JP2008528960A - 微小機械装置内の表面形状を光学的に測定することによって微小機械装置内の容積を測定する方法、及びこの測定を実行するアセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明は、微小機械装置内の表面形状を光学的に測定することによって流体流動微小機械装置１００内の容積を測定する方法に関する。この方法は、ａ）表面形状を測定するための光学機器１０；５０；３０；７０を用意し配置するステップと、ｂ）形状を測定するための光学機器からの画像を取得し且つ処理するための取得処理手段２４；４４；６４；８４を用意するステップと、ｃ）可動部材１３３を第１の位置に配置してから第２の位置に配置し、さらに、表面形状を測定するための光学機器を動作させて光線を基準面上に向けると共に、取得処理手段を動作させて、可動部材１３３の第１の位置での第１の画像及び第２の位置での第２の画像を取得するステップと、ｄ）基準面の第２の画像と第１の画像とを比較して、可動部材の変形によって生じる空洞１３８の容積変化を決定するステップとを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、微小機械装置内の表面形状を光学的に測定することによって微小機械装置内の容積を測定する方法に関する。

この微小機械装置は、透明な遮蔽板（closure plate）によって被覆された積層体（stack）を備えている。この積層体は、支持プレートと、この支持プレートを被覆し且つ遮蔽板に被覆されたシリコンウェハとを備えている。そして、少なくとも１つの空洞が遮蔽板とシリコンウェハとの間に形成されている。シリコンウェハに形成された可動部材は、空洞の容積変化を画定する第１の位置と第２の位置との間において支持プレートに向かって及び支持プレートから離れるように移動するのに適したものである。

透明という文言は、遮蔽板が少なくとも紫外線から赤外線までを含むスペクトル範囲に属する放射を通過させることを意味している。

シリコンウェハに形成された可動部材は、例えば圧電又はその他のアクチュエータからの機械的駆動によって、又は、異なるタイプの駆動装置の組み合わせによって、空洞内における流体の圧力下において（特に通常バルブを構成する液体流入又は液体流出に係る制御部材による可動部材への液体圧力下において）、支持プレートに向かって及び支持プレートから離れるように移動する。

本発明は、特に流体流動タイプの装置、及び、例えば制御された量の液剤（liquid medication）を規則的に配送する医療用途のマイクロポンプとして駆動されるマイクロポンプの液体ポンピング部材を形成する可動部材といった、微小機械装置内の薄膜のような可動部材を変形させることによって発生する容積変化を測定するのに用いられるアセンブリを提供することにも関する。

特に流体流動装置といった微小機械装置内に形成された空洞の容積を、この装置の構造を変えることなく且つ装置と非接触で特定（characterize）できることが必要とされている。

具体的には、かかる空洞の容積変化の測定は、製造後の各流体流動装置に特有のポンピング能力、すなわち容積、特に（可動部材がマイクロポンプのポンプ薄膜であるときに可動部材の各往復移動のポンプストロークでポンピングされる）液体容積、を特定するために必要とされている。

この測定は、製造中において機械加工の許容誤差が満足されていることを確認するためだけのものである。その他、この測定は、マイクロポンプのポンプ容量を補正するために用いられてよい。測定値は、各流体流動装置に属するＩＤシート（identity sheet）［例えば、抵抗器の抵抗値を調整することによるアナログコードの形式、又は、ＥＥＰＲＯＭメモリ、バーコード、配線接続された（hard-wired）又はレーザで符号化された（laser-encoded）可溶（fusible）回路を用いたデジタル的なもの］に与えられてよい。

したがって、マイクロポンプが電子制御システムによって制御されるとき、単位時間当たりに実行されるポンプストロークの数をシステムが算出できるように、測定値を読み出すことが可能であって、これによって、所望の流量を達成し且つ液体を極めて高い精度の量だけ配送することができる。

通常、文献ＷＯ ０１／９０５７７に例示された種類のマイクロポンプについては、各ポンプストロークすなわちポンプ薄膜の往復移動でポンプされた液体量（ポンプ容量）を決定することによって、測定値が得られる。

各ポンプストロークの往動は、ポンプ薄膜の第１の位置（遮蔽板から離隔した低位置と称される）から第２の位置（遮蔽板に近接した高位置と称される）に向かう移動に相当し、各ポンプストロークの復動は、ポンプ薄膜の第２の位置（高位置）から第１の位置（低位置）に向かう移動に相当する。

