TW200804683A - Micro-electro-mechanical valves and pumps and methods of fabricating same - Google Patents

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Mark Charles Hakey
Steven John Holmes
David Vaclav Horak
Koburger, Iii
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Description

200804683 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於微機電閥與泵之領域，特別是，涉及具有奈米 石反管隔膜之微機電閥與泵及製造具有導電奈米纖維隔膜之微 機電閥與泵之方法。 【先前技術】 ® 近年來’研發出能夠非常精綠輸送極小量流體之微流體元 件。此種元件之潛在應用的實例包含微型燃料電池、微型化學 分析及傳輸微量祕。因此，微機制與泵之需求日益高漲二 【發明内容】 本發明第-方面是-種微閥，具有―人卩及―出口 包含：-下室’下室具有—底壁與側^，及—上室，上且^
五了==側壁’上室之—底部與下室之—頂部藉由—多孔、芊 初且$電之奈米纖維墊而分離；—開σ，開σ在上室辟木 -不透性之閥密封部件，_封部件在奈米纖維墊上，、土’ :之下 開口 本面是第—方面中之出口包含上室之頂 且入口包含上室之頂壁之一 額外開 壁之 Π 4IBM/07019TW；BUR9-20〇5-〇217TW1(JL) 6 200804683
V 本發明第二方面是第二方面中之微嶋-常開閥。 口之是第—方面更包含：—_，閥座藉由開 遭緣/ 口者上至之頂壁之一内表面而界定出。 ，發明第五方岐第—方面更包含：_閥座，閥 開口之侧壁上。 ⑽、 之一 本發明第六方面是第一方面中喊鄰於開口之上室 區域厚於遠祕開口之上室之碰之—_。 、土 開Π，且入π包含上 本發明弟八方面是第七方面中之微閥係 本發明第九方面是第六方面更包含：一 常閉閥 口之-邊緣沿紅室之頂壁之—内表面而界H’。閥座糟由開 -下室===: 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 7 .200804683 v 本發明第十一方面是第一方面中， 微閥係一常開閥 本發明第十二方面是第一方面更包含：― 塗層在奈米纖維墊之奈米纖維上。 保護塗層，保護 給奈=:㈡Π::拉 碳管 本發明第十四方岐第—方财，奈米纖維物絲或奈米 【實施方式】 常開(n〇rmally-open) 一詞當應用至在此描述之靜電操作閥 時，是指在沒有電力或電壓電位施加給闕時允許流體從^入= 流進並從閥出口流出之閥。 常閉(normally-closed)—詞當應用至在此描述之靜電操作 閥日守’疋心在;又有電力或電壓電位施加給閥時阻止流體從閱入 口流進並從閥出口流出之閥。 不透性的(impervious)和無孔(non-porous)用語可交換使 用，與微泵控制或由微泵所抽之流體有關。透性的(pervi〇us) 和多孔(porous)用語可交換使用，與微泵控制或由微泵所抽之 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 8 200804683 流體有關。絕緣和介電用語可交換使用。 奈米纖維是指線、絲或管，其垂直於線、絲或管之縱轴方 向之直徑或橫戴面積小於一微米。奈米纖維的實例包含但不限 於·石夕絲與奈米碳管（CNTs)。本發明實施例之奈米 電的。 尔净 馨 本發明實施例將描述使用CNTs及奈米碳管墊。應當記 住，其他類型之導電奈米纖維及墊可代替CNTs及奈米碳管 塾。在此描述之奈米纖維墊可視爲隔膜(diaphragms)。 圖1A〜1N係根據本發明第一實施例，製造常開閥（圖 1A〜1M)和常閉微閥之剖面圖（圖1A〜1N)。圖1A中，絕緣層 105形成在基板丨00上。導電層11〇形成在絕緣層1〇5上。絕 緣層115形成在導電層110上。在一實施例中，基板1〇〇包含 ⑩ 矽或石英。在一實施例中，絕緣層1〇5與115獨立地包含二氧 化矽、氮化矽、石英或聚醯亞胺。在一實施例中，導電層11〇 包含銅、銘、銅銘合金、鎢、组、鈦、I化鈦、氮化纽或它們 之組合。 圖1B中，絕緣層120形成在絕緣層115上，且溝槽125 形成在絕緣層120中’暴露出溝槽底部内絕緣層115之頂表面 130。在一實施例中，絕緣層120包含二氧化石夕、氮化石夕、石 央或亞胺。在一貫施例中’溝槽125的形成可藉由微影樂』 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 9 .200804683 程產生遮軍，接著進行反應性離子侧（rje)以除去未被遮 罩保護而絕緣層12G不需要的部分，接著除去遮罩。 圖ic中’犧牲材料過填充溝槽125，並進行化學機械研 磨（CMP) ’使知犧牲填料135之頂表面與絕緣層12〇之頂表 面共平面。然後，柔勃奈米碳管（CNT)墊14〇形成在犧牲填 料135之上。奈米碳管墊14〇疊蓋在絕緣層12〇上。在一實施 例中，犧牲填料135包含鍺，係藉由低壓化學氣相沉積 jLPVCD)或電漿加強化學氣相沉積(pEVCD)形成。奈米碳 官墊140包含CNTs層並且多孔性。在一實施例申，奈米碳管 墊140藉由CNTs在揮發液體中之懸浮液之旋轉塗佈而形成。 f米碳=墊140可包含複數層奈米碳管墊。奈米碳管墊材料可 藉由先前技術中已知各種方法製造，或可商業購得。