DE69204531T2

DE69204531T2 - Thermisch gesteuertes Mikrominiaturventil.

Info

Publication number: DE69204531T2
Application number: DE69204531T
Authority: DE
Inventors: Phillip W Barth; Gary B Gordon
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1991-05-08
Filing date: 1992-05-06
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2012-05-07
Also published as: EP0512521A1; US5058856A; DE69204531D1; JPH05187574A; EP0512521B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrominiaturventil zur Steuerung der Strömung eines Fluids.
Viele Verfahren, welche bei der Herstellung von elektronischen integrierten Schaltungschips eingesetzt werden, bieten sich auch für die Mikro-Materialbearbeitung mechanischer Einrichtungen, wie Ventile, an. Die Mikroherstellung nechanischer Einrichtungen wird von Angell et al. in "Silicon Micromechanical Devices", Scientific American, April 1983, Seiten 44 bis 55, beschrieben. Dort wird die Herstellung von Mikrominiaturventilen zur Verwendung in der Gaschromatographie beschrieben. Die Analyse von Gasen in einem Siliziumgaschromatographen basiert auf Unterschieden in der Löslichkeit verschiedener Gase in einer Flüssigkeit, welche an der Innenwand eines Kapillarrohres anliegt, durch welches die Gase strömen. Mikrominiaturventile werden zum Einstellen der Gasströmung verwendet, z.B. zum Einstellen der Strömung eines Trägergases durch eine solche Kapillare. Für derartige Ventile muß irgendeine mechanische Betätigungsvorrichtung vorgesehen werden.
Die Betätigung eines Ventils in einem Gaschromatographen über ein Solenoid ist in der US-A-4,474,889 von Terry et al. beschrieben. John H. Jerman, ein Miterfinder der Einrichtung von Terry et al., bemerkte jedoch in einer IEEE Transaction von Juni 1990, daß eine solche Betätigung aufgrund der Schwierigkeiten bei der Bereitstellung einer ausreichenden Betätigungskraft nicht sehr überzeugend ist ("Electrically-Activated, Micromachined Diaphragm Valves" von Jerman, Technical Digest, IEEE Sensor and Actuator Workshop, Juni 1990, Seiten 65 bis 69). Weitere Schwierigkeiten, die bei von einem Solenoid betätigten Ventilen auftreten, sind deren hohe Kosten und die Tatsache, daß ein erheblicher Teil solcher Ventile mit der bekannten Mikroherstellungstechnologie nicht chargenweise hergestellt werden kann.
Es sind auch andere Mittel zum Betätigen von mikrobearbeiteten Ventilen bekannt. Die US-A-4,581,624 von O'Connor lehrt den Einsatz einer elektrostatischen Kraft, um eine flexible Membran auszulenken, bis die Membran einen Ventilsitz mit Auslaßöffnung verschließt. Es bereitet jedoch Schwierigkeiten, eine ausreichende Kraft für eine zuverlässige Betätigung vorzusehen. Die US-A-4,869,282 von Sittler et al. offenbart ein mikrobearbeitetes Ventil, das teilweise durch Gasdruckdifferenzen an verschiedenen Öffnungen des Ventils betätigt wird. Ein solches Ventil wird immer sehr komplex sein, und es benötigt fuhr seinen Betrieb Steuergase.
Die obengenannte Schrift von Jerman lehrt die Verwendung einer bimetallischen Membran, die aus zwei Werkstoffen, nicht notwendigerweise Metallen, besteht, die miteinander verbunden (gebondet) sind. Die mikrobearbeitete bimetallische Membran weist eine Unterseite aus Silizium und eine Oberseite aus Aluminium auf. Wenn sich die Temperatur der Membran ändert, bewirken Spannungen, die in der Struktur erzeugt werdend eine Auslenkung, welche die Membran und einen nach unten hängenden mittleren Vorsprung relativ zu einem von einem Ventilsitz umgebenen Auslaß bewegt. Bei einer Ausführungsform, welche in Ruhestellung geöffnet ist, wird der mittlere Vorsprung von der wärmeinduzierten Auslenkung der Membran in Richtung auf den Ventilsitz bewegt. Diese Auslenkung schließt einen Pfad zu dem Auslaß, der ansonsten geöffnet ist, wodurch eine Strömung eines Fluids zu einem System abgeschnitten wird.
