CN101512200A - 用于加工用于控制流体流的部件的方法以及按该方法加工的部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加工控制流体流的微机械结构部件的方法以及按照这种方法加工的结构部件。用于加工控制流体流的微机械结构部件(1)的方法包括下列步骤：通过在载体层(2)的表面(2a)上构成位于薄膜下面的从相同表面开始的空穴(3，3a)来加工可振动薄膜(4，4a)，通过中间层(6)覆盖载体层(2)，形成中间层(6)结构并通过封闭微机械结构部件(1)的盖层(11)而覆盖中间层(6)。其特征在于，这样形成中间层(16)的结构，使得在薄膜(4，4a)上产生流体阀(14，17)的密封部件(8，18)，它封闭和/或包围在盖层(11)中构成的阀孔(12，22)。

Description

用于加工用于控制流体流的部件的方法以及按该方法加工的部件

背景技术

本发明涉及一种用于控制流体流的微机械结构部件以及其加工方法。

由DE 10 2005 042 648.4已知一种用于加工联通空腔的方法。为此建议只从晶片一侧形成硅衬底结构，这与从两面加工晶片的加工方法相比带来明显的时间和成本优点。为了形成联通的空腔这个文献以外延生长的硅附加层的形式涂覆和构造其它所谓的功能层，它们通过外延加工、漆掩膜和相应的腐蚀工艺。覆盖的玻璃层形成这个多层结构的封闭，玻璃层具有在其中构成的用于所谓的“流体结构”的进入孔。

这些联通空腔的基础形成电化学加工的空穴，它由硅层形式的膜覆盖在硅衬底的表面上。膜的形状和位置通过多孔硅的重排构成并且作为活动的元素与其它功能层的元素一起构成用于控制微流的密封的元素。

在此已经证实需要大量用于加工这些联通空腔的工艺步骤是有缺陷的，这些空腔具有用于微流应用的阀或泵功能。

发明内容

因此本发明的目的是，改进上述的现有技术。

这个目的通过权利要求1和13的特征得以实现。在从属权利要求中给出本发明的有利和适宜的改进方案。

因此本发明涉及一种用于加工控制流体流的微机械结构部件的方法，包括下列步骤：

-通过构成位于薄膜下面的从相同表面开始的空穴在载体层的表面上加工可振动薄膜，

-通过中间层覆盖载体层，

-形成中间层结构，且

-通过封闭微机械结构部件的盖层覆盖中间层。

其特征在于，这样形成中间层的结构，使得在薄膜上产生流体阀的密封部件，它封闭和/或包围在盖层中构成的阀孔。

这种工作原理的优点是，为了加工微机械阀门通过表面微机械加工工艺无需特殊工艺步骤地仅仅加工两个层。第三层、所谓的盖层可以在独立的加工过程中预加工并且为了配备阀门而施加到这样预备的底层和中间层上并且与这个层相应对准地固定连接。因此与目前已知的现有技术相比可以节省许多工艺步骤、尤其是非标准化的工艺步骤，它们为了构成目前附加地由于半导体技术标准所需的其它中间层是必需的。

在此可以这样形成中间层的结构，使得围绕密封部件产生空腔。由此一方面可以实现用于阀门的内腔，另一方面使密封部件本身功能性地构造或轮廓。

还有利地建议，在形成中间层结构时产生导流的穿过薄膜到位于下面的空穴的通孔。由此能够在最好通过重排多孔硅在薄膜下面产生的空穴与位于其上的在中间层中的空腔之间实现压力平衡。由此一方面可以使薄膜自由振动，另一方面这个连接扩展阀门整个现有的内部容积，这例如在加工进入阀时是有利的。

为了加工排出阀相对有利的是，通孔在第一薄膜中这样构造，它使位于薄膜下面的空穴与阀孔连接。

因此能够在阀孔部位中包围微机械结构部件的外部压力与在空穴中存在的内部压力之间实现压力平衡。

在此要注意，这个空穴也在微机械结构部件内部构成，并且使位于其上的薄膜通过改变外部压力和伴随而来在其底面上的力作用可以影响其位置。

通过相应地改变对置的薄膜面、即面对中间层和盖层的一侧上的压力存在另一使薄膜改变其位置的可能性。为此需要改变空腔中围绕相关密封部件的内压，它通过薄膜流体密封地与位于其下面的空穴分开。例如可以通过提高包围密封部件的空腔中的压力引起这种压力变化。在空腔中围绕密封部件的压力与也在薄膜下面构成的空穴内部的外压之间的压差足够大时，可以使薄膜这样多地顶压到空穴内部，使得密封部件与阀排出孔之间的密封座可以导流地打开。由此能够使空腔中围绕密封部件处于过压下的流体排流。