CNT製 造方法之一描述在美國專利公開號US2〇〇2/〇〇9〇33〇，SmaUet et al，2001年12月28曰申請，在此引用其全文。 圖1D中，除去犧牲填料i35(圖1C中)以形成室145。若 犧牲填料135為鍺，則犧牲填料可藉由過氧化氫溶液蝕刻而除 去。其次，選擇性的保護塗層可應用於奈米碳管塾14〇(如圖 1C中)以產生柔韌塗敷奈米;5炭管墊155。合適之塗敷材料包含 介電材料、金屬和聚合物，其可藉由例如濺鍍沉積、pevcd 或原子層沉積（ALD)而應用。在一實施例中，塗敷材料係應 用氮化矽以在單個CNTs之上形成50人厚的層。塗敷奈米碳管 墊155係多孔結構，塗敷材料未填充墊内所有之空隙。塗敷材 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TW1(JL) 10 200804683 料之薄層150可形成在室145之底部和側壁上。 圖1E中，絕緣層160形成在塗敷奈米碳管墊155上，溝 槽形成在絕緣層160内，並以犧牲填料165過填充。執行化學 機械研磨(CMP)使得犧牲填料165之頂表面與絕緣層觸予 ，頂表面共平面。在—實關巾，絕緣層16G包含二氧化石夕、 氮化石夕、石英或聚酸亞胺。在一實施例巾，犧牲频165包含 • 鍺，係藉由低壓化學氣相沉積（LPVCD)或電漿增強化學泰 相沉積(PEVCD)而形成。 孔 圖1F中，第一介電層170形成在絕緣層丨⑼與犧牲填料 165上。其次，導電層175形成在第一介電層17〇上。第二介 電層180形成在導電層175上。在一實施例中，第一與第二介 電層170、180係氮化矽，導電層175係多晶石夕。 鲁 圖1G中，形成溝槽丨85、190與195。溝槽185延伸穿過 第二介電層180、導電層175、第一介電層170與絕緣層16()。 塗敷奈米碳管墊155暴露在溝槽185之底部。溝槽190延伸穿 過第二介電層180、導電層175與第一介電層17〇。犧牲填料 165暴露在溝槽190之底部。溝槽195延伸穿過第二介電芦 180、導電層175、第一介電層170、絕緣層16〇、塗敷奈米碳 管墊155、絕緣層120與絕緣層115。導電層110暴露在溝槽^ 195之底部。在一實施例中，溝槽185、190與至塗敷奈米碳 管墊155之部分溝槽195被形成並被保護（例如藉由光阻層）， 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 11 200804683 形成剩餘溝槽195。溝槽ι85、19G與195之形成可 製程’接著RIE並除去光阻層而實現。氮化石夕與二氧曰化石= 利用氟基RIE侧。CNTs可利用以氧為基礎的赃來侧 除去氮化矽塗層後）。 圖1H中，氮化矽間隙壁2〇〇形成在溝槽185侧壁上，氮 化砍間隙壁2〇5形成在溝槽19〇侧壁上，氮化石夕間隙壁趟 • 开’成在溝槽195侧壁上。間隙壁藉由沉積共形層並接著進行 RIE，以從水平面（如第二介電層18〇及溝槽185、觸與195 底部）上除去共形覆蓋層，而保留垂直表面（如溝槽 與195底部)上之共形覆蓋層而形成。間隙 其他RIE製程）從塗敷奈米碳管墊155上除去塗層 米碳奈米碳管220暴露在溝槽185底部。若塗敷奈米碳管墊 155塗層為導電（例如，金屬），則塗層不須除去。 圖11中，執行鑲嵌製程以形成導電接觸215、225和230。 接觸215通過暴露之奈米碳管220電接觸至塗敷奈米碳管墊 155，接觸225電接觸至犧牲填料165，且接觸230電接觸至 V迅層110。鑲嵌製程係以下所述的一種製程，其中溝槽形成 在介電層内，沉積足夠厚的導體在介電層頂表面上，以填充溝 槽’執行化學機械研磨（CMP)製程除去多餘導體，並使導 體表面與介電層表面共平面，以形成鑲嵌接觸（介層（via) 或線路）。在一實施例中，每一接觸215、225和230各包含銅、 銘、銅銘合金、鎢、钽、鈦、氮化鈦、氮化钽或它們之組合。 4IBM/07019TW ; BUR9-2005-0217TWl(JL) 1； 200804683 圖1J中，除去接觸225 (見圖II)並形成薄共形氮化矽 層235。氮化石夕層235覆蓋並保護開口 190A底部内之犧牲填 圖1K中’開口 240形成在犧牲填料165上。開口 240延 伸穿過第二介電層18G、導電層175與第-介電層m。犧牲 填料165暴露在溝槽190A底部。 圖1L中，除去犧牲填料165上（見圖1K)，在室145上 形成室245。室145與245藉由多孔性塗敷奈米碳管墊155而 刀開若犧牲填料165 (見圖ικ)為鍺，犧牲填料可藉由過 氧化氫溶液敍刻除去。 9 ^圖1Μ中，不透性閥座245及不透性閥密封部件250同時 形成在開口 240側壁上及直接位於開口 24〇下之部分塗敷奈米 • 奴官墊155上。既然閥密封部件250通過開口 240形成，閥密 封部件250自我對準開口 24〇及閥座245。閥座245及闕密封 部件250的合適材料包含介電材料、金屬和聚合物，其可藉由 應用例如濺鑛沉積、PEVCD (如所敍述）並使用遮罩，然後 除去遮罩。藉由除去開口 19〇Α肖氮化石夕層235，可獲得全功 能常開（NO)閥。 值得慶幸的是，若需要常開閥，則只需要第一介電層 170而泽黾層175與第二介電層可省去。選替地，第一 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 200804683 180可用一介電材料層 介電層170、導電層Π5與第二介電層 替代。 對於常閉（NC)閥而言’閥座245與閥密封部件—之 材料須能較財約〜·。以製飾沒林觀果，參照 下文圖1N所述。 …、 囷1N中，執行熱氧化反應(於一範例為溫度7〇〇〜8〇〇。