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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf mikroelektromechanische System-Ventilstrukturen (MEMS-Ventilstrukturen),
und insbesondere auf mit wenig Energie und bei hoher Geschwindigkeit
elektrostatisch arbeitende MEMS-Ventilstrukturen, sowie die zugehörigen Herstellungsverfahren.
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Hintergrund
der Erfindung
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Fortschritte
in der Dünnfilmtechnologie
haben die Entwicklung von technisch ausgefeilten integrierten Schaltungen
ermöglicht.
Diese hoch entwickelte Halbleitertechnologie hat auch die Türen dazu geöffnet, MEMS-Strukturen
(MEMS = Micro Electro Mechanical System) zu schaffen. MEMS-Strukturen sind
typischerweise zu einer Bewegung oder einer Beaufschlagung mit Kraft
in der Lage. Es wurden viele verschiedene Arten von MEMS-Vorrichtungen geschaffen,
einschließlich
Mikrosensoren, Mikrozahnräder,
Mikromotoren, sowie weitere, in Mikrotechnik ausgeführte Vorrichtungen.
MEMS-Vorrichtungen werden für
eine breite Palette von Anwendungen entwickelt, weil sie die Vorteile
niedriger Kosten, hoher Zuverlässigkeit
und extrem kleiner Abmessungen bieten.
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Die
den Entwicklern von MEMS-Vorrichtungen zugestandene Gestaltungsfreiheit
hat zur Entwicklung von verschiedenen Techniken und Strukturen zur
Bereitstellung der Kraft geführt,
die zur Herbeiführung
der gewünschten
Bewegung innerhalb von Mikrostrukturen notwendig ist. So wurden
zum Beispiel Mikro-Ausleger verwendet, um eine mechanische Drehkraft
aufzubringen, um in Mikrobearbeitung hergestellte Federn und Zahnräder in Drehung zu
versetzen. Zum Antreiben von Mikromotoren sind elektromagnetische
Felder verwendet worden. Es sind auch piezoelektrische Kräfte erfolgreich
eingesetzt worden, um in Mikrobearbeitung hergestellte Strukturen
kontrollierbar zu bewegen. Zur Erzeugung von Kräften zum Antreiben von Mikrovorrichtungen ist
auch eine gesteuerte thermische Ausdehnung von Aktuatoren oder anderen
MEMS-Komponenten verwendet worden. Eine derartige Vorrichtung findet sich
im US-Patent Nr. 5 475 318 mit dem Titel "Microprobe", erteilt am 12. Dezember 1995 auf den
Namen der Erfinder Marcus et al., die sich die thermische Ausdehnung
zunutze macht, um eine Mikrovorrichtung zu bewegen. Ein Mikro-Ausleger ist aus
Materialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufgebaut. Bei Erwärmung
erhalten die dimorphen Schichten eine unterschiedliche Wölbung, was den
Mikro-Ausleger sich dementsprechend bewegen lässt. Ein ähnlicher Mechanismus wird dazu
verwendet, einen in Mikrobearbeitung hergestellten thermischen Schalter
zu aktivieren, wie er im US-Patent Nr. 5 463 233 mit dem Titel "Micromachined Thermal Switch" beschrieben ist,
das am 31. Oktober 1995 auf den Namen des Erfinders Norling erteilt
wurde.
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Zur
Bewegung von Strukturen sind auch elektrostatische Kräfte eingesetzt
worden. Herkömmliche
elektrostatische Vorrichtungen waren aus schichtweise übereinander
gelegten Filmen aufgebaut, die aus Kunststoff- oder Mylar-Materialien
herausgeschnitten wurden. Eine flexible Elektrode war am Film befestigt,
und eine andere Elektrode war an einer Grundstruktur befestigt.
Die Versorgung der jeweiligen Elektroden mit elektrischer Energie
erzeugte eine elektrostatische Kraft, die die Elektroden zueinander
hinzog oder voneinander abstieß.
Ein repräsentatives
Beispiel für
diese Vorrichtungen findet sich im US-Patent Nr. 4 266 339 mit dem
Titel "Method for Making
Rolling Electrode for Electrostatic Device", das am 12. Mai 1981 auf den Namen
des Erfinders Kalt erteilt wurde. Diese Vorrichtungen arbeiten ganz gut
für typische
bewegungsbezogene Anwendungen, lassen sich aber nicht in Abmessungen
herstellen, die für
miniaturisierte integrierte Schaltungen, biomedizinische Anwendungen
oder MEMS-Strukturen geeignet sind.
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Aufgrund
ihrer extrem kleinen Abmessungen werden elektrostatische MEMS-Vorrichtungen vorteilhafterweise
in verschiedenen Anwendungen benutzt. Angesichts der geringen Elektrodenabstände, die
bei MEMS-Vorrichtungen von Haus aus bestehen, können elektrostatische Kräfte, die
vom elektrischen Feld zwischen elektrischen Ladungen herrühren, relativ
große
Kräfte
erzeugen. Ein Beispiel für diese
Vorrichtungen findet sich in der US-Patentanmeldung Nr. 09/345,300 mit dem
Titel "ARC resistant High
Voltage Micromachined Electrostatic Switch", eingereicht am 30. Juni 1999 auf den
Namen des Erfinders Goodwin-Johansson,
und in der US-Patentanmeldung Nr. 09/320,891 mit dem Titel "Micromachined Electrostatic
Actuator with Air Gap",
eingereicht am 27. Mai 1999 auf den Namen des Erfinders Goodwin-Johansson.
Diese Anmeldungen sind beide auf MCNC, den Inhaber der vorliegenden
Erfindung, übertragen.
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In
typischen MEMS-Ventilen sind zur Steuerung von Ventilen mit hohen
Durchflussmengen (also großen Öffnungen
und großen
Freibereichen um die Öffnung
herum) thermische Stellbewegungs-/Aktivierungsverfahren verwendet
worden. Die thermische Stellbewegung wurde bevorzugt, weil man damit
die großen
Kräfte
bereitstellen kann, die zur Steuerung des Ventils über die
erforderlichen großen
Abstände notwendig
sind. Wegen den mit den Ventilmaterialien zusammenhängenden
thermisch bedingten Zeitbeschränkungen
haben diese Ventile aber relativ niedrige Betriebsfrequenzen. Außerdem verwenden
thermisch aktivierte MEMS-Ventile eine Widerstandsheizung, bei der
sich der Energieverbrauch aus dem in die zweite Potenz erhobenen
Strom mal dem Widerstand errechnet, und bei Betätigung des Ventils wird eine
beträchtliche
Energiemenge verbraucht.
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In
US 5 441 597 (Bonne et al.)
ist ein Prozess zur Herstellung einer Strömungssteuerungsvorrichtung
offenbart, die eine flexible Membran umfasst, die eine Trennwand
zwischen einem Hauptströmungsdurchgang
und einer Steuerkammer bildet.
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In
US 5 771 902 (Lee et al.)
sind Vorrichtungen zur Steuerung von endovaskularen Führungsdrähten und/oder
Kathetern offenbart, die in Mikrobearbeitung hergestellte auslegerartige
Stellglieder, Ruder, Mikroventile, Kraftsensoren und Positionierungs-
oder Lenkmechanismen umfassen.
