TWM582072U - Microfluidic actuator module - Google Patents

Abstract

一種微流體致動器模組，包含：一第一基板，透過蝕刻製程形成複數個流體出口以及複數個噴口；一第一光阻層，透過顯影製程形成一連通流道；一閥層，透過蝕刻製程形成複數個出口閥以及複數個入口閥；一第二基板，透過蝕刻製程定義複數個振動區；一第二光阻層，透過滾壓製程形成於該第二基板上，透過顯影製程與第二基板共同形成複數個振動腔室；一壓電層，透過切割製程定義複數個致動區；以及一電極層，具有複數個上電極區以及複數個下電極區。提供驅動電源驅動振動區產生往復式位移，使流體自連通流道吸入，再由噴口排出以完成流體傳輸。

Description

微流體致動器模組

本案關於一種致動器模組，尤指一種使用微機電面型及體型加工製程製作之微流體致動器模組。

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，其中微幫浦、噴霧器、噴墨頭、工業列印裝置等產品所包含之流體致動器為其關鍵技術。

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……等，甚至近來熱門的穿戴式裝置皆可見它的踨影，可見傳統的流體致動器已漸漸有朝向裝置微小化、流量極大化的趨勢。

現有技術中已發展多種微機電製程製出之微流體致動器，然而，藉創新結構增進流體傳輸之功效，仍為發展之重要內容。

本案之主要目的係提供一種微流體致動器模組，使用微機電面型及體型加工製程，並輔以精密封裝技術一體成型製作而成。

本案之一廣義實施態樣為一種微流體致動器模組，包含一第一基板、一第一保護層、一第一光阻層、一閥層、一第二基板、一第二光阻層、一導電膠層、一壓電層以及一電極層。第一基板具有一第一表面及一第二表面，透過蝕刻製程形成複數個流體出口以及複數個噴口。流體出口分別與噴口相連通。第一保護層透過沉積製程形成於第一基板之第一表面上，且透過蝕刻製程形成出口開口。出口開口分別透過流體出口與噴口相連通。第一光阻層透過滾壓製程形成於第一保護層上，且透過顯影製程形成一連通流道、複數個入口流道、複數個閥座以及複數個腔體開口。閥層透過翻轉對位製程接合於第一光阻層，並透過蝕刻製程形成複數個出口閥、複數個入口閥以及一第一流道開口。第一流道開口與第一光阻層之連通流道相連通。第二基板透過蝕刻製程形成複數個振動開口，並定義複數個振動區。振動區分別與振動開口的位置相對應。第二光阻層透過滾壓製程形成於第二基板上，透過顯影製程形成複數個腔體孔洞以及一第二流道開口，並透過覆晶製程與閥層熱壓接合。腔體孔洞分別與第二基板之振動開口以及第一光阻層之腔體開口相連通，藉以形成複數個振動腔室。第二流道開口透過閥層之第一流道開口與第一光阻層之連通流道相連通。導電膠層透過網印製程形成於第二基板上。壓電層透過黏貼製程形成於導電膠層上，並透過切割製程定義複數個致動區。電極層透過焊接製程形成於壓電層以及第二基板上，並具有複數個上電極區以及複數個下電極區。提供具有不同相位電荷之驅動電源至上電極區以及下電極區，藉以驅動並控制第二基板之振動區產生往復式位移，使流體自連通流道吸入，通過入口流通後推開入口閥流至振動腔室，最後受擠壓，推開出口閥後通過流體出口再自噴口排出以完成流體傳輸。

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。

本案之微流體致動器用於輸送流體，請參閱第1圖以及第3圖，於本案實施例中，微流體致動器模組100包含複數個微流體致動器10，且由一第一基板1a、一第一保護層1b、一第一光阻層1c、一輔助基板1d(如第2H圖到第2J圖)、一薄膜膠層1e(如第2H圖到第2J圖)、一閥層1f、一第二基板1g、一第二光阻層1h、一導電膠層1i、一壓電層1j以及一電極層1k組成。其中，第一基板1a、第一保護層1b、第一光阻層1c、第二光阻層1h、第二基板1g、導電膠層1i、壓電層1j以及電極層1k係依序堆疊結合後形成為一體，其製程將以單個微流體致動器10做為說明。