〇之 氧流中）’氧化批鄰開口 240 (見圖1M)之導電層175區域， 以形成氧化矽區域255及出口 256。應用塗敷奈米碳管墊155 之保護塗層保護塗敷奈米碳管墊之CNTs不被熱氧化反應氧 化。因爲當矽被氧化時，體積將增加約4〇~6〇%，使得第二介 電層180推向上’且第一介電層17〇推向下以接觸閥密封部件 250 ^除去氮化矽層235 (見圖1M)形成入口 19〇b並完成本 發明第一實施例常閉閥之製造。 圖10〜1P係根據本發明第一實施例，描述常閉微閥之操 作之剖面圖。圖10中，常閉閥257處於閉合狀態。在入口 與出口 256之間無流體輸送。圖1P中，沒有電壓電位（或相 同極性電壓電位）應用於接觸215與230,由於塗敷奈米碳管 整155之正常反彈，閥密封部件250沿著出口 240A之外圍， 壓向氮化矽層I70之邊緣258。邊緣258為常閉閥257之閥座。 因爲塗敷奈米碳管墊155多孔性，流體從室245流入室145， 並且室145内流體流入室245。閥257入口侧之流體壓力有助 4IBM/07019TW ； BUR9-20〇5-〇217TWl(JL) 14 200804683 於閥密封部件250壓向閥座258。因爲室145、245内壓力相 同’只需小力就可以開啓閥257。 圖1P中，相反電壓電位應用於接觸215與230。例如， 接觸215上具有負電壓電位，塗敷奈米碳管墊255充負電，且 正電壓電位應用於接觸230，導電層11〇充正電，因此朝導電 層靜電吸引塗敷奈米碳管墊255，並遠離閥座258開啓閥257。 NO閥之操作參考在前圖iM所述，其操作類似，區別在 於’當無電壓電位應用於接觸215、230，其為開啓狀態，當 相同電壓電位極性應用於接觸時是閉合狀態。選替地，藉由形 成電連接262於導電層175，並施加相反於接觸215之電壓電 位給導電層175，而可提供更多正閥致動。 圖2A〜2E係根據本發明第二實施例，製造常開微閥之剖 • ^圖。圖2A類似於圖1C，不同之處在於絕緣層265形成在 奈米碳管墊140上，溝槽形成在絕緣層265上並以犧牲材料過 填充，執行CMP，以致於犧牲填料27〇之頂表面與絕緣層265 之頂表面共平面，絕緣層275形成在絕緣層265之頂部與犧牲 填料270上，導電層形成在絕緣層275上，絕緣層285 形成在導電層280上。在一實施例中，絕緣層265、275與285 獨立地包含二氧化石夕、氮化石夕、石英或聚酿亞胺。在-實施例 中，犧牲填料270為鍺，係藉由LPVCD或PEVCD而形成。 在-實施例中，導電層·包含銅、銘、銅齡金、鶴、纽、 4IBM/07019TW ； BUR9-20〇5-〇2l7TWl(JL) 15 200804683 鈦、氮化鈦、氮化鈕或它們之組合。 參 圖2B中，形成溝槽290與295。溝槽290延伸穿過介電 層285、導電層280、介電層175與絕緣層265。奈米碳管墊 140暴露在溝槽290之底部。溝槽295延伸穿過介電層285、 導電層280、介電層275、介電層265與墊140、絕緣層120 與絕緣層115。導電層11〇暴露在溝槽195之底部。在一實施 例中，溝槽290被形成並被保護（例如藉由光阻層），然後形 成溝槽295。在一實施例中，溝槽290與部分至塗佈奈米碳管 墊140之溝槽295被形成並被保護（例如藉由光阻層），形成 剩餘溝槽195。溝槽290與295之形成可藉由微影製程，接著 RIE並除去光阻層而實現。 額外地，間隙壁300形成在溝槽29〇之側壁上，且間隙壁 305形成（如前所述）在溝槽285之侧壁上。在一實施例中^ 間隙壁300與305包含氮化矽。 、 圖2C中，溝槽310形成於絕緣層285中，於溝槽31〇底 部暴露導電層280。然後，執行鑲嵌製程以形成導電接觸31〇、 3150和320。接觸31〇電接觸導電層28〇，接觸315電接觸 CNT墊140，且接觸320電接觸導電層11〇。在一實施例中， 接觸310、315和320各包含銅、鋁、銅鋁合金、鎢、钽、鈦、 氮化鈦、氮化组或它們之組合。 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 16 200804683 圖2D中’溝槽240形成在穿過絕緣層撕、導電芦· 與介電層275，以暴露犧牲填料27G (見圖2〇。然後^去犧 牲填料270與犧牲造斜;[35 f ® PI 7η、 、 熱說八 ），以形成藉由奈米碳管 = 33。與335。若犧牲填料270與犧牲填 料135為鍺’犧牲填料可藉由過氧化氫溶祕刻而除去。
=，閥座245及閥密封部件25〇同時形成在開口 24〇 (見f2D)侧壁上及直接位於開D 24Gt之部分奈米碳管塾 口 ’ 述圖1M所述。既然闕密封部件250形成通過開 口 240 ’閥讀部件25〇自我對準開口 24〇及闕座245。開口 亦成爲出口 332。因為奈米碳管墊14(H系多孔性少 座爛座材料250A可沉積在閥密封部件25〇下之室335之底部 上0 一 圖迚與Μ係根據本發明第二實施例，常開微閥之操作 之剖面圖。圖2F中，Ν0閥337處於閉合狀態。在入口 338 與出:332之間無流體輸送。“普通(generic)，，人口如圖所 示若至335側向（平行於基板獅頂表面） 側向延伸（即，室335長於或寬於室則，人口 338開至至^ 335並可從至335之底部、室335之侧壁或室335之頂部形成 圖2F中，負電壓電位應用於接觸315與32〇，且正電壓 兒位應用於接觸325，奈米碳管墊140與導電層11〇充負電， 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 200804683 導電層280充正電。此將會朝導電層280靜電吸引奈米碳管墊 140，從導電層11〇靜電排斥奈米碳管墊14〇，因此將閥密封 部件250壓向閥密封部件245與閉合閥337之邊緣339。