微型流体设备的制作方法

本公开涉及一种包括埋腔的微型流体mems设备及其制造过程。特别地，在下面的描述中，将参考基于压电技术的流体喷射设备(诸如用于打印应用的喷墨头)、微型致动器(诸如微型泵)等。

背景技术：

1、然而，经过适当的修改，该微型流体设备也可以用于除墨水之外的流体的发射，例如，用于生物或生物医学领域的应用，用于在制造用于生物分析的传感器中生物材料(例如，dna)的局部应用，用于织物或陶瓷装饰，以及用于3d打印和添加制造应用。

2、此外，它可以是不同的微型致动器，例如微型开关等。

3、用mems(微型机电系统)技术处理的多种类型的流体喷射设备是已知的。

4、这些设备目前是通过在最终制造步骤中耦接大量预处理和组装的部件而形成的。

5、例如，图1示出了喷射设备1，该喷射设备1包括喷嘴部分2、腔室部分3和分配部分4，由相互叠加和结合的相应的半导体晶片形成。

6、喷嘴部分2具有喷射通道10(也称为喷嘴10)并且向下界定流体容纳腔室11。

7、腔室部分3由硅的主体5和例如氧化硅的膜层6形成。流体容纳腔室11横向由主体5界定并且向上由膜层6界定。流体容纳腔室11上方的膜层6的区形成膜7。膜层6具有的厚度使得它可以偏转。

8、分配部分4由硅制成并且向上界定致动器腔室12，该致动器腔室12向下由膜层5封闭并且叠加在流体容纳腔室11和膜7上。分配部分4具有供应通道13，通过膜层6中的对应开口14与流体容纳腔室11连通。

9、压电致动器15布置在致动器腔室12中的膜7上方。压电致动器15包括相互叠加的一对电极21、22，具有在其间延伸的压电层20，例如pzt(pb，zr，tio3)。

10、喷射设备1可以包括并排延伸的多个流体容纳腔室11，该多个流体容纳腔室11由壁19横向间隔开，但是在端部相互连接，如图2中示出的，该图2示出了用虚线的多个供给通道13和用实线的多个喷射通道10。

11、在使用中，待喷射的流体或液体通过供应通道13提供给流体容纳腔室11(箭头23)；压电致动器15通过电极21、22(适当地偏置)以此类方式被控制使得产生膜7朝向流体容纳腔室11的内部的偏转和流体朝向喷嘴10的移动，导致朝向喷射设备1的外部的液滴的受控喷射(箭头24)。

12、然后，压电致动器15被控制在相反的方向上，从而增加流体容纳腔室11的体积并且导致进一步的流体被抽出。

13、通过周期性地重复压电致动器15的致动，获得了更多液滴的喷射。

14、可以如专利申请us 2017/182778中描述的那样制造喷射设备1。其中描述的制造过程提供了用于至少部分预处理的耦接三个。

15、此耦接(例如，通过结合技术)一般需要高精度以便在晶片之间以及在其中形成的功能元件之间获得良好的对准。

16、此外，使用三个晶片是昂贵的，并且在一些情况下，可能导致产量问题和技术困难。

17、专利申请us 2020/0324545描述了一种用于制造流体喷射设备的过程，该流体喷射设备使用两个硅晶片和由干膜形成的喷嘴板。尽管此解决方案解决了使用三个硅晶片的问题，但是它仍有待改善，因为喷嘴板的材料并不总是能够确保技术过程的可重复性和均匀性，这在一些应用中是有用的，并且可能与一些液体不相容。此外，将聚合材料用于喷嘴板可能与零件在低温或高温下操作的应用不相容。