マイクロポンプの構造によっては、休止状態のポンプ薄膜の位置に関して幾つかの状態が起こり得る。

これら様々な状態の中のいくつかを、非制限的なものとして以下に説明する。
・ポンプ薄膜が初期（休止）位置から圧電アクチュエータ（又はその他のタイプの制御、特に静電制御）によって変形させられ、休止位置に戻る状態。この状態では、休止位置は、「低い」第１の位置及び「高い」第２の位置から選択された２つの極位置の一つに相当し、第１の位置及び第２の位置のうちの他方の位置は変形位置である。これら２つの可能性のうち、文献ＷＯ ０１／９０５７７は、ポンプ薄膜の休止位置が「低い」第１の位置に相当するマイクロポンプについて記述している。
・中間位置を構成する初期の休止位置にあるポンプ薄膜が、アクチュエータからの第１のタイプの駆動に応じて第１の変形をして「低い」第１の位置となり、アクチュエータからの第２のタイプの駆動に応じて第２の変形をして「高い」第２の位置となり、そしてアクチュエータに再び駆動されたポンプ薄膜が低位置に戻る状態。このアクチュエータによる駆動は、プッシュプル（push-pull）タイプであって、最初は液体を吸い込むためにポンプ薄膜を下方へと引っ張り、次に液体を吐出するためにポンプ薄膜を押し込む。ポンプ薄膜は、高位置及び低位置のいずれになるときにも変形する。ポンプ薄膜が駆動されていないとき、ポンプ薄膜は中間位置つまり休止位置に戻る。

ポンプ容積を測定する手順には非常に長い時間がかかる（数分）。これは、マイクロポンプの全流体流動回路を液体で満たし、さらに、一又は複数のポンプストロークにわたってマイクロポンプに入る又は出て行く液体体積を測定し、最後に流体流動回路を乾燥させる必要があるためである。さらに、異常がないこと及びポンプ薄膜が変形位置でジャムを起こしていないかを確認するために、かかる測定を行った後にポンプ薄膜を目視検査する必要がある。

このような測定を行うには、産業型生産（industrial type production）において必要となる大量の特定（mass characterization）に、非常に長い時間のかかる数多くの手作業と処理操作が必要となることが理解できるであろう。

液体の流れのために、塵埃又は粒子のような固形残留物による汚染が生じるおそれがある。したがって、バクテリアがないことを確実にするために、汚染除去（decontamination）を行う必要がある。アセンブリが乾燥した後にガンマ線を用いて浄化が行われるが、前乾燥を行わないのであれば、浄化は非常に困難となる。

本発明の目的は、流体流動を用いる方法において流体流動装置の容積変化を特定する、従来技術の欠点を克服することである。

課題を解決するための手段及び効果

この目的のために、本発明は、流体流動装置の内部コンタクトと接触せずに容積を測定する方法を提供する。

この目的は、表面形状を光学的に測定することによって容積変化を測定する方法によって達成され、本発明では以下のステップが実行される。
ａ）可動部材の遮蔽板に面した面が測定の基準面となるように、表面形状を測定するための光学機器を用意し配置するステップ；
ｂ）形状を測定するための光学機器からの画像を取得し且つ処理するための画像取得処理手段を用意するステップ；
ｃ）可動部材を第１の位置に配置してから、表面形状を測定するための光学機器を動作させて光線を前記基準面上に向けると共に、画像取得処理手段を動作させて、可動部材の第１の位置での第１の画像を取得するステップ；
ｄ）可動部材を第２の位置に配置してから、表面形状を測定するための光学機器を動作させて光線を前記基準面上に向けると共に、画像取得処理手段を動作させて、可動部材の第２の位置での第２の画像を取得するステップ；
ｅ）基準面の第２の画像と第１の画像とを比較して、可動部材の変形によって生じる空洞の容積変化を決定するステップ；

ステップｄ）において、可動部材は、例えばアクチュエータで機械的に発生した変形によって、好ましくは流体なしで且つ液体に空洞を通過させることなしで、第２の位置に配置される。