因爲 奈米碳管墊140多孔性，流體從室335流入室330,並且室330 内流體流入室355。NO閥337入口侧上之流體壓力有助於閥 密封部件250壓向閥座245。因爲室330、335内壓力相同， 只需小力就可以閉合NO閥337。 無電壓電位應用於接觸315、320與325，NO閥337處於 開啓狀態，並且奈米碳管墊14〇仍未伸縮（見圖2E)。然而， 通過轉變接觸320與325之電壓極性，並且如圖2G所述可獲 得NO閥337之提升開口位置。 圖2G中，負電壓電位應用於接觸315與325，且正電壓 電位應用於接觸320，奈米碳管墊140與導電層280充負電， 導電層110充正電。此將會朝導電層110靜電吸引奈米碳管墊 140 ’從導電層280靜電排斥奈米碳管墊14〇，因此將閥密封 部件250拉離閥密封部件245之邊緣339並增大NO閥337之 開口。因爲奈米碳管墊140多孔性，流體從室335流入室330， 並且室330内流體流入室355。因爲室33〇、335内壓力相同， 只需小力就可以開啓NO閥337。 圖3A〜3G係根據本發明第三實施例製造微泵之剖面圖。 圖3A與3B類似於圖ία與1C，區別在於兩個溝槽，溝槽125八 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 200804683 與125B分別形成在絕緣層⑽上並填充犧牲材料出a與 13犯。犧牲填料13SA與之頂表面與絕緣層⑽之頂表 面共平面。在一實施例中，犧牲填料135A與ι35Β包含鍺: 溝槽125A將成爲本發明微泵所需之兩個閥其中之一之一部 分，且溝槽咖將成爲微泵之泵部分之-部分。只有一二閥 之製造顯示在® 3A〜3G巾，第4之製造_於第一閥之製 造0 ，在圖3C中，奈米碳管墊140 (見圖3B)被切成電隔離之 奈米碳管墊14GA與奈米碳管墊MGB，且除絲牲材料n5A 與135B (見圖3B)形成個別的室M5A與145B。若犧牲填料 135A與135B為鍺，犧牲填料135A與135B可藉由過氧化氖 溶液钱刻而除去。 在圖3D中，奈米碳管墊155A係多孔性，而奈米碳管墊 155B係非多孔性（例如，對灌注入之流體或室i45B内氣體 不具有透性）。在第一方法中，奈米破管墊140A與奈米碳管 塾140B兩者都（見圖3C)塗佈充足厚度之材料以密封CNTs 間之空隙，然後使用例如RIE製程從奈米碳管墊14〇A上除去 部分塗層。在第二方法中，只有奈米碳管墊14〇B藉由微影遮 罩製程而塗敷。一塗佈材料之薄層150A形成在室145A底部 及側壁上，且塗敷材料薄層150B形成在室145B底部及側壁 上。合適之塗敷材料包含介電材料、金屬和聚合物，其可藉由 例如濺鍍沉積、PEVCD或ALD而應用。在一實施例中，塗 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 19 200804683 敷材料可藉由應用PEVCD或ALD而形成之氮化矽。 既然奈米碳管墊155B被贿，氣體或部分直空
n内。圖職似於圖1E，區別在於，溝槽形成在絕緣 層160内並填充犧牲填料35〇，犧牲填料35〇延伸至 A 與145B (同樣第二閥室145C，圖3E未示）之上。犧牲填料 350之頂表面與絕緣層16〇之頂表面共平面。填料芦撕 可形成在室145A内。 曰 在圖3F中，絕緣層275形成在絕緣層16〇及犧牲填料35〇 之頂部上，導電層280形成在絕緣層275上，絕緣層285形成 在導電層280上。絕緣層275、285及導電層280如前所述。 鑲肷接觸355形成電接觸至奈米碳管墊155A。絕緣間隙壁3⑻ (在一實施例中指氮化石夕)將接觸355與導電層280電隔離。 鑲嵌接觸365形成電接觸至奈米碳管墊155B。絕緣間隙壁謂 (在一實施例中指氮化石夕）將接觸365與導電層28〇電隔離。 鑲喪接觸375形成電接觸至導電層no。介電間隙壁％〇 (在 一實施例中指氮化矽）將接觸375與導電層280及奈米碳管墊 155B電隔離。鑲嵌接觸385形成電接觸至導電層280。在一 實施例中，每一接觸355、365、375及385包含銅、鋁、銅紹 合金、鎢、钽、鈦、氮化鈦、氮化钽或它們之組合。 在圖3G中，開口 240形成延伸穿過絕緣層285、導電層 280與絕緣層275，以暴露犧牲填料35〇 (見圖3F)，且然後除 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 200804683 去犧牲填料形成室395。開π 24G形成在室145 牲填料350為鍺’犧牲填料藉由 右犧 形成入口/出口 397,及直接位於開口 24〇之下之 石i管塾155A上’如上圖_述。既然閥密封部件 牙過開口 240,閥密封部件25〇自我對準開口 及闕座祕。 • 在圖3G中，微泵400包含第一閥405A、泵405B及第二 閥405C (圖未示），第二閥4〇5C與第一閥4〇5a相同並具有 相，之至145C (圖未示，見圖4)，而奈米碳管塾15冗(圖 未示）具有相應之接觸350A (圖未示)。奈米碳管墊丨55A、 155B、155C (圖未示）互相電隔離。第一閥4〇5A包含開口 240、閥座245、閥密封部件25〇、多孔性奈米碳管墊155A、 室145A及室395。泵405B包含室395、塗佈及非多孔性奈米 碳管墊155B及室145B。第二閥405C包含開口 240C (圖未 示）、閥座245C (圖未示）、閥密封部件250C (圖未示）、多 • 孔性奈米碳管墊155C(圖未示）、室145(：(圖未示）及室395。 第一閥405A可用作微泵4〇〇之出口，第二閥405C (圖未示） 可用作微泵400之入口。 