TWI789822B - 微流體元件 - Google Patents

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TWI789822B
TWI789822B TW110125536A TW110125536A TWI789822B TW I789822 B TWI789822 B TW I789822B TW 110125536 A TW110125536 A TW 110125536A TW 110125536 A TW110125536 A TW 110125536A TW I789822 B TWI789822 B TW I789822B
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林宗義
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Abstract

一種微流體元件，包含：至少二微流體單元相互堆疊，微流體單元包含：第一複合基板；第一熱氧化層，設置於第一複合基板上；第一金屬層，設置於第一熱氧化層上，並具有第一金屬層上電極部及第一金屬層下電極部；第一壓電層，設置於第一金屬層下電極部上；第一絕緣層，設置於第一壓電層周圍，並區隔出第一金屬層上電極部及第一金屬層下電極部；第二金屬層，具有第二金屬層上電極部及第二金屬層下電極部，第二金屬層上電極部設置於第一金屬層上電極部上，第二金屬層下電極部設置於第一金屬層下電極部上。

Description

微流體元件
本案關於一種微流體元件，尤指一種使用微機電半導體製程製作之微流體單元所組合之微流體元件。
目前於各領域中無論是醫藥、電腦科技、列印、能源等工業，產品均朝精緻化及微小化方向發展，其中微型幫浦產品所包含之微流體元件為其關鍵技術。
隨著科技的日新月異，流體輸送結構的應用上亦愈來愈多元化，舉凡工業應用、生醫應用、醫療保健、電子散熱、生活電子產品......等，甚至近來熱門的行動穿戴裝置亦可見它的蹤影，可見微流體元件已漸漸朝向裝置微小化、流量極大化的趨勢。
現有技術中已發展多種微機電半導體製程製出之微流體元件，然而，如何增大腔室空間的壓縮率、零件組裝的便利性，仍為發展之重要內容。
本案之主要目的係提供一種微流體元件，使用微機電半導體製程，並以至少兩個結構相同或略異的微流體單元結合而成的微流體元件。
本案之一廣義實施態樣為一種微流體元件，包含：至少二微流體單元相互堆疊，該微流體單元包含：一第一複合基板；一第一熱氧化層，設置 於該第一複合基板上；一第一金屬層，設置於該第一熱氧化層上，並具有一第一金屬層上電極部及一第一金屬層下電極部；一第一壓電層，設置於該第一金屬層之該第一金屬層下電極部上；一第一絕緣層，設置於該第一壓電層周圍，並區隔出該第一金屬層之該第一金屬層上電極部及該第一金屬層下電極部；一第二金屬層，具有一第二金屬層上電極部及一第二金屬層下電極部，該第二金屬層上電極部設置於該第一金屬層之該第一金屬層上電極部上，該第二金屬層下電極部設置於該第一金屬層之該第一金屬層下電極部上。
本案之另一廣義實施態樣為一種微流體元件，包含：至少二微流體單元相互堆疊，該微流體單元包含：一第二複合基板，具有一第一複合基板、一第一熱氧化層、一第一金屬層、一第一壓電層；一第一絕緣層，設置於該第一壓電層周圍，並區隔出該第一金屬層之一第一金屬層上電極部及一第一金屬層下電極部；一第二金屬層，具有一第二金屬層上電極部及一第二金屬層下電極部，該第二金屬層上電極部設置於該第一金屬層之該第一金屬層上電極部上，該第二金屬層下電極部設置於該第一金屬層之該第一金屬層下電極部上。
1、1A、1B、1C、1D、1E:微流體元件
10、11A、11B、11C、12A、12B、12C、13A、13B、13C、14A、14B、14C、15A、15B、15C、100A、100B:微流體單元
101、201:第一複合基板
102、202:第一熱氧化層
103、203:第一金屬層