本発明によって、接触なしで且つ流体（特に液体）に空洞を通過させることなしに、空洞の容積変化の測定を非常に簡易にできることが理解されるであろう。

測定は、空洞に面する可動部材の面の複数画像を比較することによって実行される。複数画像は、形状（profile）測定光学技術を用いて、第１の位置（特に休止位置）と第２の位置（特に偏向後の位置）とで得られたものである。

表面形状を測定することによって光学的に容積を測定する方法の第１の実施の形態では、表面形状を測定するための前記光学機器が、２つの多色波面のコヒーレンス最大値を検出することによって白色光で動作する、又は、位相シフト干渉分光法（ＰＳＩ）を用いることによって、若しくは、前記第１及び第２の画像が干渉画像となるようにデジタルホログラフィ顕微鏡として作動させることによって、単色光で動作する干渉計である。

好ましくは、表面形状を測定することによって光学的に容積を測定する方法の第１の実施の形態では、表面形状を測定するための前記光学機器が、基準ミラーを含んでおり、前記ステップａ）において、前記透明な遮蔽板と光学的に等価な補正板を前記基準ミラー上に配置する。

表面形状を測定することによって光学的に容積を測定する方法の第２の実施の形態では、表面形状を測定するための前記光学機器が、共焦点顕微鏡の原理で動作する機器である。

表面形状を測定することによって光学的に容積を測定する、本発明による方法の好ましい実施の形態では、前記微小機械装置がマイクロポンプであり、前記空洞がポンプ室であり、前記可動部材が薄膜であり、前記薄膜の前記遮蔽板から離れる移動が終了したとき（例えば薄膜が機械的に当接しているとき）に到達する低位置と称される前記薄膜の第１の位置と、前記薄膜の前記遮蔽板に向かう移動が終了したとき（例えば薄膜が機械的に当接しているとき）に到達する高位置に対応する前記薄膜の第２の位置との間における前記ポンプ室の容積変化が測定される。

「薄膜が機械的に当接している」とは、機械的当接が存在しているすべての状況を包含しているものと理解されるべきであり、薄膜それ自体が接触したか、薄膜に固定された他の部材によって接触がなされたかに関係なく、薄膜の移動が接触によって停止することである。

また、本発明は、流体流動微小機械装置内の表面形状を測定することによって容積変化を光学的に測定するためのアセンブリを提供するものである。このアセンブリは、従来技術の欠点を克服する。

この目的のために、本発明の測定アセンブリは、以下を備えている。
・透明な遮蔽板によって被覆された積層体を備えた微小機械装置であって、前記積層体は、支持プレートと、この支持プレートを被覆し且つ前記遮蔽板に被覆されたシリコンウェハとを備えており、前記遮蔽板と前記シリコンウェハとの間には少なくとも１つの空洞が形成されており、前記シリコンウェハには、前記空洞の容積変化を画定する第１の位置（低位置）と第２の位置（高位置）との間において前記支持プレートに向かって及び前記支持プレートから離れるように移動するのに適した可動部材が形成された微小機械装置；
・光ビームが前記微小機械装置に向けられたときに、前記可動部材の前記遮蔽板に面した面が測定の基準面となるように取り付けられた、表面形状を測定するための光学機器；
・前記光学機器からの画像を取得し且つ処理することが可能であると共に、前記可動部材が前記第１の位置にあるときの前記基準面の第１の画像と前記可動部材が前記第２の位置にあるときの前記基準面の第２の画像とを比較することによって、前記可動部材の変形によって生じる前記空洞の容積変化を決定することが可能である画像取得処理手段；

したがって、光学的形状測定を行うこのアセンブリによって、本発明の方法を実行すること、及び、接触なしで且つ流体（特に液体）に空洞を通過させることなしに、空洞の容積変化を非常に簡易に測定することができる。

光学的形状測定を行う本発明のアセンブリの第１の実施の形態では、表面形状を測定するための前記光学機器が、２つの多色波面のコヒーレンス最大値を検出することによって白色光で動作する、又は、位相シフト干渉分光法（ＰＳＩ）を用いることによって、若しくは、前記第１及び第２の画像が干渉画像となるようにデジタルホログラフィ顕微鏡として作動させることによって、単色光で動作する干渉計である。

好ましくは、光学的形状測定を行う本発明のアセンブリの第１の実施の形態では、表面形状を測定するための前記光学機器が、基準ミラーを含んでおり、前記透明な遮蔽板と光学的に等価な補正板が前記基準ミラー上に配置されている。