雖然NO閥顯示在微泵400 (見圖3G)，亦可用上面所述 之NC閥代替。 圖4係根據本發明第三實施例，微泵之閥與泵室之俯視 4IBM/07019TW ; BUR9-2D05-0217TW1(JL) 21 200804683 圖。在圖4中，敍述絕緣層120具有第一閥4〇5a之室145A、 泵405B之室145B及第二閥405C之室145C。線3G-3G是指 穿過圖3G之部分（圖3A〜3F也是如此）。 圖5A〜5D係根據本發明第三實施例描述微泵操作之示意 圖。在圖5A中，室145A藉由奈米碳管墊155A而與室395 分開，室145B藉由奈米碳管墊155B而與室395分開，室145C 藉由奈米碳管墊155C而與室395分開。室395包含對準在奈 米碳管墊155A之上之出口 397A，及對準在奈米碳管墊155C 之上之出口 397C。閥密封部件及閥座雖未顯示但存在，如上 述及圖3G所述。也顯示與導電層11〇、280、奈米碳管墊155A、 155B、155C之電連接。在圖5A中，無電壓電位應用於任一 電接觸中。 在圖5B中，負電壓電位應用於導電層280、奈米碳管墊 155B及155C，正電壓電位應用於導電層11〇、及奈米碳管塾 155A。奈米碳管墊155A靜電吸引導電層280及靜電排斥導電 層110，閉合出口 397A。奈米碳管墊155B及155C靜電吸引 導電層110及靜電排斥導電層280，進一步開啓入口 397e， 將流體灌注入室395。 在圖5C中，負電壓電位應用於導電層280及奈米碳管塾 155B ’正電壓電位應用於導電層110及奈米碳管塾IMA與 155C。奈米碳管墊155A仍靜電吸引導電層280及靜電排斥導 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TW!(JL) 22 200804683 電層110，維持出口 397A閉合。奈米碳管墊155C靜電吸引 導電層280及靜電排斥導電層110，閉合出口 397A。奈米碳 管墊155B仍靜電吸引導電層110及靜電排斥導電層280，誘 使流體灌注入室395。 在圖5D中，負電壓電位應用於導電層28〇及奈米碳管墊 155A，正電壓電位應用於導電層110及奈米碳管墊155B與 155C。奈米碳管墊155C仍靜電吸引導電層280及靜電排斥導 電層110 ’維持出口 397C閉合。奈米碳管墊155A仍靜電吸 引導電層110及靜電排斥導電層280，開啓出口 397A。奈米 碳管墊155B靜電吸引導電層28〇及靜電排斥導電層11()，因 此壓迫流體灌注入室395，並通過出口 397A將流體從室395 中驅出。 當微泵操作時，重復圖5B〜5D所示之電壓電位之次序。 鲁 微泵之提升操作可藉由將導電層110分成三部分及280分成三 部分而實現，每一對部分與室145A、145B、145C之一對準， 並定時應用電壓電位於三對部分之每一對。 圖6係根據本發明第四實施例微泵之闕與果室之俯視 圖。在本發明第四實施例中，本發明第三實施例之兩微果平行 排列。在®I 6中’形成於絕緣層12Q内的為第—閥之室⑷A1、 第二閥之室145C1、第一泵室！侧、第三間之室M5A2、第 四閥之室145C2及第二栗室i彻。第一及第二果室ι側 4IBM/070i9TW ； BUR9-2005-02I7TWi(jL) 200804683 及^45Β2之開口 410允許密封在第一及第二泵室内之氣體在 果室之間自由流通。個別奈米碳管墊（圖未示）互相電絕緣並 與不同接觸連接（圖未示），此种個別奈米碳管塾將室145Α卜 145Β1>及145C1與上述形成在室145Μ、145Β1及145C1之 上之第一共同室（圖未示）分隔。個別奈米碳管墊（圖未示） 互相電絕緣並與不同接觸連接（圖未示），此种個別奈米碳管 整將至145A2、145B2及145C2與上述形成在室145A2、145B2 φ 及145C2之上之第二共同室（圖未示）分隔。第一與第二共 同至不相互連接’待灌注入之流体不能在此二共同室之間流 通。 圖7係根據本發明第五實施例微泵之閥與泵室之俯視 圖。圖7類似於圖6，區別在於，無第三及第四室145A2及 145C2 (見圖6) ’且第一泵室145B1之上之奈米碳管替（圖 未不）電絕緣且不與電壓電位源連接。泵配置適合於泵導電流 體’如上所述。 曰當兩平行泵已於圖6與7中敍述，值得慶幸的是，任何數 $之泵可平行連接。本發明之泵亦可藉由在泵上之額外材料層 内形成通道，並將一泵之入口連接至另一泵之出口而串聯連 接。 圖8A〜8C係根據本發明第四實施例描述微泵操作之示意 圖。圖8A中，泵室145B1藉由奈米碳管墊155m與共同室 iV1/U/Ulyi w7 ： BUR9-2005-02i7TWl(jL) 24 200804683 395A分離（未描述第一與第二閥室，但“分享，，共同室⑷ 及泵至145B2藉由奈米碳管墊15犯2與共同室395B分離（未 描述第三與第四閥室，但“分享，，共同室趣）。亦顯示與導 電層110、280及奈米碳管墊i選、155B2之電接觸。未顯 示”四閥之不米兔管墊之電接觸。圖8A中，無電壓電位應用 於任意電接觸。 • 在圖犯與犯中’只敍述了泵奈米碳管墊155B1、155B2 之操作。在圖8B中，負電壓電位應用於導電層28〇及奈米碳 管墊155B卜正電壓電位應用於導電層11〇及奈米碳管墊 155B2。奈米碳管墊ι55Β1靜電吸引導電層11〇及靜電排斥導 電層280 ’將流體灌注入室395A。奈米碳管墊155B2靜電排 斥導電層no及靜電吸引導電層280，將流體泵出室395b。 部分封閉在室145B1内氣體從室145B1中轉入145B2中。 # 在圖8C中，負電壓電位應用於導電層280及奈米碳管墊 155B2，正電壓電位應用於導電層110及奈米碳管墊l55m。 