1031:第一金屬層上電極部
1032:第一金屬層下電極部
104、204:第一壓電層
105:第一絕緣層
106:第二金屬層
1061:第二金屬層上電極部
1062:第二金屬層下電極部
1063:第三金屬層上部凸塊
1064:第三金屬層下部凸塊
107:第一保護層
108、108A、108B:流道區域
109、109A、109B:蝕刻區域
200:第二複合基板
3、3A、3B、3C:腔室空間
4:通孔
5:矽穿孔
B:下電極區域
T:上電極區域
第1圖至第12圖為本案微流體元件之微流體單元之製程剖面及上視示意圖。
第13圖為本案微流體元件之微流體單元之不同實施例上視示意圖。
第14圖至第15圖為本案微流體元件之不同實施例組合上視示意圖。
第16圖至第18圖為本案微流體元件之不同實施例組合剖面示意圖。
第19圖為本案微流體元件之腔室空間變化簡易示意圖。
第20圖為本案微流體元件在高速運作時之氣體底面示意圖。
體現本案特徵與優點的實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非用以限制本案。
請參閱第1圖至第12圖，於本案實施例中，本案揭露一種微流體元件，包含：至少二微流體單元10相互堆疊(參閱後述第16圖至第18圖及其相關實施方式的說明)。微流體單元10包含：第一複合基板101、第一熱氧化層102、第一金屬層103、第一金屬層上電極部1031、第一金屬層下電極部1032、第一壓電層104、第一絕緣層105、第二金屬層106、第二金屬層上電極部1061、第二金屬層下電極部1062、第三金屬層上部凸塊1063、第三金屬層下部凸塊1064、第一保護層107、流道區域108、蝕刻區域109。
請參閱第1圖，於本案實施例中，第一複合基板101係為SOI(Silicon On Insulator)基板，但不以此為限，第一複合基板101亦可以是其他複合型基板如陶瓷基板或含矽的複合基板。
請參閱第2圖，於本案實施例中，第一熱氧化層102，設置於第一複合基板101上，第一熱氧化層102可透沉積二氧化矽(SiO2)或是熱氧化SOI基板(即第一複合基板101)生成。
請參閱第3圖，於本案實施例中，第一金屬層103，設置於第一熱氧化層102上，第一金屬層103係為鈦/白金(Ti/Pt)，但不以此為限。透過沉積與蝕刻製程後，具有第一金屬層上電極部1031及第一金屬層下電極部1032。
請參閱第4圖，於本案實施例中，第一壓電層104，透過沉積與蝕刻製程，將壓電材料(PZT)設置於第一金屬層103之第一金屬層下電極部1032上。第一壓電層104亦可以使用溶膠凝膠法(sol-gel)或水熱法(hydrothermal)等製成，但不以此為限。
請參閱第5圖至第7圖，為本案實施例中另一態樣。欲完成至第4圖的過程中，亦可使用如第5圖所示之第二複合基板200。第二複合基板200，具有第一複合基板201，例如但不限為SOI層、第一熱氧化層202，例如但不限為SiO2層、第一金屬層203，例如但不限為Ti/Pt層、第一壓電層204，例如但不限為PZT層，但不以此為限。請參閱第6圖，透過對PZT層(亦即第一壓電層)204蝕刻，留下剩餘的PZT層204。請參閱第7圖，再透過蝕刻製程，將原本的Ti/Pt層(亦即第一金屬層)203區分出第一金屬層上電極部1031及第一金屬層下電極部1032。
值得注意的是，第4圖與第7圖主要差異在於因應供應商提供不同態樣的複合基板，達到整合不同態樣的複合基板能共同接續製程。後續為了方便說明，第8圖至第12圖的第一複合基板101、第一熱氧化層102、第一金屬層103、第一金屬層上電極部1031、第一金屬層下電極部1032及第一壓電層104亦可實施於第二複合基板200。
請參閱第8圖，於本案實施例中，第一絕緣層105，設置於第一壓電層104周圍，並區隔出第一金屬層103之第一金屬層上電極部1031及第一金屬層下電極部1032，第一絕緣層105的材料可以是氮化矽(SiN或Si3N4)，但不以此為限。