为了防止这样构成的阀门的密封部件粘附在(例如)可能是预钻孔的玻璃板的盖层的底面上，可以在密封部件与盖层之间涂覆防粘附层。防粘附层可以涂覆在硅或玻璃板上或两者上并形成结构。代替和/或附加地对于粘附层也可以通过一个或两个接触部位、玻璃和/或硅的相应表面改型实现防粘附功能。在此碳化硅、氮化硅或类似物质是尤其适合的。这一点不仅对于进入阀而且对于排出阀、最好对于两者都是可以的。阳极粘接使硅与玻璃非常可靠地连接。如果盖层(玻璃)以阳极粘接涂覆，例如可以事先涂覆介电层如氮化物或SiC(碳化硅)并形成结构。

为了在加工这种微机械结构部件时达到更高的加工效率，还有利地规定，在加工第一可振动薄膜时在载体层的表面上通过构成位于其下面的空穴产生至少另一可振动薄膜。

例如可以在晶片段上并排地加工两个不同的阀门。它们或者可以是两个不同的进入阀或两个不同的排出阀，但是在一个特别优选的实施例中也可以是一个进入阀和一个排出阀。

一个进入阀和一个排出阀的组合例如提供了一种通过这样的载体层、例如以硅晶片形式的表面微机械(OMM)的加工过程加工微机械泵的方法。为此尤其视为有利的是，在中间层和/或载体层构造时在围绕第一密封部件构成的第一空腔与围绕另一密封部件构成的另一空腔之间产生导流连接部。

这种导流连接部例如可以是相应构成的微机械泵的泵室，它使上述的空腔围绕各个密封部件导流地相互连接。

例如可以由此实现对这种导流连接部、例如以泵室形式的连接，邻接导流连接部和/或两个空腔中的空腔构成第三可振动薄膜。这个薄膜可以通过适合的机构在其位置上变化地影响泵室容积。

在第一实施例中可以使这种薄膜在其位置上变化的机构是气动驱动机构。这个驱动机构例如可以由此显示出特征，对于由第三可振动薄膜封闭的空穴构成独立的流体接头。

通过这种独立的流体连接可以使薄膜这样以过压或负压加载，使泵室在其容积上还原或变小。在容积变大时在泵室中产生负压，因此打开与其连接的进入阀并且使流体可以流入到泵室里面。在减小泵容积时产生过压，因此从确定的在这个过压之间的差压开始在排出阀的排出部位中存在的外压使这个排出阀为了排出位于泵中的流体而打开。

在另一实施例中可以规定，使微机械泵不是通过流体驱动操纵，而是通过另一机构操纵。为此例如可以规定，在第三可振动薄膜上施加或作用部件，它在其操纵时在薄膜上施加压和/或拉作用。例如它可以是压电振动体、顶杆或电磁铁或类似部件。

此外被视为有利的是，这样构造共同形成阀门的部件、薄膜、密封部件、防粘附层和盖层，在微机械结构部件的组装状态使密封部件在预应力下密封阀孔。由此可以通过各阀门的预应力直接影响为了打开相关阀门所需的在阀门密封座或阀片两侧上的压差。由此能够对于不同的应用场合加工具有相应适配的泵参数的泵。

除了加工方法以外本发明也涉及用于控制流体流的微机械结构部件，具有载体层、形成结构的中间层和密封微机械结构部件的盖层，其中在面对中间层的载体层表面上通过从相同的一面开始加工构成可振动薄膜和位于其下面的空穴并且与密封部件和阀孔共同构成阀门。这个结构部件的特征在于，使用于进入阀和/或用于排出阀的阀门夹紧机构从外面观察在阀门密封座后面设置在微机械结构部件的内部。这种结构具有上面对于方法所述的优点，因此附加地对于载体层只需唯一的用于加工的中间层。

在此特别有利的是，使用于进入阀的阀门夹紧机构和/或用于排出阀的阀门夹紧机构至少部分地包括其薄膜。这种部分薄膜例如可以是薄膜臂和/或使这个薄膜臂与另一薄膜臂连接的薄膜砧面。在这个薄膜砧面上例如可以使上述的密封部件通过固定在薄膜上振动并由此使阀门操纵地处于其功能。