技术实现思路

1、根据本公开，提供了一种微型流体设备及其制造过程。

2、本公开涉及一种微型流体设备，其包括：单片主体，具有限定第一面的外围表面；流体腔室，在所述单片主体中；第一流体开口，从所述单片主体的所述外围表面延伸并且与所述流体腔室流体连通；帽元件，在所述单片主体上方延伸并且附接到所述第一面；致动器腔室，在所述帽元件与所述单片主体的所述第一面之间延伸；膜区域，在所述单片主体中，所述膜区域在所述第一面与所述流体腔室之间延伸；以及压电致动器元件，在所述第一面上、所述膜区域上方、所述致动器腔室内部延伸，其中所述膜区域包括至少一个第一区和一个第二区，所述至少一个第一区包括多晶硅的第一部分和多晶硅的第二部分，所述第一部分面向所述流体腔室并且具有第一晶体结构，所述第二部分覆盖所述第一部分并具有第二晶体结构，并且所述第二区包括多晶硅的第三部分，所述第三部分面向所述流体腔室并具有第三晶体结构，所述第一晶体结构具有比所述第二晶体结构和所述第三晶体结构更小的平均粒度。

3、在一些实施例中，所述至少一个第一区被所述第二区包围。

4、在一些实施例中，所述至少一个第一区包括多个第一区，并且所述第二区包括多个孔，每个孔围绕相应的第一区。

5、在一些实施例中，所述膜区域包括叠层，所述叠层包括硅承载层、硅可渗透层、硅密封层和绝缘材料的绝缘层，其中在所述第一区处，所述可渗透层形成所述第一部分，所述绝缘层覆盖所述可渗透层，并且所述密封层形成所述第二部分并且覆盖所述绝缘层，并且，在所述第二区处，所述承载层形成所述第三部分，所述可渗透层覆盖所述承载层，并且所述绝缘层覆盖所述可渗透层。

6、在一些实施例中，在所述第二区处，所述密封层覆盖所述绝缘层。

7、在一些实施例中，所述至少一个第一区形成相对于所述第二区朝向所述流体腔室的内部突出的台阶。

8、在一些实施例中，所述第一流体开口在所述流体腔室与所述单片主体的所述第一面之间延伸，所述微型流体设备还包括在所述单片主体的第二面与所述流体腔室之间延伸穿过所述单片主体的第二流体开口。

9、在一些实施例中，所述微型流体设备形成流体喷射设备、微型泵、微型开关或流体缓冲设备。

技术特征：

1.一种微型流体设备，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的微型流体设备，其特征在于，所述至少一个第一区被所述第二区包围。

3.根据权利要求1所述的微型流体设备，其特征在于，所述至少一个第一区包括多个第一区，并且所述第二区包括多个孔，每个孔围绕相应的第一区。

4.根据权利要求1所述的微型流体设备，其特征在于，所述膜区域包括叠层，所述叠层包括硅承载层、硅可渗透层、硅密封层和绝缘材料的绝缘层，

5.根据权利要求4所述的微型流体设备，其中在所述第二区处，所述密封层覆盖所述绝缘层。

6.根据权利要求1所述的微型流体设备，其特征在于，所述至少一个第一区形成相对于所述第二区朝向所述流体腔室的内部突出的台阶。

7.根据权利要求1所述的微型流体设备，其特征在于，所述第一流体开口在所述流体腔室与所述单片主体的所述第一面之间延伸，所述微型流体设备还包括在所述单片主体的第二面与所述流体腔室之间延伸穿过所述单片主体的第二流体开口。

8.根据权利要求1所述的微型流体设备，其特征在于，所述微型流体设备形成流体喷射设备、微型泵、微型开关或流体缓冲设备。

技术总结
本公开涉及微型流体设备。微型流体设备包括：具有限定第一面的外围表面单片主体、在单片主体中的流体腔室、从单片主体的外围表面延伸并且与流体腔室流体连通的第一流体开口、在单片主体上方延伸并且附接到第一面的帽元件、在帽元件与单片主体的第一面之间延伸的致动器腔室、在单片主体中在第一面与流体腔室之间延伸的膜区域、和在第一面上、膜区域上方、致动器腔室内部延伸的压电致动器元件。膜区域的至少一个第一区包括多晶硅的第一部分和多晶硅的第二部分。膜区域的第二区包括多晶硅的第三部分。第一部分的第一晶体结构具有比第二部分的第二晶体结构和第三部分的第三晶体结构更小的平均粒度。

技术研发人员：A·诺梅尔里尼,L·塞吉齐
受保护的技术使用者：意法半导体股份有限公司
技术研发日：20220928
技术公布日：2024/1/12