具有压电致动的微流体MEMS器件及其制造工艺制造技术

本公开涉及具有压电致动的微流体MEMS器件及其制造工艺。一种微流体器件具有多个喷射器元件。每个喷射器元件包括：容纳第一流体流动通道和致动器室的第一区域；容纳流体容纳室的第二区域；以及容纳第二流体流动通道的第三区域。流体容纳室流体耦合到第一和第二流体流动通道。第二区域由膜层、膜限定层和流体腔室限定体形成，膜限定层机械地耦合到膜层并且具有膜限定开口，流体腔室限定体机械地耦合到膜限定层并且具有腔室限定开口，腔室限定开口的宽度大于膜限定开口的宽度。因此，膜的宽度由腔室限定开口的宽度限定。

Microfluidic MEMS Devices with Piezoelectric Actuation and Their Manufacturing Technology

The present disclosure relates to a microfluidic MEMS device with piezoelectric actuation and its manufacturing process. A microfluidic device has multiple ejector elements. Each ejector element includes a first area containing a first fluid flow passage and an actuator chamber; a second area containing a fluid flow chamber; and a third area containing a second fluid flow passage. The fluid in the fluid chamber is coupled to the first and second fluid flow channels. The second region is formed by a membrane layer, a membrane limiting layer and a fluid chamber limiter. The membrane limiting layer is mechanically coupled to the membrane layer and has a membrane limiting opening. The fluid chamber limiting body is mechanically coupled to the membrane limiting layer and has a cavity limiting opening. The width of the cavity limiting opening is larger than that of the membrane limiting opening. Therefore, the width of the membrane is limited by the width of the opening defined by the chamber.

