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系統識別號 U0002-2408200716581800
中文論文名稱 低驅動電壓之熱致動微元件
英文論文名稱 Micro Thermal Actuator Characterized with Low Driving Voltage
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 林岳正
研究生英文姓名 Yue-Jheng Lin
學號 694341784
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-07-10
論文頁數 103頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-李其源
委員-施文彬
委員-康尚文
中文關鍵字 聚-對二甲苯  致動器  熱挫曲  微幫浦  微螺旋 
英文關鍵字 parylene  thermal-buckled  valve-less pump  actuator 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文應用能達到實驗效果的材料,製作能在適當溫度熱挫曲微致動元件。文中欲使元件低溫運作,應用高熱膨脹係數高分子材料,製作低溫熱挫曲微致動元件。文中選用parylene為主體材料,成功製作出工作溫度可低於40℃,溫差小於6℃以下的熱致動元件,並製作出可控式三維微螺旋線圈與次毫米微幫浦熱挫曲致動元件,以拓展其應用。
所製作之三維微螺旋線圈,其能出現大角度之垂直變形,側向7度與數十微米的變化,成功製作出三維微螺旋變形之趨勢,且其具有隨電壓控制而可出現往復運作的情形。
應用高熱膨脹係數材料,製作低溫熱挫曲微幫浦,其尺寸為次毫米等級,且其不但能在低於40℃以下運作,並可提供7.05μm/s之流速,其低溫運作的特性,能使其應用層面更為廣泛。
製作新型下電極式微幫浦,其能克服電極攀附一高度差所造成階梯覆蓋率差而斷線的問題,並且藉由結構設計加強微流道強度。其驅動電壓只需2V即可驅動,可大幅降低熱致動器的驅動電壓,以節省能量,並初步證明下電極式微幫浦具有驅動流體的功能。
英文摘要 This thesis applies the materials that can achieve the effect of experiment to fabricating the thermo-buckled micro actuators working in the appropriate temperature. This study chooses parylene as major materials and successfully fabricates a novel diaphragm type thermo-buckled microactuator with only a driving voltage of 2.5V and under a working temperature below 40℃. According to the method, the study also fabricates the thermo-reversible coil-like actuators and the diaphragm type micropumps to extend its application.
The thermo-reversible coil-like actuators are a single beam structure. It can be transferred to a 3D spiral reversibly by proper heating the embedded electrodes. The term “reversibility” of this device means that the spiral device restores to the original beam structure after stopping the power supply of heating. The maximum twisting angle is 7 degrees under the heating voltage of 2.5V DC.