請參閱第9圖，於本案實施例中，第二金屬層106，具有第二金屬層上電極部1061及第二金屬層下電極部1062。第二金屬層上電極部1061設置於第一金屬層103之第一金屬層上電極部1031上。第二金屬層下電極部 1062設置於第一金屬層103之第一金屬層下電極部1032上。值得注意的是，第二金屬層106的材料可以為金(Au)，但不以此為限，第二金屬層106的材料亦可為其他導電材料。
請參閱第10圖，於本案實施例中，第二金屬層106更具有第三金屬層上部凸塊1063及第三金屬層下部凸塊1064。第三金屬層上部凸塊1063設置於第二金屬層上電極部1061上。第三金屬層下部凸塊1064設置於該第二金屬層下電極部1062上。值得注意的是，第三金屬層上部凸塊1063及第三金屬層下部凸塊1064之材料可以為金(Au)、錫(Sn)、金屬合金(alloy)其中之一。
請參閱第11圖，於本案實施例中，更包含第一保護層107，設置於第一熱氧化層102上方，第一保護層107之材料可以為光阻。透過沉積乾式光阻或以旋轉塗佈濕式光阻，再利用顯影製程，露出第一壓電層104(定義為作動區)、流道區域108(定義為流體流道)、第三金屬層上部凸塊1063與第三金屬層下部凸塊1064。值得注意的是，第一保護層107之材料可以為正光阻或是負光阻，並依光阻特性有對應的微影工程，可視其製程需求加以調整，如亦可以使用網印方式製成。其完成顯影後的上視圖請參閱第11圖B，透過第一保護層107的設置，並定義出一流道區域108。
請參閱第12圖，於本案實施例中，更包含一蝕刻區域109，將第一複合基板101部分蝕刻。透過蝕刻部分的第一複合基板101，定義出振動層，即完成為一個微流體單元10。值得注意的是，流道區域108介於兩個第三金屬層下部凸塊1064之間，但不以此為限，流道區域108的位置，可視其設計需求加以調整。
請參閱第13圖，於本案實施例中，第一壓電層104(作動區)、第一絕緣層105、第二金屬層106可以為圓形、方形或是其他形狀。此外，值得注 意的是，流道區域108A或流道區域108B介於第三金屬層上部凸塊1063與第三金屬層下部凸塊1064之間，即流道區域108與第三金屬層上部凸塊1063或第三金屬層下部凸塊1064擺放於不同邊，其目的是為了避免凸塊與流道間的相互干擾。第13圖A的微流體單元100A與第13圖B的微流體單元100B可以理解第一壓電層104(作動區)形狀的改變，其第一絕緣層105與第二金屬層106亦會跟著改變，並且可以搭配避免流道與凸塊的相互干擾，其作動區的形狀或凸塊與流道的位置，可視其設計所需加以調整，皆屬本案相關實施例的衍伸變化。
請參閱第14圖，第14圖A係為一個微流體單元11A，其製程已於前述說明，不同的地方在於其第一金屬層103、第一金屬層上電極部1031、第一金屬層下電極部1032、第二金屬層106、第二金屬層上電極部1061、第二金屬層下電極部1062、第三金屬層上部凸塊1063、第三金屬層下部凸塊1064透過布線設計而完成一個微流體單元11A。值得注意的是，微流體單元11A的設計多了兩個貫穿孔，蝕刻區域109A與蝕刻區域109B，其貫穿孔係利用乾蝕刻或雷射蝕刻製出，其目的是預留未來打線的空間。第14圖B係為一個微流體單元11A旋轉180度後的微流體單元11B之上視圖。第14圖C係為一個微流體單元11A翻轉180度後的微流體單元11C之上視圖。第14圖D係為一個微流體單元11B在下，堆疊一個微流體單元11C在上，相互堆疊而成的微流體元件1A之上視圖。可以理解的是，透過兩個微流體單元11A相互堆疊可以形成一個微流體元件1A，並且蝕刻區域109A及蝕刻區域109B正巧對應到微流體單元11B的第一金屬層上電極部1031、第二金屬層上電極部1061與第一金屬層下電極部1032、第二金屬層下電極部1062的區域。