Die von Jerman beschriebene Bimetallstruktur folgt den Lehren nach dem Stande der Technik. Das heißt, die Bimetallstruktur ist eine massive runde Membran, welche ausgelenkt wird, um die Fluidströmung einzustellen. Die Verbesserung bei dieser Struktur ist, daß die Solenoidbetätigungseinrichtung von Terry et al. durch das Aufbringen von Aluminium auf eine Silizium-Membranschicht ersetzt wird. Die Bimetallstruktur kann somit vollständig chargenweise unter Einsatz bekannter Mikroherstellungsverfahren verarbeitet werden. Das Ventil ist jedoch suboptimal. Ein Problem hängt mit der nicht linearen Auslenkungs/Kraft-Charakteristik der Membran zusammen. Es kann erforderlich sein, daß ein Mikrominiaturventil gegen einen Druck von 13,2 bar (200 Pfund/Quadratinch) geöffnet oder geschlossen werden muß. Ferner kann eine Auslenkung der Membran um 40 Mikrometer erforderlich sein. Eine solche Membranauslenkung ändert sich für größere Auslenkungen mit der Kubikwurzel der Betätigungskraft, und diese Nichtlinearität nimmt mit einer Zunahme der Auslenkung an Bedeutung zu. Im ausgelenkten Zustand ist das Ventil nutzlos, weil durch eine Zunahme der Kraft nur eine geringe Auslenkung erfolgt und somit nur wenig Arbeit verrichtet wird, wenn das Ventil bereits ein beträchtliches Stück geöffnet worden ist. Ferner entstehen bei der Bimetallmembran neue Schwierigkeiten, wie eine thermische Trennung der Membran von dem Rahmen, welcher die Membran trägt, um einen starken Wärmeverlust zu vermeiden. Es ist wichtig, daß die einem Mikrominiaturventil zugeführte Energie effizient ausgenutzt werden kann, Jerman gibt jedoch kein effizientes Ventil an.
Ein weiteres Mikrobetätigungsventil ist in der WO-A-9100464 beschrieben. Das Mikrobetätigungsventil gemäß dieser Druckschrift entspricht dem Oberbegriff von Anspruch 1, und es umfaßt eine Halbleitergrundplatte mit einem Strömungsdurchlaß und eine Aufhängungsvorrichtung mit einem beweglichen Element, um den Strömungsdurchlaß zu versperren, und mit mehreren Armen, welche mit Zwischenraum über der Halbleitergrundplatte angeordnet sind. Die Aufhängungsvorrichtung weist ferner eine obere Schicht über einer unteren Schicht auf, wobei die Schichten unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben. Ferner sind Heizmittel vorgesehen, die thermisch mit den Armen gekoppelt sind, um die Arme wahlweise durch eine unterschiedliche Ausdehnung der oberen und der unteren Schicht durchzubiegen, wobei das Durchbiegen eine Verschiebung oder Auslenkung der beweglichen Elemente relativ zu dem Strömungsdurchlaß bewirkt. Das in dieser Druckschrift beschriebene Mikrobetätigungsventil umfaßt ein Miniaturventil zum Verschieben des beweglichen Elementes ohne nennenswerte Drehung relativ zu der Halbleitergrundplatte.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikrominiaturventil vorzusehen, welches über der Gesamtheit eines großen Auslenkungsbereiches Arbeit verrichtet.
Diese Aufgabe wird durch ein Mikrominiaturventil mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung sieht eine verschiebbarbe Ventilstirnfläche, oder "Klappe" vor, welche eine Ventilöffnung öffnet und schließt, wobei die verschiebbare Ventilstirnfläche eine Stirnfläche eines zentralen Körpers ist, der bei einer Ausführungsform von mehreren Armen gehalten wird, welche wie die Beine einer Spinne um den zentralen Körper herum angeordnet sind. Die Arme sind an einem Ende starr befestigt, und sie sind an einem zweiten Ende derart aufgehängt, daß sie eine Durchbiegung aufnehmen können.
Der zentrale Körper und die Arme bilden gemeinsam ein auslenkbares oder durchbiegbares Bauteil, welches als das Betätigungsbauteil bezeichnet wird. Das Mikrominiaturventil weist ein zweites Bauteil auf, welches als das Durchlaßbauteil bezeichnet ist und das aus einem starren Substrat besteht, welches einen Sitz mit einem zentralen Strömungsdurchlaß bildet, der von einem erhabenen Ventilsitz umgeben ist. Das Betätigungsbauteil ist über dem Durchlaßbauteil angeordnet. Die Ventilstirnfläche an der Unterseite des zentralen Körpers fluchtet mit dem zentralen Strömungsdurchlaß an der Oberseite des Durchlaßbauteils. Das Mikrominiaturventil kann normalerweise geöffnet oder normalerweise geschlossen sein, abhängig von der Orientierung der festen und der flexibel gelagerten Enden der Arme.
Die Arme weisen wenigstens zwei Schichten auf. Die erste und die zweite Schicht der Arme bestehen aus Werkstoffen mit erheblich unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Wenn die Arme erhitzt werden, biegen sich die Arme aufgrund von unterschiedlichen Ausdehnungen der ersten und der zweiten Schicht durch, wodurch eine Verschiebung der Ventilstirnfläche relativ zu dem zentralen Strömungsdurchlaß des Durchlaßbauteils bewirkt wird.
Die flexible Lagerung des einen Endes der Arme wird durch eine Torsionsfederaufhängung erreicht. Diese Aufhängung bewirkt eine scharnierartige Lagerung jeweils eines Endes der Arme. Entweder das innere Ende in der Nähe des zentralen Körpers oder das von dem zentralen Körper entfernte Ende kann diese Torsionsfederaufhängung aufweisen. Wenn die Aufhängung an die inneren Enden der Arme gelegt wird, schließt sich das Ventil bei Betätigung; wenn sie an die äußeren Enden gelegt wird, öffnet es sich.