奈米碳管墊155B1靜電吸引導電層280及靜電排斥導電層 110，將流體泵出室395A。奈米碳管墊155B2靜電排斥導電 層280及靜電吸引導電層110，將流體灌注入室395B。部分 封閉在室145B2内氣體從室145B2中轉入145B1中。°刀 當微泵操作時’重復在圖8B與8C中所顯示電壓電位應 用之順序。室145B1與145B2之間氣體轉換平滑了泵操作。 4iBM/07019TW ； BUR9-2005-02I7TWi(JL) 200804683 微泵之提升操作可藉由將導電層110分成二部分及28〇分成二 部分而實現，每一對部分與室145B1與145B2之一對準，並 定時應用電壓電值v勢於二對部分之每一對。 圖7 (第五實施例）所示泵操作類似於圖6 (第四實施例） 所示泵操作，區別在於，無奈米碳管墊155B1之電接觸，且 奈米碳管墊155B1之彎曲由室145B1與145B2之間之氣體轉 • 換而產生。因爲在室145B2與395B中沒有干擾奈米碳管墊 155B2之靜電彈性之導電流體存在，本發明第五實施例可有 地用於泵導電流體。然而，閥397A與397C必須為尺〇閥， 且室145A與145C必須由通道連接至重新反壓。亦不需 280之電壓連接。 〜曰 因此，本發日月各種f施例提供微機電閥與泵及製造 閥與泵之方法。 ％ 本發明上面所述實施例用於理解本發明。這將理解為， 發明不限於在崎述舰實_，但可騎各雜正、重 替代，這祕正、重組及替代騎本技術人員㈣是顯而易男 ^。因此’下列申請專利範圍包含所有的這種修正及變化 洛入本發明之真正精神及範圍内。 、/ 【圖式簡單說明】 本發明的特在所附的申請專利範圍中已有陳述。然而， 4IBM/070I9TW ; BUR9-2005-02i7TWi(JL) 26 200804683 現結合圖式並通過下列敍述性實施例之詳細描述可更好地理 解本發明本身。 圖ία〜m係根據本發明第一實施例，製造常開閥和常閉 微閥之剖面圖； 圖1〇〜1P係根據本發明第一實施例，描述常閉微閥之操 作之剖面圖； 圖2A〜2E係根據本發明第二實施例，製造常開微閥之剖 面圖； 圖2F〜2G係根據本發明第二實施例，常開微閥之操作之 剖面圖； 圖3A〜3G係根據本發明第三實施例，製造微泵之剖面圖； 圖4係根據本發明第三實施例，微泵之閥與泵室之俯視 圖； 圖5A〜5D係根據本發明第三實施例，描述泵操作之示 意圖； 圖6係根據本發明第四實施例，微泵之閥與泵室之俯視 圖； ‘ Θ 7係根據本發明第五實施例，微泵之閥與聚室之俯視 圖； 圖8A〜8C係根據本發明第四實施例，描述微泵操作之示 意圖； μ
4IBM/07019TW BUR9-2005-02 i 7TW1( JL) 27 200804683
【主要元件符號說明】 100 基板 105 絕緣層 110 導電層 115 絕緣層 120 絕緣層 125 溝槽 125B 溝槽 155 A 奈米碳管墊 155B 奈米碳管墊 I55C 奈米碳管墊 130 頂表面 135 犧牲填料 135A 犧牲材料 135B 犧牲材料 140 奈米碳管墊 140A 奈米碳管墊 140B 奈米碳管墊 145 室 145 A 室 145B 室 145C 室 150A 層 155 奈米碳管墊 160 絕緣層 165 犧牲填料 170 第一介電層 175 導電層 180 第二介電層 185 溝槽 190 溝槽 195 溝槽 400 微泵 205 氮化矽間隙壁 210 氮化矽間隙壁 215 接觸 220 奈米碳管 225 接觸 230 接觸 240 溝槽 245 室 245 閥座 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-02i7TWl(JL) 28 200804683
250 閥密封部件 257 閥 255 奈米碳管墊 256 出口 257 閥 258 閥座 265 絕緣層 270 犧牲填料 275 介電層 280 導電層 285 絕緣層 290 溝槽 295 溝槽 300 間隙壁 305 間隙壁 325 接觸 330 室 332 出π 335 室 337 閥 338 入口 339 邊緣 350 犧牲填料 350A 接觸 355 接觸 365 接觸 370 間隙壁 375 接觸 385 接觸 395 室 395A 室 395B 室 397 入Π/出口 397A 出口 397C 出Π 125A 溝槽 405A 第一閥 405B 泵 405C 第二閥 145A1 第一閥之室 145A2 第三閥之室 145B1 第一泵室 145B2 第二泵室 145C1 第二閥之室 4IBM/O7019TW ； BUR9-2005-02i7TWi(JL) 29 200804683 奈米碳管墊 145C2 第四閥之室 155B1 155B2 奈米碳管墊
4IBM/07019TW ； BUR9-2005-02i7TWl(JL) 30

Claims (1)

  1. 200804683 十、申請專利範圍： 1· 一種微閥，具有一入口及一出口，該微閥包含： 一下室，該下室具有一底壁與侧壁，及一上^ ·· 室具有一頂壁與侧壁，該上室之一底部與該下室^該^ 藉由一多孔、柔韌且導電之奈米纖維墊而分離；頂部 一開口，該開口在該上室之該頂壁；
    一不透性之閥密封部件，該閥密封部件在該冬 墊上，且在該開口下並自我對準該開口； T 纖維 一導電板，該導電板在該下室之該底壁之下； 一第一電接觸，與該導電板連接；及 ， 一第二電接觸，與該奈米纖維墊連接。 該出口包含該上室之 至之該頂壁之_额外 2·如請求項第1項所述之微閥，其中， 該頂壁之該開口，且該入口包含該上 開口0