此外有利的是，使用于进入阀的阀门夹紧机构和/或用于排出阀的阀门夹紧机构包括密封部件或和/或防粘附层和/或在排出阀空穴与微机械结构部件的外侧面之间的导流连接部。此外有利的是，在盖层中构成进入阀的阀孔和/或排出阀的阀孔。这些实施例的优点已经在上面描述相应的方法步骤时描述过。

实施示例

借助于附图和下面的描述详细解释实施例。附图中：

图1至4对第一实施例分别示出用于控制流体流的微机械结构部件的载体层在不同加工步骤中的横截面图，

图3a和4a分别示出图3和4的俯视图，

图5至6a示出与图3至4a的实施例不同的实施例的截面图和俯视图，，其中仍然是两个不同的工艺步骤，

图7至8a分别以截面图和俯视图示出微机械结构部件的两个其它的结构部件，

图9和10以微机械泵的形式示出微机械结构部件的两个实施例。

图1以细节示出载体层2的截面图，尤其以硅晶片的形式，其中通过重排多孔硅已经产生了空穴3和其上面的薄膜4.

图2仍然示出对应于图1的载体层2，具有涂覆在其上的、构造的中间氧化层5、位于其上的中间层6和位于中间层上面的、也构造的漆层7。

中间氧化层5的结构作为基层用于在下面的腐蚀过程时使位于其下面的载体层2可重复地构造，例如由图3至6看到的那样。

漆层的结构对应于在硅工艺中通过下面的腐蚀过程的通常的掩膜。保留由漆膜覆盖的层部位，通过腐蚀去掉其余的层部位。但是腐蚀过程尽管时间上的持续也可能局部地在其功能上受限制，例如由于耐腐蚀的中间氧化层5，例如由另一工艺步骤的视图在图3，3a，5和5a中看到的那样。

因此通过按照表面微机械理论(OMM理论)来加工硅晶片而逐步地产生用于控制流体流的微机械结构部件1。在图3至4a中的视图以截面图和俯视图示出用于加工进入阀的两个工艺步骤，图5至6a示出相应的用于加工排出阀的视图。与其它部件、例如在图7，7a或8，8a中所示的部件一起它们在结束加工过程以后形成微机械泵，它按照图9的视图例如具有气动的膜驱动，并且在按照图10的视图中具有附加的致动器，例如以压电部件的形式。

图3以衔接在图2视图后面的工艺步骤示出微机械的结构部件1，在隔离层中不仅腐蚀外延层6而且腐蚀薄膜4以后。在此中间氧化层5作为腐蚀阻挡层。只在事先已经去掉的中间氧化层的地方才腐蚀掉位于其下面的且形成薄膜的硅层。

在图3a的俯视图中看出三个扇形的通孔9，在其间分别看到薄膜臂10作为未腐蚀掉的薄膜部分。在中间示出圆柱形的密封部件8，它封闭下面还要涂覆的盖层11中的阀孔12(图4)。围绕密封部件8通过这个腐蚀过程产生空腔15，它通过薄膜4中的通孔9可以与设置在薄膜4下面的空穴4联通。这个在图4中示出的进入阀的工作原理与被动的、流体静力阀类似。只要外部的压力高于内部的压力，就使顶靠在可振动薄膜4上的密封部件8形式的阀片向下顶压并且使液体或气体的介质流入到阀的内室15里面。如果外部的压力小于内部的压力，或者相同，则阀片再顶压盖层11，它例如可以是玻璃板。

为了防止在阀片8粘附在密封部件8与盖层11之间的密封区域16，在这个部位可以附加地涂覆防粘附层13。防粘附层不仅可以涂覆到玻璃上而且可以选择涂覆到硅表面上，或者两者上并相应地构造。

由于涂覆防粘附层引起的层加厚使阀片如图4所示略微承受预应力。通过改变负责预应力的参数、如薄膜的几何形状或弹性可以在使阀门自由接通所需的差压方面影响进入阀的工作部位。因此例如可以实现进入阀，它们在略微更高的外部压力时也还保持封闭。

因此通过在这里建议的加工方法仅仅通过涂覆和形成唯一的中间层结构，并接着通过由盖板来封闭就可以实现用于控制流体流的微机械结构部件，如上所述的进入阀。与上述的已知的现有技术相比这意味着明显减少用于加工所需的工艺步骤数量并且限制在微系统技术的标准工艺，尤其是半导体工艺技术上。由此不仅在时间上而且在经济上明显减少用于加工这种部件所需的费用。