Wenn sie an die äußeren Enden gelegt wird, erfüllt die Aufhängung ferner den Zweck, Verluste von den erwärmten Armen zu dem Substrat des Sitzes mit Umgebungstemperatur zu minimieren, weil sowohl die Querschnittsfläche vermindert als auch die Weglänge, durch welche eine Wärmeströmung auftreten kann, erhöht wird.
Wenn das Ventil für einen Betrieb bei höheren Drücken, wie mehreren hundert psi optimiert wird, können die Ventilklappe und die Arme dicker sein als der Weg, welchen die Klappe beim Öffnen zurücklegt. Unter diesen Umständen, kann das Klappenbauteil optional einen größeren Teil des Durchmessers des Betätigungsbauteiles einnehmen, und die Länge der Arme wird vermindert, oder sie werden vollständig weggelassen. Diese Abwandlung im Aufbau ist möglich, weil eine derartige große Klappe aufgrund ihrer Dicke sich nicht so weit durchbiegt, daß sie in den unerwünschten Kraftbereich gelangt, der gemäß dem Kübikgesetz arbeitet; d.h., den Bereich, in dem die zum Auslenken einer Membran erforderliche Kraft nicht mehr in linearem Verhältnis zu der Strecke steht, um welche die Membran ausgelenkt wird. Die zum Auslenken oder Durchbiegen einer flachen Platte oder eines Membranelementes erforderliche Kraft umfaßt sowohl einen Term, der linear mit der Auslenkung zunimmt, als auch einen Term, der kubisch mit der Auslenkung zunimmt. Für Auslenkungen, welche kleiner als ungefähr die Dicke des Elementes sind, ist der lineare Term dominant, und das Bauteil wird betrachtet, als ob es wie eine starre Platte reagiert; für Auslenkungen, die sehr viel größer als die Dicke sind, dominiert jedoch der kubische Term, und das Bauteil wird betrachtet, als ob es wie eine dünne flexible Membran reagiert. Im Bereich des Kubikgesetzes baut sich die erforderliche Kraft sehr schnell auf; um eine Auslenkung zu verdoppeln, ist die achtfache Kraft erforderlich.
Ein Schlüsselelement des vorliegenden Aufbaus ist somit, die Nachteile des Standes der Technik in dem Bereich, in dem das Kübikgesetz gilt, zu vermeiden. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß der Radius der Klappe vermindert wird, so daß seine kuppelartige Auslenkung während des Betriebs seine Dicke nicht nennenswert überschreitet, und sie ist vorzugsweise wesentlich geringer als seine Dicke. Die Arme gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen Biegestreifen (Biegebalken), für welche die dem Kubikgesetz folgenden Effekte nicht gelten, die bei Membranen auftreten.
Ein weiteres Element dieser Erfindung ist die starre Lagerung der nicht angelenkten Enden der Arme. Dies kann durch einen Umfangsring mit einer bi-morphen Struktur erreicht werden. Dieser Ring ist normalerweise in radialer Richtung nominal genau so breit wie ein Arm. Diese Funktion wird für die normalerweise geschlossene Ausführungsform durch den Klappenabschnitt des ersten auslenkbaren Bauteils erreicht.
Die bei der Auswahl der Werkstoffe zum Herstellen des Betätigungsbauteils zu beachtenden Faktoren umfassen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Schmelzpunkte, Festigkeiten und die einfache Verwendbarkeit bei Herstellungsprozessen für integrierte Schaltungen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der zweiten Schicht ist vorzugsweise mindestens 5 pro ºC (PPM/C) größer als der der ersten Schicht. Die erste Schicht, welche am nächsten bei dem Sitzsubstrat-Bauteil ist, besteht üblicherweise aus Silizium. Die zweite Schicht besteht aus einem Werkstoff, der so gewählt wird, daß er im allgemeinen eine hohe Festigkeit, einen hohen Temperaturausdehnungskoeffizienten und einen angemessen hohen Schmelzpunkt hat. Die Festigkeit und der Schmelzpunkt sind Faktoren, weil die plastische Verformung der Arme den Temperaturbereich einschränken, in dem das Ventil arbeiten kann. Nickel schneidet bei diesen Parametern gut ab, und es eignet sich für die Herstellung sowohl mittels Plattieren als auch mittels Ablagerung (Deposition).