請參閱第2A圖至第2E圖，於本案實施例中，第一基板1a為一矽基材。第一基板1a具有一第一表面11a以及一相對於第一表面11a之第二表面12a。於本案實施例中，第一基板1a包含一IC線路13a，設置於第一基板1a上。於本案實施例中，第一基板1a透過一蝕刻製程形成一流體出口14a以及一噴口15a，流體出口14a與噴口15a相連通。於本案實施例中，第一基板1a透過一深蝕刻製程製出流體出口14a，但不以此為限。於本案實施例中，第一基板1a透過一乾式蝕刻製程製出噴口15a，但不以此為限。於本案實施例中，第一基板1a透過一研磨製程使第一基板1a薄化，但不以此為限。

請參閱第2A圖至第2E圖，於本案實施例中，第一保護層1b透過一氮化矽材料沉積製程形成於第一基板1a之第一表面11a之上，沉積製程為一化學氣相沉積製程(CVD)，但不以此為限。於本案實施例中，第一保護層1b透過蝕刻製程形成一出口開口11b，出口開口11b透過第一基板1a之流體出口14a與噴口15a相連通。於本案實施例中，第一保護層1b之蝕刻製程可為一濕式蝕刻製程、一乾式蝕刻製程或兩者之組合，但不以此為限。

請參閱第2F圖、第2G圖以及第3圖，於本案實施例中，第一光阻層1c透過一光阻材料滾壓製程形成於第一保護層1b之上。於本案實施例中，第一光阻層1c透過一顯影製程形成一連通流道11c、一入口流道12c、一閥座13c以及一腔體開口14c。於本案實施例中，第一光阻層1c之光阻材料為一厚膜光阻，但不以此為限。於本案實施例中，入口流道12c內設有複數個欄柵結構121c（如第3圖所示），用以過濾流體中之雜質，此外，欄柵結構121c的設置亦可形成阻尼（damping）效果，藉以減少流體的回流量。於本案其他實施例中，入口流道12c之欄柵結構121c，亦可被省略，不以此為限。於本案實施例中，腔體開口14c透過入口流道12c與連通流道11c相連通。

請參閱第2H圖以及第2I圖，於本案實施例中，薄膜膠層1e透過滾壓製程形成於輔助基板1d之上，閥層1f透過滾壓製程形成於薄膜膠層1e之上。於本案實施例中，閥層1f為一聚醯亞胺（Polyimide, PI）材料，但不以此為限。於本案實施例中，閥層1f透過蝕刻製程形成一出口閥11f、一入口閥12f以及一第一流道開口13f。於本案實施例中，閥層1f透過一乾式蝕刻製程或一雷射蝕刻形成出口閥11f、入口閥12f以及第一流道開口13f，但不以此為限。

請參閱第2J圖以及第2K圖，於本案實施例中，閥層1f透過翻轉對位製程接合於第一光阻層1c上，藉此，閥層1f之第一流道開口13f與第一光阻層1c之連通流道11c相連通。於本案實施例中，閥層1f與第一光阻層1c之接合為一晶圓級接合（Wafer Level Bonding），但不以此為限。於本案實施例中，以化學藥劑浸泡薄膜膠層1e使薄膜膠層1e失去黏性，藉此移除輔助基板1d。於本案實施例中，在閥層1f之入口閥12f以及第一光阻層1c之閥座13c之接合處B1，可於入口閥12f或閥座13c之表面施做一表面處理製程，使入口閥12f與閥座13c之間無接合效果，以利於入口閥12f之作動。

請參閱第2L圖、第2M圖以及第4圖，於本案實施例中，第二基板1g透過蝕刻製程形成一振動開口11g以及一切割記號T。於本案實施例中，振動開口11g以及切割記號T形成於第二基板1g之相反兩側。於本案實施例中，振動開口11g的設置定義出一振動區12g，並且振動區12g與振動開口11g的位置相對應。於本案實施例中，第二基板1g為一不銹鋼材料，但不以此為限。於本案實施例中，第二基板1g之蝕刻製程為一半蝕刻製程，但不以此為限。

請參閱第2N圖以及第2O圖，於本案實施例中，第二光阻層1h透過光阻材料滾壓製程形成於第二基板1g上，並透過顯影製程形成一腔體孔洞11h以及一第二流道開口12h。於本案實施例中，第二光阻層1h為一厚膜光阻，但不以此為限。

請參閱第2P圖，於本案實施例中，第二光阻層1h透過覆晶（Flip-Chip）製程與閥層1f進行對位及熱壓接合，藉此，第二光阻層1h之腔體孔洞11h與第二基板1g之振動開口11g以及第一光阻層1c之腔體開口14c相連通。如此，腔體孔洞11h、振動開口11g以及腔體開口14c共同形成一振動腔室E。此外，第二流道開口12h透過閥層1f之第一流道開口13f與第一光阻層1c之連通流道11c相連通。值得注意的是，於本案實施例中，在閥層1f之出口閥11f以及第二光阻層1h之接合處B2，在進行熱壓接合時並未接合，即出口閥11f與第二光阻層1h之間無接合效果，以利於出口閥11f之作動。