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Es
wäre vorteilhaft,
eine MEMS-Ventilvorrichtung zu bauen, die eine elektrostatische
Stellbewegung nutzt und sowohl zu großen Verschiebungen als auch
großen
Kräften
in der Lage ist. Die elektrostatische Natur des MEMS-Ventils gestattet
einen relativ geringen Energieverbrauch, weshalb auch keine unerwünschte Erwärmung des
strömenden
Gases oder Fluids auftritt. Zusätzlich
bietet das elektrostatische Ventil eine relativ schnelle Betätigung,
was eine genauere Steuerung des offenen und geschlossenen Zustands
des Ventils ermöglicht.
Darüber
hinaus wäre
es vorteilhaft, ein MEMS-Ventil zu entwickeln, das eine gesicherte
Berührungsfläche zwischen
Ventilsitz und Ventilschließteil
bildet, um sicherzustellen, dass sich niedrige Leckraten einstellen.
Es wäre auch
vorteilhaft, ein MEMS-Ventil
bereitzustellen, bei dem das Auftreten von Haftreibung zwischen
dem Substrat und der beweglichen Membran minimiert ist. Unter Haftreibung,
ein in der Mikroelektronik hinlänglich
bekannter Begriff, versteht man die Tendenz sich berührender
MEMS-Oberflächen,
aneinander anzuhaften. Die Haftreibung ist insbesondere bei Ventilvorrichtungen
von Belang, an denen bei geschlossenem Ventil ein Druckunterschied
besteht. Es wäre vorteilhaft,
ein MEMS-Ventil zu ersinnen, das vor dem Öffnen des Ventils den Druckunterschied
ausgleicht.
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Als
solches sind elektrostatische MEMS-Ventile mit verbesserten Leistungseigenschaften
für viele
Anwendungen erwünscht.
So sind zum Beispiel in Mikrobearbeitung hergestellte Ventile erwünscht, die
zu einer schnellen Stellbewegung, großen Ventilkraft sowie großen Ventilklappenbewegungen
in der Lage sind und auch eine minimale Leistungsaufnahme haben,
sind derzeit aber nicht erhältlich.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schafft verbesserte elektrostatische MEMS-Ventile,
die von einer großen
Ventilkraft, schneller Betätigung
und großer
Verschiebung der beweglichen Membran profitieren, um die effiziente
Beförderung
gesteigerter Mengen von Gas oder Flüssigkeit durch das Ventil zu
ermöglichen.
Darüber
hinaus werden Verfahren zur Herstellung des elektrostatischen MEMS-Ventils
gemäß der vorliegenden
Erfindung bereitgestellt.
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Es
wird eine wie in Anspruch 1 beanspruchte MEMS-Ventilvorrichtung
bereitgestellt, die durch elektrostatische Kräfte betrieben wird.
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In
einer Ausführungsform
der MEMS-Ventilvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die elastisch zusammendrückbare, dielektrische Schicht auf
der Substrat-Elektrode gebildet und stellt die Ventilsitzfläche bereit.
In einer anderen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist die elastisch zusammendrückbare,
dielektrische Schicht auf der beweglichen Membran ausgebildet und
stellt die Ventildichtfläche
dar. In noch einer anderen Ausführungsform sind
elastisch zusammendrückbare,
dielektrische Schichten sowohl an der Substrat-Elektrode als auch der
beweglichen Membran ausgebildet und stellen die Ventilsitzfläche sowie
die Ventildichtfläche
bereit. Die Eigenschaft der elastischen Zusammendrückbarkeit
der dielektrischen Schicht ermöglicht
es, dass ein sicheres, geschlossenes Ventil entsteht, das von einer
niedrigen Leckrate profitiert.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
hat die elastisch zusammendrückbare,
dielektrische Schicht eine strukturierte Oberfläche; entweder am Ventilsitz,
an der Ventildichtung oder an beiden Flächen. Indem diese Oberflächen strukturiert
werden, ist das Ventil dazu in der Lage, die Haftreibung zu überwinden,
die die MEMS-Filme aneinander haften lässt, nachdem die elektrostatische
Spannung entfernt wurde. In der Tat ist durch die Strukturierung
der Oberflächenbereich
in der Nähe
der Berührungsfläche von
Ventilsitz und Ventildichtung verringert, wodurch die Auswirkungen
der Haftreibung reduziert werden. Zusätzlich ermöglicht es die Strukturierung, dass
der Druck vorteilhafterweise so verwendet werden kann, dass er das Öffnen des
Ventils erleichtert.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist eine Druckentlastungsöffnung innerhalb des ebenen
Substrats definiert und so angeordnet, dass sie unter der beweglichen
Membran liegt. Die Druckentlastungsöffnung sorgt für eine Abnahme
des Druckunterschieds an der Ventilöffnung, indem sie den Druck
vor dem Öffnen
des Ventils abschwächt.
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Alternativ
stellt eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine wie in Anspruch 20 beanspruchte
MEMS-Ventilanordnung bereit, die durch elektrostatische Kräfte betrieben
wird. Die Gestaltung der Anordnung ermöglicht gesteigerte Gas- oder
Flüssigkeitsströme.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Anordnung hat das Substrat mehrere Öffnungen, und es sind mehrere
Substrat-Elektroden bereitgestellt; wobei jede Öffnung über eine entsprechende Substrat-Elektrode
verfügt.
Auf diese Weise können
die Substrat-Elektroden einzeln mit elektrostatischen Spannungen
versorgt werden, wonach man die Anzahl von geöffneten oder geschlossenen Öffnungen steuert.
Mit dieser Gestaltung erreicht man ein Ventil mit veränderbarer
Durchflussmenge.
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Zusätzlich ist
die Ventil-Anordnung der vorliegenden Erfindung in einem Substrat
mit mehreren Öffnungen
realisiert, und einem geformten Elektroden-Element innerhalb der
beweglichen Membran und/oder des Substrats. Das Merkmal der Formgebung
des Elektroden-Elements ermöglicht
es, dass der Betrag eingestellt wird, um den die Membran den gebogenen
Zustand verlässt,
und zwar entsprechend dem Betrag der Spannung, die zwischen den
Elektroden anliegt.
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Ein
Beispiel stellt ein Verfahren zur Herstellung der zuvor beschriebenen
MEMS-Ventilvorrichtung
bereit. Das Verfahren umfasst die Schritte, die Vorderseite eines
Substrats zu ätzen,
um eine Öffnung
zu definieren, die sich teilweise durch das Substrat erstreckt,
die Öffnung
mit einem Füllmaterial aufzufüllen, eine
Membranventilstruktur an der Vorderseite des Substrats zu bilden,
das Füllmaterial
zu entfernen, die Rückseite
der Ventilöffnung
bis hin zur Löseschicht
zu ätzen,
und die Löseschicht
zu entfernen, um die Membran wenigstens teilweise vom Substrat zu
lösen.
Das bereitgestellte Verfahren ermöglicht es, dass die Ausrichtung
von Öffnung
und Substrat-Elektrode an der Vorderseite des Substrats bewerkstelligt
werden kann.
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Als
solche ist die durch elektrostatische Kraft betriebene MEMS-Ventilvorrichtung
sowohl zu großen
Verschiebungen als auch großen
Kräften
in der Lage. Die elektrostatische Natur des MEMS-Ventils ermöglicht einen
relativ geringen Energieverbrauch, und deshalb tritt auch keine
unerwünschte
Erwärmung
des strömenden
Gases oder strömenden
Fluids auf. Zusätzlich
bietet das elektrostatische Ventil eine relativ schnelle Betätigung,
was eine kürzere
Zykluszeit und eine genauere Steuerung des offenen und geschlossenen
Zustands ermöglicht.