Bei der normalerweise geschlossenen Ausführungsform sind die von dem zentralen Körper entfernten Enden der Arme über die Torsionsfederaufhängung befestigt, und die nahen Enden sind starr mit dem zentralen Körper verbunden. Die Spinnenbeine (die Arme) sind üblicherweise sich radial erstreckende Bauteile, dies ist jedoch nicht entscheidend. Die Aufhängung wird üblicherweise über zwei Ringe aus Umfangsschlitzen realsiert. Metallschichtwiderstände auf den Armen oder dem zentralen Körper wirken als Heizelemente zum Zuführen thermischer Energie um die Spinnenbeine durchzubiegen. Ein elektrischer Strom in den Widerständen heizt das Betätigungsbauteil auf. Das Betätigungsbauteil besteht üblicherweise aus zwei Hauptschichten und wird als eine "bimorphe" Struktur bezeichnet.
Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen die Linearität, durch die der Wirkungsgrad erhöht wird und die, wie oben beschrieben, dadurch erreicht wird, daß der Bereich der kuppelartigen Auslenkung, in dem das Kubikgesetz gilt, vermieden wird. Ein weiterer Vorteil ist das Einfügen der Aufhängung, durch die die thermische Trennung verbessert und eine scharnier- oder gelenkartige Befestigung eines Endes der Membranstruktur erreicht wird. Ein dritter Vorteil ist das Vorsehen von Öffnungen zwischen den Armen nahe bei dem Durchlaßbereich, um das Vorkommen von ungeförderten Strömungsvolumen zu minimieren.
Durch die Realisierung einer verbesserten Aufhängung mit verbesserter Linearität arbeitet das Mikrominiaturventil zuverlässiger und mit einer höheren Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Strömung und Drücke als beim Stand der Technik.
In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Mikrominiaturventils gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine seitliche Schnittdarstellung des Ventils von Fig. 1 längs der Linien 2-2, in einer geschlossenen Stellung,
Fig. 3 eine seitliche Schnittdarstellung des Ventils von Fig. 2, in einer geöffneten Stellung,
Fig. 4 eine Draufsicht auf das Segment des Ventils von Fig. 1, das in dem Rechteck 4 enthalten ist,
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Fig. 1 und 2 wird ein Mikrominiaturventil 10 gezeigt, das ein Sitzsubstrat 12 aufweist, welches als eine Grundplatte dient. Ein zentraler Strömungsdurchlaß 14 ist anisotrop durch das Sitzsübstrat 12 geätzt. Das Ätzen schafft die kegelstumpfartige pyramidische Form mit der in der Figur gezeigten unteren Außenfläche (Peripherie) 15. Die Oberseite des Substrats 12 wird ebenfalls geätzt, wobei ein Ventilsitz 16 zurückbleibt, der den Strömungsdurchlaß 14 umgibt. Der Strömungsdurchlaß und der Ventilsitz sind in Fig. 1 durch obere Schichten des Mikrominiaturventils hindurch gestrichelt gezeigt.
Das Sitzsübstrat 12 ist vorzugsweise ein Siliziumchip, der durch Chargenverarbeitungsschritte aus einem Wafer hergestellt worden ist, welche auf dem Gebiet der Mikro-Materialbearbeitung allgemein bekannt sind. Das Mikrominiaturventil 10 bemißt 7mm mal 7mm, dies ist jedoch nicht entscheidend. An seinem Umfang ist das Sitzsubstrat 12 400 Mikrometer dick.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist oben auf dem Sitzsubstrat 12 ein zweites Substrat gelagert, welches einen festen Umfang 17 und ein zentrales flexibles Bauteil 22 aufweist. Die Länge und die Breite des zweiten Substrats stimmt mit den Abmessungen des Sitzsubstrats 12 überein. Wie weiter unten vollständiges erörtert wird, werden der feste Umfang 17, eine untere Schicht 18 des flexiblen Bauteils und ein nach unten hängender Vorsprung 13 aus einem einzigen Siliziumsubstrat gebildet. Die Dicke der Siliziumschicht 18 beträgt bei einer bevorzugten Ausführungsform 30 Mikrometer, da die Dicke jedoch ein Faktor zum Bestimmen der maximalen Öffnungsweite des Mikrominiaturventils 10 ist, variiert die ideale Dicke der Siliziumschicht nach Maßgabe der Anwendung.
Eine Schicht aus Nickel 20 wird auf die Siliziumschicht 18 aufgebracht und mit einem Muster versehen, wobei Verdampfungs-, Photolitographie- und Galvanisierungsverfahren verwendet werden. In der Praxis beträgt die Dicke der Nickelschicht ungefähr 30 Mikrometer, und sie ist ungefähr gleich der Dicke der Siliziumschicht. Fig. 3 zeigt die zusammengesetzte Silizium/Nickel-Struktur in einer geöffneten Stellung.
Die Fig. 1 und 4 zeigen die Struktur des flexiblen Bauteils 22 für die Mikrominiatureinrichtung am besten. Das Nickel bedeckt nur einen Teil des flexiblen Bauteils. Sowohl die Siliziumals auch die Nickelschicht haben ungefähr dreieckige Durchbrüche 24, welche eine Anordnung aus Spinnenbeinen (Armen) 26 und 27 in dem flexiblen Bauteil 22 abgrenzen. Im Betrieb ströhmt beim öffnen des Ventils Gas durch die Durchbrüche 24 und durch den oben beschriebenen Strömungsdurchlaß 14.