【技术实现步骤摘要】
具有压电致动的微流体MEMS器件及其制造工艺
本公开涉及微流体MEMS(“微机电系统”)器件和相关的制造工艺。
技术介绍
众所周知，已经提出了使用可以使用微电子制造技术来制造的具有小尺寸的微流体器件，来喷射油墨和/或香料，例如香水。例如，美国专利No.9,174,445描述了一种被设计用于将油墨热喷涂到纸上的微流体器件。被设计用于喷射流体的另一类型的微流体器件基于压电原理。特别地，具有压电致动的器件可以基于振荡模式(纵向还是横向)来分类。在下文中，将参考以横向模式操作的器件，而本公开不限于这类器件。具有横向类型的压电致动的微流体器件的一个示例性实施例在例如美国专利公开No.2014/0313264中描述并且在图1中示出，其涉及用1表示并且集成到半导体基底中的单个喷射器元件。图1中的喷射器元件1包括相互叠置和接合的下部部分、中间部分和上部部分。下部部分由第一区域2构成，第一区域2由半导体材料制成，并且具有入口通道10。中间部分由半导体材料的第二区域3形成，第二区域3横向地界定流体容纳室12。此外，流体容纳室12在底部由第一区域2界定并且在顶部由膜层4(例如，氧化硅)界定。膜层4的在流体容纳室12顶部的区域形成膜7。膜层4形成为具有能够偏转的厚度，例如约2.5μm。上部部分由半导体材料的第三区域5形成，第三区域5界定致动器室6，致动器室6叠置到流体容纳室12上并且叠置到膜7上。第三区域5具有通过膜层4中的相应开口14与流体容纳室12连通的通道13。压电致动器8在致动器室6中设置在膜7顶部。压电致动器8由成对的相互叠置的电极15、16组成，压电材料层9(例如，PZT(Pb，Zr，TiO3))在电极15、16之间延伸。喷嘴板17设置在第三区域5顶部，喷嘴板17借助于粘合剂层18粘合到第三区域5。喷嘴板17具有孔19，孔19与通道13对准并且通过粘合剂层18中的开口20与通道13流体连接。孔19形成射流发射通道的喷嘴，射流发射通道总体上用21表示并且还包括通道13和开口14、20。在使用中，待喷射的流体或液体通过入口通道10被供应到流体容纳室12，并且外部控制装置(未示出)生成致动控制信号，以在成对的电极15、16之间施加适当的电压。特别地，在第一步骤中，成对的电极15、16以如下方式被偏置，该方式使得膜7朝向流体容纳室12的外部偏转。流体容纳室12的体积增加，并且因此充满液体。在第二步骤中，压电致动器8以如下方式在相反方向上被控制，该方式使得膜7朝向流体容纳室12的内部偏转，导致存在于流体容纳室12中的流体朝向射流发射通道21运动。因此生成射流的受控排出，如箭头23所示。随后，第一步骤以如下方式执行，该方式使得能够再次增加流体容纳室12的体积，要求更多流体通过入口通道10。具有所描述的类型的压电致动的微流体器件在打印质量、低成本和射流的最小尺寸方面是特别有利的，这使得能够获得具有极好的细节和/或高的清晰度以及高的雾化密度的打印。通常，每个微流体器件包括以如下方式并排设置的大量喷射器元件，该方式使得能够提供所需要的打印特性。例如，各个喷射器元件可以并排布置在各个行上。在一些应用中，希望所有喷射器元件生成具有相同体积和相同喷射速度的射流。这可以当在同一基底内部的微流体器件的所有喷射器元件具有相同尺寸时获得，特别是当它们具有宽度相同且厚度相同的膜时。允许量化喷射器元件的性能特性并且因此评估微流体器件的喷射器元件是否足够相等的一个参数是膜的“柔量”。特别地，在由氧化物/硅/氧化物制成的膜的情况下，根据用下面的等式(1)表示的Roark公式，柔量C取决于膜的几何特性(McGraw-Hill的第七版的第504页的表11.4的W.C.Young、R.G.Budynas的“Roark的应力和应变公式(Roark’sFormulasforStressandStrain)”)：其中L是膜的长度(在平行于笛卡尔坐标系XYZ的X轴的方向上，图1)，W是膜的宽度(在平行于Y轴的方向上)，E是膜的杨氏模量，并且T是膜的厚度(在平行于Z轴的方向上)。根据申请人的研究，已经确定，为了使95％的喷射器元件以最多为10％的体积变化和最多为10％的喷射速度变化来喷射射流，期望的是，膜的厚度T(在平行于Z轴的方向上)与设计值相比具有不大于5％的厚度变化，并且膜的宽度W(在平行于Y轴的方向上)与设计值(例如，100μm)相比具有不大于1％的宽度变化。尽管可以用常规技术获得对膜的厚度的控制，但是通过使用包括例如深硅蚀刻步骤的常规制造技术难以以这样的精度水平获得对膜的宽度W的控制。实际上，例如在标称宽度W为80μm的情况下，难以获得小于0.8μm的变异性，特别是考虑到流体容纳室的蚀刻(其确定膜的宽度)是也为100μm或更大的深蚀刻。此外，在光刻工艺期间的对准中的潜在误差也对膜的宽度W产生影响并且还对变异性产生影响。其结果是，对于当前的制造工艺，关于与期望的设计值相比的尺寸变化(同一晶片内的所有微流体器件的变异性)，以及关于同一晶片上的各个器件之间存在的变化、以及关于器件内的各种喷射器元件之间存在的变化，喷射器元件表现出不可忽略的尺寸变异性。
技术实现思路
提供了一种微流体MEMS(“微机电系统”)器件(诸如用于喷墨打印并且具有压电致动)和一种用于形成该器件的相关制造工艺。附图说明为了理解本公开，现在参考附图纯粹通过非限制性示例来描述其实施例，在附图中：图1示出了具有压电致动的用于喷墨打印的已知的微流体MEMS器件的喷射器元件的截面；图2示出了具有压电致动的用于喷墨打印的本专利技术的微流体MEMS器件的喷射器元件沿着图3中的方向II-II截取的截面；图3示出了沿着图2中的平面III-III截取的平面截面，其中喷射器元件的部分是透明的；图4示出了从上方看的简化视图，其示出了具有压电致动的用于喷墨打印的本专利技术的微流体MEMS器件中的多个喷射器元件的布置；图5A至图13A示出了在相继的制造步骤中沿着图2中的喷射器元件的方向II-II截取的截面；以及图5B至图13B示出了在与图5A至13A中的那些步骤相对应的相继的制造步骤中、沿着图2中的V-V方向截取的并且使喷射器元件的部分透明的纵向截面。具体实施方式图2示出了集成到微流体器件30中的单个喷射器元件40。图2中的喷射器元件40包括相互叠置和接合的第一区域41、第二区域42和第三区域43。第一区域41由主体46形成，主体46由半导体材料(例如，单晶硅)制成，竖直穿过主体46，在平行于参考坐标系XYZ的Z轴的方向上是与外部贮存器(未示出)连通的入口通道50。主体46还形成致动器室68，致动器室68设置在入口通道50的侧面并且与入口通道50隔离。第二区域42叠置在第一区域41上并且借助于第一粘合剂层48接合到第一区域41上。第二区域42包括相互叠置的膜层64、膜限定元件81和腔室体86；例如，膜层64和膜限定元件81由多晶硅制成，并且腔室体86例如由单晶硅制成。详细地，膜层64接合到第一区域41并且在顶部封闭致动器室68。腔室体86和膜限定元件81具有相应的开口(膜限定开口81A和腔室开口86A，也参见图3)，这些开口横向地界定流体容纳室52。在本微流体器件30中，腔室体86的厚度远大于膜限定层81的厚度，特别地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微流体器件，包括：多个喷射器元件，每个喷射器元件包括：第一区域，具有第一流体流动通道和致动器室；在所述致动器室中的致动器；第二区域，具有流体耦合到所述第一流体流动通道的流体容纳室，所述第二区域包括：耦合到所述第一区域的膜层，所述膜层具有封闭所述流体容纳室并且支撑所述致动器的第一表面；膜限定层，耦合到所述膜层并且具有膜限定开口，所述膜限定开口在所述膜限定层的平面中具有宽度；以及腔室限定体，耦合到所述膜限定层并且具有腔室限定开口；以及第三区域，耦合到所述第二区域并且具有流体耦合到所述流体容纳室的第二流体流动通道；其中所述流体容纳室由所述膜层、所述膜限定层、所述腔室限定体和所述第三区域界定，其中所述腔室限定开口在平行于所述平面的方向上的宽度大于所述膜限定开口的宽度，以及其中所述膜限定开口在所述膜层中限定柔性膜。