光学的形状測定を行う本発明のアセンブリの第２の実施の形態では、表面形状を測定するための前記光学機器が、共焦点顕微鏡の原理で動作する機器である。

光学的形状測定を行う本発明のアセンブリの好ましい態様においては、前記微小機械装置がマイクロポンプであり、前記空洞がポンプ室であり、前記可動部材が薄膜であり、前記ポンプ室の容積変化が、前記薄膜の前記第１の位置（例えば休止位置に対応する）と前記薄膜の前記第２の位置（例えば変形位置に対応する）との間で測定される。

本発明のその他の利点及び特徴は、添付図面を参照しつつ、以下の実施の形態によって明らかとなる。

図１は、ガラス遮蔽板１２０及びこれによって被覆された重畳構造体（stack）１３０によって主に構成された流体流動アセンブリを形成するマイクロポンプ１００を示している。

図１において、重畳構造体１３０は、マイクロポンプ１００の全面上に延在して上から順に重ね合わされた３つの要素、すなわち、シリコンウェハ１３２、シリコン酸化物の層１３４、及び、シリコン支持プレート１３６を備えている。

このタイプの重畳構造体は通常ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）と称され、半導体電子産業で用いられる種類のウェハとして市場で入手可能である。

マイクロポンプ１００は、図１の左から右へと、液体入口制御部材、ポンプ部１０２、圧力検出部材、及び、液体出口制御部材を含んでいる。

好ましくは、ガラス遮蔽板１２０及び重畳構造体１３０に加えて、マイクロポンプ１００には、付加ガラス遮蔽板１２０’が設けられている。付加ガラス遮蔽板１２０’は、シリコン支持プレート１３６のガラス遮蔽板１２０から遠い方の表面（図１において底部）に熱板溶接で固定されている。

ガラス遮蔽板１２０とシリコンウェハ１３２との間には、空洞が画定されている。空洞を画定するために、シリコンウェハ１３２は、そのガラス遮蔽板１２０に向かった面が加工されている。

この加工は、シリコンウェハ１３２にポンプ薄膜１３３を画定している。

ガラス遮蔽板１２０は、液体によって満たされるマイクロポンプ１００の空洞を封止するようにこれを閉じるだけでなく、上方へと移動するポンプ薄膜１３３に対する当接部材としても機能することが分かる。

ポンプ薄膜１３３とガラス遮蔽板１２０との間の付着（adhesion）又は吸着カップ効果（suction cup effect）を防止するために、重畳構造体１３０に面したガラス遮蔽板１２０の面１２０ａには、付着防止剤からなる複数の点状素子１２２が分布している。

付加ガラス遮蔽板１２０’は、シリコン支持プレート１３６に形成されてそこから分離したポンプ可動部１３７と接触することによって、下方へと移動するポンプ可動部１３７に対する当接部材としても機能する。マイクロポンプ１００のポンプ可動部１３７は、シリコン酸化物の層１３４の一部１３５を介してポンプ薄膜１３３に固定されている。

これら２つの当接部材（ガラス遮蔽板１２０及び付加ガラス遮蔽板１２０’）の組み合わせによって、ポンプ薄膜１３３の垂直移動の最大振幅を制御することができ、ポンプ薄膜１３３の各往復動作でポンプされる液体の最大体積を正確に決定することが可能となる。

マイクロポンプ１００は、液体入口制御部材と圧力検出部材との間に、ポンピング部１０２を備えている。ポンピング部１０２には、ガラス遮蔽板１２０とシリコンウェハ１３２との間に画定された空洞内に配置されたポンプ室１３８が設けられている。

ポンプ薄膜１３３は、円盤状であって、シリコンウェハ１３２内に位置している。ポンプ薄膜１３３は、第１にポンプ室１３８に面しており、第２にシリコン支持プレート１３６に形成されてマイクロポンプ１００のポンプ可動部１３７をシリコン支持プレート１３６の残部（円形断面の中実シリンダである）から分離する空き環状空間（empty annular volume）に面している。マイクロポンプ１００のポンプ可動部１３７は、シリコン酸化層１３４の元のままの部分１３５によってポンプ薄膜１３３に接続されている。