Jeder Arm 26 und 27 ist starr an einem radial inneren Ende eines zentralen Körpers 28 befestigt. Jeder Arm 26 weist ein serpentinenartiges Muster aus Nickel auf, welches als ein Heizelement 32 dient. Das Leiten eines Stromes durch die Heizelemente erzeugt eine örtlich begrenzte Erwärmung, welche dann durch die Silizium- und Nickelschichten 18 und 20 geleitet wird, welche die Arme 26 bilden. Die erhitzten Arme 26 sind durch Arme 27 getrennt, welche keine Heizelemente 32 aufweisen. Jedes der acht Heizelemente hat eine Impedanz von ungefähr 5 Ohm. Entweder ein Analogsignal oder ein effizienteres digitales pulsbreitenmoduliertes Signal kann zum Ansteuern des Ventils verwendet werden.
Die Heizelemente 32 haben eine Dicke von 1 Mikrometer, um die Impedanz von 5 Ohm zu erzielen. Elektrische Wege zu und von jedem Heizelement sind als serpentinenförmige Metallablagerungen 34 und 36 auf der Siliziumschicht 18 ausgebildet, die so angeordnet sind, daß die Heizelemente in Reihe angeschlossen sind. Der Ablagerungsweg 34 kann zum Beispiel auf Massepotential liegen, während der Ablagerungsweg 36 die Reihenverbindung zu dem nächsten Element fortsetzt. Der Strom durch die Metallablagerungswege kann bewirken, daß die Temperatur der Arme auf ungefähr 100ºC über Umgebungstemperatur steigt, und das Ventil wäre in diesem Fall vollständig geöffnet.
Jedem Arm 26 und 27 sind mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze 38 und 40 zugeordnet, welche sowohl durch die Siliziumschicht 18 als auch die Nickelschicht 20 hindurch ausgebildet sind. Die Schlitze dienen drei Zwecken. Zunächst schaffen die Schlitze eine hohe Ordnung an thermischer Trennung der Arme von der Siliziumschicht, die radial hinter den Armen liegt. Dadurch wird weniger Leistung benötigt, um die erwünschte Auslenkung der Arme zu erreichen. Zweitens sehen die Umfangsschlitze 38 und 40 eine Drehflexibilität an den Grenzen der Arme vor. Diese Flexibilität nimmt die Bewegung auf, welche an diesen Grenzen auftritt, wenn sich die Arme während der Heizzyklen ausdehnen und durchbiegen und bei Entspannung zusammenziehen. Drittens sehen die Schlitze zusätzlich zu der Drehflexibilität eine seitliche Flexibilität vor, so daß die Neigung der Arme 26, bei ihrer Durchbiegung nach innen zu ziehen, aufgefangen werden kann.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt die Oberseite des Ventils ein Paar leitende Anschlußflecken 42 und 44. Eine nicht gezeigte Ansteuerschaltung ist elektrisch mit den Anschlußflecken verbunden, um über Spuren 46, 48 und 49 einen Strom zu den Heizelementen 32 zu führen. Ferner sind ein zusätzlicher Anschlußfleck 45 und eine Spur 47 gezeigt. Während der Herstellung werden der Anschlußfleck 45 und die die Spur 47 an ein Metallgitter angeschlossen, um während der Galvanisierung der Nickelschicht einen Kontakt des Substrats mit dem Metallgitter aufrechtzuerhalten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform läuft die Herstellung wie im folgenden beschrieben ab. Bei einem ersten Siliziumwafer, welcher als der Durchlaßwafer bezeichnet wird, werden allgemein bekannte Silizium-Mikrobearbeitungs-Verfahren in Chargenherstellung eingesetzt, um die erhabenen Ventilsitze 16 herzustellen, welche die zentralen Strömungsdurchlässe 16 umgeben. Nach diesen Herstellungsschritten wird der Durchlaßwafer durch Zersägen des Wafers in einzelne Durchlaßchips aufgeteilt, und jeder Durchlaßchip wird gereinigt.
Ein zweiter Siliziumwafer, welcher als der Betätigungswafer bezeichnet wird, wird wie folgt behandelt. Zuerst läßt man eine Schicht aus Siliziumdioxid wachsen, dann wird eine Schicht aus Siliziumnitrid auf beiden Hauptoberflächen des zweiten Wafers abgelagert. Diese Schichten werden photolitographisch auf der Oberseite des Wafers mit einem Muster versehen, um Löcher in den Gebieten auszubilden, welche später in den Bereichen 24 zwischen den Spinnenbeinen 26 und 27 vollständig durch das Silizium geätzt werden. Die Schichten aus dem Siliziumdioxid und dem Siliziumnitrid werden auf der Unterseite des Wafers mit einem Muster versehen, um Bereiche auf der Unterseite des Wafers abzugrenzen, welche später den Vorsprung 13 an der Unterseite des zentralen Körpers 28 jedes flexiblen Bauteiles 22 und die Dicke der Arme 26 und 27, welche den zentralen Körper umgeben, bilden. Als nächstes wird eine Schicht 20 aus Nickel durch Verdampfen