The diaphragm type pumps of sub-mm size driven by a low voltage without apparent temperature rise. The micropumps have the maximum flow rate of 7.05 μm /s. The fabricated thermo-buckled type micropump could be integrated into the implantable bio-sensing system for microfludic driving, and drug delivery.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-2-1 微致動器回顧 2
1-2-2 熱致動器回顧 5
1-3研究目的 8
第二章 設計原理 10
2-1聚-對二甲苯介紹 10
2-2 應用聚-對二甲苯材料設計熱挫曲微致動元件 13
第三章 製程整合的微元件 17
3-1 光罩設計原圖製作 18
3-2 蒸鍍鉻膜金屬犧牲層 21
3-3 下層高分子薄膜parylene的沉積 21
3-4 以金屬舉離法製作加熱金屬電極 21
3-5 上層高分子薄膜parylene的沉積 22
3-6 乾式電漿蝕刻定義懸臂樑結構與金屬接點位置 22
3-7 晶圓切割 23
3-8 溶除鉻膜金屬犧牲層 23
3-9 洗淨元件 23
3-10 接合元件於玻璃基材並懸空懸臂樑結構 23
第四章 製程結果與量測分析 24
4-1 製程結果 24
4-2 製程問題與解決方法 29
4-3 實驗架設 30
4-3 驅動量測 31
4-5溫度量測使用紅外線熱像儀 40
4-6 實驗分析 42
第五章 應用低溫熱挫曲微致動元件於微幫浦 43
5-1微幫浦之設計 43
5-1-1熱挫曲致動元件之設計 44
5-1-2 微流道與擋牆之設計 45
5-1-3 無閥構型之設計 47
5-1-4 串聯式微幫浦 49
5-1-5微型白金溫度感測器 50
5-2 製程 50
5-3 結果與討論 54
5-4 量測與分析 60
5-4-1 驅動量測 61
5-4-1-1 乾式量測 61
5-4-1-2 注液量測 61
5-4-2 利用光學干涉原理量測微變形 65
5-4-3 量測溫度使用紅外線熱像儀 72
5-4-4 微型白金溫度計 72
第六章 新型下電極式微幫浦 74
6-1 前言 74
6-2 製程設計 76
6-2 製作程序 77
6-3 製程整合之微元件 81
6-4 量測結果與討論 88
第七章 結論與未來建議 92
7-1結論 92
7-2 未來建議 93
參考文獻 94
附錄A 98
附錄B 100
附錄C 103

圖目錄
圖1-1 Jaecklin等人所製作四個梳狀致動器所組成的微平台。 2
圖1-2 Kim等人由單晶矽結合玻璃晶圓製作的微平台。 3
圖1-3 Xie等人利用CMOS 製程層之梳狀致動器。 3
圖1-4 LIGA技術製作之電磁力驅動馬達。 4
圖1-5 TiNi/Si形狀記憶合金製作微幫浦。 4
圖1-6雙金屬熱驅動之微致動器:(a)原理圖;(b)實際元件。 5
圖1-7 J. W. Judy等人製作之熱致動器:(a)原理圖;(b)實際元件。 5
圖1-8 Parameswaran等人利用CMOS製程,製作微懸臂樑熱致動器。 6
圖1-9 H. Guckel等人藉由LIGA的技術製造出金屬熱挫曲致動器。 6
圖1-10微熱致動器:(a)原理圖;(b)實際元件。 7
圖1-11 Reid等人製作微熱致動器於不同功能的應用。 7
圖1-12以矽質材料開發出跳脫平面運動之熱致動器。 8
圖1-13利用parylene製造之熱挫曲器,可用於斑馬魚蛋的抓取。 8
圖1-14 微熱致動器發展趨勢。 9
圖2-1 ParyleneN、C、D材料與化學結構。 11
圖2-2 聚對二甲苯(Parylene)沈積過程。 12
