑产生器
M：致动区
P：定位记号
PD：接点垫片
PL：端点(左电源端)
PR：端点(右电源端)
T：切割记号
X-X、Y-Y：剖面线
S1～S10：微流体致动器模块的制造方法的步骤
具体实施方式
体现本案特征与优点的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以及图4，于本案实施例中，微流体致动器模块100包含多个微流体致动器10，且由一第一基板1a、一第一保护层1b、一第一光阻层1c、一辅助基板1d(如第2H图到第2J图)、一薄膜胶层1e(如第2H图到第2J图)、一阀层1f、一第二基板1g、一第二光阻层1h、一导电胶层1i、一压电层1j以及一电极层1k组成，其制造方法如下步骤说明，并且其制程将以单个微流体致动器10做为说明。
请参阅图2至图3E，如步骤S1所示，提供一第一基板沉积、蚀刻一第一保护层。于本案实施例中，第一基板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，是先通过一氮化材料沉积制程形成于第一基板1a的第一表面11a之上以形成第一保护层1b，再通过蚀刻制程形成第一保护层1b的一出口开口11b以及第一基板1a的一流体出口14a，再通过一研磨制程使第一基板1a薄化，最后通过蚀刻制程形成第一基板1a的一喷口15a。其中，第一保护层1b的出口开口11b通过第一基板1a的流体出口14a与喷口15a相连通。于本案实施例中，第一基板1a为一硅基材，但不以此为限。于本案实施例中，氮化材料为一氮化硅材料，但不以此为限。于本案实施例中，第一基板1a通过一深蚀刻制程制出流体出口14a，但不以此为限。于本案实施例中，第一基板1a通过一干式蚀刻制程制出喷口15a，但不以此为限。于本案实施例中，第一保护层1b的沉积制程为一化学气相沉积制程(CVD)，但不以此为限。于本案实施例中，第一保护层1b的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。于本案实施例中，第一基板1a包含一IC线路13a，设置于第一基板1a上。
请参阅图2、图3F、图3G以及图4，如步骤S2所示，第一保护层滚压、显影一第一光阻层。于本案实施例中，是先通过一光阻材料滚压制程形成于第一保护层1b之上以形成第一光阻层1c，再通过一显影制程形成一连通流道11c、一入口流道12c、一阀座13c以及一腔体开口14c。于本案实施例中，腔体开口14c通过入口流道12c与连通流道11c相连通。于本案实施例中，光阻材料为一厚膜光阻，但不以此为限。于本案实施例中，入口流道12c内设有多个栏栅结构121c(如图4所示)，用以过滤流体中的杂质，此外，栏栅结构121c的设置亦可形成阻尼(damping)效果，借以减少流体的回流量。于本案其他实施例中，入口流道12c的栏栅结构121c，亦可被省略，不以此为限。
请参阅图2、图3H以及图3I，如步骤S3所示，提供一辅助基板滚压蚀刻一薄膜胶层以及一阀层。于本案实施例中，是先通过一薄膜材料滚压制程形成于辅助基板1d之上以形成薄膜胶层1e，再通过一聚合材料滚压制程形成于薄膜胶层1e之上以形成阀层1f，最后通过蚀刻制程形成阀层1f的一出口阀11f、一入口阀12f以及一第一流道开口13f。于本案实施例中，聚合材料为一聚酰亚胺(Polyimide,PI)材料，但不以此为限。于本案实施例中，阀层1f通过一干式蚀刻制程或一激光蚀刻形成出口阀11f、入口阀12f以及第一流道开口13f，但不以此为限。
请参阅图2、图3J以及图3K，如步骤S4所示，阀层翻转对位以及接合于第一光阻层上。于本案实施例中，是先通过翻转对位制程以及晶圆级接合(Wafer Level Bonding)制程将阀层1f接合于第一光阻层1c上，再通过浸泡移除辅助基板1d。借此，阀层1f的第一流道开口13f与第一光阻层1c的连通流道11c相连通。于本案实施例中，浸泡制程为以化学药剂浸泡薄膜胶层1e使薄膜胶层1e失去粘性，借此移除辅助基板1d。于本案实施例中，在阀层1f的每一入口阀12f以及第一光阻层1c相对应的阀座13c的第一接合处B1，可于入口阀12f或阀座13c的表面施做一表面处理制程，使入口阀12f与阀座13c之间无接合效果，以利于入口阀12f的作动。
请参阅图2、图3L、图3M以及图5，如步骤S5所示，提供一第二基板。于本案实施例中，是通过蚀刻制程于第二基板1g形成一振动开口11g以及一切割记号T。于本案实施例中，振动开口11g以及切割记号T形成于第二基板1g的相反两侧。于本案实施例中，振动开口11g的设置定义出一振动区12g，并且振动区12g与振动开口11g的位置相对应。于本案实施例中，第二基板1g为一不锈钢材料，但不以此为限。于本案实施例中，第二基板1g的蚀刻制程为一半蚀刻制程，但不以此为限。
请参阅图2、图3N以及图3O，如步骤S6所示，第二基板滚压、显影一第二光阻层。于本案实施例中，是先通过光阻材料滚压制程形成于第二基板1g上以形成第二光阻层1h，再通过显影制程形成一腔体孔洞11h以及一第二流道开口12h。
请参阅图2以及图3P，如步骤S7所示，第二光阻层覆晶以及热压接合于阀层。于本案实施例中，是通过覆晶(Flip-Chip)制程以及热压制程将第二光阻层1h接合于阀层1f。借此，第二光阻层1h的腔体孔洞11h与第二基板1g的振动开口11g以及第一光阻层1c的腔体开口14c相连通。如此，腔体孔洞11h、振动开口11g以及腔体开口14c共同形成一振动腔室E。此外，第二光阻层1h的第二流道开口12h通过阀层1f的第一流道开口13f与第一光阻层1c的连通流道11c相连通。值得注意的是，于本案实施例中，在阀层1f的每一出口阀11f以及第二光阻层1h的第二接合处B2，在进行热压接合时并未接合，即出口阀11f与第二光阻层1h之间无接合效果，以利于出口阀11f的作动。
请参阅图2以及图3Q，如步骤S8所示，第二基板网印一导电胶层。于本案实施例中，是通过一导电胶材网印制程形成于第二基板1g上以形成导电胶层1i。于本案实施例中，导电胶材为一异方性导电胶(Anisotropic Conductive Paste,ACP)，但不以此为限。
请参阅图2、图3R以及图3S，如步骤S9所示，导电胶层粘贴一压电层。于本案实施例中，是先通过一压电材料粘贴制程形成于导电胶层1i上以形成压电层1j，再通过一切割制程定义一致动区M。于本案实施例中，第二基板1g的振动开口11g的开口宽度大于压电层1j的致动区M的宽度。
请参阅图2以及图3T，如步骤S10所示，压电层以及第二基板焊接一电极层。于本案实施例中，是通过一电极材料焊接制程形成于压电层1j以及第二基板1g上以形成电极层1k。电极层1k具有一下电极区11k及一上电极区12k，并包含一第二保护层13k。下电极区11k以及上电极区12k露出于第二保护层13k外，并分别与压电层1j以及第二基板1g电性连接。下电极区11k分别形成于压电层1j的致动区M上。于本案实施例中，电极材料为一软性电路板，并以一聚酰亚胺(Polyimide,PI)为基材，但不以此为限。于本案实施例中，第二保护层13k包含多个引线131k，与第一基板1a的IC线路13a电性连接。于本案实施例中，每一引线131k为一铜箔镀金材料，但不以此为限。
请参阅图5，于本案实施例中，图3A至图3T取自X-X剖面。于本案实施例中，第二基板1g还具有多个定位记号P，借此，导电胶层1i依照定位记号P范围进行网印制程，再进行压电层1j的粘贴制程。而依照第二基板1g的切割记号T，沿着切割方向CT1、CT2进行切割制程或激光裁切制程，借以定义出压电层1j的致动区M。值得注意的是，于本案实施例中，以两条压电层1j进行粘接制程，使得废料总量降低，借以降低成本，于其他实施例中，亦可以一整片压电层1j进行粘接制程。
再请参阅图5，第二基板1g还具有至少一管径区13g，至少一管径区包含一贯穿孔131g，与第一光阻层1c的连通流道11c相连通。管径区13g远离压电层1j的致动区M而设置，借以避免压电层1j受潮。于本案实施例中，贯穿孔131g借由自第二基板1g的两侧进行半蚀刻制程而成形，但不以此为限。于本案实施例中，第二基板1g具有二管径区13g，于其他实施例中，管径区13g的数量可依设计需求而变更。于本案实施例中，贯穿孔131g为一椭圆形态样，但不以此为限，贯穿孔131g的态样可依设计需求而变更。
请参阅图1、图6A以及图6B，于本案实施例中，微流体致动器模块100的具体作动方式，是提供具有不同相位电荷的驱动电源至下电极区11k以及上电极区12k，借以驱动并控制第二基板1g的振动区12g产生往复式位移。如图1以及图6A所示，当施加正电压给上电极区12k以及负电压给下电极区11k时，压电层1j的致动区M带动第二基板1g的振动区12g朝向远离第一基板1a的方向位移。借此，外部流体由连通流道11c被吸入，通过入口流道12c后推开入口阀12f，再汇集于振动腔室E内。值得注意的是，此时出口阀11f被流体推动而抵顶第二光阻层1h，使得流体无法自出口阀11f流入。如图1以及图6B所示，接着转换下电极区11k以及上电极区12k的电性，施加负电压给上电极区12k以及正电压给下电极区11k，如此压电层1j的致动区M带动第二基板1g的振动区12g朝向靠近第一基板1a的方向位移。借此，汇集于振动腔室E内的流体被挤压，并推开出口阀11f，通过第一基板1a的流体出口14a后自喷口15a排出，完成流体的传输。值得注意的是，此时入口阀12f被流体推动而抵顶第一光阻层1c的阀座13c，使得流体无法自入口阀12f排出。