图5和6以及5a和6a与图3至4a类似地示出用于加工微机械排出阀17的两个工艺步骤。

为了产生这个排出阀的结构使漆膜为了准备腐蚀过程与图2视图不同地这样构成，在密封部件18中在中心构成通孔19。围绕密封部件18同样构成空腔21。涂覆在载体层表面上的中间氧化层5的结构也是不同的。如图5a所示，结构是仅仅中心地在薄膜4a以上的通孔19以下的中间空出。由此在腐蚀过程期间产生用于位于其下面的空穴3a的通孔20。

在图6中以横截面图并且在图6a中以俯视图示出完成的微机械排出阀。在不同的俯视图中的截切线III/III至VIII/VIII分别以相关的视图示出从属的截面图的位置。

因此由图6的排出阀17的空穴3a导流地与微机械结构部件1的外界通过连接通孔20、通孔19和阀孔22联通。在这里对应于图3至4a的进入阀14的实施例使阀孔22设置在封闭的盖层11里面。这些阀孔12和22在预备的工作步骤中在起到盖层11功能的工作层中构成。这样构成的阀门14，17的主要优点是阀门预应力机构34，35在微机械结构部件内部、在阀门密封座16或16a后面的布置。

附加地为了避免在密封部件18与玻璃板11之间粘附在密封区域16a中涂覆防粘附层23。与将防粘附层13安置在密封区域16一样使这个防粘附层23或者在相关的硅表面上或者在玻璃表面上或者不仅在硅上而且在玻璃上都相应地构造。通过这个防粘附层23的几何膨胀可以使这个排出阀17的阀片对应于进入阀14地预紧。

为了操纵进入阀14或排出阀17，对应于在图9和10中所示的微机械泵，在微机械结构部件1里面还需要泵室24，其压力可以通过相应的机构影响。在这里在图7和8中示出两个不同的实施例。

在图7中示出气动的泵驱动，其中空穴25对应于进入阀14或排出阀17的空穴3在载体层2中在加工微机械结构部件时构成。这个空穴25与泵室24导流地分开并且具有自身的流体接头26，如图7a所示的那样。这个接头26用于加载空穴25，用于使位于其上的薄膜27对应于图7的视图向上顶压并因此减小泵室24的容积。通过这个容积减小使泵室24内部的压力增加，由此可以打开排出阀1。防粘附层28对应于进入阀和排出阀的实施例仍然防止薄膜27粘附在盖层11上。

在空穴25中的过压排出后薄膜27下降，因此在泵室24与进入阀阀孔12之间可以产生差压，它打开进入阀。微机械泵的这个抽吸过程还可以通过在空穴25中显现负压得到支持。在这种情况下使薄膜27在空穴25底部的方向上弯曲并由此加大泵室24的容积。因此泵部件29是微机械结构部件1的第三部件，它可以共同地通过上述的建立载体层2的加工工艺加工。

图8示出与图7不同的泵部件30的实施例，其中薄膜31通过支承和密封部件32固定在盖层11上。在此泵室24同样向外封闭，由此通过降低薄膜31仍然实现减小泵室24中的容积。

通过操纵例如压电部件或压电顶杆或电磁致动器形式的致动器33使薄膜31下降，致动器从外面作用于薄膜上。根据实施例在这里也可以超过最好水平的标准位置通过施加拉作用在薄膜31上使薄膜31抬起。由此对应于气动或可能液压的阀门驱动起到用于产生相对于进入阀负压的支持作用。但是优选使薄膜31以及薄膜27通过其内部的复位力复位到其原始位置。

图9和10以微机械泵形式的微机械结构部件1的在减小泵室容积24时的激活状态示出两个示例的实施例，具有各个部件进入阀14、排出阀17和泵部件29或30。

Claims (25)

1.一种用于加工控制流体流的微机械结构部件(1)的方法，包括下列步骤：

-在载体层(2)的表面(2a)上通过构成位于薄膜下面的、从相同表面侧开始的空穴(3，3a)来加工可振动薄膜(4，4a)，

-通过中间层(6)覆盖所述载体层(2)，

-形成所述中间层(6)的结构，且

-通过封闭所述微机械结构部件(1)的盖层(11)来覆盖所述中间层(6)，

其特征在于，这样形成所述中间层(16)的结构，使得在所述薄膜(4，4a)上产生流体阀(14，17)的密封部件(8，18)，其封闭和/或包围在所述盖层(11)中形成的阀孔(12，22)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，这样形成所述中间层(6)的结构，即，使得围绕所述密封部件(8，18)而形成空腔(15，21)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在形成所述中间层(6)的结构时，产生穿过所述薄膜(4，4a)到位于其下的空穴(3，3a)的导流通孔(9，20)。