圖2-3 型號PDS-2010聚對二甲苯鍍膜機。 12
圖2-4 parylene三明治懸臂樑結構。 14
圖2-5 微型彈簧陣列。 14
圖2-6 懸臂樑結構示意圖:(a)俯視圖;(b)側視圖。 15
圖2-7 三維微螺旋懸臂樑示意圖:(a)側視圖;(b)俯視圖;(c)立體圖。 16
圖3-1 熱挫曲微致動元件製程圖。 17
圖3-2 第一套光罩全圖:(a)金屬電極層;(b)懸臂樑與金屬接點外型。 18
圖3-3 第二套光罩全圖:(a)金屬電極層;(b)懸臂樑與金屬接點外型。 19
圖3-4 第一套光罩放大圖:(a)金屬電極層;(b)懸臂樑與金屬接點外型。 19
圖3-5第二套光罩放大圖:(a)金屬電極層;(b)懸臂樑與金屬接點外型。 19
圖3-6 金屬加熱電極:(a)斜紋式;(b)鋸齒式:(c)側偏式;(d)寬扁式。 20
圖3-7金屬電極位置:(a)斜紋式;(b)鋸齒式:(c)側偏式;(d)寬扁式。 20
圖4-1 經金屬蒸鍍後:(a)斜紋型電極圖;(b)鋸齒型電極圖。 24
圖4-2 完成製程之金屬電極圖:(a)寬扁式;(b)側偏式。 24
圖4-3懸臂樑外型:(a)斜紋式;(b)鋸齒式;(c)寬扁式;(d)側偏式。 25
圖4-4加熱電極被parylene包覆的放大情形。 26
圖4-5金屬接點開洞的情形。 26
圖4-6 經晶圓切割後之完成圖。 27
圖4-7 薄膜結構會逐漸飄離矽基材表面。 27
圖4-8 微元件薄膜接合於於玻璃片下緣,並使懸臂樑結構懸空。 28
圖4-9完成微懸臂樑結構。 28
圖4-10 膠片光罩:(a)遠視圖;(b)放大圖有嚴重鋸齒斷線問題。 29
圖4-11 實驗架設:包含顯微鏡、高速照相機與紅外線熱像儀等。 30
圖4-12 (a)照相設備同步步擷取資料畫面;(b)紅外線熱像儀量測溫度。 31
圖4-13 斜紋式懸臂樑於3V電壓驅動,出現超過90度的垂直變形。 32
圖4-14鋸齒式電極懸臂樑結構的變化圖:(a)0V;(b) 3V。 33
圖4-15隨電壓控制而往復運動:(a) 0.5V;(b) 1V;(c) 2V;(d) 0V。 33
圖4-16 側偏式懸臂樑結構:(a)0V動;(b)3V。 34
圖4-17 由高速照相機所攝畫面:(a)0V;(b)2.5V。 34
圖4-18側向偏移26μm:(a) 0V;(b) 2.5V。 35
圖4-19側向偏折角7度:(a) 0V;(b) 2.5V。 35
圖4-20 寬扁式懸臂樑結構長2800μm,寬300μm。 36
圖4-21 通以方波驅動電壓:(a)0V;(b)3.5V,出現27μm的側向偏移。 36
圖4-22 當通以電壓3.5V後(圖(b)),懸臂樑結構出現逆時針的翻轉的現象,且當電壓降為0V時(圖(a)),其可恢復原形,可隨電壓變化做往復運動。 37
圖4-23 電壓與側向偏移量變化關係圖。 37
圖4-24 大尺寸斜紋式懸臂樑以電壓0V升至32V的連續變化情形。 38
圖4-25 大尺寸斜紋式懸臂樑量測: (a)0V,-34∘;(b) 32V,52∘。 39
圖4-26 大尺寸斜紋式懸臂樑施加電壓與旋轉角度的變化曲線圖。 39
圖4-27 利用紅外線熱像儀量測熱挫曲微致動元件之工作溫度。 40
圖4-28 電壓與溫差關係圖。 41
圖4-29 側向變形量與溫差之關係圖。 41
圖5-1熱挫曲式微型致動器。 43
圖5-2 微幫浦剖面主要結構介紹。 44
圖5-3 (a)蚊香螺旋電極結構;(b)密集長條型電極結構。 45
圖5-4利用光阻犧牲層製作微流道。(a)製作程序;(b)完成實體圖。 45
圖5-5以多晶矽材料包覆氧化層的結構,以加強整體強度。 46
圖5-6製作多晶矽包覆犧牲層結構示意圖。 46
圖5-7擋牆結構製作流程說明。 47
圖5-8 (a)定義光阻圖形,並包覆parylene;(b)掏除流道犧牲層。 47
圖5-9無閥幫浦上下震動會帶動液體,產生淨流量往漸擴孔方向移動。 48
圖5-10 無閥幫浦構型斜角採用8度。 48
圖5-11 無閥幫浦採間接串聯。 49
圖5-12經由模擬發現串聯式無閥幫浦出現止逆閥效果。 49
圖5-13 無閥幫浦採直接串聯 50
圖5-14 微幫浦6片玻璃光罩圖形,可因不同製程需要搭配使用。 51
圖5-15 熱挫曲式微幫浦製作流程示意圖。 53