请参阅图7A至图7E，于本案实施例中，微流体致动器模块100的阀与阀座可有不同实施态样，以下以入口阀12f为例做叙述。如图7A所示，于本案实施例中，入口阀12f借由阀座13c的支撑，利于作动后恢复原始位置。如图7B所示，于本案实施例中，入口阀12f借由S型支架设计，利于作动时的伸张量以及作动后恢复原始位置。如图7C所示，于本案实施例中，阀座13c可加入柱状结构131c，借以确保入口阀12f在长期操作下不易变形，同时入口阀12f对于柱状结构131c的相对位置设置穿孔，借此增加流体通过入口阀12f时的流量。图7D为图7C的衍伸设计，而图7E为图7D中Y-Y剖面的示意图，于本案实施例中，入口阀12f的正面及背面交错蚀刻出多个沟槽121f，使入口阀12f在作动时产生弹簧效果，借以大幅增加作动的伸张量，并且同时也有使入口阀12f平整的效果。值得注意的是，阀的实施态样不以上述所限，可依不同设计需求而变更。
请参阅图1以及图8，于本案实施例中，微流体致动器模块100还包含一逻辑产生器L以及多个接点垫片PD，电性连接第一基板1a的IC线路13a，用以控制微流体致动器模块100的作动。电极层1k包含多个端点PL、PR、G、A、B、C、D，用以接收外部输入的控制信号。其中，端点PL、PR分别代表左、右电源端，可直接通电至第二基板1g而形成下电极电源；端点G代表着接地端；以及端点A、B、C、D代表控制信号端。接点垫片PD通过第一基板1a的IC线路13a与逻辑产生器L电性连接。举例来说，于本案实施例中，微流体致动器模块100包含8个微流体致动器10，当外部输入一控制信号(A＝1、B＝1、C＝1)时，经逻辑产生器L解码后输出信号给接点垫片PD1，借此驱动编号1的微流体致动器10，而当外部输入一控制信号(A＝1、B＝1、C＝0)时，经逻辑产生器L解码后输出信号给接点垫片PD2，借此驱动编号2的微流体致动器10，编号3～8的微流体致动器10的驱动以此类推。值得注意的是，微流体致动器10的数量不以本实施例的8个为限，可依设计需求而变更。
本案提供一微流体致动器模块的制造方法，主要以微机电面型及体型加工制程，并辅以精密封装技术一体成型制作而成，并且可借由控制微流体致动器的驱动来达成需求的流量，极具产业的利用价值，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 (20)
1.一种微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)提供一第一基板沉积及蚀刻一第一保护层，该第一基板具有一第一表面及一第二表面，是先通过一氮化材料沉积制程形成于该第一基板的该第一表面上以形成该第一保护层，再通过蚀刻制程形成多个出口开口、多个流体出口以及多个喷口，该多个出口开口分别通过该多个流体出口与该多个喷口相连通；
2)该第一保护层滚压及显影一第一光阻层，是先通过一光阻材料滚压制程形成于该第一保护层上以形成该第一光阻层，再通过显影制程形成一连通流道、多个入口流道、多个阀座以及多个腔体开口；
3)提供一辅助基板滚压及蚀刻一薄膜胶层以及一阀层，是先通过一薄膜材料滚压制程形成于该辅助基板上，以形成该薄膜胶层，再通过一聚合材料滚压制程形成于该薄膜胶层上，以形成该阀层，最后通过蚀刻制程形成多个出口阀、多个入口阀以及一第一流道开口；
4)该阀层翻转对位以及接合于该第一光阻层上，是先通过翻转对位以及晶圆级接合制程将该阀层接合于该第一光阻层，再通过浸泡移除该辅助基板，该阀层的该第一流道开口与该第一光阻层的该连通流道相连通；
5)提供一第二基板，是通过蚀刻制程形成多个振动开口，并定义多个振动区，该多个振动区分别与该多个振动开口的位置相对应；
6)该第二基板滚压及显影一第二光阻层，是先通过光阻材料滚压制程形成于该第二基板上，以形成该第二光阻层，再通过显影制程形成多个腔体孔洞以及一第二流道开口；
7)该第二光阻层覆晶以及热压接合于该阀层，是通过覆晶以及热压制程将该第二光阻层接合于该阀层，该第二光阻层的该多个腔体孔洞分别与该第二基板的该多个振动开口以及该第一光阻层的该多个腔体开口相连通，借以形成多个振动腔室，该第二光阻层的该第二流道开口通过该阀层的该第一流道开口与该第一光阻层的该连通流道相连通；
8)该第二基板网印一导电胶层，是通过一导电胶材网印制程形成于该第二基板上，以形成该导电胶层；