アクチュエータと一般に称されるマイクロポンプ１００を制御する手段は、マイクロポンプ１００の内外どちらにあってもよく、例えばポンプ薄膜１３３と同じ位置にあってもよい。

これらの制御手段は、圧電、電磁又は空気圧方式によって動作するものであってよい。

マイクロポンプ１００は、特に液状の薬物を連続的に配送する医療用ポンプとして、数多くの用途に用いられる。

寸法が非常に小さいため、このようなポンプは、患者の皮膚下に配置可能な埋め込み可能タイプ、又は、入口制御部材から患者の血液循環系（blood circulation system）へと入口から皮膚を経て接続された外部タイプとなり得る。

図１において、マイクロポンプ１００は低すなわち静止状態であり、ポンプ薄膜１３３がシリコンウェハ１３２の残部に対して僅かに偏向した、ポンプ薄膜１３３の第１の位置を形成している。環状の付着防止層１３９が可動部１３７と付加ガラス遮蔽板１２０’との間に挿入されており、可動部１３７が支持プレート１３６の残部に対して僅かに上昇している。

この第１すなわち低位置は、可動部１３７の底面が付着防止層１３９と接触することで実現され、ポンプ薄膜１３３の第１の位置における機械的当接を形成する。代替として、もし付着防止層１３９が可動部１３７の底面に配置されているのであれば、ポンプ薄膜１３３の第１の位置において、付着防止層１３９の底面が付加ガラス遮蔽板１２０’の上面と機械的に当接することになる。

ポンプ薄膜１３３及び可動部１３７の高すなわち第２の位置が、図１に破線で示されている。

この第２の位置では、ポンプ薄膜１３３が、付着防止素子１２２が形成されたガラス遮蔽板１２０の表面１２０ａに向かって移動するように変形している。この第２のすなわち高位置では、ポンプ薄膜１３３の上面が付着防止素子１２２に接触し、第２の位置のポンプ薄膜１３３と機械的当接を形成する。

ポンプ薄膜１３３はシリコンウェハ１３２の一部であるので、ポンプ薄膜１３３の円形周縁はシリコンウェハ１３２の全体平面内にあり、そのため、この第２の位置では、図１の破線から分かるように、ポンプ薄膜１３３の周縁はやや湾曲した形状となっている。

上述したアクチュエータ（図示せず）によって、ポンプ薄膜１３３は、第１及び第２の位置を形成する極値間において、一連の下降及び上昇の往復運動（矢印１４０）を行う。それによって、ポンプ室１３８の容積が変化し、ポンピング機能の実行が可能となる。

第２の位置において、ポンプ薄膜１３３は張力が加えられた状態で変形している。

本発明において、非接触で且つポンプ室１３８を含む空洞に液体を通過させないで、ポンプ室１３８の容積変化を測定することが望まれる。

このような測定は、第１の位置にあるポンプ薄膜１３３及び第２の位置にあるポンプ薄膜１３３の位置を観測し、２つの位置の差に対応したポンプ室１３８の容積変化を計算することによって実行される。

原理としては、マイクロポンプ１００を動作させる前後において（すなわち低位置及び高位置において）ポンプ薄膜１３３の上面の立体（topographical）形状を光学的に測定することにあり、２つの画像の相違がポンプされた液体の体積を直接的に与える。

第１の実施の形態では、立体形状の光学的測定すなわち検出に干渉法を用いる。

干渉計とは、１つの光線を２つの分離した光線に分けて再度結合する光学装置である。その結果として生じる干渉現象は、物体の立体形状と直接的に相互関連のある明暗フリンジからなるインターフェログラム（interferogram）として記録される。

第１の実施の形態の第１の例では、２つの多色波面（wave fronts）間のコヒーレンス最大値を検出することに基づいて、白色光干渉分光法（interferometry）が用いられる。

図２は、中間倍率が適用されたミラウ（Mirau）型レンズを持つ簡易型干渉計を備えた測定アセンブリ１０を示している。

白色光源１４から形成された白色光１６の平行ビームは、ビームスプリッタ１８を通過する。ビームスプリッタ１８は、平行ビームを、マイクロポンプ１００によって形成されたサンプルを照射する第１のビーム部と、基準ミラー２０に向かう第２のビーム部とに分岐させる。