Darüber
hinaus bietet das MEMS-Ventil eine gesicherte Berührungsfläche zwischen
Ventilsitz und Ventilschließteil, um
niedrige Leckraten zu gewährleisten.
Ein zusätzlicher
Vorteil entsteht bei der Bereitstellung eines MEMS-Ventils, bei
dem das Auftreten von Haftreibung zwischen dem Substrat und der
beweglichen Membran minimiert ist. Die Haftreibung wird überwunden,
indem man an der Berührungsfläche von Ventilsitz
und/oder Ventildichtung strukturierte Oberflächen vorsieht, oder es ermöglicht,
dass im Substrat eine Druckentlastungsöffnung gebildet wird. Diese
und noch viele weitere Vorteile lassen sich mit der MEMS-Ventilvorrichtung
der vorliegenden Erfindung erzielen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines elektrostatischen MEMS-Ventils gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine Draufsicht eines elektrostatischen MEMS-Ventils gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine Querschnittsansicht eines elektrostatischen MEMS-Ventils mit
einem Luftspalt zwischen dem Substrat und der beweglichen Membran,
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
eine Querschnittsansicht eines elektrostatischen MEMS-Ventils mit
einem kleiner werdenden Luftspalt zwischen dem Substrat und der beweglichen
Membran, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht einer elektrostatischen MEMS-Ventilanordnung
mit einzelnen beweglichen Membranen, die Anordnungsöffnungen
zugeordnet sind.
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6 ist
eine perspektivische Ansicht einer elektrostatischen MEMS-Ventilanordnung
mit einzelnen, Anordnungsöffnungen
zugeordneten Substrat-Elektroden, gemäß einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7 ist
eine perspektivische Ansicht einer elektrostatischen MEMS-Ventilanordnung
mit einem geformten Elektroden-Element innerhalb der beweglichen
Membran, gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Die 8 bis 11 sind
Querschnittsansichten einer MEMS-Ventilkonstruktion bei verschiedenen
Herstellungsstadien.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden mit Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen eingehender beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielen
verschiedenen Formen ausgeführt
werden und sollte nicht so aufgefasst werden, als dass sie auf die
hier dargelegten Ausführungsformen
beschränkt
wäre; diese
Ausführungsformen
werden vielmehr zu dem Zweck bereitgestellt, dass diese Offenbarung
umfassend und vollständig
ist, und sie dem Fachmann den Umfang der Erfindung vollständig vermitteln.
Gleiche Bezugszahlen beziehen sich durchgehend auf gleiche Elemente.
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Mit
Bezug auf 1 und 2 stellen
eine Querschnittsansicht (1) und eine
Draufsicht (2) der Substratkonstruktion
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine durch elektrostatische Kräfte betriebene
MEMS-Ventilvorrichtung 10 bereit, die hohe und veränderbare
Durchflussmengen bieten kann. Wie in 1 gezeigt
ist, sind die Schichten der MEMS-Ventilvorrichtungskonstruktion
vertikal angeordnet und gezeigt. In einer ersten Ausführungsform
umfasst eine elektrostatische MEMS-Ventilvorrichtung in Schichten
ein allgemein ebenes Substrat 20, einen Substratisolator 30,
eine Substrat-Elektrode 40, ein Substratdielektrikum 50 und
eine bewegliche Membran 60. Das Substrat definiert eine
durch es hindurch gebildete Öffnung 70, die
als Ventilöffnung
dient. In der gezeigten Ausführungsform
ist die Öffnung
zusammen mit dem Substrat, dem Substratisolator, der Substrat-Elektrode
und dem Substratdielektrikum gebildet. Auf diese Weise kann die Öffnung durch
das Substrat, den Substratisolator, die Substrat-Elektrode und/oder
das Substratdielektrikum hindurch gebildet werden. Innerhalb der
hier offenbarten erfindungsgemäßen Konzepte liegend
ist es ist auch möglich,
die Öffnung
in verschiedenen anderen Ausführungen
zu bilden, die es den fließfähigen bzw.
fortpflanzungsfähigen
Medien (d.h. Gas, Flüssigkeit,
Licht etc.) erlauben, an einer Seite der Substratkonstruktion einzutreten
und an der entgegengesetzten Seite der Substratkonstruktion auszutreten.
Die Öffnung
ist typischerweise von zylindrischer Form. Es sind aber auch andere
Formen möglich,
die innerhalb des Umfangs der offenbarten Erfindung liegen, wie
etwa eine Trichterform mit einem kleineren Umfang am Ventilsitz
und einem größeren Umfang
an der rückseitigen Öffnung des Substrats.
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Die
bewegliche Membran kann als zwei Teile aufweisend beschrieben werden,
die als fester Teil 80 und distaler Teil 90 bezeichnet
werden. Die Teile sind horizontal entlang der Länge der beweglichen Membran
abgeschieden. Der feste Teil ist im Wesentlichen am Befestigungspunkt 100 am
darunterliegenden Substrat oder den Zwischenschichten befestigt. Während der
Herstellung der MEMS-Ventilvorrichtung wird der distale Abschnitt
vom darunterliegenden Substrat oder den Zwischenschichten gelöst. Beim
Betrieb der MEMS-Vorrichtung
ist der distale Abschnitt der Vorrichtung in Bezug auf das darunterliegende
Substrat und die Substrat-Elektrode beweglich. Die Bewegung des
distalen Teils stellt dadurch kontrollierbar den Teil der Öffnung ein,
der von der beweglichen Membran überdeckt
wird.
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In
der Querschnittsansicht von 1 umfasst
die bewegliche Membran 60 mehrere Schichten, die zumindest
eine Elektroden-Elementschicht 62 und zumindest eine Vorspannungselementschicht 64 und/oder 66 umfassen.
Durch das Vorspannungselement bzw. die Vorspannungselemente wird
der beweglichen Membran die in 1 gezeigte
vorgespannte Form verliehen. Sobald während der Herstellung die bewegliche
Membran vom Substrat gelöst
ist, ermöglicht
es das Vorspannungselement der Gesamtmembranstruktur, dass sie sich
entfernt vom Substrat selbst positioniert. In der in 1 gezeigten Ausführungsform
sorgt die Vorspannung für
die nach oben gebogene Form der beweglichen Membran. Die Vorspannung
lässt sich
durch Bereitstellung von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zuwege bringen, sie kann aber auch durch Materialien mit erheblichen
Unterschieden bezüglich
der Querschnittsdicke oder mit anderen Materialeigenschaften bewirkt
werden. Das Elektroden-Element versieht die bewegliche Membran mit
einem Mittel zur elektrostatischen Stellbewegung. Beim Ventilbetrieb
wird an das Elektroden-Element eine Spannung angelegt, und es wird
auf elektrostatischem Wege zur Substrat-Elektrode hin gezogen. Wenn
das Elektroden-Element mit der Substratkonstruktion in Kontakt gelangt,
bildet die bewegliche Membran eine Ventildichtung, die zum Verschließen der
im Substrat gebildeten Öffnung
dient.
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Die
elektrostatische MEMS-Ventilvorrichtung einschließlich der
beweglichen Membran und darunter liegender Substratschichten wird
mit bekannten, für
integrierte Schaltungen geeigneten Materialien sowie mit bekannten
Verfahren aus der Mikrotechnik aufgebaut. Fachleute werden verstehen,
dass zur Bildung der darunterliegenden Substratschichten und der
beweglichen Membran auch verschiedene Materialien, verschiedene
Anzahlen von Schichten, sowie zahlreiche Anordnungen von Schichten
verwendet werden können.