請參閱第2Q圖至第2S圖，於本案實施例中，導電膠層1i透過網印製程形成於第二基板1g上，以及壓電層1j透過黏貼製程形成於導電膠層1i上。於本案實施例中，壓電層1j透過一切割製程定義一致動區M。於本案實施例中，振動開口11g之開口寬度大於壓電層1j之致動區M之寬度。於本案實施例中，導電膠層1i為一異方性導電膠（Anisotropic Conductive Paste, ACP），但不以此為限。

請參閱第2T圖，於本案實施例中，電極層1k透過一焊接製程形成於壓電層1j以及第二基板1g上，具有一下電極區11k及一上電極區12k，並包含一第二保護層13k。下電極區11k以及上電極區12k露出於第二保護層13k外，並分別與壓電層1j以及第二基板1g電性連接。下電極區11k形成於壓電層1j之致動區M上。於本案實施例中，電極層1k為一軟性電路板，並以一聚醯亞胺（Polyimide, PI）為基材，但不以此為限。於本案實施例中，第二保護層13k包含複數個引線131k，與第一基板1a之IC線路13a電性連接。於本案實施例中，每一引線131k為一銅箔鍍金材料，但不以此為限。

請參閱第4圖，於本案實施例中，第2A圖至第2T圖取自X-X剖面。於本案實施例中，第二基板1g還具有複數個定位記號P，藉此，導電膠層1i依照定位記號P範圍進行網印製程，再進行壓電層1j之黏貼製程。而依照第二基板1g之切割記號T，沿著切割方向CT1、CT2進行切割製程或雷射裁切製程，藉以定義出壓電層1j之致動區M。值得注意的是，於本案實施例中，以兩條壓電層1j進行黏接製程，使得廢料總量降低，藉以降低成本，於其他實施例中，亦可以一整片壓電層1h進行黏接製程。

請參閱第4圖，第二基板1g還具有至少一管徑區13g，至少一管徑區包含一貫穿孔131g，與第一光阻層1c之連通流道11c相連通。管徑區13g遠離壓電層1j之致動區M而設置，藉以避免壓電層1j受潮。於本案實施例中，貫穿孔131g藉由自第二基板1g之兩側進行半蝕刻製程而成形，但不以此為限。於本案實施例中，第二基板1g具有二管徑區13g，於其他實施例中，管徑區13g之數量可依設計需求而變更。於本案實施例中，貫穿孔131g為一橢圓形態樣，但不以此為限，貫穿孔131g之態樣可依設計需求而變更。

請參閱第1圖、第5A圖以及第5B圖，於本案實施例中，微流體致動器模組100的具體作動方式，係提供具有不同相位電荷之驅動電源至下電極區11k以及上電極區12k，藉以驅動並控制第二基板1g之振動區12g產生往復式位移。如第1圖以及第5A圖所示，當施加正電壓給上電極區12k以及負電壓給下電極區11k時，壓電層1j之致動區M帶動第二基板1g之振動區12g朝向遠離第一基板1a的方向位移。藉此，外部流體由連通流道11c被吸入，通過入口流道12c後推開入口閥12f，再匯集於振動腔室E內。值得注意的是，此時出口閥11f被流體推動而抵頂第二光阻層1h，使得流體無法自出口閥11f流入。如第1圖以及第5B圖所示，接著轉換下電極區11k以及上電極區12k之電性，施加負電壓給上電極區12k以及正電壓給下電極區11k，如此壓電層1j之致動區M帶動第二基板1g之振動區12g朝向靠近第一基板1a的方向位移。藉此，匯集於振動腔室E內的流體被擠壓，並推開出口閥11f，通過第一基板1a之流體出口14a後自噴口15a排出，完成流體之傳輸。值得注意的是，此時入口閥12f被流體推動而抵頂第一光阻層1c之閥座13c，使得流體無法自入口閥12f排出。