ビームスプリッタ１８とサンプル（マイクロポンプ１００）との間に形成された光路には、ミラウ１２型干渉測定ヘッドが配置されている。

このミラウ１２型干渉測定ヘッドは、レンズ１３を含んでいる。ミラウ１２型干渉測定ヘッドは、レンズ１３とマイクロポンプ１００との間に、（図２において下方に向かって順に）基準ミラー２０、補正板（compensation plate）２１、及び別のビームスプリッタ２３をさらに含んでいる。

レンズ１３は、平行移動可能な支持体２２によって垂直移動可能となっている。

基準ミラー２０によって及びサンプル（マイクロポンプ１００）によってそれぞれ反射した２つのビームは、再結合してビームスプリッタ１８を通過して電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラ２４に向かう。干渉現象が、一連の明暗フリンジを生成する。インターフェログラムと称されるこの干渉パターンは、ＣＣＤカメラ２４に投射され、記録される。ＣＣＤカメラ２４の上流には、倍率セレクタ２６が配置されている。

各測定点では、２つのビーム部の経路長の差がゼロであるコヒーレント平面においてフリンジ強度が最大である。

干渉測定ヘッド１２のレンズ１３を（支持体２２を用いて）平行移動させる又はサンプル（マイクロポンプ１００）を焦点に対して平行移動させることによって、公知の間隔でインターフェログラムを記録しつつ（垂直走査干渉法（ＶＳＩ））、信号の強度が垂直位置の関数として変調される方式によって、サンプルの表面の起伏（relief）を再構成することが可能である。

特に、この例では、ポンプ薄膜１３３の上面の起伏が再構成される。

この技術は、特に、不連続な表面を検出することを可能とする。

この方法の本質は、２つの画像間の相違によってポンプ室の容積変化すなわちマイクロポンプ１００の名目（nominal）ポンプ容積の算出が可能となるように、低位置及び高位置におけるポンプ薄膜１３３の表現、特に立体表現を得ることにある。

ポンプ薄膜１３３のポンプ室１３８に面した面（図１における上面）は、反射面として機能する。

カバーを形成する遮蔽板１２０は、ポンプ薄膜１３３のストロークを制限するものであって、この技術が用いられるためには、可視領域において透明である必要がある。したがって、ガラス製の遮蔽板１２０を用いることはできても、シリコン製の遮蔽板を用いることはできない。

この遮蔽板によって付加的な光学的界面が形成される。そのため、干渉計の２つのアームのバランスを取るためには、基準ミラー２０に等価板を配置する必要がある。そのために、遮蔽板１２０と同じ厚み同じ屈折率を有するガラス製の補正板２１が用いられる。

干渉計は低位置にあるポンプ薄膜１３３に同時に焦点を合わせて後面の干渉フリンジを観測することができないので、ポンプ室１３８に面したポンプ薄膜１３３の（前）面と、ポンプ室１３８に面した遮蔽板１２０の（後）面との間で、検出の間に観測される面に関しての不明確さはない。これは、白色光のコヒーレント長さが非常に短い（１マイクロメートル未満）ためである。

この原理のために、ポンプ薄膜１３３の周囲にある欠陥を特定することが可能である。したがって、粒子の存在は、ポンプ薄膜１３３の表面にある欠陥によって特に明らかとなる。

次に、第１の実施の形態の第２の例、すなわち、分解能を改善するために、上述した第１の例の方法と位相シフト干渉分光法（interferometry：ＰＳＩ）として公知の方法とを組み合わせたものについて考察する。

この第２の例では、単色光源を用いるために光源を変更すること以外は、図２に関して説明したのと同じ装置を用いることができる。図１の白色光源１４を単色光源に置換する代わりとして、光源をそのままとして且つ好ましくはビームスプリッタ１８の前に配置されるフィルタを追加する変形例がある。

加えて、用いられるレンズの被写界深度（depth of field）が空洞（ポンプ室１３８）の全体深さ（entire depth）を観測するのに不十分であれば、サンプル（マイクロポンプ１００）又は測定ヘッド（レンズ１３）を移動させる必要はない。

図３は、第１の実施の形態の第２の例に用いることが可能な、低倍率に適合したマイケルソン（Michelson）タイプの装置の模式図である。

この測定アセンブリ３０において、レーザ光源３４は、ビームスプリッタ３８に平行ビーム３６を送る。ビームスプリッタ３８は、平行ビーム３６を、サンプル形成マイクロポンプ１００へと入射する第１のビーム部３６ａ１と、硝子補正板４１によって被覆された基準ミラー４０に入射する第２のビーム部３６ｂ１とに分岐させる。