Obwohl die in den Figuren dargestellte MEMS-Ventilvorrichtung als
Beispiel zur Beschreibung von Herstellungsdetails verwendet wird,
gilt diese Erläuterung
gleichermaßen
für alle MEMS-Ventilvorrichtungen,
die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt werden, solange
nichts anderes gesagt ist.
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Mit
Bezug auf 1 und 2 definiert
ein Substrat 20 eine allgemein ebene Oberfläche 22,
auf der die elektrostatische MEMS-Ventilvorrichtung aufgebaut ist.
Das Substrat umfasst vorzugsweise ein Mikroelektronik-Substrat wie
etwa Silizium, obwohl jedes geeignete Substratmaterial mit einer
allgemein ebenen Oberfläche
verwendet werden kann. Die weiteren Bearbeitungsschritte, die bei
der Herstellung der vorliegenden Erfindung beteiligt sind, können bei relativ
niedrigen Temperaturen ausgeführt
werden, weshalb das verwendete Substrat nicht auf herkömmliche,
für höhere Temperaturen
geeignete Substrate beschränkt
ist. Als Substrat können
beispielsweise Quarz, Glas oder andere geeignete Materialien mit Isoliertendenzen
dienen. Eine Substratisolierschicht 30 liegt typischerweise über der
ebenen Oberfläche
des Substrats und bietet eine elektrische Isolierung. In bestimmten
Ausführungsformen,
die Substratmaterialien mit starken Isoliereigenschaften verwenden,
kann die MEMS-Ventilvorrichtung ohne die Substratisolierschicht
ausgebildet werden. Die Substratisolierschicht umfasst vorzugsweise
einen nicht auf Oxidation beruhenden Isolator oder ein Polymer wie
etwa Polyimid, oder ein Nitrid. In dieser Anwendung werden auf einem
Oxid beruhende Isolatoren vermieden, wenn bestimmte Säuren (wie
etwa Flusssäure)
bei der Verarbeitung zur Entfernung der Löseschicht verwendet werden.
Die Substratisolierschicht wird vorzugsweise mittels einer standardmäßigen Abscheidetechnik
gebildet, wie etwa durch herkömmliches
Schleudern oder durch eine bei Niederdruck stattfindende chemische
Dampfabscheidung (LPCVD = low-pressure chemical vapor deposition),
um die Isolierschicht auf der ebenen Oberfläche des Substrats abzuscheiden.
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Eine
Substrat-Elektrode 40 wird als eine allgemein ebene Schicht
abgeschieden, die an wenigstens einem Teil der Oberfläche der
darunterliegenden Substratisolierschicht 30 oder des Substrats 20 befestigt
ist. Die Substrat-Elektrode umfasst vorzugsweise eine Goldschicht,
die auf der Oberseite der Isolierschicht abgeschieden ist. Ist die
Substrat-Elektrode aus einer Schicht aus Gold gebildet, kann vor
dem Abscheiden der Substratsignal-Elektrodenschicht eine dünne Schicht
aus Chrom abgeschieden werden, um eine bessere Anhaftung an der
Isolierschicht zu ermöglichen,
und/oder nachdem die Substratsignal-Elektrodenschicht abgeschieden
wurde, um eine bessere Anhaftung an irgendwelche nachfolgenden angrenzenden
Materialien zu ermöglichen.
Alternativ können
für die
Substratsignalelektrode andere geeignete metallische oder leitende
Materialien verwendet werden, solange die Bearbeitungsvorgänge bezüglich der
Löseschicht
nicht zu einer Erosion an der Elektrode führen. Zur Abscheidung der Elektrode
auf der Oberfläche
des Substrats werden typischerweise standardmäßige Fotolithografie- und Ätztechniken verwendet.
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Sobald
die Substrat-Elektrode gebildet ist, wird vorzugsweise eine dielektrische
Substratschicht 50 auf der Substrat-Elektrode abgeschieden,
um ein Dielektrikum bereitzustellen, welches das Substratsignal
gegenüber
dem in der beweglichen Membran befindlichen Elektroden-Element elektrisch
isoliert. In Ausführungsformen,
die eine dielektrische Substratschicht verwenden, dient diese Schicht
als Ventilsitz 52, der die Ventilöffnung umgibt. In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die dielektrische Substratschicht ein elastisch zusammendrückbares
Material. Für
jedes bestimmte Material lässt
sich die Elastizität festsetzen
durch einen Vergleich von (a) dem Verhältnis der elektrostatischen
Kraft des Ventils um die Öffnung
zum Ventilsitzbereich (also des angelegten Drucks) mit (b) dem Produkt
aus dem Young'schen Modul
(Maß für die Elastizität) für das bestimmte
Material und dem Verhältnis
der Oberflächenrauigkeit des
Ventilsitzes zur Dicke des Ventilsitzes. Die Eigenschaft der elastischen
Zusammendrückbarkeit
der dielektrischen Substratschicht macht es möglich, dass sich der Ventilsitz
bei Kontakt mit der beweglichen Membran verformt. Die Verformungseigenschaft
des Ventilsitzes sorgt dafür,
dass eine einwandfreie Ventilabdichtung entsteht, womit für eine verbesserte Blockierung
der Strömung
gesorgt ist. Ein derartiges elastisch zusammendrückbares, dielektrisches Substratmaterial
umfasst Polyimid, obwohl auch andere elastisch zusammendrückbare dielektrische
Isolatoren oder Polymere verwendet werden können, die gegenüber der
Bearbeitung der Löseschicht
tolerant sind. Die dielektrische Substratschicht wird mittels einer
herkömmlichen
Abscheidetechnik gebildet, wie etwa mit standardmäßigen Aufschleuderverfahren oder
mit einer bei Niederdruck arbeitenden chemischen Dampfabscheidung
LPCVD.
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Die
dielektrische Substratschicht 50 kann mit einer allgemein
ebenen Oberfläche
(wie in 1 gezeigt) gebildet sein, oder
sie kann mit einer strukturierten Oberfläche gebildet werden. Eine strukturierte Oberfläche im Bereich
des Ventilsitzes 52 kann für diejenigen Ausführungsformen
bevorzugt sein, bei denen die bewegliche Membran am darunterliegenden
Substrat "anhaftet", wenn ein Lösen gewünscht ist.
Das MEMS-Phänomen,
das sich auf die Tendenz bezieht, dass zwei zueinander passende MEMS-Oberflächen gerne
aneinander anhaften, ist in der Technik als Haftreibung bekannt.
Indem man am Ventilsitz eine strukturierte Oberfläche vorsieht, wird
die bewegliche Membran bei geschlossener Ventildichtung von einem
kleineren Oberflächenbereich
berührt,
und somit ist zur Überwindung
der Haftreibung eine geringere Kraft vonnöten. Strukturierte Oberflächen werden
typischerweise bei der Herstellung gebildet, wobei die praktische
Ausführung
und Herstellung solcher Oberflächen
in der Technik hinlänglich
bekannt ist.
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In
dem Bereich, der allgemein unterhalb des distalen Teils der darüberliegenden
beweglichen Membran liegt, ist eine Löseschicht (in 1 und 2 nicht
gezeigt) auf der Oberfläche
der dielektrischen Substratschicht 50 abgeschieden. Die
Löseschicht
ist nur auf denjenigen Bereichen unterhalb von Teilen der beweglichen
Membran abgeschieden, die nicht an der darunterliegenden Substratstruktur befestigt
sind. Die Löseschicht
umfasst vorzugsweise ein Oxid oder ein anderes geeignetes Material, welches
weggeätzt
werden kann, wenn Säure
darauf aufgetragen wird. Wenn die darüberliegenden Schichten der
beweglichen Membran auf das Substrat aufgetragen worden sind, kann
die Löseschicht durch
standardmäßige Säureätzverfahren
aus der Mikrotechnik entfernt werden, wie etwa durch eine Ätzung mit
Flusssäure.
Wenn die Löseschicht
entfernt worden ist, ist der distale Teil 90 der beweglichen
Membran 60 von der darunterliegenden Fläche getrennt. Das Lösen der
beweglichen Membran vom Substrat führt in Verbindung mit den Vorspannungseigenschaften des
Vorspannungselements typischerweise dazu, dass der distale Teil
der Dünnfilmmembran
eine gebogene Form annimmt. Die Vorspannung in der beweglichen Membran
führt typischerweise dazu,
dass sich die bewegliche Membran vom Substrat weg biegt (wie in 1 gezeigt),
wenn keine elektrostatische Kraft aufgebracht wird. Es ist aber
auch möglich,
die bewegliche Membran so vorzuspannen, dass sie sich zum Substrat
hin biegt, wenn keine elektrostatische Kraft aufgebracht wird.
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Die
Vorspannung in der beweglichen Membran lässt sich erzielen, indem man
für das
Vorspannungselement und das Elektroden-Element Materialien vorsieht,
die sich bezüglich
der Dicke, des Wärmeausdehnungskoeffizienten
oder irgendeiner anderen bekannten Vorspannungseigenschaft unterscheiden.
Alternativ kann die Vorspannung während der Herstellung herbeigeführt werden,
indem Prozessschritte verwendet werden, die Eigenspannungen verursachen,
so dass sich die bewegliche Membran biegt. So kann zum Beispiel
ein polymeres Vorspannungselement als Flüssigkeit aufgetragen und dann bei
erhöhten
Temperaturen ausgeheizt bzw. vernetzt werden, so dass sie eine feste
Vorspannungsschicht bildet. Das Vorspannungselement kann vorzugsweise
ein Polymermaterial umfassen, das einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als das Elektroden-Element hat. Als Nächstes werden das Vorspannungselement
und das Elektroden-Element abgekühlt,
was aufgrund der Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten
Spannungen in der Membran induziert. Die bewegliche Membran biegt
sich, weil das polymere Vorspannungselement schneller schrumpft
als die Elektrodenschicht.
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Außerdem lässt sich
eine Vorspannung erzeugen, wenn verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen den Vorspannungselementschichten und der Elektroden-Elementschicht bereitgestellt
werden. Wenn man von einem Temperaturanstieg ausgeht, biegt sich
die bewegliche Membran zu der Schicht hin, die den niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat, weil sich die Schichten dementsprechend mit unterschiedlichen
Raten ausdehnen. Als solche wird sich die bewegliche Membran mit
zwei Schichten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
bei steigender Temperatur zu der Schicht hin biegen, die einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat. Außerdem können zwei
polymere Filmschichten mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten
in tandemartiger Anordnung mit einer Elektrodenschicht verwendet
werden, um die bewegliche Membran wie erforderlich vorzuspannen.
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Die
Schichten der beweglichen Membran 60 liegen allgemein über der
Substrat-Elektrode 40 und der Öffnung 70. Zum Aufbauen
der Schichten, die die bewegliche Membran 60 enthalten,
werden bekannte Herstellungsprozesse für integrierte Schaltungen verwendet.
Die bewegliche Membran besteht aus einem Elektroden-Element und
einem Vorspannungselement. Vorzugsweise umfassen eine oder mehrere Schichten
der beweglichen Membran das Elektroden-Element, und eine oder mehrere
zusätzliche Schichten
umfassen das Vorspannungselement. Wie in 1 gezeigt
ist, umfasst eine bevorzugte Ausführungsform der beweglichen
Membran eine Elektroden-Elementschicht 62, die zwischen
zwei Vorspannungselementschichten 64 und 66 angeordnet
ist. Man kann die bewegliche Membran auch mit einer Elektroden-Elementschicht
konfigurieren, die nur eine Vorspannungsschicht aufweist, welche
auf einer Seite der Elektroden-Elementschicht angeordnet ist. Die
Vorspannungselementschicht kann auch als Isolator dienen, der die
vollständige
elektrische Isolierung zwischen der Substrat-Elektrode und dem Elektroden-Element der beweglichen
Membran ermöglicht.
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Vorzugsweise
ist zumindest eine der Schichten, welche die bewegliche Membran
umfassen, aus einem flexiblen Material gebildet; es können zum
Beispiel flexible Polymere (d.h. das Vorspannungselement) und/oder
flexible Leiter (d.h. die Elektroden) verwendet werden. In einer
bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Vorspannungselement einen flexiblen Polymerfilm, der
dazu verwendet wird, bei nicht vorhandenen elektrostatischen Kräften die
bewegliche Membran in einer ortsfesten Position zu halten. Bei den
Anwendungen, in welchen das Vorspannungselement das Substrat zur
Bildung der Ventildichtung berührt,
umfasst das Vorspannungselement ein elastisch zusammendrückbares
Material. Die Eigenschaft der elastischen Zusammendrückbarkeit der
Vorspannungselementschicht macht es möglich, dass sich die Ventildichtung
bei Kontakt mit der darunterliegenden Substratstruktur verformt.
Die Verformungseigenschaft der berührenden Vorspannungselementfläche sorgt
für die
Bildung einer einwandfreien Ventilabdichtung, wodurch sich eine
verbesserte Absperrung der Strömung
ergibt. Ein polymeres Filmmaterial, das Eigenschaften in Bezug auf
elastische Zusammendrückbarkeit
aufweist, kann ein Polyimidmaterial umfassen, wobei aber auch andere geeignete
flexible Polymere verwendet werden können, die Elastizität aufweisen
und dazu in der Lage sind, dem Vorgang des Ätzens der Löseschicht standzuhalten. In
einer Ausführungsform
sind sowohl die dielektrische Substratschicht als auch die Vorspannungselementschicht
der beweglichen Membran aus einem elastisch zusammendrückbaren
Material, wie etwa einem Polyimidmaterial gebildet.
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Es
hat sich gezeigt, dass man mit dem Einsatz von Polyimidmaterialien
in der beweglichen Membran dem Druck standhalten kann, der an der Öffnung entsteht,
die mit der Membran abgedichtet werden soll. Es hat sich auch gezeigt,
dass selbst nach längerer Einsatzdauer
die Festigkeit von Polyimidmaterialien so hoch ist, dass sich weder
Brucherscheinungen noch Blasenbildung einstellen. Berechnungen haben
ergeben, dass die Auslenkung einer Polyimidmembran über einem
Loch mit einem Umfang von 80 Mikrometer bei einem Druckunterschied von
300 psi ungefähr
0,064 Mikrometer für
eine 3 Mikrometer dicke Membran beträgt, und 0,22 Mikrometer für eine 2
Mikrometer dicke Membran. Bei diesen Berechnungen ist die Elektroden-Elementschicht nicht
berücksichtigt,
durch die der Betrag der Auslenkung der gesamten beweglichen Membran
stets noch weiter eingeschränkt
wird.
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Das
Elektroden-Element 62 der beweglichen Membran 60 umfasst
vorzugsweise eine Schicht aus einem flexiblen Leitermaterial. Das
Elektroden-Element kann direkt auf der zuoberst liegenden, ebenen Oberfläche der
Substratkonstruktion und der Löseschicht
abgeschieden werden, oder je nach Bedarf über einer optionalen ersten
Vorspannungsschicht (d.h. einem Polymerfilm). Das Elektroden-Element umfasst
vorzugsweise Gold, obwohl auch andere Leiter, die gegenüber einer
Bearbeitung der Löseschicht
tolerant sind, sowie auch weitere flexible Materialien wie etwa
ein leitender Polymerfilm verwendet werden können. Der Oberflächenbereich und/oder
die Gestaltung des Elektroden-Elements können nach Bedarf verändert werden,
um die zur Betätigung
der MEMS-Ventilvorrichtung gewünschten
elektrostatischen Kräfte
zu ermöglichen.
Indem man dem Elektroden-Element in vorbestimmter Art und Weise
die Form gibt, können
Veränderungen
bezüglich
der Ventilfreigaberate bewirkt werden. Wird Gold zur Bildung des
Elektroden-Elements verwendet, kann auf dem Elektroden-Element eine
dünne Schicht
aus Chrom abgeschieden werden, um eine bessere Anhaftung der Goldschicht
an den angrenzenden Materialien zu ermöglichen, wie etwa an eine oder
mehrere Vorspannungsschichten aus flexiblem Polymerfilm oder dergleichen.
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Die
Anzahl, Dicke und Anordnung von Schichten, sowie die Auswahl von
Materialien, die in der beweglichen Membran verwendet werden, können so
gewählt
werden, dass die bewegliche Membran wie erforderlich vorgespannt
wird. Insbesondere der distale Teil kann verschiedentlich vorgespannt sein,
wenn er sich vom festen Teil weg erstreckt. Die vorgespannte Position
des distalen Teils kann individuell oder kollektiv an Wünsche angepasst
werden, um eine gewünschte
Trennung von der darunterliegenden ebenen Oberfläche und der Substrat-Elektrode
zu bieten. Der distale Teil kann beispielsweise so vorgespannt sein,
dass er zur darunterliegenden ebenen Oberfläche parallel bleibt. Alternativ
kann der distale Teil so vorgespannt sein, dass sich die Trennung
von der darunterliegenden ebenen Oberfläche ändert, indem er sich zu dieser
Fläche
hin oder von dieser Fläche
weg biegt. Der distale Teil ist vorzugsweise so vorgespannt, dass
er sich von dem darunterliegen den Substrat weg biegt und sich der
Abstand zu diesem ändert.
Fachleuten wird klar sein, dass mehr als eine polymere Filmschicht
verwendet werden kann, und dass die Filme auf nur einer Seite oder auf
beiden Seiten der Elektroden-Elemente abgeschieden werden können.
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Wenn
zwischen dem Elektroden-Element der beweglichen Membran und der
Substrat-Elektrode
eine Spannung angelegt wird, zieht die elektrostatische Kraft zwischen
der Elektrode das flexible Elektroden-Element zum Substrat hin,
wobei sich die bewegliche Membran entrollt, um eine Überdeckung der Öffnung zu
bewirken. Die geringe räumliche
Entfernung der beiden Elektroden bei geschlossenem Ventil ergibt
eine starke elektrostatische Kraft. Diese starke elektrostatische
Kraft führt
zu einer Ventilabdichtung mit einer niedrigen Leckrate. Wird die
Spannung von den Elektroden weggenommen, lässt die mechanische Spannung
im Film die flexible Elektrode sich vom Substrat weg biegen und
die Ventile öffnen.
In der geöffneten
Position lassen sich große Ströme durch
die Öffnung
ohne Strömungsbeschränkungen
erzielen, da der Teil der Membran, der die Öffnung überdeckt, sich vom Substrat
relativ weit weg befindet.
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Das
Ventil kann so konfiguriert sein, dass auf die Membran von jeder
Seite her ein Druckunterschied wirken kann, wenn die Membran die Öffnung dicht
verschließt.
Wirkt der Druck von der Rückseite des
Substrats und drückt
gegen die Membran nach oben, wenn das Ventil geschlossen ist, dann
unterstützt
der Druck die erneute Verbiegung des Films, wenn die Spannung entfernt
wird. Kommt dagegen der Druck von der Vorderseite des Substrats
und drückt
nach unten gegen die Membran, wenn das Ventil geschlossen ist, dann
muss zur Öffnung
des Ventils die mechanische Spannung in der Membran gegen den angelegten
Druck arbeiten. Dieser Druckaufbau kann minimiert werden, wenn in
unmittelbarer Nähe
des Endes des distalen Teils der beweglichen Membran eine kleine,
durch das Substrat führende Öffnung bereitgestellt
wird. Da die mechanische Spannung, die zur nach oben führenden
Verbiegung der Membran erforderlich ist, proportional zur Gesamtbreite
der Membran ist, kann die Biegebelastung im Vergleich zu dem Druck
erhöht
werden, der an der kleinen Druckentlastungsöffnung besteht, indem man diese
kleine Öffnung
vorsieht. Sobald die kleine Druckentlastungsöffnung einmal offen ist, verringert
sich der Druckunterschied an der Membran an der Ventilöffnung,
wobei es für
die mechanische Spannung in der Membran leichter wird, das Ventil
zu öffnen.
Ein Beispiel für
eine derartige Druckentlastungsöffnung 102 ist
in 1 und 2 gezeigt.
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In 3 ist
eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform des elektrostatischen MEMS-Ventils
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Das elektrostatische MEMS-Ventil 10 dieser
Ausführungsform
hat einen charakteristisch gleichförmigen Luftspalt 110,
der unter einem mittleren Teil 120 der beweglichen Membran 60 liegt.
Der mittlere Teil der beweglichen Membran ist definiert als der
horizontale Bereich zwischen dem festen Teil 80 und dem
distalen Teil 90. In dem Bereich unter dem mittleren und
distalen Teil der beweglichen Membran ist eine Löseschicht (in 3 nicht
gezeigt) auf der obersten Schicht der Substratkonstruktion abgeschieden.
Die Löseschicht
wird nachträglich entfernt,
was zu einer insgesamt bestehenden räumlichen Trennung des mittleren
und distalen Teils der Membran und dem darunterliegenden Substrat
führt.
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Was
den Aufbau anbelangt, ist der mittlere Teil im Allgemeinen ähnlich wie
der distale Teil aufgebaut, und deshalb bringt der Unterschied der
Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Elektroden-Element und Vorspannungselement den mittleren Teil
dazu, dass er sich verbiegt. Die Biegeeigenschaft der beweglichen
Membran ist für
den distalen Teil gewünscht,
ist aber für
den mittleren Teil im Allgemeinen unerwünscht. Es ist wichtig, einen
vorhersehbaren bzw. genau definierbaren mittleren Teil, und somit einen
genau definierbaren Luftspalt vorzusehen, weil sich eine Vorbestimmbarkeit
für verbesserte
Betriebsspannungskennlinien eignet. Um die Tendenz abzuschwächen, dass
sich der mittlere Teil biegt, wird typischerweise eine Vorspannungssteuerschicht 130 bereitgestellt,
die über
dem festen und mittleren Teil der beweglichen Membran liegt und
den mittleren Teil strukturell einengt. Die Vorspannungssteuerschicht
liegt typischerweise über
dem festen und mittleren Teil der Membran und erstreckt sich nach
außen über die
Seiten der Membran, damit die Vorspannungssteuerschicht am Substrat
verankert werden kann. Die Vorspannungssteuerschicht kann aus einem
metallischen Material gebildet sein und hat im Allgemeinen einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten,
der sich von dem der darunterliegenden Membranmaterialien unterscheidet,
um den mittleren Teil in einer ortsfesten Position zu halten. Die
Vorspannungssteuerschicht kann allgemein eine massive bzw. stabile
Schicht sein, oder sie kann Linien, Raster, Kreuzschraffierungen
oder andere Strukturen erhalten, wie sie zur Halterung des mittleren
Teils und zur Bestimmung der Form des Luftspalts erforderlich sind.
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Alternativ
kann der mittlere Teil 120 der beweglichen Membran 60 während des
Lösens
gehalten sein, indem Ansätze 104 (in
der Draufsichtperspektive von 2 gezeigt)
an der beweglichen Membran am festen Teil 80 verwendet
werden. Die Ansätze,
die typischerweise Verlängerungen
der Schichten sind, welche die Membranen enthalten, stellen eine zusätzliche
Haltekraft bereit, um sicherzustellen, dass sich unter dem mittleren
Teil ein gleichmäßiger Luftspalt
ergibt. Die Ansätze
können
aus einer oder mehreren Schichten gebildet sein, die die bewegliche Membran
umfassen.
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In 4 ist
eine Querschnittsansicht von noch einer anderen alternativen Ausführungsform des
elektrostatischen MEMS-Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Das elektrostatische MEMS-Ventil 10 dieser
Ausführungsform
hat unter einem mittleren Teil 120 der beweglichen Membran 60 einen
charakteristischen, kleiner werdenden Luftspalt 150. In
dieser Ausführungsform
läuft der auslegerartige
Teil nach unten, bis er die darunterliegende Substratkonstruktion
berührt,
an welchem Punkt die bewegliche Membran in den distalen Teil übergeht
und sich die Membran von der darunterliegenden ebenen Oberfläche nach
oben biegt. Der abfallende mittlere Teil kann zum Beispiel hergestellt werden,
indem die Vorspannungsschicht so gestaltet wird, dass sich am Flexionsbereich 160 ein
dünner Bereich
einstellt, oder indem der abfallende Bereich des mittleren Teils
so gebildet wird, dass der mittlere Teil dazu gebracht wird, zum
Substrat hin abzufallen.
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Indem
die Form des Luftspalts vordefiniert wird, können in jüngster Zeit entwickelte, elektrostatische
MEMS-Vorrichtungen mit niedrigeren und weniger sprunghaften Betriebsspannungen
arbeiten. Eine weitere Erläuterung
von in jüngster
Zeit entwickelten, elektrostatischen MEMS-Vorrichtungen mit vordefinierten
Luftspalten erfolgt in dieser Offenbarung nicht, um die vorliegende
Erfindung nicht unnötig
zu verkomplizieren. Bezüglich
eines Beispiels für
eine vor kurzem entwickelte, verbesserte MEMS-Vorrichtung siehe
die US-Patentanmeldung
Nr. 09/320,891 mit dem Titel "Micromachined
Electrostatic Actuator with Air Gap", eingereicht am 27. Mai 1999 auf den Namen
des Erfinders Goodwin-Johansson und übertragen auf MCNC, den Inhaber
der vorliegenden Erfindung.
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Wenn
eine Anordnung aus in einem einzelnen Substrat definierten Öffnungen
erzeugt wird, lassen sich gesteigerte Gas- oder Flüssigkeitsströme erzielen.
In 6–7 sind
perspektivische Ansichten verschiedener elektrostatischer MEMS-Ventilanordnungen
gemäß weiterer
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung dargestellt. 5 stellt eine
als Hintergrundinformation gezeigte MEMS-Ventilanordnung 200 dar,
bei der Öffnungen 210 im
Substrat 220 in einer vorbestimmten Anordnung definiert
sind, und jede Ventilöffnung
eine entsprechende bewegliche Membran 230 hat. Durch eine
selektive Adressierung von Elektroden-Elementen innerhalb der einzelnen
Membranen können
veränderbare Durchflussmengen erhalten werden, indem
die Anzahl von geöffneten
und geschlossenen Ventilen gesteuert wird.
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6 ist
eine MEMS-Ventilanordnung 250, bei der Öffnungen 210 im Substrat 220 in
einer vorbestimmten Anordnung definiert sind, und jede Ventilöffnung eine
entsprechende fest am Substrat angeordnete Substrat-Elektrode aufweist.
Durch selektive Adressierung der festen Substrat-Elektroden 260 innerhalb
des Substrats lassen sich veränderbare Durchflussmengen
erzielen, indem die Anzahl von geöffneten und geschlossenen Ventilen
gesteuert wird. Im Falle einer einzigen, großen beweglichen Membran 230 bedeutet
dies typischerweise, dass einer Reihe der Öffnungen bzw. mehreren Reihen
der Öffnungen
Spannung zugeführt
wird. In diesem Kontext sind Reihen als Linien von Öffnungen
definiert, die senkrecht zur Längsrichtung
der beweglichen Membran verlaufen. Wenn zum Beispiel eine elektrostatische
Spannung an die Substrat-Elektroden angelegt wird, die der Reihe
von Öffnungen
zugeordnet sind, die sich dem festen Teil der Ventilstruktur am nächsten befindet,
wird die bewegliche Membran nach unten gezogen, um diese Öffnungen
dicht zu verschließen,
und der verbleibende distale Teil der Membran behält eine
gebogene Stellung bei. Zusätzlich
kann bei einer Anordnung dieser Art vorgesehen sein, dass die Reihen
der Öffnungen
in Bezug auf die darunter liegenden Reihen von Substrat-Elektroden unter
einem kleinen Winkel abgeschrägt
bzw. schräg gestellt
sind, um im Gegensatz zu sprungartigen Veränderungen der Strömung für einen
größeren Grad einer
variablen Strömung
zu sorgen.
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7 ist
eine MEMS-Ventilanordnung 270, bei der Öffnungen 210 im Substrat 220 in
einer vorbestimmten Anordnung definiert sind, und die bewegliche
Membran 230 ein geformtes Elektroden-Element 280 (deren
Umriss in 7 durch die unterbrochenen Doppellinien
gezeigt ist) aufweist, was es ermöglicht, dass der Betrag, um
den die Membran den gebogenen Zustand verlässt, proportional zum Betrag
der Spannung ist, die dem Elektroden-Element zugeführt wird.
In dieser Hinsicht wird durch eine Versorgung des Elektroden-Elements
mit der vollen Spannung die bewegliche Membran dazu gebracht, den
gebogenen Zustand vollständig
zu verlassen, womit alle Ventile in der Anordnung dicht verschlossen
werden. In Fällen,
wo nicht die volle Spannung angelegt wird, kann die Membran den
gebogenen Zustand teilweise verlassen, womit nur diejenigen Ventile
dicht verschlossen werden, die unter dem nicht gebogenen Teil der
Membran liegen. Die Form des Elektroden-Elements ist beispielhaft
gezeigt. Die Form des Elektroden-Elements ist beruhend auf der Größe der beweglichen
Membran, der Größe der Anordnung
und der Ausführung
der Anordnung vorbestimmt. Alternativ kann die geformte Elektrode
die Substrat-Elektrode sein. Die Formgebung der Substrat-Elektrode
kann im Gegensatz zur Formgebung der Membran-Elektrode bevorzugt sein, um in der
beweglichen Membran eine gleichförmige
Biegung zu garantieren.
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In 8–11 sind
verschiedene Stadien der Herstellung des elektrostatischen MEMS-Ventils gezeigt.
Dieses Verfahren, bei dem die anfängliche Bildung der Öffnung vor
dem Aufbauen des Ventils beginnt und nach dem Aufbauen desselben
abgeschlossen wird, hat den Vorteil, dass die Durchführung der
Ausrichtung zwischen der Öffnung
und der umgebenden Substrat-Elektrode an der Vorderseite der Substratkonstruktion
erfolgen kann.
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Da
die bewegliche Membran so gebildet werden muss, dass sie über der Öffnung liegt,
wird die letztlich sich ergebende Mündung der Öffnung nach Bildung der Membran
fertiggestellt. Die Eigenart der Herstellungstechnologie für Dünnfilme
macht es erforderlich, dass vor der Bildung der Substrat-Elektrode
und des flexiblen Elektroden-Elements der Membran die Aufbauflächen allgemein
flach sind.
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8 ist
eine Darstellung einer Querschnittsansicht eines Substrats 300,
an dem bereits eine rückseitige Ätzung vorgenommen
wurde, um eine große
Aussparung 310 zu definieren, sowie eine vorderseitige Ätzung, um
Ventilöffnungen 320 zu
definieren. Zu Anfang kann an der Rückseite des Substrats eine
große
Aussparung definiert werden. Zur Bildung der großen Aussparung wird typischerweise
ein herkömmlicher
Nassätzvorgang
verwendet. Die große Aussparung
führt typischerweise
dazu, dass das Substrat bis auf etwa 50 Mikrometer ausgedünnt wird,
obwohl auch andere wünschenswerte
Dicken möglich
sind. Der Ätzprozess
bezüglich
der großen Aussparung
ist ein optionaler Vorgang, der für eine Minimierung von Durchflussbeschränkungen
sorgt und die nachfolgende Bildung der Ventilöffnungen vereinfacht. Nachdem
die große
Aussparung gebildet wurde, werden die Ventilöffnungen durch die Vorderseite
des Substrats teilweise in dieses eingeätzt. Zur Ausführung der
Präzisionsätzung, die
für die Ventilöffnungen
erforderlich ist, wird typischerweise ein reaktiver Ionenätzvorgang
(RIE = reactive ion etch) eingesetzt. Dann wird in den Öffnungen
ein zu opferndes Füllmaterial 330 angeordnet,
um eine durchgehende Substratschicht zu ermöglichen, auf der das Ventil
aufgebaut werden kann. Das zu opfernde Füllmaterial umfasst typischerweise
Kupfer oder jedes andere geeignete Material, das als das zu opfernde
Füllmaterial
verwendet werden kann. Sobald das Füllmaterial eingebracht wurde,
wird es typischerweise einem Poliervorgang unterzogen, um die Planarisierung
der Oberfläche
zu gewährleisten
und das Substrat für
den Ventilaufbau fertig zu machen.
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In 9 ist
eine Querschnittsansicht der MEMS-Ventilkonstruktion abgebildet,
nachdem die Ventilstruktur auf der vorderseitigen Fläche des
Substrats gebildet wurde. Die Bildung der Ventilstruktur umfasst
typischerweise das Anordnen einer Isolierschicht 340 auf
dem Substrat; das Anordnen, Strukturieren und Ätzen einer Substrat-Elektrodenschicht 350 auf
der Isolierschicht; und das Anordnen einer dielektrischen Schicht 360 auf
der Substrat-Elektrodenschicht.
An die Bildung dieser Schichten schließt sich die Bildung einer Löseschicht 370 an,
die typischerweise aus einem Oxid besteht, das nachträglich entfernt
wird, um das Lösen
eines Teils der Membran vom Substrat zu ermöglichen. Dann wird die Membran 380 auf
der Löseschicht
angeordnet und über
die dielektrische Schicht am Substrat verankert. In der gezeigten
Ausführungsform
umfasst die Membran eine erste Vorspannungselementschicht/dielektrische
Schicht 390, die auf der Löseschicht und der dielektrischen Schicht
angeordnet ist, eine Elektroden-Elementschicht 400, die
an der ersten Vorspannungselementschicht/dielektrischen Schicht
angeordnet ist, und eine zweite Vorspannungselementschicht 410,
die an der Elektrode angeordnet ist. Diese Schichten der Ventilkonstruktion
und die Herstellungsschritte sind beispielhaft gezeigt. Die Oberflächen, die
schließlich
den Ventilsitz und das Ventilschließteil bilden, können strukturierte
Oberflächen sein,
damit man mit der MEMS-Vorrichtung häufig anzutreffende Ablöseprobleme
meistern kann, die mit der Haftreibung zusammenhängen. In der gezeigten Ausführungsform
kann es wünschenswert sein,
die dielektrische Schicht 360 und/oder die erste Vorspannungselementschicht/dielektrische
Schicht 390 zu strukturieren. Das Strukturieren dieser
Oberflächen
lässt sich
in Verbindung mit der Abscheidung und Entfernung der Löseschicht
bewerkstelligen. Der Vorgang des Strukturierens einer Oberfläche an einer
MEMS-Vorrichtung ist dem Durchschnittsfachmann hinlänglich bekannt.
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10 stellt
eine Querschnittsansicht der MEMS-Ventilkonstruktion dar, nachdem
die Rückseite
des Substrats zur Freilegung des Füllmaterials geätzt wurde,
wobei das Füllmaterial
entfernt ist und die Öffnung 320 eingeätzt wurde,
um einen Zugang zur Löseschicht
zu schaffen. Die rückseitige Ätzung des Substrats
wird typischerweise mittels eines Nassätzvorgangs ausgeführt. Sobald
durch den Ätzvorgang die
Rückseite
des zu opfernden Füllmaterials
freiliegt, wird dieses durch Ausführung eines Ätzvorgangs
entfernt. Das Füllmaterial
wird typischerweise durch einen herkömmlichen Nassätzvorgang
entfernt. Wenn das Füllmaterial
entfernt ist, wird die Öffnung
weiter in die Ventilkonstruktion hinein gebildet, und zwar bis hin
zur Löseschicht 370.
Typischerweise wird ein reaktiver Ionenätzvorgang verwendet, um die Öffnung weiter
auszubilden und sicherzustellen, dass die Öffnung auch Präzisionsarbeitsflächen hat. 11 zeigt
die fertig gestellte MEMS-Ventilkonstruktion,
nachdem die Löseschicht
entfernt wurde, wobei es folglich nun für den distalen Teil der Membran
möglich
ist, sich vom Substrat zu lösen.
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Dieses
Verfahren, bei dem die anfängliche Bildung
der Öffnung
vor dem Aufbauen des Ventils einsetzt und nach dem Aufbauen des
Ventils abgeschlossen wird, hat den Vorteil, dass die Durchführung der
Ausrichtung zwischen der Öffnung
und der umgebenden Substrat-Elektrode
an der Vorderseite der Substratkonstruktion erfolgen kann.
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Einem
Fachmann, der sich auf dem Gebiet auskennt, auf das sich diese Erfindung
bezieht, werden viele Modifikationen und andere Ausführungsformen
der Erfindung einfallen, die Nutzen aus den Lehren ziehen, die in
der obigen Beschreibung und den zugeordneten Zeichnungen dargelegt
sind.