9)该导电胶层粘贴一压电层，是先通过一压电材料粘贴制程形成于该导电胶层上，以形成该压电层，再通过切割制程定义多个致动区；以及
10)该压电层以及该第二基板焊接一电极层，是通过一电极材料焊接制程形成于该压电层以及该第二基板上，以形成该电极层，该电极层具有多个上电极区以及多个下电极区。
2.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该第一基板包含一IC线路，设置于该第一基板上，并与该电极层电性连接。
3.如权利要求2所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，还包含一逻辑产生器，电性连接该IC线路，用以控制该微流体致动器模块的动作。
4.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该多个入口流道内设有多个柱状结构。
5.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该多个喷口以干式蚀刻制程制出。
6.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该多个流体出口以深蚀刻制程制出。
7.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该多个出口阀、该多个入口阀以及该第一流道开口以干式蚀刻或激光蚀刻制程制出。
8.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，每一该振动开口的开口宽度大于该压电层相对应的该致动区的宽度。
9.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该第一基板为一硅基材。
10.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该氮化材料为一氮化硅材料。
11.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该光阻材料为一厚膜光阻。
12.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该聚合材料为一聚酰亚胺材料。
13.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该电极材料为一软性电路板。
14.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该第二基板为一不锈钢材料。
15.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该导电胶材为一异方性导电胶。
16.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该电极层包含多个引线。
17.如权利要求16所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，该多个引线为一铜箔镀金材料。
18.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，施加正电压给该多个上电极区以及负电压给该多个下电极区，使得该压电层的该多个致动区带动该第二基板的该多个振动区朝向远离该第一基板的方向位移。
19.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于，施加负电压给该多个上电极区以及正电压给该多个下电极区，使得该压电层的该多个致动区带动该第二基板的该多个振动区朝向靠近该第一基板的方向位移。
20.如权利要求1所述的微流体致动器模块的制造方法，其特征在于：
施加正电压给该多个上电极区以及负电压给该多个下电极区，使得该压电层的该多个致动区带动该第二基板的该多个振动区朝向远离该第一基板的方向位移，借此，外部流体由该连通流道被吸入，通过该多个入口流道后推开该多个入口阀，汇集于该多个振动腔室内；以及
转换该多个上电极区以及该多个下电极区的电性，施加负电压给该多个上电极区以及正电压给该多个下电极区，如此该第二基板的该多个振动区朝向靠近该第一基板的方向位移，致使汇集于该振动腔室内的流体得以推开该多个出口阀后通过该多个流体出口，最后自该多个喷口排出，完成流体的传输。
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