【技术特征摘要】
2017.07.20 IT 1020170000829611.一种微流体器件，包括：多个喷射器元件，每个喷射器元件包括：第一区域，具有第一流体流动通道和致动器室；在所述致动器室中的致动器；第二区域，具有流体耦合到所述第一流体流动通道的流体容纳室，所述第二区域包括：耦合到所述第一区域的膜层，所述膜层具有封闭所述流体容纳室并且支撑所述致动器的第一表面；膜限定层，耦合到所述膜层并且具有膜限定开口，所述膜限定开口在所述膜限定层的平面中具有宽度；以及腔室限定体，耦合到所述膜限定层并且具有腔室限定开口；以及第三区域，耦合到所述第二区域并且具有流体耦合到所述流体容纳室的第二流体流动通道；其中所述流体容纳室由所述膜层、所述膜限定层、所述腔室限定体和所述第三区域界定，其中所述腔室限定开口在平行于所述平面的方向上的宽度大于所述膜限定开口的宽度，以及其中所述膜限定开口在所述膜层中限定柔性膜。2.根据权利要求1所述的器件，其中所述流体容纳室在长度方向上具有第一端和第二端，所述第一流体流动通道在所述流体容纳室的所述第一端处伸出，并且所述第二流体流动通道在所述流体容纳室的所述第二端处伸出。3.根据权利要求1所述的器件，其中所述膜限定开口和所述腔室限定开口具有矩形形状，并且其中所述腔室限定开口具有更大的面积并且包围所述膜限定开口。4.根据权利要求1所述的器件，其中所述膜限定层由第一材料制成，其中所述膜层由第二材料制成，其中所述膜限定层被第三材料的第一保护层包围，并且其中所述膜层在与所述第一表面相对的第二表面上被第四材料的第二保护层覆盖。5.根据权利要求4所述的器件，其中所述第一材料和所述第二材料是半导体材料，并且其中所述第一保护层和所述第二保护层由电介质材料制成。6.根据权利要求1所述的器件，其中所述膜限定层具有第一厚度，并且所述流体腔室限定体具有第二厚度，并且其中所述第二厚度大于所述第一厚度。7.根据权利要求1所述的器件，其中所述致动器是压电致动器，所述压电致动器包括：在所述膜层的第一表面上的第一电极；在所述第一电极之上延伸的压电层；在所述压电层之上延伸的第二电极；至少部分地在所述膜层之上以及在第一电极和所述第二电极之上延伸的电介质层；以及至少部分地在所述电介质层之上延伸的第一接触轨和第二接触轨。8.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一流体流动通道是入口通道，并且所述第二流体流动通道是出口通道。9.一种方法，包括：制造包括多个喷射器元件的微流体器件，其中所述制造包括：在半导体材料的第一区域中形成第一流体流动通道和开口；在半导体材料的晶片上形成膜限定层；在所述膜限定层上形成具有第一表面和第二表面的膜层；在所述膜层的所述第一表面上形成致动器；将所述第一区域耦合到所述膜层的所述第一表面，使得所述开口包围所述致动器并且形成致动器室；在所述晶片中形成腔室限定开口；以及在所述膜限定层中形成膜限定开口，所述膜限定开口在所述膜限定层的铺设平面中具有宽度，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·朱斯蒂，M·卡塔内奥，C·L·佩瑞里尼，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT