【発明の詳細な説明】
発明の名称
ミクロ機械加工された弁装置
発明の背景
本発明はミクロ機械加工された小型弁に係り、特に、本発明は、少量のガスサ
ンプルを正確に提供する弁組立体に加えて、さらにヘリウムハーメチックの改良
された弁座を提供する。
これまでに、ミクロ機械加工された各種の小型弁が進歩してきた。米国特許第
４８６９２８２号では、バッチプロセスでシリコン層に弁通路や開口部を形成す
るために、弁は、例えばフォトリソグラフあるいはエッチング技術などの既知の
ミクロ機械加工技術を利用してミクロ機械加工される。もし、ガラス層が用いら
れるのであれば、所定の位置にチャネルあるいは通路が形成される。有機ダイア
フラム層は、好ましくはデュポン社製のカプトン（Kapton：登録商標）のような
ポリイミド製であり、空所の周囲でシリコン層に融着される。有機ダイアフラム
フィルムは、弁座を選択的にシールしてガス流がポートの開口部を通過するのを
阻止する弁ダイアフラムとして機能する。
前述の構成および米国特許第４８６９２８２号で論じられている弁の一つの特
徴的な欠点は、弁が“閉じ”状態のときに少量がリークする傾向にあるというこ
とである。多くの場合、少量のリークは重要ではなく、そのような構成の弁は満
足に動作する。しかしなが
ら他の場合、例えば弁の片側が高真空に保たれなければならず、さらに弁がヘリ
ウムハーメチックシール（１０-10atm cc He/secのオーダでの封止）を達成しな
ければならないスペクトロメータの入力ポートに接続されるサンプル制御弁では
、このような構成の弁はシール要求を満足し得ない。
発明の要約
液体の流れを制御する弁は、ポート開口部および当該ポート開口部の周囲に形
成された弁座を具備した脆性材料層を有する。弁座は、ポート開口部を通る液体
の流れを制御するために選択的に塞がれる。ダイアフラムを形成するために脆性
材料層に保持された柔軟性シート材料は、弁座を選択的に塞いでポート開口部を
通る液体流を制御するための制御力で変位される。柔軟性シート材料は、少なく
とも一部が弁座の輪郭形状に成型された成型材料を有する。成型材料は柔軟性有
機材料と接合されることが望ましい。
成型材料としては各種の熱可塑性および熱硬化性ポリマが利用できるが、柔軟
性有機材料はカプトンフィルムによって構成することが望ましい。製造中に弁座
に成型される、例えば高平面性スピンオン・ポリイミド(high-planarity spin-o
n polyimides)のような“成型可能な(castable)”熱硬化性ポリマも良好に機能
するが、例えば、デュポン社製であるテフロンＦＥＰおよびテフロンＰＦＡは共
に、適宜の熱および圧力を利用して良好に成型される好適な熱可塑性ポリマであ
る。一つの製造技術では前述のポリマに対して、ポ
リマが弁座に張り付かないように、例えば接着層を有しない金のような離型材料
が弁座ウエハ上にパターン形成され、その後、離型材料は成型プロセス中にポリ
マの表面に接着される。
本発明は、今までの従来技術では供給することができなかった微量のガスを正
確に計量して供給できる、ミクロ機械加工された弁組立体を更に含む。第１の好
ましい実施形態では、弁組立体は、その周囲に形成された弁座に相応する第１お
よび第２のポート開口部を有する脆性材料層を含む。第２の材料層は脆性層から
離間され、柔軟性シート材料が脆性層との間にサンドイッチ状に挟まれている。
柔軟性シート材料は、第１および第２の弁座を選択的に塞ぐ第１および第２のダ
イアフラム部を含む。柔軟性シートは第１および第２のポート開口部と流体的に
連通されるチャネルを更に含むが、これはなるべくはその内部に形成されるのが
望ましい。
好ましい実施形態では、チャネルも第３のポート開口部と流体的に連結されて
おり、第３のポート開口部は、その周囲の、脆性層自身に形成された第３の弁座
を有する。柔軟性シートの第３のダイアフラム部は、更に第３の弁座を選択的に
塞ぐことによって第３のポート開口部を通過する流体の流れを制御する。弁組立
体は、第３のポート開口部を塞いで第１および第２の弁座を開放することによっ
て、試験用のガスの一部を柔軟性シートに形成されたチャネル内に導き、これに
より、計量された微量のガスサンプルを提供する。次いで、第１および第２のポ
ート開口部を塞ぎ、続いて第３のポート
開口部を開くことによって、チャネル内に捕獲された計量済みの微量のガスサン
プルが装置または機器に選択的に供給される。
図面の簡単な説明
図１は、ガスクロマトグラフの弁組立体の分解図である。
図２Ａないし図２Ｃは、本発明の改良されたミクロ機械加工弁の製造方法を連
続的に示した図である。
図３Ａないし図３Ｆは、本発明の改良されたミクロ機械加工弁の第２の製造方
法を連続的に示した図である。
図４Ａないし図４Ｄは、本発明の改良されたミクロ機械加工弁の第３の製造方
法を連続的に示した図である。
図５Ａないし図５Ｅは、本発明の改良されたミクロ機械加工弁の第４の製造方
法を連続的に示した図である。
図６は、選択された被検ガスのサンプル量を供給する本発明の弁組立体の分解
図であり、本発明の改良されたミクロ機械加工弁の第５の製造方法を示している
。
図７は、図６の弁組立体の７−７線に沿った断面図であり、停止層を含んでい
る。
図８は、図６の弁組立体の概要図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
図１は、図示しないガスクロマトグラフ分析装置内で使用される、ミクロ機械
加工された弁組立体１０の分解図である。一般的に弁組立体１０は、弁座の上面
１４を有する弁座ウエハまたは弁座層１２、
柔軟層１８、ならびに層１８内の各ダイアフラム部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２
２Ｄ，２２Ｅおよび２２Ｆの撓み量を制限するための手段を具備した停止層２０
を含む複数の独立層が相互に接着されたサンドイッチ構造を有する。
各ダイアフラム部２２Ａ〜２２Ｆは、弁座面１４の上面に形成された弁座２４
Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅおよび２４Ｆと対応するように整列されて
いる。各ダイアフラム部２２Ａ〜２２Ｆは、それぞれ各弁座２４Ａ〜２４Ｆにお
いて符号３０，３２で示した２つの弁ポートを塞ぐ。弁ポート３０，３２は、矢
印３８で示したように各弁領域を相互に連結する下側のチャネリング層３４と流
体的に連結する。
弁組立体１０を通る駆動ガスの流れは、典型的には、そこに供給される適当な
圧力差によって各ダイアフラム部２２Ａ〜２２Ｆの撓みを制御するポート４０Ａ
，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅおよび４０Ｆを介して制御される。層２０に
形成されたチャネル５０，５１，５２，５３，５４および５５、ならびに上の層
５６に形成された追加チャネルは、駆動用の流体を制御ポート４０Ａ〜４０Ｆへ
向ける。
弁組立体１０が製造されるとき、各層は、例えばエッチング工程を含む公知の
フォトリソグラフィ技術または放電加工（ＥＤＭ）によってミクロ機械加工され
、もしガラス層が採用されており、このガラス層がいくつかの必須のチャネルを
形成するために成型される
のであれば、モールドあるいはレーザ加工技術によってミクロ機械加工される。
材料は、使用されるガスと反応しない所望のあらゆる半導体材料や他の脆性材
料であることができる。シリコンは弁座層１２、停止層２０、チャネリング層３
４、および上層５６の弁に利用できる材料である。ガラスやサファイアのような
他の材料も１ないし複数の層に利用できる。各層が全て同一材料でなければなら
ない必要はない。
従来技術の弁組立体は、良好に制御されたガス流には好適であるが、ヘリウム
ハーメチックシール（１０-10 atm cc He/secオーダでの封止）は達成できない
。これまで、デュポン（Dupont）社によって生産されているカプトン（Kapton）
のような、ノンコートまたはメタルコートされた柔軟有機材料がダイアフラムと
して利用され、残りの柔軟層は、比較的低温のガラスフリットによってシリコン
層にシールされていた。しかしながら、この構造ではヘリウム・リーク型のシー
ルは得られない。
一般的に本発明では、弁が動作している間中、その成型された形状を保つ成型
材料を提供することによって、ヘリウム・リーク型のシールを提供することがで
きる。熱硬化性あるいは熱可塑性のポリマ素材のような成型材料が、柔軟有機材
料と接合あるいは接着される。成型可能材料に接合された離型層は、柔軟性有機
材料／成型材料混合体のうちのダイアフラム部の範囲を定め、また弁が閉じられ
ている間は、弁内で弁座に接触している。離型層は成型材料を弁座から隔離し、
成型材料が弁座に付接されるのを防止する。
弁組立体１０は、ボンディング（接合）技術および図２Ａ〜２Ｃ，３Ａ〜３Ｆ
，４Ａ〜４Ｄ，５Ａ〜５Ｅの工程図あるいは図６の分解図を参照して後述する本
発明の材料層１８の統合の結果である。弁組立体１０は、ここでは例示の目的で
使用されるが、一つの有用な実施形態でもある。米国特許第４８６９２８２号で
は弁組立体１０の動作が論じられており、その構造は参照によって本発明に統合
される。
図２Ａに示したように、層１２はポート３０，３２を形成するためにエッチン
グされている。シール性能を改善するためには、ポート３０，３２に輪郭エッジ
(contoured edges)６０を形成することが望ましいが、輪郭エッジは必ずしも必
要ではない。例えば金のような、層１２への付着を防げ、一方、例えばデュポン
社製の熱可塑性テフロンＦＥＰフィルムのような成型材料６４には接合される離
型剤６２が、適宜のスパッタリング、蒸散、あるいは無電解メッキなどの方法に
よって弁座２４にパターン加工される。パターン加工された成型材料６４は、典
型的には既に柔軟有機材料６６、例えばデュポン社製のカプトン(Kapton)に接合
されている（すなわち、積層されている）。次いで、パターン加工された柔軟層
１８が弁座層１２の表面１４に接着される。デュポン社は、積層フィルムに加え
て、利用可能なテフロンＦＥＰおよびカプトンフィルムの双方も別
々に生産している。
図２Ｂにおいて、パターン加工された有機材料／成型材料層１８が停止用ウエ
ハ２０に接着される。必要ならば、例えばテフロンＦＥＰフィルムのような適宜
の材料から成る静電接合層６１が有機材料層６６と停止層２０との間に追加され
るようにしても良い。停止層２０は、弁の動作中にダイアフラム部の変位量を制
御するために利用される制御ポート４０を具備している。次いで、完成したウエ
ハ積層物はサイの目状に切断され、各弁は、図示しないハウジングに適宜の接着
剤によってはめ込まれる。
次いで、ヘリウムハーメチックシールを達成するために、成型材料６４は、図
２Ｂに示したように、弁を加熱して加圧する生産技術（以下では“熱成型”と表
現する）によって弁座２４に成型される。図示した生産技術ではテフロンＦＥＰ
フィルムを用い、弁は摂氏２６５℃〜３５０℃まで加熱され、２０〜２００ｐｓ
ｉの圧力が制御ポート４０を介してダイアフラム部２２に加えられる。熱成型の
生産技術により、弁座２４の輪郭状に形成された柔軟性のあるダイアフラム部２
２が得られる。パターン加工された離型層６２は、弁の動作中に、成型材料６４
が弁座２４および輪郭エッジ６０に付着するのを防止する。
層６４にテフロンＦＥＰフィルムを用いたプロトタイプの弁では、摂氏約８０
℃の熱サイクル試験後でも弁座２４がヘリウムハーメチックシールを維持するこ
とが観察された。層６４用に、例えばデュ
ポン社製のテフロンＰＦＡフィルムのような、他の適宜の熱可塑性成型材料を用
いれば、より高い動作温度が達成される。テフロンＰＦＡフィルムを用いた場合
、ダイアフラムを弁座に正確に成型する熱成型生産技術においては、圧力や温度
の増加が必要になるかもしれない。
図３Ａないし３Ｆは、本発明の弁組立体の代わりの形成方法を示している。初
めに、図３Ａに示したように所望のポート３０，３２がエッチングされた層１２
を用い、離型剤６２が、図３Ｂに示したように、層１２表面のダイアフラム領域
内および、もし輪郭エッジ６０が形成されていればその上にも、弁座２４の範囲
を定めるためにパターン加工される。それから、図３Ｃに示したように、前述の
柔軟有機材料／成型材料ダイアフラム１８が離型層６２の上に積層され、弁座２
４の外周部において層１２の上面に接着される。それから、図３Ｄでは、停止層
２０が、必要に応じて静電接合層６１により、柔軟有機材料／成型材料ダイアフ
ラム１８に接着される。図３Ｅに示したように、成型材料６４を弁座２４および
輪郭エッジ６０の形状に成型するための熱成型製造技術にしたがって、前述の熱
およびガス圧が与えられる。熱成型製造技術による加熱および加圧を取り除いた
後では、図３Ｆに示したように、ダイアフラム部２２を弁座２４から引き上げる
ためにポート３０，３２に適宜の圧力が加えられる。離型剤６２は粘着層が無い
ために層１２に弱くしか付着しないのに対して、成型材料６４は離型剤６２に良
好に接着
しているので、離型剤６２は破片６５を輪郭エッジ６０上に僅かに残したまま層
１２側から成型材料６４側へ移る。
図３Ａ〜３Ｆで概要を説明した工程によれば、離型層６２は、図２Ａ〜２Ｃに
関して説明したものよりも非常に滑らかであり、弁座２４の輪郭を更に精巧に模
造する。
図４Ａないし図４Ｄは、本発明の弁組立体の更に他の製造方法を提供する。図
４Ａにおいて、層１２は各ポート３０，３２内に薄い（２５ミクロン）梁部材料
７０が形成されるようにエッチングされている。望むならば、薄い梁部材料７０
は、輪郭エッジ６０を形成するために、シリコンを両面からエッチングして凹ま
せることで形成できる。その代わりに、層１２の底部側のみからエッチングする
ことができるが、その場合は、輪郭エッジは形成されない。離型層６２が、弁座
２４の範囲を定めるために、各梁部７０を含む層１２上に形成される。次いで、
前記柔軟有機材料／成型材料ダイアフラム１８が離型層６２の上に積層され、真
空内で層１２および離型層６２の上面に形成されて接着され、このとき、層６４
が弁座２４の輪郭状に成型される。次いで、図４Ｃでは、停止層２０が適宜の接
着剤６１、例えばテフロンフィルムや粘着性の紡績ポリイミドなどの適宜な接着
剤６１によって柔軟有機材料／成型材料ダイアフラム１８に接着される。次いで
、梁部７０がプラズマエッチングによって除去される。図４Ｄに示したように、
層１２からダイアフラム部２２を離して上昇させるために、ポート３０，３２に
適宜の圧力差
が加えられる。図４Ａないし図４Ｄに示した製造工程によれば、弁座２４に合致
し、かつ離型剤６２によって完全に覆われているか、あるいはカプセル状に包ま
れた栓状部７３を有するダイアフラム部２２が製造される。成型材料６４は特に
押しつけられるので、ダイアフラム表面の耐久性が更に向上し、温度が上昇して
も流動性が少ない。離型層６２は、プロセスのガス流に対する金属拡散層すなわ
ちバリアを提供する。
図５Ａ〜５Ｅは、本発明の弁組立体の更に他の製造方法を示している。図５Ａ
において、層１２は各ポート３０，３２内に薄い（２５ミクロン）梁部材料７０
が形成されるようにエッチングされる。望むならば、薄い梁部材料７０は、輪郭
エッジ６０を形成するために、シリコンを両面からエッチングすることで凹部に
形成できる。離型層６２が、弁座２４の範囲を定めるために各梁部７０を含む層
１２上にパターン加工される。この製法では、成型材料６４は、高平面性スピン
オン・ポリイミド（high-planarity spin-on polyimides）のような、熱硬化性
の溶剤を主剤とするポリマ(thermoset solvent based polymer)７２を含んでお
り、図５Ｂに示したように、これが液体のように弁座の上にスピンオン(spin-on
)され、形取られた弁座２４に成型される。スピンオン、スプレーまたは成型ポ
リエポキシイミドや類似のポリマもまた、使用することができる。他の利用可能
な熱硬化性ポリマは、ダウケミカル社製のベンゾシクロブテン(Benzocyclobuten
e)を含んでいる。例えば金の
ような離型剤６２に対するポリイミドの粘着性はベンゾシクロブテンの場合と同
様に低いので、酸化アルミニウムのような粘着促進剤が離型剤６２とポリイミド
層７２との間に供給されることが望ましい。
熱硬化や橋かけの程度を最大にするために必要な摂氏３００〜３５０℃での高
温のベーキングに続いて、図５Ｃに示したように、熱可塑性ポリマ(Kapton-Tefl
on PFA)が真空内でポリイミドに接着されて形成される。もし、ポリイミドある
いはポリエポキシイミド粘着剤のような、スピンオンされて噴霧されたか、ある
いは注型成型された粘着剤が利用されるならば、熱可塑性粘着剤の使用が避けら
れ、ダイアフラム部２２より一層の硬化が可能になり、高温を与えている期間で
の材料の流れ（だれ）が減るので耐久性が向上する。
次いで、図５Ｄにおいて、停止層２０が、熱可塑性テフロンＦＥＰフィルム、
テフロンＰＦＡフィルムあるいは熱硬化性ポリエポキシイミドの粘着剤から成る
静電接合層６１によって柔軟有機材料／成型材料ダイアフラム１８に接着される
。梁部７０がプラズマエッチングによって除去される。図５Ｅに示したように、
ダイアフラム部２２を層２０から離して持ち上げるためにポート３０，３２に適
宜の圧力が供給される。図５Ａ〜５Ｅに関して上述した製造方法も、離型剤６２
によって完全に覆われた栓状部７３を提供する。
図６は、本発明の弁組立体の更に他の製造方法を示しており、特に、ガスや他
の流体をナノリットル単位のサンプル量だけ提供でき
る弁組立体１００に関する。サンプル注入弁は、それぞれポート１１３，１１９
および１２５を具備した３つの弁座１０２Ａ，１０２Ｂおよび１０２Ｃがミクロ
機械加工されたシリコン層１０１を含む。第２のシリコン層１０４には、層１０
１のポート１１３および１１９を連通するチャネル１０６がエッチングされてい
る。チャネル１０６は、そこにガスが流されたときにチャネル１０６の領域１１
０と領域１１２との間に差圧を生じさせるために、断面積を十分に小さくされた
領域１０８を含んでいる。分岐チャネル１１１は、チャネル部１１０を弁座１０
２Ａ内のポート１１３へ流体的に連結し、これに類似した分岐チャネル１１５は
、チャネル部１１２を弁座１０２Ｃ内のポート１１９へ流体的に連結する。
金のような離型層１１４が、各弁のダイアフラム領域の範囲を定めるために、
それぞれ相応する各弁座１０２Ａ〜１０２Ｃ上に沈積される。各弁座１０２Ａ〜
１０２Ｃは、図５Ｃに図示した梁部７０に類似した梁部を最初から有している。
例えばフランス、バーナイソン(Vernaison)６９３９０のセモタ(Cemota)社製
のＩＰ５４２接着剤のような、ポリイミドあるいはポリエポキシイミド接着剤の
溶液(solvent based polyimide or polyepoxyimide adhesive)がシリコン層１０
１上の弁座１０２Ａ〜１０２Ｃおよび関連した梁部を覆うように回転塗布、噴霧
あるいは成型され、次いで、溶剤を除去するために適宜の時間だけベーキングさ
れる。ポリイミドは初めは液体なので、ポリイミドは弁座の輪
郭状に成型される。シリコン層１０１上に残るベーキング済みポリイミドフィル
ム１１６は、プラズマエッチングによって連通部１０３から材料を除去するため
にニッケルクロムマスクを利用してパターン加工され、これにより、各弁座１０
２Ａ〜１０２Ｃと交差する小さなチャネル１１８を形成し、その結果、相応する
弁のダイアフラムが動作したときに、ポート１１３、１１９および弁座１０２Ｂ
のポート１２５は選択的に流体的に連通される。チャネル１１８は、注入弁によ
って生成されるサンプル量を決定する。図示した実施形態では、チャネル１１８
は、微量のガスサンプル、例えば１ナノリットルを供給するためにマスクエッチ
ングされる。
次いで、カプトンのような柔軟有機フィルム１２１が、図示しない適宜の取付
具に張られ、ポリイミド接着剤１２３の溶液が柔軟有機フィルム１２１の表面に
回転塗布され、符号１２０で総括して示した合成フィルムを生成するためにベー
キングされる。
次いで、層１１７を形成するために、エッチングされたポリイミド層１１６に
合成フィルム１２０が接着（柔軟有機フィルム１２１に熱と圧力を加えることに
より）される。層１１６およびフィルム１２１の双方の接合面は一種のポリイミ
ドなので、形成された層１１７は、充填物のない空洞状に囲まれたチャネル１１
８をエッチング領域内に有する平面となる。ポリマ材料１２３には、その一部を
パターン加工によって除去することができ、除去された部分内を満たすことなく
当該ポリマを他の適宜のポリマと接着できる特徴が
ある。
次いで、各弁座１０２Ａ〜１０２Ｃの梁部はプラズマエッチングされ、図２Ｃ
，３Ｆ，４Ｄおよび５Ｅの各停止層２０に類似した適宜の停止層１４０（図７）
がカプトン接着剤の複合材に接着される。停止層１４０は、柔軟ダイアフラム部
１１７Ａ，１１７Ｂおよび１１７Ｃが各弁座１０２Ａ〜１０２Ｃから離れる撓み
量を制限するために用いられ、例えばポート１４２のように、ダイアフラム部１
１７Ｂに初期撓みを与えるための制御力がそこを通って供給される制御ポートを
具備している。
図８には弁組立体１００の動作が模式的に示されている。ガス源１３０はチャ
ネル１０６に、その終端１３２において連結されている。ガスはチャネル１０６
を通り、チャネル１０６の他方の終端１３４に形成された排気口へ流れる。ガス
のサンプルが必要なときは、ガスの一部が層１１７内のエッチングされたチャネ
ル１１８およびポート１１３，１１９を通って流れ得るように、弁座１０２Ａお
よび１０２Ｃに相応するダイアフラム部１１７Ａおよび１１７Ｃが撓む。このガ
スサンプルは、メインチャネル１０６の断面減少領域の両端の圧力差によってチ
ャネル１１８に入る。次いで、弁座１０２Ａおよび１０２Ｃ上のダイアフラム部
１１７Ａおよび１１７Ｃは、相応するポート１１３および１１９を閉じるように
付勢され、その結果、前記のガスサンプルはチャネル１１８内に捕獲される。次
いで、弁座１０２Ｂ上のダイアフラム部１１７Ｂが撓み、その結
果、前記ガスサンプルは弁座１０２Ｂのポート１２５を通って排出される。
図示した実施形態では、弁座１０２Ａおよび１０２Ｃ上の柔軟ダイアフラム用
の制御力は、柔軟有機材料１２１の表面に供給される低い圧力である。ダイアフ
ラム１１７は、チャネル１０６内での圧力の高低差によって、相応する弁座から
離れて上昇する。弁組立体１００は、例えば１００ナノリットルを下回る微量の
ガスが試験用に供給されるイオンマス・スペクトロメータでの利用に特に好適で
ある。弁組立体１００は、大きな圧力差に耐えるヘリウムハーメチックシールを
達成し、その結果、多段式減圧に付きものの複雑さが省かれる。
図７において、イオンマス・スペクトロメータ１４３と共に使用するときには
、ポート１２５をイオンマス・スペクトロメータ組立体１４３に対して開口させ
る。イオンマス・スペクトロメータ１４３は非常に低い圧力（１０-6ａｔｍ）で
動作するので、圧力差でダイアフラムを撓ませることは難しい。その代わりに、
柔軟ダイアフラム１１７を引き上げるアクチュエータ１４４、あるいはピストン
によって動作する加圧流体などのように、ダイアフラム１１７Ｂを撓ませる他の
手段が利用できる。
本発明は好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は本発明の精神お
よび範囲から逸脱することなく形式や詳細の変更ができることを認識できるであ
ろう。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION Micromachined valve device BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to micromachined miniature valves, and more particularly, the invention relates to a valve assembly that accurately provides small gas samples. In addition to the solid, it also provides an improved valve seat for helium hermetics. To date, various micromachined miniature valves have advanced. In US Pat. No. 4,869,282, the valves are micromachined using known micromachining techniques such as photolithography or etching techniques to form valve passages and openings in the silicon layer in a batch process. . If a glass layer is used, channels or passages will be formed in place. The organic diaphragm layer is preferably made of polyimide, such as Kapton® from DuPont, and is fused to the silicon layer around the cavity. The organic diaphragm film acts as a valve diaphragm that selectively seals the valve seat and prevents gas flow from passing through the port openings. One characteristic drawback of the valve discussed above and in U.S. Pat. No. 4,869,282 is that a small amount tends to leak when the valve is in the "closed" state. In many cases, small leaks are not important and valves of such a construction work satisfactorily. However, in other cases, for example, one side of the valve must be kept in a high vacuum and the valve must achieve a helium hermetic seal (sealing on the order of 10 -10 atm cc He / sec). With a sample control valve connected to the input port of the valve, a valve of such construction cannot meet the sealing requirements. SUMMARY OF THE INVENTION A valve for controlling liquid flow has a layer of brittle material with a port opening and a valve seat formed around the port opening. The valve seat is selectively closed to control the flow of liquid through the port opening. The flexible sheet material retained in the layer of brittle material to form the diaphragm is displaced with a control force to selectively occlude the valve seat and control liquid flow through the port opening. The flexible sheet material comprises a molding material at least partially molded into the contour of the valve seat. It is desirable that the molding material be bonded to the flexible organic material. Although various thermoplastic and thermosetting polymers can be used as the molding material, it is preferable that the flexible organic material is composed of Kapton film. “Castable” thermoset polymers, such as high-planarity spin-on polyimides, that are molded into the valve seat during manufacture also work well, but for example Both Teflon FEP and Teflon PFA from DuPont are suitable thermoplastic polymers that are well molded using appropriate heat and pressure. In one fabrication technique, a release material, such as gold without an adhesive layer, is patterned on the valve seat wafer to prevent the polymer from sticking to the valve seat, and then the release The material is adhered to the surface of the polymer during the molding process. The present invention further includes a micromachined valve assembly capable of accurately metering and delivering trace amounts of gas that could not be delivered by the prior art. In a first preferred embodiment, the valve assembly includes a layer of brittle material having first and second port openings corresponding to valve seats formed therearound. The second material layer is spaced from the brittle layer and the flexible sheet material is sandwiched between the brittle layer. The flexible sheet material includes first and second diaphragm portions that selectively occlude the first and second valve seats. The flexible sheet further includes channels in fluid communication with the first and second port openings, preferably formed therein. In a preferred embodiment, the channel is also in fluid communication with the third port opening, the third port opening having a third valve seat surrounding it, which is formed in the brittle layer itself. The third diaphragm portion of the flexible sheet further controls the flow of fluid through the third port opening by selectively closing the third valve seat. The valve assembly directs a portion of the test gas into a channel formed in the flexible sheet by closing the third port opening and opening the first and second valve seats, thereby Provide a minute amount of gas sample to be weighed. The metered, trace amount of gas sample captured in the channel is then selectively supplied to the device or instrument by closing the first and second port openings, followed by opening the third port opening. It BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an exploded view of a gas chromatograph valve assembly. 2A to 2C are views sequentially showing a method for manufacturing the improved micromachined valve of the present invention. 3A to 3F are views sequentially showing a second manufacturing method of the improved micromachined valve of the present invention. 4A to 4D are views sequentially showing a third manufacturing method of the improved micromachined valve of the present invention. 5A to 5E are views sequentially showing a fourth manufacturing method of the improved micromachined valve of the present invention. FIG. 6 is an exploded view of a valve assembly of the present invention that supplies a selected sample volume of a test gas, illustrating a fifth method of making the improved micromachined valve of the present invention. 7 is a cross-sectional view of the valve assembly of FIG. 6 taken along line 7-7 and includes a stop layer. FIG. 8 is a schematic diagram of the valve assembly of FIG. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is an exploded view of a micromachined valve assembly 10 for use in a gas chromatographic analyzer not shown. Generally, the valve assembly 10 includes a valve seat wafer or valve seat layer 12 having an upper surface 14 of a valve seat, a flexible layer 18, and respective diaphragm portions 22A, 22B, 22C, 22D, 22E and 22F within the layer 18. It has a sandwich structure in which a plurality of independent layers, including a stop layer 20 with means for limiting the amount of deflection, are glued together. The diaphragm portions 22A to 22F are aligned so as to correspond to the valve seats 24A, 24B, 24C, 24D, 24E and 24F formed on the upper surface of the valve seat surface 14. The diaphragm portions 22A to 22F close the two valve ports indicated by reference numerals 30 and 32 in the valve seats 24A to 24F, respectively. The valve ports 30, 32 are in fluid communication with the lower channeling layer 34 which interconnects the valve regions as shown by arrow 38. The flow of drive gas through the valve assembly 10 typically controls ports 40A, 40B, 40C, 40D, 40E and 40F which control the deflection of each diaphragm portion 22A-22F by a suitable pressure differential supplied thereto. Controlled through. Channels 50, 51, 52, 53, 54 and 55 formed in layer 20 and additional channels formed in upper layer 56 direct drive fluid to control ports 40A-40F. When the valve assembly 10 is manufactured, each layer is micromachined, for example by known photolithography techniques including etching steps or electrical discharge machining (EDM), if a glass layer is employed, some of which may be glass layers. If it is molded to form the requisite channels, it is micromachined by molding or laser processing techniques. The material can be any desired semiconductor material or other brittle material that does not react with the gas used. Silicon is a material that can be used for the valve seat layer 12, stop layer 20, channeling layer 34, and upper layer 56 valves. Other materials such as glass and sapphire can also be used for the one or more layers. It is not necessary that all layers be the same material. Prior art valve assemblies are suitable for well controlled gas flows, but do not achieve helium hermetic seals (sealings on the order of 10 -10 atm cc He / sec). To date, flexible organic materials, uncoated or metal-coated, such as Kapton produced by Dupont, have been used as diaphragms, while the remaining flexible layer is made of silicon by a relatively low temperature glass frit. It was sealed in layers. However, this structure does not provide a helium leak type seal. In general, the present invention can provide a helium leak type seal by providing a molding material that retains its molded shape throughout the operation of the valve. A molding material, such as a thermosetting or thermoplastic polymer material, is joined or adhered to the flexible organic material. A mold release layer bonded to the moldable material delimits the diaphragm portion of the flexible organic material / molding material mixture and contacts the valve seat within the valve while the valve is closed. There is. The release layer isolates the molding material from the valve seat and prevents the molding material from contacting the valve seat. The valve assembly 10 comprises a material layer 18 of the present invention, which will be described later with reference to the bonding technique and the process drawings of FIGS. 2A-2C, 3A-3F, 4A-4D, 5A-5E or the exploded view of FIG. It is the result of the integration. The valve assembly 10, which is used here for illustrative purposes, is also one useful embodiment. U.S. Pat. No. 4,869,282 discusses the operation of valve assembly 10, the structure of which is incorporated herein by reference. Layer 12 has been etched to form ports 30 and 32, as shown in FIG. 2A. In order to improve the sealing performance, it is desirable to form contoured edges 60 on the ports 30 and 32, but the contour edges are not always necessary. A release agent 62 that prevents adhesion to the layer 12, such as gold, while being bonded to the molding material 64, such as DuPont's thermoplastic Teflon FEP film, is suitable for sputtering, evaporation, or The valve seat 24 is patterned by a method such as electroless plating. The patterned molding material 64 is typically already bonded (i.e. laminated) to a flexible organic material 66, such as Kapton from DuPont. The patterned flexible layer 18 is then adhered to the surface 14 of the valve seat layer 12. In addition to laminated films, DuPont also separately produces both available Teflon FEP and Kapton films. In FIG. 2B, a patterned organic material / molding material layer 18 is adhered to a stop wafer 20. If desired, an electrostatic bonding layer 61 of a suitable material such as Teflon FEP film may be added between the organic material layer 66 and the stop layer 20. The stop layer 20 comprises a control port 40 utilized to control the displacement of the diaphragm portion during valve operation. The completed wafer stack is then diced and each valve is fitted into a housing (not shown) with a suitable adhesive. To achieve a helium hermetic seal, the molding material 64 is then molded into the valve seat 24 by a production technique that heats and pressurizes the valve (hereinafter referred to as "thermoforming"), as shown in Figure 2B. To be done. The illustrated production technique uses Teflon FEP film, the valve is heated to 265 ° C to 350 ° C, and a pressure of 20 to 200 psi is applied to the diaphragm portion 22 via the control port 40. By the thermoforming production technique, the flexible diaphragm portion 22 formed in the contour of the valve seat 24 is obtained. The patterned release layer 62 prevents the molding material 64 from adhering to the valve seat 24 and contour edge 60 during valve operation. In a prototype valve using Teflon FEP film in layer 64, it was observed that the valve seat 24 maintained a helium hermetic seal even after thermal cycling at about 80 ° C. Higher operating temperatures are achieved with other suitable thermoplastic molding materials for layer 64, such as Teflon PFA film from DuPont. With Teflon PFA film, thermoforming production techniques that accurately mold the diaphragm into the valve seat may require increased pressure or temperature. 3A-3F illustrate an alternative method of forming the valve assembly of the present invention. First, using the layer 12 with the desired ports 30, 32 etched as shown in FIG. 3A, the release agent 62 is applied to the surface of the layer 12 as shown in FIG. The edge 60, if formed, is also patterned to define the extent of the valve seat 24. The flexible organic material / molding material diaphragm 18 described above is then laminated onto the release layer 62 and adhered to the upper surface of layer 12 at the outer periphery of the valve seat 24, as shown in FIG. 3C. Then, in FIG. 3D, the stop layer 20 is adhered to the flexible organic material / molding material diaphragm 18, optionally by electrostatic bonding layer 61. The heat and gas pressures described above are applied according to a thermoforming manufacturing technique for molding the molding material 64 into the shape of the valve seat 24 and contoured edge 60, as shown in FIG. 3E. After removing the heating and pressurization by the thermoforming manufacturing technique, as shown in FIG. 3F, appropriate pressure is applied to the ports 30 and 32 in order to lift the diaphragm portion 22 from the valve seat 24. The release agent 62 adheres only weakly to the layer 12 due to the lack of an adhesive layer, while the mold material 64 adheres well to the release agent 62, so that the release agent 62 causes the debris 65 to leave the debris 65 at the contour edge. While slightly left on 60, the layer 12 side is moved to the molding material 64 side. According to the process outlined in FIGS. 3A-3F, the release layer 62 is much smoother than that described with respect to FIGS. 2A-2C, which more closely mimics the contour of the valve seat 24. 4A through 4D provide yet another method of making the valve assembly of the present invention. In FIG. 4A, layer 12 has been etched to form a thin (25 micron) beam material 70 within each port 30,32. If desired, the thin beam material 70 can be formed by etching silicon from both sides to form the contoured edges 60. Alternatively, it is possible to etch only from the bottom side of the layer 12, in which case no contour edge is formed. A release layer 62 is formed on layer 12 including each beam 70 to delimit valve seat 24. The flexible organic / molding material diaphragm 18 is then laminated onto the release layer 62 and formed and adhered to the top surfaces of the layer 12 and the release layer 62 in a vacuum, with the layer 64 being the valve seat 24. Is molded into a contour shape. 4C, the stop layer 20 is then adhered to the flexible organic / molding material diaphragm 18 by a suitable adhesive 61, for example, a suitable adhesive 61 such as Teflon film or tacky spun polyimide. Next, the beam portion 70 is removed by plasma etching. As shown in FIG. 4D, an appropriate pressure differential is applied to ports 30 and 32 to raise diaphragm portion 22 away from layer 12. According to the manufacturing process shown in FIGS. 4A to 4D, the diaphragm portion 22 that has the plug-like portion 73 that conforms to the valve seat 24 and is completely covered with the release agent 62 or is encapsulated. Is manufactured. Since the molding material 64 is particularly pressed, the durability of the surface of the diaphragm is further improved and the fluidity is low even when the temperature rises. The release layer 62 provides a metal diffusion layer or barrier to the process gas flow. 5A-5E illustrate yet another method of making the valve assembly of the present invention. In FIG. 5A, layer 12 is etched to form a thin (25 micron) beam material 70 in each port 30,32. If desired, thin beam material 70 can be formed in the recess by etching silicon from both sides to form contoured edges 60. A release layer 62 is patterned on the layer 12 including each beam 70 to delimit the valve seat 24. In this manufacturing method, the molding material 64 contains a polymer (thermoset solvent based polymer) 72 whose main component is a thermosetting solvent, such as high-planarity spin-on polyimides, As shown in FIG. 5B, it is spin-on like a liquid onto the valve seat and molded into a shaped valve seat 24. Spin-on, spray or molded polyepoxy imides and similar polymers can also be used. Other available thermosetting polymers include Benzocyclobutene from Dow Chemical Company. Since the adhesion of polyimide to the release agent 62 such as gold is low as in the case of benzocyclobutene, an adhesion promoter such as aluminum oxide is supplied between the release agent 62 and the polyimide layer 72. Is desirable. Following the high temperature bake at 300-350 degrees Celsius required to maximize the degree of thermosetting and crosslinking, the thermoplastic polymer (Kapton-Tefl on PFA) was placed in vacuum as shown in Figure 5C. It is formed by adhering to polyimide. If a spin-on, sprayed or cast adhesive is utilized, such as a polyimide or polyepoxyimide adhesive, the use of a thermoplastic adhesive is avoided, and more than the diaphragm portion 22. Can be cured, and the flow of material (drip) during a period of high temperature is reduced, so that durability is improved. 5D, a stop layer 20 is then adhered to the flexible organic / molding material diaphragm 18 by an electrostatic bonding layer 61 consisting of a thermoplastic Teflon FEP film, a Teflon PFA film or a thermosetting polyepoxyimide adhesive. . The beam portion 70 is removed by plasma etching. As shown in FIG. 5E, appropriate pressure is applied to ports 30, 32 to lift diaphragm portion 22 away from layer 20. The manufacturing method described above with respect to FIGS. 5A-5E also provides a plug 73 that is completely covered by the release agent 62. FIG. 6 illustrates yet another method of making the valve assembly of the present invention, and more particularly, to a valve assembly 100 capable of providing a sample volume of gas or other fluid in nanoliters. The sample injection valve comprises a micromachined silicon layer 101 with three valve seats 102A, 102B and 102C with ports 113, 119 and 125, respectively. The second silicon layer 104 is etched with a channel 106 communicating with the ports 113 and 119 of the layer 101. Channel 106 includes a region 108 having a sufficiently small cross-sectional area to create a pressure differential between regions 110 and 112 of channel 106 when gas is flowed therein. Branch channel 111 fluidly connects channel portion 110 to port 113 in valve seat 102A, and similar branch channel 115 fluidly connects channel portion 112 to port 119 in valve seat 102C. . A release layer 114, such as gold, is deposited on each corresponding valve seat 102A-102C to delimit the diaphragm area of each valve. Each valve seat 102A-102C initially has a beam portion similar to the beam portion 70 illustrated in FIG. 5C. For example, a solution of a polyimide or polyepoxyimide adhesive (solvent based polyimide or polyepoxyimide adhesive), such as IP542 adhesive manufactured by Cemota of Vernaison 69390, France, is used to form the valve seat 102A on the silicon layer 101. -10 2 C and associated beams are spun, sprayed or molded and then baked for an appropriate amount of time to remove solvent. Since polyimide is initially a liquid, it is molded into the contour of the valve seat. The baked polyimide film 116 remaining on the silicon layer 101 is patterned using a nickel chrome mask to remove material from the communication 103 by plasma etching, thereby intersecting each valve seat 102A-102C. The small channel 118 is formed so that the ports 113, 119 and the port 125 of the valve seat 102B are selectively in fluid communication when the corresponding valve diaphragm is actuated. Channel 118 determines the sample volume produced by the injection valve. In the illustrated embodiment, the channel 118 is mask etched to provide a trace gas sample, eg, 1 nanoliter. Next, a flexible organic film 121 such as Kapton is stretched on an appropriate fixture (not shown), a solution of a polyimide adhesive 123 is spin-coated on the surface of the flexible organic film 121, and a synthetic film generally denoted by reference numeral 120 is shown. Is baked to produce. The synthetic film 120 is then adhered (by applying heat and pressure to the flexible organic film 121) to the etched polyimide layer 116 to form the layer 117. Since the mating surfaces of both layer 116 and film 121 are a type of polyimide, the layer 117 formed will be a planar surface having unfilled, cavity-enclosed channels 118 in the etched region. The polymer material 123 has a feature that a part of the polymer material 123 can be removed by patterning and the polymer can be bonded to another appropriate polymer without filling the removed portion. The beam of each valve seat 102A-102C is then plasma etched and an appropriate stop layer 140 (FIG. 7) similar to each stop layer 20 of FIGS. 2C, 3F, 4D and 5E is bonded to the Kapton adhesive composite. To be done. The stop layer 140 is used to limit the amount of deflection that the flexible diaphragm portions 117A, 117B and 117C separate from their respective valve seats 102A-102C and to provide an initial deflection to the diaphragm portion 117B, such as port 142. A control port is provided through which control power is supplied. FIG. 8 schematically shows the operation of the valve assembly 100. The gas source 130 is connected to the channel 106 at its end 132. The gas flows through the channel 106 to an exhaust port formed at the other end 134 of the channel 106. When a sample of gas is required, the diaphragm portions 117A and 117C corresponding to the valve seats 102A and 102C are provided so that a portion of the gas can flow through the etched channel 118 and ports 113, 119 in layer 117. Bend. This gas sample enters channel 118 due to the pressure differential across the cross-sectional reduction area of main channel 106. The diaphragm portions 117A and 117C on the valve seats 102A and 102C are then biased to close the corresponding ports 113 and 119 so that the gas sample is trapped in the channel 118. The diaphragm portion 117B on the valve seat 102B then flexes, resulting in the gas sample being expelled through the port 125 of the valve seat 102B. In the illustrated embodiment, the control force for the flexible diaphragm on the valve seats 102A and 102C is the low pressure applied to the surface of the flexible organic material 121. The diaphragm 117 rises away from the corresponding valve seat due to the pressure differential in the channel 106. The valve assembly 100 is particularly suitable for use in ion mass spectrometers where trace amounts of gas, for example below 100 nanoliters, are provided for testing. The valve assembly 100 achieves a helium hermetic seal that withstands large pressure differentials, thus avoiding the complications associated with multistage depressurization. In FIG. 7, when used with the ion mass spectrometer 143, the port 125 is opened to the ion mass spectrometer assembly 143. Since the ion mass spectrometer 143 operates at a very low pressure (10 −6 atm), it is difficult to bend the diaphragm due to the pressure difference. Alternatively, an actuator 144 that pulls up the flexible diaphragm 117, or other means of deflecting the diaphragm 117B, such as pressurized fluid actuated by a piston, can be used. Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, workers skilled in the art will recognize that changes may be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention.
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(72)発明者 ボザー，グレゴリー エー.
アメリカ合衆国 55423 ミネソタ州、リ
ッチフィールド、エマーソン アベニュー
サウス 7313
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─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Bosser, Gregory A. United States 55423 Emerson Avenue South 7313, Litchfield, Minnesota [Continued Summary]