oder Sputtern auf die Oberseite aufgebracht, und dieses Nickel wird mit einem Muster versehen, bei dem sowohl Dünnfilm-Widerstandsbereiche 32 als auch andere Bereiche übriggelassen werden, die später mit dickem Nickel galvanisiert werden. Dann wird eine Schicht aus einem Photoresist aufgebracht und photolitographisch mit einem Muster versehen und geätzt, um Löcher durch den Photoresist in den Bereichen abzugrenzen, welche später in den Bereichen zwischen den Spinnenbeinen vollständig durch das Silizium geätzt werden, und um in dem Photoresist in den Bereichen Löcher bis auf die Nickelschicht abzugrenzen, welche aufplattiert werden. Dananch wird eine Galvanisierung durchgeführt, um die dicken Nickelbereiche zu bilden. Wie oben bemerkt, wird bei der Galvanisierung ein durchgängiges Metallgitter verwendet. Der Anschlußfleck 45 wird der Struktur hinzugefügt, um einen Kontakt zu dem Metallgitter aufrechtzuerhalten. Das Gitter wird später beim Zersägen des Wafers in einzelne Chips zerbrochen. Der Photoresist wird ferner dazu verwendet, eine Maske für die Plasmaätzung zu bilden, die zum Ätzen von Mulden in das Silizium bis zu einer Tiefe eingesetzt wird, die geringfügig größer als die endgültige Dicke der Spinnenbeine ist.
Die Oberseite des Betätigungswafers wird dann geschützt, indem sie mit Wachs an eine Glasplatte geklebt wird, und die Rückseite des Wafers wird in wässrigen Kaliumhydroxid geätzt, wobei der Vorsprung 13 an der Unterseite des Betätigungswafers ausgebildet wird und ferner die Spinnenbeine 26 und 27 ausgebildet werden, wenn die Ätzung von der Unterseite her die Mulden erreicht, welche zuvor von der Oberseite her geätzt wurden. Der Betätigungswafer wird dann von der Glasplatte entfernt und durch Zersägen in einzelne Betätigungschips getrennt, und die Betätigungschips werden gereinigt.
Schließlich wird ein einzelner Betätigungschip an einen einzelnen Durchlaßchip gebondet, indem die Oberflächen der beiden Chips zusammengelegt und ein Tropfen aus einem Klebstoff, wie einem Epoxidklebstoff, an den freiliegenden Kanten der beiden Chips gebildet wird. Nach dem Aushärten des Klebstoffs kann die sich ergebende fertige Ventilstruktur in ein Gehäuse eingebracht werden.
Anstelle von Nickel können auch andere Werkstoffe verwendet werden. Die obere Schicht 20 der Arme 26 sollte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der sich von dem der Siliziumschicht erheblich unterscheidet. Ferner sollte die obere Schicht einen hohen Schmelzpunkt haben, so daß während des normalen Betriebs keine plastische Verformung auftritt. Nickel ist das bevorzugte Metall, Kupfer ist ein guter Ersatz. Aluminium, das im Stand der Technik verwendet wurde, stellt für diese Struktur aus zwei Gründen keine gute Wahl dar. Zunächst kann Aluminium nicht aus flüssigen Lösungen galvanisiert werden, und es kann somit nicht in dicken, mit Mustern versehenen Schichten auf bimorphen Strukturen hergestellt werden, wie dies bei Werkstoffen wie Nickel oder Kupfer möglich ist. Die Ablagerung von dicken Aluminiumschichten durch bekannte Verfahren, wie die thermische Verdampfung oder das Sputtern, wäre verschwenderisch und teuer, und das Ausbilden von Mustern in solchen Schichten durch photolitographische Verfahren wäre schwierig und würde aktive Bereiche in der sichergebenden Struktur verschwenden. Zusätzlich hat Aluminium im Vergleich zu Nickel und Kupfer eine geringe Umformfestigkeit und ist somit sowohl für große Betätigungskräfte als auch für zeitlich stabile Geräteeigenschaften ungeeignet. Auch die Verwendung von Silizium für die untere Schicht 18 der Beine ist nicht entscheidend. Silizim erlaubt jedoch den Einsatz von allgemein bekannten Herstellungsverfahren. Als eine Alternative zu den Dünnschichtwiderständen 32 können diffundierte Widerstände oder aktive diffundierte Einrichtungen, wie Transistoren, verwendet werden.
Fig. 2 zeigt das Mikrominiaturventil 10 im Betrieb, in einer geschlossenen Stellung, bei der der Vorsprung 13 gegen den Ventilsitz 16 anliegt, um eine Strömung in dem Fluidströmungsdurchlaß 14 zu verhindern. Bei dieser Ausführungsform ist der gesamte Betriebsbereich der Siliziumschicht 18 mit Nickel 20 beschichtet. Das heißt, das galvanisierte Nickel erstreckt sich über den mittleren Bereich der Siliziumschicht und ist nicht nur auf die sich radial erstreckenden Arme 26 beschränkt. Wenn thermische Energie aus den Heizelementen 32 hinaus und in die Arme geleitet wird, bewirkt der Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Siliziumschicht und der Nickelschicht, daß sich die Arme nach unten durchbiegen und somit den Vorsprung 13 von dem Ventilsitz 16 wegheben und das Ventil öffnen.