請參閱第6A圖至第6E圖，於本案實施例中，微流體致動器模組100之閥與閥座可有不同實施態樣，以下以入口閥12f為例做敘述。如第6A圖所示，於本案實施例中，入口閥12f藉由閥座13c的支撐，利於作動後恢復原始位置。如第6B圖所示，於本案實施例中，入口閥12f藉由S型支架設計，利於作動時之伸張量以及作動後恢復原始位置。如第6C圖所示，於本案實施例中，閥座13c可加入柱狀結構131c，藉以確保入口閥12f在長期操作下不易變形，同時入口閥12f對於柱狀結構131c的相對位置設置穿孔，藉此增加流體通過入口閥12f時之流量。第6D圖為第6C圖之衍伸設計，而第6E圖為第6D圖中Y-Y剖面的示意圖，於本案實施例中，入口閥12f之正面及背面交錯蝕刻出複數個溝槽121f，使入口閥12f在作動時產生彈簧效果，藉以大幅增加作動之伸張量，並且同時也有使入口閥12f平整之效果。值得注意的是，閥之實施態樣不以上述所限，可依不同設計需求而變更。

請參閱第1圖以及第7圖，於本案實施例中，微流體致動器模組100還包含一邏輯產生器L以及複數個接點墊片PD，電性連接第一基板1a之IC線路13a，用以控制微流體致動器模組100之作動。電極層1k包含複數個端點PL、PR、G、A、B、C、D，用以接收外部輸入之控制訊號。其中，端點PL、PR分別代表左、右電源端，可直接通電至第二基板1g而形成下電極電源；端點G代表著接地端；以及端點A、B、C、D代表控制訊號端。接點墊片PD透過第一基板1a之IC線路13a與邏輯產生器L電性連接。舉例來說，於本案實施例中，微流體致動器模組100包含8個微流體致動器10，當外部輸入一控制訊號（A=1、B=1、C=1）時，經邏輯產生器L解碼後輸出訊號給接點墊片PD1，藉此驅動編號1之微流體致動器10，而當外部輸入一控制訊號（A=1、B=1、C=0）時，經邏輯產生器L解碼後輸出訊號給接點墊片PD2，藉此驅動編號2之微流體致動器10，編號3~8之微流體致動器10的驅動以此類推。值得注意的是，微流體致動器10的數量不以本實施例之8個為限，可依設計需求而變更。

本案提供一微流體致動器模組，主要以微機電面型及體型加工製程，並輔以精密封裝技術一體成型製作而成，並且可藉由控制微流體致動器的驅動來達成需求之流量，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。

100‧‧‧微流體致動器模組

10‧‧‧微流體致動器

1a‧‧‧第一基板

11a‧‧‧第一表面

12a‧‧‧第二表面

13a‧‧‧IC線路

14a‧‧‧流體出口

15a‧‧‧噴口

1b‧‧‧第一保護層

11b‧‧‧出口開口

1c‧‧‧第一光阻層

11c‧‧‧連通流道

12c‧‧‧入口流道

121c‧‧‧欄柵結構

13c‧‧‧閥座

131c‧‧‧柱狀結構

14c‧‧‧腔體開口

1d‧‧‧輔助基板

1e‧‧‧薄膜膠層

1f‧‧‧閥層

11f‧‧‧出口閥

12f‧‧‧入口閥

121f‧‧‧溝槽

13f‧‧‧第一流道開口

1g‧‧‧第二基板

11g‧‧‧振動開口

12g‧‧‧振動區

13g‧‧‧管徑區

131g‧‧‧貫穿孔

1h‧‧‧第二光阻層

11h‧‧‧腔體孔洞

12h‧‧‧第二流道開口

1i‧‧‧導電膠層

1j‧‧‧壓電層

1k‧‧‧電極層

11k‧‧‧下電極區

12k‧‧‧上電極區

13k‧‧‧第二保護層

131k‧‧‧引線

A、B、C、D‧‧‧端點(控制訊號端)

B1、B2‧‧‧接合處

E‧‧‧振動腔室

CT1、CT2‧‧‧切割方向

G‧‧‧端點(接地端)

L‧‧‧邏輯產生器

M‧‧‧致動區

P‧‧‧定位記號

PD‧‧‧接點墊片

PL‧‧‧端點(左電源端)

PR‧‧‧端點(右電源端)

T‧‧‧切割記號

X-X、Y-Y‧‧‧剖面線

第1圖為本案微流體致動器模組之部分剖面示意圖。 第2A圖至第2T圖為本案微流體致動器模組之微流體致動器之製造步驟分解示意圖。 第3圖為本案微流體致動器模組之俯視示意圖。 第4圖為本案微流體致動器模組之另一俯視示意圖。 第5A圖及第5B圖為本案微流體致動器模組之微流體致動器之作動示意圖。 第6A圖至第6E圖為本案微流體致動器之閥之不同型態之俯視剖面示意圖。 第7圖為本案微流體致動器模組之驅動電路示意圖。