圖5-16 四面玻璃光罩圖。 54
圖5-17白金加熱電極:(a)蚊香式;(b)太極式;(c)長條式。 55
圖5-18 光阻犧牲層與擋牆結構:(a)方形式;(b)圓形式;(c)長條式。 56
圖5-19 金屬電極與流道犧牲層結構相對位置。 57
圖5-20 完成晶片:(a)全貌圖;(b)單顆晶粒;(c)放大圖(邊長400μm)。 58
圖5-21 微幫浦完成全圖:(a)蚊香式串聯微幫串浦(直徑360μm);(c)太極式串聯微幫浦(直徑360μm);(b)長條型電極微幫浦(長×寬=1200×100μm2)。 59
圖5-22 實驗架設:包含顯微鏡、紅外線熱像儀與Avid光學干涉儀等。 60
圖5-23 空氣中以0-6V的驅動電壓,可以清楚看到微幫浦之光影變化。 61
圖6-24以0-7V的驅動電壓,可以看到液體被驅動的連續情形。 62
圖5-25 液滴於熱致動器薄膜上連續變化情況。 63
圖5-26 長條式微幫浦成功驅動液體,流速為7.05 。 64
圖5-27 利用光學干涉量測微小變形的基本原理圖 65
圖5-28 Avid光學干涉機台。(感謝台大楊燿州教授提供機台使用) 65
圖5-29長條式微幫浦經光學干涉儀量測,變形量為300~400nm。 66
圖5-30 加熱與冷卻以1:3的比例驅動情形。 66
圖5-31 變形量隨驅動頻率變化之關係圖,其截止頻率約為600Hz。 67
圖5-32 淡江大學林宏樺熱致動器薄膜變形量的分布情形。 68
圖5-33 長條式微幫浦薄膜變形量的分布情形。 68
圖5-34長條式微幫浦注入液體驅動變形量757nm。 68
圖5-35林宏樺微幫浦注入液體驅動變形量64nm。 69
圖5-36 林宏樺元件: (a)空氣;(b)水; 長條式元件:(c)空氣;(d)水。 70
圖5-37 長條式幫浦注入液體驅動頻率:(a) 5Hz;(b) 10Hz;(c) 200Hz。 71
圖5-38 長條式微幫浦之工作溫度區間在29.1~31.1℃來回變化。 72
圖5-39 白金溫度感測器之實驗架設圖。 73
圖5-40 溫度與電阻變化的關係圖。 73
圖6-1 上電極式微幫浦。 74
圖6-2 電子束蒸鍍機蒸鍍金屬。 74
圖6-3 側邊金屬阻值陡升,出現燒斷情形。 75
圖6-4 減緩坡面斜率使金屬線順利攀附一高度落差。 75
圖6-5 金屬電極成功攀附一高度差。 76
圖6-6 下電極式微幫浦側視圖。 77
圖6-7 加厚外層parylene以加強流道強度。 77
圖6-8 下電極式微幫浦使用之玻璃光罩。 78
圖6-9 下電極式微幫浦製作程序說明圖。 79
圖6-10 底材結構之製作程序。 82
圖6-11 使用TMAH蝕刻之情形。 82
圖6-12 蝕刻V型槽尺寸。 82
圖6-13 完成蝕刻之晶片。 83
圖6-14 完成蝕刻V型槽圖形。 83
圖6-15 完成定義光阻舉離層。 83
圖6-16 使用電子束蒸鍍機製作黃金電極。 84
圖6-17定義光阻犧牲層與擋牆結構。 84
圖6-18 包覆5μm厚之頂層parylene。 85
圖6-19 乾式蝕刻開洞。 85
圖6-20 由背面蝕刻孔觀看微鞤浦。 86
圖6-21 單顆元件長3.6mm,寬4.4mm。 86
圖6-22 正面觀察下電極式微幫浦。 87
圖6-23 流道進出水孔與微幫浦懸空的情形。 87
圖6-24 通以0-2方波電壓光影變化情形。 88
圖6-25 通以0-4方波電壓光影變化情形。 88
圖6-26 液體集中於電極懸空凹槽處。 89
圖6-27 流體以急劇的速度延流道壁兩側驅動。 89
圖6-28 流體以每0.04s的時間間距變化情形。 90
圖6-29 液體沿著流道側壁快速行走之現象 91
圖6-30 遠離蝕刻孔洞中心熱致動情形較不明顯。 91

表目錄
表2-1 不同材料之物理特性比較表。 10
表2-2 Parylene C的材料性質。 13
表4-1 於室溫24.7℃量測電壓與溫度變化表。 40
表4-2不同材料製作致動器參數 42
表5-1三維微螺旋線圈與微幫浦設計加熱電極原理差異表。 44
表5-2 元件變形量比較圖。 69


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