    該微閥係一常開間。 3·如請求項第2項所述之微閥，其中 4. 如請求項第1項所述之微間， 一閥座，該閥座藉由該開 頂壁之一内表面而界定出。 更包含： 口之一邊緣沿著該上室之該 5·如請求項第1項所述之微闕 更包含··一閥座，該閥座形 4IBM/070I9TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 31 200804683 成於該開口之側壁上。 6.=請求項第1項所述之微閥’其中，础鄰於該開口之該上 i之該頂壁之一區域厚於遠離於該開口之該上室之該頂 壁之一區域。 開口 8.如明求項第7項所述之微閥，其中，該微閥係一常閉闕。 9·如請求項第6項所述之微闕，更包含： 頂辟該闕座藉由該開口之一邊緣沿著該上室之該 頁土之一内表面而界定出。 1〇·如請求項第1項所述之微閥，更包含： 額外導電板，在該上室之頂部上； 一第三電接觸，與該額外導電板連接，·及 :額外開口’該額外開口入該下室，該入口包含該額 外開口，且該出口包含該開口。 η·如凊求項第10項所述之微闕，其中，該微闕係一常開間。 4IBM/07019TW ; BUR9-2〇〇5-〇217TWl(JL) 32 200804683 12.如請求項第i項所述之微閥，更包含· -保護塗層，該保護塗層在該奈;纖轉之奈米纖維 13.如請求項第i項所述之微 於施加給絲米靜電力H㈣、封部件響應 口。 静電力而破推向或拉離該開 H·如請求項第！項所述之微豆 或奈求碳管。 u該奈米纖維係石夕絲 15. -種微泵’具有—人口及_出口，該微果包含： 下室，:第I二:f 一下室具有-底壁與側壁，-第二 三下古一至/、有一底壁與側壁，一第三下室，該第 :側i 及-上室，該上室具有-頂壁 頂部第-區域與該第-下室之- 該上室之該底部之— 由-無孔、柔初且導電之第一；:：：—Γ至〈一爾 之該底都Oh Ϊ弟纖維墊而分離，該上室 第二區域與該第二下室之一頂部藉 該上宏w之第—奈米纖維墊而分離， 之该底部之一第三區域 孔、柔拿刀且導電之第下至之一頂部藉由-多 、之弟二奈米纖維墊而分離； 壁頂壁並對準於該第一 口’在該上室之該頂 奈米纖維墊之上，· M/〇7Gi9TW』跡·5姻7TW肌） 33 200804683 一第二開口，在該上室之該頂壁頂壁並對準於該第三 奈米纖維墊之上·’ 一不透性之第一閥密封部件，該第一閥密封部件在該 第一奈米纖維塾上，且在該第一開口下並與該第一開口自 對準； 一不透性之第二閥密封部件，該第二閥密封部件在該 第三奈米纖維墊上，且在該第二開口下並與該第二開口自 對準； 一弟一^電板，該苐一導電板在該第一、第二及第三 下室之該頂壁之上，及一第二導電板，該第二導電板在該 上室之該底壁之下； 一第一電接觸，與該第一奈米纖維墊連接； 一第二電接觸，與該第二奈米纖維墊連接； 一第三電接觸，與該第三奈米纖維墊連接； 一第四電接觸，與該第一導電板連接；以及 一第五電接觸，與該第二導電板連接。 16.如請求項第15項所述之微泵，其中該入口包含該上室之 該頂壁之該第一開口，且該出口包含該上室之該頂壁之該 第二開口。 17·如請求項第15項所述之微泵，更包含； 一第一閥座，該第一閥座藉由該第一開口之一邊緣沿 4IBM/07019TW ; BUR9-2005-0217TWl(JL) 200804683 著該上f之該觀之1表面而界定出；以及 ^ 一^二閥座，該第二閥座藉由該第二開口之一邊緣沿 著忒上室之該頂壁之該内表面而界定出。 18·如請求項第15項所述之微泵，更包含：一第一閥座，該 f一閥座形成於該第-開口之侧壁上，及1二閥座，該 第一閥座形成於該第二開口之侧壁上。 19·如請求項第15項所述之微泵，其中，毗鄰於該第一及第 一開口之该上室之該頂壁之區域厚於遠離於該第一及第 二開口之該上室之該頂壁之區域。 20·如請求項第19項所述之微泵，更包含： — 第一閥座，該第一閥座藉由該第一開口之一邊緣沿 者η亥上至之δ亥頂壁之一内表面而界定出；以及 籲 —一第二閥座，該第二閥座藉由該第二開口之一邊緣沿 著該上室之該頂壁之該内表面而界定出。 21·如請求項第15項所述之微泵，更包含： 一塗層，該塗層在該第二奈米纖維墊上，該塗層填充於 該第二奈米碳管墊之該奈米纖維之間的空隙。 22·如請求項第15項所述之微泵，其中，該第一及第二密封 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 35 200804683 4件響應於施加給該第一及第三奈米纖維墊之靜電力，而 被分別推向或拉離該第一及第二開口。 23·如請求項第15項所述之微泵，其中，該第二奈米纖維墊 響應於施加給該第一及第三奈米纖維墊之靜電力，而可偏 轉入與出該上室以及可偏轉入與出該第二下室。 24·如凊求項第15項所述之微泵，其中，該奈米纖維係矽絲。 25·山如請求項帛15項所述之微泵，其中，該奈米纖維係奈米 碳管。 、 之微閥之方法，該方法包 26· —種製造具有一入口及一出口 含： 在-基板上，形成-下室，該下室具有—底壁與側 & ’及形成—上室’該上室具有—頂雜側^，該上 一底部與該下室之-頂部藉由—多孔、錄夺 纖維墊而分離； 木 形成一開口於該上室之該頂壁； 形成-不透性之閥密封部件於該奈米纖維塾上，且兮 閥密封部件於該開口下並自我對準該開口 ； t形成Γ第—導電板於該上室之該頂壁之上，及-第二 $電板於#亥下室之該底壁之下； 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 36 200804683 形成一第一電接觸與該第一導電板連接； 形成一第二電接觸與該第二導電板連接；以及 形成一第三電接觸與該奈米纖維墊連接。 