CN1173827C - 微观机械装置粘接到岐管的方法和由此制造的流体控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种粘接微观机械装置(62)到基础物(64)的方法包括形成一个围绕微观机械流体控制装置和基础物之间限定的孔(66)的第一粘接剂(70)的第一环步骤。第一粘接剂形成在微观机械流体控制装置和基础物之间的第一界面，其是清洁和耐腐蚀的。围绕第一环提供第二粘接剂(72)的第二环。第二粘接剂形成在微观机械流体控制装置和基础物之间的第二界面，其是气密的。

Description

微观机械装置粘接到岐管的方法和由此制造的流体控制系统
技术领域
本发明涉及用于控制流体的微观机械装置。具体地，本发明涉及在微观机械装置和流体岐管基础物之间建立一个清洁、耐腐蚀和气密的连接的技术。
背景技术
微观机械装置(也称为微观机电(MEM)装置，微观加工装置和纳米结构)是使用半导体加工技术构成的微米级的三维物体。在此使用的术语“微观机械装置”指至少部分依靠半导体加工技术构成的任何三维物体。
微观机械装置被用作流体控制装置。在此使用的术语“流体”涉及气体或液体。精确的流体控制在从药品输送到半导体加工设备的许多应用范围内都是重要的。
微观机械装置被用于形成各种流体流量控制装置，包括节流阀、压力传感器、大流量控制器、过滤器、清洁器、压力量表和类似物。图1是现有技术装置的侧剖视图，包括有输入口22和输出口24的岐管20。安装在岐管20上的是通常打开的定量阀形式的一个第一微观机械流体控制装置30和压力传感器形式的第二微观机械流体控制装置32。在此涉及到的微观机械流体控制装置注视任何暴露于流体的装置并且用于感应和控制流体。
第一微观机械流体控制装置30包括一个膜34和一个膜控制腔36。在膜控制腔36内的流体被选择性地加热，因此膜控制腔36的体积膨胀，进而引起膜34偏斜而阻碍流体从输入孔22流入。通过以这种方式控制膜34的偏斜，获得一个定量阀的操作。
第二微观机械流体控制装置32也包括一个膜38。膜38的偏斜被用于测量被控制流体的压力。这样，第二微观机械流体控制部件32用作压力传感器。
每个微观机械流体控制部件(30，32)用一个软的，屈从的材料40例如硅树脂或环氧树脂安装于岐管20上。理想地，没有来自岐管的应力传递到流体控制部件。隔绝应力对于压力传感器(例如压阻、电容或应力传感器)是特别重要的。压力传感器对于支撑结构(例如岐管)的应力是敏感的。具体地，如果这个应力的变化超时，由传感器为一个给定的压力产生的的信号将改变，这样减少了传感器的效用。
虽然软的、屈从的材料已经有一些成功地使用，但是这些材料对于广泛的应用是不适宜的，这些材料尤其不适于半导体加工中对气体的控制和分配。在这里，气体可能是腐蚀性或有毒的。岐管20和流体控制部件30、32之间的粘接剂40必须抵抗这些腐蚀和/或有毒的物质，以便粘接剂的功能没有可观察到的改变。
此外，半导体加工设备也要求有高水平的清洁生产线。流体控制部件和它们的附加材料不必可测量程度地改变被控制的流体的性质。这一限定从考虑作为部件附件的候选材料中排除了许多软的、屈从的材料。
理想地，粘接剂是气密的，然而气密密封是相当硬的，且因此直接传递填料的应力到微观流体控制部件。粘接剂也应是稳定的，以便信号的漂移不会超时。
根据前面所述，十分期望提供一种安装流体控制部件的改进的技术。理想地，这一技术提供一种在流体控制部件和岐管之间的稳定的、气密的、清洁的和耐腐蚀的界面。
发明内容
本发明的方法包括形成一个围绕微观机械流体控制装置和基础物之间限定的孔的第一粘接剂的第一环。第一粘接剂形成在微观机械流体控制装置和基础物之间的第一界面，其是清洁和耐腐蚀的。第二粘接剂的第二环围绕第一环施加。第二粘接剂形成在微观机械流体控制装置和基础物之间的第二界面，其是气密的。
本发明的装置是一个带有围绕微观机械流体控制装置和基础物之间限定的孔形成的第一粘接环的微观机械流体控制系统。第一粘接剂环形成在微观机械流体控制装置和基础物之间的第一界面，其是清洁和耐腐蚀的。第二粘接环围绕第一粘接剂环形成。第二粘接剂环形成在微观机械流体控制装置和基础物之间的第二界面，其是气密的。
本发明在流体控制部件和岐管之间提供了一个稳定的、气密的、清洁的和耐腐蚀的界面。
附图说明
参考下面结合附图的详细说明可以更好地理解本发明，其中：
图1是现有技术的带有一组安装在其上的微观机械流体控制部件的岐管的视图。
图2是根据本发明一个实施例实施的工艺步骤。