請參閱第15圖，第15圖A係為一個微流體單元12A，其製程已於前述說明，與第14圖不同的地方在於其第一金屬層下電極部1032、第二金屬層下電極部1062、第三金屬層下部凸塊1064透過布線設計而完成一個微流體單元12A。值得注意的是，微流體單元12A的兩個貫穿孔，蝕刻區域109A與蝕刻區域109B皆於微流體單元12A的下方，其貫穿孔亦是利用乾蝕刻或雷射蝕刻製出，其目的亦是預留未來打線的空間。第15圖B係為一個微流體單元12A旋轉180度後的微流體單元12B之上視圖。第15圖C係為一個微流體單元12A翻轉180度後的微流體單元12C之上視圖。第15圖D係為一個微流體單元12B在下，堆疊一個微流體單元12C在上，相互堆疊而成的微流體元件1B之上視圖。可以理解的是，透過兩個微流體單元12A相互堆疊可以形成一個微流體元件1B，並且蝕刻區域109A及蝕刻區域109B正巧對應到微流體單元12B的第一金屬層上電極部1031、第二金屬層上電極部1061與第一金屬層下電極部1032、第二金屬層下電極部1062的區域。值得注意的是，透過貫穿孔位置的改變，搭配第一金屬層103、第二金屬層106的布線設計，可得到不同態樣的微流體元件，視其設計所需加以調整布線設計，皆屬本案相關實施例的衍伸變化。
第14圖至第15圖係以上視圖的角度說明，接著請參閱第16圖至第18圖，將以剖面圖的角度做說明。為了使說明較簡潔，圖示中第16圖至第18圖T表示為上電極區域、B表示為下電極區域，透過圖示中上電極區域T與下電極區域B，可以清楚理解微流體單元與微流體單元間的相互堆疊關係。值得注意的是，上電極區域與下電極區域亦可以第一電極區域與第二電極區域稱之，可以理解的是，第一電極區域與第二電極區域係為相對的上下關係(即相鄰關係)，而非絕對的上下關係。
請參閱第16圖，第16圖A係為一個微流體單元13A，係與第12圖之微流體單元10相同，其製程已於前述說明。第16圖B係為一個微流體單元13A旋轉180度後的微流體單元13B之剖面圖。第16圖C係為一個微流體單元13A翻轉180度後的微流體單元13C之剖面圖。第16圖D係為一個微流體單元13B在下，堆疊一個微流體單元13C在上，相互堆疊而成的微流體元件1C之剖面圖。可以理解的是，透過兩個微流體單元13A相互堆疊可以形成一個微流體元件1C，並且微流體元件1C包含一腔室空間3，藉由電壓驅動微流體單元13B之第一壓電層104與微流體單元13C之第一壓電層104，使其振動並帶動流體流動，產生鼓風箱效應，使氣體沿著側壁(第16圖D箭頭方向)流進腔室空間3內，再由腔室空間3經流道區域108吹出氣體(第16圖D噴出方向)。值得注意的是，微流體單元13B之複合基板與微流體單元13C之複合基板相同且具有一定厚度，因此形成良好的附壁作用，使氣體緊貼側壁穩定流動。
請參閱第17圖，第17圖A係為一個微流體單元14A，係與第12圖之微流體單元10大致相同，其製程已於前述說明，差異處僅在於微流體單元14A並未有流道區域108，流道區域108皆被第一保護層107所填補。第17圖B係為一個微流體單元14A旋轉180度後，並且在微流體單元14A中間具有一通孔4的微流體單元14B之剖面圖，通孔4係由微流體單元14A中心頂部貫穿至微流體單元14A中心底部。第17圖C係為一個微流體單元14A翻轉180度後的微流體單元14C之剖面圖。第17圖D係為一個微流體單元14B在下，堆疊一個微流體單元14C在上，相互堆疊而成的微流體元件1D之剖面圖。可以理解的是，透過兩個微流體單元14A相互堆疊可以形成一個微流體元件1D，並且微流體元件1D包含一腔室空間3，藉由電壓驅動微流體單元14B之第一壓電層104與微流體單元14C之第一 壓電層104，使其振動並帶動流體流動，產生鼓風箱效應，使氣體沿著底部(第17圖D箭頭方向)與通孔4流進腔室空間3內，再由腔室空間3經通孔4吹出氣體(第17圖D噴出方向)。
請參閱第18圖，第18圖A係為一個微流體單元15A，係與第12圖之微流體單元10大致相同，其製程已於前述說明，差異處僅在於微流體單元15A並未有第三金屬層上部凸塊1063、第三金屬層下部凸塊1064、第一保護層107、流道區域108。第18圖B係為一個微流體單元15A附加二矽穿孔5(TSV,Through Silicon Via)後的微流體單元15B之剖面圖，矽穿孔5由第一金屬層103向下貫通第一熱氧化層102及第一複合基板101，並且填充導電材料。第18圖C係為一個微流體單元15A旋轉180度後，並且在微流體單元15A中間具有一通孔4的微流體單元15C之剖面圖，通孔4係由微流體單元15A中心頂部貫穿至微流體單元15A中心底部。第18圖D係為一個微流體單元15B在上，堆疊一個微流體單元15C在下，相互堆疊而成的微流體元件1E之剖面圖。可以理解的是，透過兩個微流體單元15B與微流體單元15C相互堆疊可以形成一個微流體元件1E，並且微流體元件1E包含一腔室空間3，藉由電壓驅動微流體單元15B之第一壓電層104與微流體單元15C之第一壓電層104，使其振動並帶動流體流動，產生鼓風箱效應，使氣體沿著底部(第18圖D箭頭方向)與通孔4流進腔室空間3內，再由腔室空間3經通孔4吹出氣體(第18圖D噴出方向)。
請參閱第16圖D、第17圖D、第18圖D及第19圖。第19圖A為未施加電壓時微流體元件狀態的簡易示意圖，第19圖B、第19圖C為施加電壓時微流體元件腔室壓縮與擴張狀態的簡易示意圖。第16圖D係兩相同的微流體單元13A透過一旋轉與一翻轉組成的微流體元件1C，值得注意的是，兩微流體單元13B、13C為上電極相連與下電極相連。第17圖D係兩大致 相同的微流體單元14A透過一旋轉與一翻轉組成的微流體元件，且兩微流體單元14B、14C亦為上電極相連與下電極相連。第18圖D係兩大致相同的微流體單元15B、15C透過一旋轉以及一矽穿孔技術(TSV,Through Silicon Via)組成的微流體元件1E，值得注意的是，兩微流體單元15B、15C為上電極與下電極相連。當未施加電壓時，第16圖D、第17圖D、第18圖D的微流體元件1C、1D、1E狀態如第19圖A所示。當施加電壓時，第16圖D、第17圖D、第18圖D的微流體元件1C、1D、1E操作狀態如第19圖B、第19圖C所示。藉由不同的電極連接配置，使得微流體元件在操作狀態下，微流體元件內各別的第一壓電層104的反相運動產生最大的腔室空間3壓縮與擴張，並在高速反覆運作下，達到高速且高流率的鼓風箱效應。第20圖是微流體元件1D、微流體元件1E在高速運作時的氣體底面示意圖，使腔室空間3經由通孔4匯聚氣體後，以接近白努利定律(Bernoulli's Law)之狀態，將氣體快速且大量地由通孔4噴出。
本案提供一微流體元件，使用微機電半導體製程，並以至少兩個結構相同或略異的微流體單元，透過晶圓對晶圓(Wafer to Wafer，W2W)或晶片對晶片(Chip to Chip，C2C)或晶片對晶圓(Chip to Wafer，C2W)的方式將兩個微流體單元組裝成微流體元件，並具有高壓縮率的腔室空間使流體傳輸效率增強，極具產業之利用價值，爰依法提出申請。
本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
1E:微流體元件
15A、15B、15C:微流體單元
3:腔室空間
4:通孔
5:矽穿孔
B:下電極區域
T:上電極區域

Claims (18)

  1. 一種微流體元件，包含： 至少二微流體單元相互堆疊，該微流體單元包含： 一第一複合基板(101)； 一第一熱氧化層(102)，設置於該第一複合基板(101)上； 一第一金屬層(103)，設置於該第一熱氧化層(102)上，並具有一第一金屬層上電極部(1031)及一第一金屬層下電極部(1032)； 一第一壓電層(104)，設置於該第一金屬層(103)之該第一金屬層下電極部(1032)上； 一第一絕緣層(105)，設置於該第一壓電層(104)周圍，並區隔出該第一金屬層(103)之該第一金屬層上電極部(1031)及該第一金屬層下電極部(1032)；以及 一第二金屬層(106)，具有一第二金屬層上電極部(1061)及一第二金屬層下電極部(1062)，該第二金屬層上電極部(1061)設置於該第一金屬層(103)之該第一金屬層上電極部(1031)上，該第二金屬層下電極部(1062)設置於該第一金屬層(103)之該第一金屬層下電極部(1032)上。
  2. 如請求項1所述之微流體元件，其中該第一複合基板(101)係為SOI基板。
  3. 如請求項1所述之微流體元件，其中該第二金屬層(106)更具有一第三金屬層上部凸塊(1063)及一第三金屬層下部凸塊(1064)，該第三金屬層上部凸塊(1063)設置於該第二金屬層上電極部(1061)上，該第三金屬層下部凸塊(1064)設置於該第二金屬層下電極部(1062)上。
  4. 如請求項3所述之微流體元件，其中該第三金屬層上部凸塊(1063)及該第三金屬層下部凸塊(1064)之材料係為金、錫、金屬合金其中之一。
  5. 如請求項3所述之微流體元件，其中該微流體單元更包含一第一保護層(107)，設置於該第一熱氧化層(102)上方，並定義出一流道區域(108)。
  6. 如請求項5所述之微流體元件，其中該流道區域(108)介於兩個該第三金屬層下部凸塊(1064)之間。
  7. 如請求項5所述之微流體元件，其中該流道區域(108)介於該第三金屬層上部凸塊(1063)與該第三金屬層下部凸塊(1064)之間。
  8. 如請求項5所述之微流體元件，其中該微流體單元更包含一蝕刻區域(109)，將該第一複合基板(101)部分蝕刻。
  9. 如請求項1所述之微流體元件，其中該微流體單元更包含至少二矽穿孔(5)由該第一金屬層(103)向下貫通該第一熱氧化層(102)及該第一複合基板(101)。
  10. 一種微流體元件，包含： 至少二微流體單元相互堆疊，該微流體單元包含： 一第二複合基板(200)，具有一第一複合基板(201)、一第一熱氧化層(202)、一第一金屬層(203)、一第一壓電層(204)； 一第一絕緣層(105)，設置於該第一壓電層(204)周圍，並區隔出該第一金屬層(203)之一第一金屬層上電極部(1031)及一第一金屬層下電極部(1032)；以及 一第二金屬層(106)，具有一第二金屬層上電極部(1061)及一第二金屬層下電極部(1062)，該第二金屬層上電極部(1061)設置於該第一金屬層(203)之該第一金屬層上電極部(1031)上，該第二金屬層下電極部(1062)設置於該第一金屬層(203)之該第一金屬層下電極部(1032)上。
  11. 如請求項10所述之微流體元件，其中該第二複合基板(200)之該第一複合基板(201)係為SOI基板。
  12. 如請求項10所述之微流體元件，其中該第二金屬層(106)更具有一第三金屬層上部凸塊(1063)及一第三金屬層下部凸塊(1064)，該第三金屬層上部凸塊(1063)設置於該第二金屬層上電極部(1061)上，該第三金屬層下部凸塊(1064)設置於該第二金屬層下電極部(1062)上。
  13. 如請求項12所述之微流體元件，其中該第三金屬層上部凸塊(1063)及該第三金屬層下部凸塊(1064)之材料係為金、錫、金屬合金其中之一。
  14. 如請求項12所述之微流體元件，其中該微流體單元更包含一第一保護層(107)，設置於該第一熱氧化層(202)上方，並定義出一流道區域(108)。
  15. 如請求項14所述之微流體元件，其中該流道區域(108)介於兩個該第三金屬層下部凸塊(1064)之間。
  16. 如請求項14所述之微流體元件，其中該流道區域(108)介於該第三金屬層上部凸塊(1063)與該第三金屬層下部凸塊(1064)之間。
  17. 如請求項14所述之微流體元件，其中該微流體單元更包含一蝕刻區域(109)，將該第二複合基板(200)之該第一複合基板(201)部分蝕刻。
  18. 如請求項10所述之微流體元件，其中該微流體單元更包含至少二矽穿孔(5)由該第二複合基板(200)之該第一金屬層(203)向下貫通該第一熱氧化層(202)及該第一複合基板(201)。
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