27·如^項第26項所述之方法，其中該出口包含該上室之 =土之該開口，且該人口包含該上室之該頂壁之-額外 開口0 26項所述之方法，其中一閥座藉由該開口之 邊緣沿者該上室之該頂壁之一内表面而界定出。 29如^項第26項所述之方法’更包含形成一闕座於 口之侧壁上。 30·如睛求項第26項所述之方法，其中， 該第一導電板形成在形成於一基板上之一絕緣層上； 形成该下室包含形成一第一溝槽於形成在該第一導 J板ί之一第一介電層内，以-第-犧牲材料填充該溝 '’亚形成衫孔之奈米纖維墊於該第—犧牲材料之上， 接著去除該第一犧牲材料； 形^上室包含形成—溝槽於形成在該奈米纖維塾 上之-第二介電層内，以_第二犧牲材料填充該第 槽，形成-第三介電層於該第二介電層及該第二犧牲材料 4IBM/07019TW ; BUR9-2005-02i7TWi(JL) 37 200804683 並 31.如請求項第26項所述之方法，其中， 上室之該頂壁之一區域厚於遠 頂壁之一區域。 32.如請求項第31項所述之方法，其中該出口 ^該頂壁之關π，雌人σ包含該上室之 4 外開口。 、土心頸 33.如請^猶31項所述之方法，其中，一閥座藉由該開口 之-邊緣沿賴上室之該_之—内表面而界定出。 34·如請求項第31項所述之方法，其中，
    鄰於該開口之該 離於該開口之該上室之該 該第-導電板形成在形成於一基板上之一絕緣層上； 形成該下室包含形成_第—溝槽於形成在該第一導 ^上之—第一介電勒，以—第―犧崎料填充該溝 槽’亚形成該多孔之奈米纖維藝於該第-犧牲材料之上， 接著去除該第一犧牲材料； 形成该上室包含形成—第二溝槽於戦在該奈米纖 塾上之-第二介電層内，用—第二犧牲材料填充該第二 溝槽，形成-第-氮切層於該第二介電層及該第二犧牲 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-02i7TWl(JL) 38 200804683 材料上’形成一多晶石夕層於該第-氮化石夕層上，形成一第 二氮化矽層_多妙紅，且形成—開 1 =石夕層、該多_、及該第—氮化料至該第 料，並除去該第二犧牲材料；以及 才 更包a.執行-熱氧化，該熱氧化將眺鄰該開口之談 =曰補之—區域轉化為二氧切，並觀鄰該開口之^ 弟-鼠化補之區域姆該奈米纖維墊方向推向該開口。 35.如請求項第26項所述之方法，更包含： 形成一額外導電板在該上室之頂部上； 形成一第二電接觸與該額外導電板連接；及 :成-額外開口入該下室，該人口包含該額外開口， 且5亥出口包含該開口。 36·如請求項第35項所述之方法，其中， 該第-導電板形成在形成於一基板上之一絕緣 電第，槽於形成在該第V ===:，於該第-犧_^ 形成該亡室包含形成—第二藉於形成在該奈 =上之一弟二介電層内，用-第二犧牲材料埴充兮 溝槽，形成-第三_於鮮二蝴_二=; 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-G217TWl(JL) 39 200804683 第=於該第三介電層上’形成-第四 除去該第二料三介電層至娜二犧牲材料，並 26項所述之方法，更包含： 域保護塗層在該奈米纖維墊之奈米纖維上。
    38 26項所述之方法’其巾該奈米纖維係石夕絲或 之微泵之方法，該方法包 39.-種製造具有—人口及_出口 含： 形成， 成一第二下’該第—下室具有—底壁與侧壁，形 三下室，:該Ϊ二下室具有一底壁與侧I，形成一第 室，# μ ^弟一下室具有一底壁與側壁，以及形成一上 之太頂壁與側^ ’形成—多孔、柔勒且導電 =第二：纖二!：== 夕:Pi 之、區域與該第二下室之—頂•，形成一 且導電之第三奈米纖維墊，該第-奈米纖維墊 ^開邊上室之該底部之_第三區域與該第三下室之一頂 邵， 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217rvVl(jL) 40 200804683 米纖上室找，對準於該第一奈 1σ_^_，鱗於該第三奈 墊上形之第一闕密封部件於該第-奈米纖維 準該第闕讀部件位於該第-開口之下，並纖
    料开^=透性之第二閥密封部件於該第三奈米纖維 準該第料位於·，之下，並自我對 $成第一導電板於該第一、第二及第三於該下室之 土之上，及一弟二導電板於該上室之該底壁之下； 形成一第一電接觸與該第一奈米纖維墊連接； 形成一第二電接觸與該第二纖維墊連接； 形成一第三電接觸與該第三纖維墊連接； 形成一第四電接觸與該第一導電板；以及 形成一第五電接觸與該第二導電板。 40·如請求項第39項之方法，其中該入口包含該第〆開口於 A上至之該頂壁’及该出口包含該第二開口於該上室之該 頂壁。 41·如請求項第39項之方法，其中一第一閥密封部件藉由該 4IBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 41 200804683 ^開Π之-邊緣沿著該上室之該頂壁之—内表面 =^及-弟二閥密封部件藉由該第二開口之 著 該上室之該之_表面而界定出。 魏者 42.如請求項第39項之方法，更包含： 形成一第一閥座於該第一開口之侧壁上， 二閥座於該第二開口之側壁上。 及形成一第 43.如請求項第39項之方法，更包含： 增加毗鄰於該第一及第二開口之該上 區域的厚度。 室之該頂壁之 ❿ 44·如請求項第39項之方法，更包含： 形成一塗層於該第二奈米纖維墊 第二奈米碳管之奈米纖維墊之間的空隙。趟層填充於該 45.如請求項第39項之方法，其中該举 碳管。 甲m維係石夕絲或奈米 4iBM/07019TW ； BUR9-2005-0217TWl(JL) 42
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