图3是用本发明的同心粘结技术将微观流体控制部件安装于其上的岐管。
图4是沿图3的4-4线的剖面图。
在附图中同一附图标记指代相同的部件。
具体实施方式
图2示出了结合本发明实施例的工艺步骤。图2中的第一工艺步骤是围绕一个液流口形成一个清洁、耐腐蚀粘结环(步骤50)。该操作可参考图3理解。
图3是流体岐管形式的基础物64的横截面图。粘接到基础物64上的是作为压力传感器的流体控制装置62。孔66限定在流体控制装置62和基础物64之间。孔66允许流体通过基础物64并且使流体流通到流体控制装置62。
图3也示出了围绕孔66形成的第一环70。第一环位于基础物64和流体控制装置62之间。第一环70由第一粘接剂形成。第一环70形成清洁和耐腐蚀的第一界面。第一粘接剂是清洁的，因为它不能可测量地改变供给流体控制装置62的流体的化学和物理性质。换言之，第一粘接剂是一种材料(“浸湿了的”材料)，其不能可测量地改变被控制的流体(“增湿”流体)的效用，也就是对于被控制的流体的化学或物理要素和性质的增加或减少。
第一粘接剂是耐腐蚀的，因为第一界面暴露于供给流体控制装置62的流体的情况下，界面的功能性没有产生可察觉到的改变。例如，渗透性和剥离强度没有产生可察觉到的改变。其它相关的参数包括流体的溶解性、屈服强度、延展性和温度膨胀系数。历史上，没有可察觉到的改变意味着没有视觉上的改变，例如蚀损斑。随着新的测试要求的出现，意味着在物理或其它性质上，例如强度、延展性、成分等类似性质没有改变。
较佳地，第一粘接剂是聚合物成分。在本发明的一个实施例中，聚合物成分是一种添加了以粘接剂为基础的bismaleimide的聚四氟乙烯，例如加利福尼亚San Diego的QUANTUM MATERIALS，INC.，销售的QMI561或QMI536。QMI536是为粘接整体环形到聚合物表面而特别研制的。对于QMI536而言，在粘接剂内的湿气的溶解性是很低的，而其渗透性是高的。这个特性使得在安装整体环形时允许排出的水从型模粘接区域溢出而不产生缺陷。
粘接剂的高渗透性已经暗示该物质不适宜安置微观流体控制装置。粘接剂的清洁和耐腐蚀特性在安装整体环形的范围内通常不能被利用，但在有关微观流体控制装置的安装中被充分利用。这样，如前所述，粘接剂的一些特性(如清洁和耐腐蚀)在现有技术中没被注意，而其他特性(如渗透性)已被告知不利于在安装微型流体控制装置时使用粘接剂。
第一粘接剂70可以用于基础物64或微观流体控制装置62。第一粘接剂可以根据现有技术已知的任意数量、包括使用计算机控制的压力分配器的单一或多个针点进行堆积。
转到图2，第二工艺步骤是围绕清洁和耐腐蚀环提供一个气密的粘接环(步骤52)。图3是气密粘接环72的横截面图，其围绕第一清洁、耐腐蚀环70放置且位于基础物64和微观流体控制装置62之间。
图4是沿图3的4-4线的断面图。该图所示的孔66中止于流体控制装置62的基面，如图3所示。应记得，孔66是使流体在基础物64和微观流体控制装置62之间保持联系的空间，该图也示出了围绕孔66的第一粘接环。图4也表示了围绕第一粘接环70的第二粘接环72。
气密性粘接环72对气体有低渗透性，具体地，当确定在一个附着状态时气密性粘接环对氦的渗透性少于1×10-9atm*scc/sec。气密性粘接环72可以由环氧树脂软膏形成。作为例子，带有嵌入的Boron Nitride比如由在Billerica，Massachusetts的EPOXY TECHNOLOGY，INC.，销售的EPOTEK T7109的环氧树脂软膏可以是导热不导电的环氧树脂软膏。这种环氧树脂最初被设计用于与整体环形有关的加热水槽和散热的应用。在这里，它的低渗透性不被利用。
第二粘接剂72可以位于基础物64或流体控制装置62两者之一上。第二粘接剂可以根据现有技术已知的任意数量、包括使用计算机控制的压力分配器的单一或多个针点进行堆积。在粘接剂堆积之后，基础物64和流体控制装置62相粘接并固化，如粘接剂的制造商所指明的那样。
本发明使用第一和第二粘接剂来实施，该粘接剂被供给和固化到少于25微米的厚度，最好在10-15微米之间。理想地，在应用时，两种粘接剂相隔0.001英寸的最小尺寸。特殊尺寸和成分的小珠子(例如10微米的玻璃珠)和SiO2可以添加到型模粘接材料，以帮助在传感器和基础物之间获得均匀的间隔。
由第一和第二粘接环建立的界面是很稳定的。实施的装置已经经历了伴随着15℃到50℃的温度漂移而产生少于每年0.5％的信号漂移(FS)。