In den Fig. 1 bis 4 ist eine starre Aufhängung an den radial inneren Enden der Spinnenbeine 26 und eine flexible Aufhängung durch Umfangsschlitze 38 und 40 an den radial äußeren Enden vorgesehen. Die thermische Ausdehnung erzeugt eine Kraft an den Aufhängungen. Die Umfangsschlitze erlauben eine Durchbiegung der Spinnenbeine, wodurch eine Verschiebung der Ventilstirnfläche 28 relativ zu dem Strömungsdurchlaß 14 bewirkt wird. Mit der flexiblen Aufhängung an den radial äußeren Enden bewegt sich der Vorsprung 13 von der normalerweise geschlossenen Stellung von Fig. 2 in die offene Stellung von Fig. 3.
Im Vergleich hierzu erlauben bei der Ausführungsform von Fig. 5 die Umfangsschlitze 54 an den inneren Enden der Arme 52 eines Mikrominiaturventils 50 eine Durchbiegung der Arme 52 nach unten. Somit wird die Ventilstirnfläche 30 der zweiten Ausführungsform nach unten verschoben, um bei Erhitzen der Arme 52 einen nicht gezeigten Strömungsdurchlaß zu verschließen. Das Mikrominiaturventil 50 ist somit ein normalerweise geöffnetes Ventil.
Wenn wir wieder zu der Ausführungsform der Fig. 1 bis 4 zurückkehren, sieht man, daß die Umfangsschlitze 38 und 40 bei dieser Ausführungsform ein Torsionsfeder-Gelenk bilden, das eine radiale Nachgiebigkeit, Drehung und thermische Isolation vorsieht. Im Betrieb bewirkt das Erhitzen der Arme 26 und 27, daß sich das bewegliche Bauteil 22 nach oben bewegt und den Strömungsdurchlaß 14 öffnet. Der Mechanismus, der dies bewirkt, beruht darauf, daß sich die Arme beim Erhitzen biegen. Da sie an ihren inneren Enden starr befestigt sind krummen sich ihre äußeren Extremitäten nach unten und üben eine Kraft gegen die Aufhängung aus, um den Vorsprung 13 anzuheben.
Durch die Durchbiegung ergibt sich als sekundärer Effekt, daß die Beine nach innen gezogen werden. Eine Beschränkung dieses Effekts würde die Hebewirkung verhindern. Das Entfernen von Material zum Ausbilden der Schlitze 38 und 40 innerhalb der Silizium- und Nickel schichten 18 und 20 erlaubt eine radiale Bewegung der Arme 26 und 27.
Durch Anlegen eines geeigneten Steuersignals an das Ventil kann dieses um eine steuerbare Strecke zwischen 0 und 30 Mikrometern geöffnet werden.
Eine beabsichtigte Anwendung des Mikrominiaturventils 10 ist die Gaschromatographie. Das Ventil steuert einen Gasstrom von einem Tank in ein Einspritzreservoir eines Gaschromatographen. Ein Durchflußsensor mißt die Strömung und sieht ein Rückführsignal vor, um das Ventil elektrisch zu regeln, um die Gasströmung auf die gewünschte Menge einzustellen. Das Ventil kann 200 psi bei einer Strömung von bis zu 400 sccm regeln. Eine Betätigungszeit von einigen hundert Millisekunden ist üblich.
Bei einer Leitungs-Kühlung der Arme 26 und 27, wenn die Wärme über die Aufhängung und in das Sitzsubstrat 12 ausströmt, schließt sich das Mikrominiaturventil 10. Die Geschwindigkeit des Ventils hängt großen Teils von der thermischen Masse des flexiblen Bauteils 22 und dem thermischen Widerstand der Aufhängung ab.
Die zweite Ausführungsform von Fig. 5 ist ein normalerweise geöffnetes Mikrominiaturventil 50, das auf dieselbe Weise arbeitet wie die erste Ausführungsform. Das Mikrominiaturventil weist sechsunddreißig Arme 52 auf. Eine Nickelschicht überdeckt eine runde Siliziumschicht. Wenn die Arme 52 erhitzt werden, biegen sich die Arme durch, um einen nicht gezeigten Ventilsitz zu schließen, der direkt unter der Ventilstirnfläche 30 liegt. Die Ventilstirnfläche wird nach unten bewegt, weil die von dem Umfangsschlitzen 54 vorgesehene flexible Aufhängung an den inneren Enden der Arme 52 vorgesehen ist. Wiederum gewährleisten die Schlitze 54 eine flexible und radiale Nachgiebigkeit, wenn die Arme 52 erhitzt werden.
Bei sowohl der ersten als auch der zweiten Ausführungsform können höhere Betriebsdrücke erhalten werden, indem die Dicke des ersten flexiblen Bauteils 22 erhöht wird. Die Anzahl der Arme an dem Mikrominiaturventil ist nicht entscheidend. Die Form der Arme ist wichtig, jedoch nicht entscheidend. Eine Armspirale ist eine mögliche Alternative zu den sich radial erstreckenden Armen. Bei einigen Anwendungen kann es wunschenswert sein, den nach unten hängenden Vorsprung 13 wegzulassen.