Claims (20)

1. 一種微流體致動器模組，包含： 一第一基板，具有一第一表面及一第二表面，透過蝕刻製程形成複數個流體出口以及複數個噴口，該些流體出口分別與該些噴口相連通； 一第一保護層，透過沉積製程形成於該第一基板之該第一表面上，且透過蝕刻製程形成複數個出口開口，該些出口開口分別透過該些流體出口與該些噴口相連通； 一第一光阻層，透過滾壓製程形成於該第一保護層上，且透過顯影製程形成一連通流道、複數個入口流道、複數個閥座以及複數個腔體開口； 一閥層，透過翻轉對位製程接合於該第一光阻層，並透過蝕刻製程形成複數個出口閥、複數個入口閥以及一第一流道開口，該第一流道開口與該第一光阻層之該連通流道相連通； 一第二基板，透過蝕刻製程形成複數個振動開口，並定義複數個振動區，該些振動區分別與該些振動開口的位置相對應； 一第二光阻層，透過滾壓製程形成於該第二基板上，透過顯影製程形成複數個腔體孔洞以及一第二流道開口，並透過覆晶製程與該閥層熱壓接合，該些腔體孔洞分別與該第二基板之該些振動開口以及該第一光阻層之該些腔體開口相連通，藉以形成複數個振動腔室，該第二流道開口透過該閥層之該第一流道開口與該第一光阻層之該連通流道相連通； 一導電膠層，透過網印製程形成於該第二基板上； 一壓電層，透過黏貼製程形成於該導電膠層上，並透過切割製程定義複數個致動區；以及 一電極層，透過焊接製程形成於該壓電層以及該第二基板上，並具有複數個上電極區以及複數個下電極區； 其中，提供具有不同相位電荷之驅動電源至該些上電極區以及該些下電極區，藉以驅動並控制該第二基板之該些振動區產生往復式位移，使流體自該連通流道吸入，通過該些入口流通後推開該些入口閥流至該些振動腔室，最後該振動腔室受擠壓使流體推開該些出口閥後，通過該些流體出口再自該些噴口排出，以完成流體傳輸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中該第一基板包含一IC線路，設置於該第一基板上，並與該電極層電性連接。
3. 如申請專利範圍第2項所述之微流體致動器模組，還包含一邏輯產生器，電性連接該IC線路，用以控制該微流體致動器模組之作動。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中該些入口流道內設有複數個柱狀結構。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中該些噴口以乾式蝕刻製程製出。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中該些流體出口以深蝕刻製程製出。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中該些出口閥、該些入口閥以及該第一流道開口以乾式蝕刻或雷射蝕刻製程製出。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中每一該振動開口之開口寬度大於該壓電層相對應之該致動區之寬度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中該第一基板為一矽基材。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中該第一保護層為一氮化矽材料。
11. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中該第一光阻層以及該第二光阻層分別為一厚膜光阻。
12. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中該閥層為一聚醯亞胺材料，以及該電極層以一聚醯亞胺為基材。
13. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中該電極層為一軟性電路板。
14. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中該第二基板為一不銹鋼材料。
15. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中該導電膠層為一異方性導電膠。
16. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中該電極層包含複數個引線。
17. 如申請專利範圍第16項所述之微流體致動器模組，其中該些引線為銅箔鍍金材料。
18. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中施加正電壓給該些上電極區以及負電壓給該些下電極區，使得該壓電層之該些致動區帶動該第二基板之該些振動區朝向遠離該第一基板的方向位移。
19. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中施加負電壓給該些上電極區以及正電壓給該些下電極區，使得該壓電層之該些致動區帶動該第二基板之該些振動區朝向靠近該第一基板的方向位移。
20. 如申請專利範圍第1項所述之微流體致動器模組，其中： 施加負電壓給該些上電極區以及正電壓給該些下電極區，使得該壓電層之該些致動區帶動該第二基板之該些振動區朝向靠近該第一基板的方向位移，藉此，外部流體由該連通流道被吸入，通過該些入口流通道後推開該些入口閥，匯集於該些振動腔室內；以及 轉換該些上電極區以及該些下電極區之電性，施加正電壓給該些上電極區以及負電壓給該些下電極區，如此該第二基板之該些振動區朝向遠離該第一基板的方向位移，致使匯集於該振動腔室內的流體得以推開該些出口閥後通過該些流體出口，最後自該些噴口排出，完成流體之傳輸。