该领域的技术人员能理解到，该微观流体控制装置可以是很多装置的形式，包括压力传感器如压阻压力传感器、容量压力传感器，以及应力敏感传导器、节流阀、大流量控制器、过滤器、清洁器，和类似物。其上安装微观流体控制器的基础物典型的是流体岐管，意味着一个带有一组通道的物体，该通道包括一个入口通道和一个出口通道，以及微观流体控制装置入口通道。
有时候微观流体控制装置安置在一个基座上，以使装置隔离基础物应力。本发明的粘接结构可以应用于这样一种基座，在该情况下，基座应视为形成微观流体控制装置的一部分。
为了解释的目的，前面使用特殊术语的描述以提供贯穿本发明的理解。然而显然，对于本领域的技术人员来说，为了实践本发明，并不要求该特定的部件。在另一些例子里，为了避免对潜在的发明不必需的分心，公知的回路和装置以框图的形式表示。这样，前述的本发明的特殊实施例代表了解释和说明的目的。它们不是为了详尽的或将本发明限定于所公开的精确形式，明显地，根据前面的教导，许多改变和变化是可能的。实施例的选择和描述，为的是最好地解释本发明的原理和它的实际应用，从而使得本领域的其它技术人员最好地应用本发明并且带有各种改变的各种实施例适于期望的具体使用。本发明的范围由下面的权利要求和其等同物限定。

Claims (18)

1.一种粘接微观机械流体控制装置到基础物的方法，包括如下步骤：
形成一个围绕微观机械流体控制装置和基础物之间限定的孔的第一粘接剂的第一环，所述第一粘接剂形成在微观机械流体控制装置和基础物之间的第一界面，其是清洁和耐腐蚀的；
围绕第一环施加第二粘接剂的第二环，所述第二粘接剂形成在微观机械流体控制装置和基础物之间的第二界面，其是气密的。
2.权利要求1的方法，其特征在于，所述形成第一界面的步骤使所述第一界面清洁成不能可测量地改变供给流体控制装置的流体的化学和物理性质。
3.权利要求1的方法，其特征在于，所述形成第一界面的步骤使所述第一界面耐腐蚀达到在所述的第一界面暴露于提供给微型流体控制装置的流体时，第一界面的功能性不产生可观察到的改变。
4.权利要求1的方法，其特征在于，所述施加第二界面的步骤包括使所述第二界面是气密的，达到对于氦有少于1×10-9atm*scc/sec的渗透性。
5.权利要求1的方法，其特征在于，所述形成第一界面和施加第二界面的步骤用压力传感器形式的微观机械流体控制装置来进行。
6.权利要求5的方法，其特征在于，所述形成第一界面和施加第二界面的步骤用压阻压力传感器形式的微观机械流体控制装置来进行。
7.权利要求5的方法，其特征在于，所述形成第一界面和施加第二界面的步骤用容量压力传感器形式的微观机械流体控制装置来进行。
8.权利要求1的方法，其特征在于，所述形成第一界面和施加第二界面的步骤用应力敏感传导器形式的微观机械流体控制装置来进行。
9.权利要求1的方法，其特征在于，所述形成第一界面和施加第二界面的步骤用流体岐管形式的基础物来进行。
10.一种微观机械流体控制系统，包括一个围绕微观机械流体控制装置和基础物之间限定的孔形成的第一粘接环，第一粘接环形成在微观机械流体控制装置和基础物之间的第一界面，其是清洁和耐腐蚀的；
围绕第一粘接环形成第二粘接环，第二粘接环在微观机械流体控制装置和基础物之间形成第二界面，其是气密的。
11.权利要求10的微观机械流体控制系统，其特征在于，第一粘接环清洁的程度达到它不能可测量地改变供给流体控制装置的流体的化学和物理性质。
12.权利要求10的微观机械流体控制系统，其特征在于，所述第一粘接环耐腐蚀的程度达到在所述的第一粘接环暴露于提供给微型流体控制装置的流体时，第一粘接环的功能性不产生可观察到的改变。
13.权利要求10的微观机械流体控制系统，其特征在于，所述第二粘接环气密的程度达到其对于氦有少于1×10-9atm*scc/sec的渗透性。
14.权利要求10的微观机械流体控制系统，其特征在于，所述的微观机械流体控制装置是压力传感器。
15.权利要求14的微观机械流体控制系统，其特征在于，所述的微观机械流体控制装置是压阻压力传感器。
16.权利要求14的微观机械流体控制系统，其特征在于，所述的微观机械流体控制装置是容量压力传感器。
17.权利要求10的微观机械流体控制系统，其特征在于，所述的微观机械流体控制装置是应力敏感传导器。
18.权利要求10的微观机械流体控制系统，其特征在于，所述的基础物是流体岐管。
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