Claims

1. Mikrominiaturventil (10,50) zum Steuern der Strömung eines Fluids umfassend

eine Grundplatte mit einem durch diese hindurch gebildeten Strömungsdurchlaß (14),

ein flexibles Bauteil (22) mit einem zentralen Körper (28), der mit der Grundplatte (12) verbunden und auf den Strömungsdurchlaß (14) ausgerichtet ist, um den Strömungsdurchlaß wahlweise zu blockieren,

wobei der zentrale Körper (28) mehrere Arme (26,27,52) im Abstand oberhalb der Grundplatte (12) und eine Deckschicht (20) auf einer Grundschicht (18) aufweist, wobei diese beiden Schichten (18,20) unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben,

einen Heizer (32), der thermisch mit mindestens einem der Arme (26) gekuppelt ist und wahlweise die Arme (26,27,52) aufgrund unterschiedlicher Ausdehung der Deckschicht und der Grundschicht (18,20) durchbiegt, wobei diese Durchbiegung den zentralen Körper (28) relativ zum Strömungsdurchlaß (14) verlagert, und Aufhängungen (34,36), die mit ersten Enden der Arme (26,27,52) verbunden sind und eine flexible Abstützung der Arme bereitstellen, wobei die Arme starr befestigte zweite Enden entgegengesetzt zu den ersten Enden aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängungen Schlitze (38,40,54) aufweisen, die zum Ermöglichen von Bewegung und thermischer Ausdehnung der Arme ausgerichtet sind.

2. Ventil (10,50) nach Anspruch 1, bei dem die Grundplatte ferner einen Ventilsitz (16) umfaßt, durch den hindurch der Strömungsdurchlaß (14) ausgebildet ist, und das flexible Bauteil (22) eine an der Grundschicht (18) angebrachte Ventilstirnfläche (13,20) aufweist, deren Breite größer als die halbe Breite der Arme (26,27,52) ist, wobei das starr befestigte zweite Ende der Arme an der Ventilstirnfläche befestigt ist.

3. Ventil (10,50) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Wärmeausdehnungskoeffizient der Deckschicht (20) den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Grundschicht (18) um mindestens 5 PPM/ºC übersteigt.

4. Ventil (10,50) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Grundschicht (18) und die Aufhängungen (34,36) sämtlich aus einem einzigen Halbleitersubstrat geformt sind.

5. Ventil (10,50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Deckschicht (20) Nickel ist.

6. Ventil (10,50) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die starr befestigten zweiten Enden der Arme (26,27,52) die radial auswärtigen Enden des zentralen Körpers (28) sind.

7. Ventil (10,50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Heizer (32) elektrisch leitende Metallfilm- Widerstände aufweist, die betriebsmäßig mit den Armen (26,27,52) verbunden sind.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem jede Aufhängung (34,36) mehrere generell parallele Schlitze aufweist.