4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，第一通孔(9)在第一薄膜(4)中这样构造，即，它使位于所述薄膜(4)下面的空穴(3)与包围所述密封部件(8)的空腔(15)连接。

5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，第二通孔(20)在第二薄膜(4a)中这样构造，即，它使位于所述薄膜(4a)下面的空穴(3a)与阀孔(22)连接。

6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述盖层(11)与流体阀(14，17)的密封部件(8，18)之间的密封区域(16，16a)中，涂覆防粘附层(13，23)或者实现防粘附功能。

7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述防粘附层涂覆到玻璃和/或硅上。

8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将防粘附功能施加到玻璃和/或硅上。

9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由硅组成所述防粘附层。

10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述防粘附层是氮化硅。

11.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在加工第一可振动薄膜(4)时，在所述载体层(2)的表面(2a)上通过构成位于薄膜下面的空穴(3a)产生至少另一可振动薄膜(4a)。

12.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在构造所述中间层(6)和/或所述载体层(2)时，在围绕第一密封部件(8)构成的第一空腔(15)与围绕另一密封部件(18)构成的另一空腔(21)之间产生导流连接部(24)。

13.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，邻接导流连接部(24)和/或两个空腔(15，21)之一而构成第三可振动薄膜(27，31)。

14.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于由所述第三可振动薄膜(27)封闭的空穴(25)，形成独立的流体接头(26)。

15.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第三可振动薄膜(31)上施加这样的部件(33)，该部件(33)在操纵中在该薄膜(31)上施加压作用和/或拉作用。

16.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，共同形成阀门(14，17)的部件、薄膜(4，4a)、密封部件(8，18)、防粘附层(16，16a)和盖层(11)构造成，在所述微机械结构部件(1)的组装状态使所述密封部件(8，18)在预应力下密封阀孔(12，22)。

17.一种用于控制流体流的结构部件(1)，其具有载体层(2)、形成结构的中间层(6)和密封该微机械结构部件(1)的盖层(11)，其中，在所述载体层(2)面对所述中间层(6)的表面上通过从相同的一侧开始加工来构成可振动薄膜(4，4a)和位于其下面的空穴(3，3a)，并与密封部件(8，18)和阀孔(12，22)共同构成阀门(14，17)，其特征在于，用于进入阀(14)和/或用于排出阀(17)的阀门夹紧机构(34，35)在从外面观察时在阀门密封座(16，16a)后面设置在所述微机械结构部件(1)的内部。

18.如权利要求17所述的微机械结构部件(1)，其特征在于，使用于所述进入阀(14)的阀门夹紧机构(34)和/或用于所述排出阀(17)的阀门夹紧机构(35)至少包括其薄膜(4)和/或(4a)的一部分。

19.如权利要求17或18所述的微机械结构部件(1)，其特征在于，使用于所述进入阀(14)的阀门夹紧机构(34)和/或用于所述排出阀(17)的阀门夹紧机构(35)包括密封部件(8)和/或(18)和/或防粘附层(13)和/或(23)。

20.如上述权利要求17至19中任一项所述的微机械结构部件，其特征在于，使所述防粘附层涂覆在玻璃和/或硅上。

21.如上述权利要求17至20中任一项所述的微机械结构部件，其特征在于，使防粘附功能施加在玻璃和/或硅上。

22.如上述权利要求17至21中任一项所述的微机械结构部件，其特征在于，使所述防粘附层由硅组成。

23.如上述权利要求17至22中任一项所述的微机械结构部件，其特征在于，所述防粘附层是氮化硅。

24.如上述权利要求17至23中任一项所述的微机械结构部件(1)，其特征在于，在所述排出阀(17)的空穴(3a)与所述微机械结构部件(1)的外表面之间设有导流连接(19，20，22)。

25.如上述权利要求17至24中任一项所述的微机械结构部件(1)，其特征在于，在所述盖层(11)中构成所述进入阀(14)的阀孔(12)和/或所述排出阀(17)的阀孔(22)。

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