そして、反射ビーム（第１の反射ビーム部３６ａ２及び第２の反射ビーム部３６ｂ２）はビームスプリッタ３８によって再結合され、レンズ３３を通過した後、ＣＣＤカメラ４４の前方に配置された、一連のレンズ及び絞り（diaphragm）から構成された光学アセンブリ４６を通過する。

干渉現象は、ＣＣＤカメラ４４に投射され記録されるインターフェログラムを形成する一連の明暗フリンジを生成する。

上述したサンプル（マイクロポンプ１００）には、横解像度を改善するために、別のレンズ（図示せず）が追加されてもよい。

この例では、用いられる光源の波長の半分に等しい高さ変化ごとに干渉フリンジが現れる。したがって、高さマップを得るためには、位相接続法（phase unwrapping）を行う必要がある。

ポンプ室１３８の容積変化を決定するには、同様に、ポンプ薄膜１３３の高位置及び低位置間で得られた画像を差し引くことである。

ＶＳＩ及びＰＳＩ技術を結びつけることによって、両方の方法の利点を生かすことができる。

図３に示すマイケルソンタイプの干渉計は、レーザ光源を白色光源に置き換えることによって、第１の実施の形態の第１の例にも用いることができる。

高倍率用には、リニック（Linnik）タイプの干渉計を用いることができる。これに対応した装置３０’が図４に示されており、図３のマイケルソンタイプの装置に対する相違について説明する。したがって、同じ要素を示すのに図３で用いたのと同じ符号が図４でも用いられる。

この装置では、光源３４からの白色光のビーム３６がビームスプリッタ３８によって２つのビーム部３６ａ、３６ｂに分けられる。２つのビーム部３６ａ、３６ｂは、それぞれ、２つの分離レンズ（第１のレンズ４８及び第２のレンズ４９）を介して、基準ミラー４０及びサンプル（マイクロポンプ１００）に向けられる。

そして、反射ビームは、ビームスプリッタ３８を通過してから、再結合され、ＣＣＤカメラ４４によって解析される。

補正板４１は、必然的に基準ミラー４０上に配置されている。図４に示すこのリニックタイプの干渉計は、本発明の方法の第１の実施の形態の第１〜第３の例に用いることができる。

第１の実施の形態の第３の例では、デジタルホログラフィ顕微鏡法（holographic microscopy）技術が用いられる。

この第３の例は、図３又は図４の装置を用いることができる。

このような環境下において、基準ミラー４０は、デジタルホログラムのために選択された再構成モード（reconstruction mode）に応じて、傾斜していてもよい。

この第３の例の装置の他の可能なタイプであって、２つのビームスプリッタと２つのミラーを用いるものが図５に示されている。これは、反射型で動作する装置である。

図５の測定アセンブリ５０においては、レーザ光源５４が第１のビームスプリッタ５８に平行ビーム５６を送り、ビームスプリッタ５８が平行ビーム５６を、第１のミラー５９に向かう第１のビーム部５６ａと、レンズを介して第２のミラー６１に向かう第２のビーム部５６ｂとに分岐させる。

第１のミラー５９で反射したビームは、参照ビーム（reference beam）６６として役立つ。

２つのミラー５９、６１からのビームは、レンズ５２の背後に配置された第２のビームスプリッタ６３に向かう。

ミラー６１からのビームは、第２のビームスプリッタ６３を通過して、レンズ５２を介してサンプルを形成するマイクロポンプ１００に向かう。このビームは、ポンプ薄膜で反射しその反射ビーム６８が第１のミラー５９からのビームスプリッタ６３を通過した参照ビーム６６と再結合する。そして、再結合したビームが、インターフェログラムを記録するＣＣＤカメラ６４に到達する。

デジタルホログラフィ又はホログラフィ干渉法（holographic interferometry）技術においては、光の複素振幅分布（complex amplitude distribution）すなわち振幅と位相を記録するという原理が用いられる。

参照ビーム６６と、ビームスプリッタ５８及び６３とミラー５９及び６１とのシステムを経たサンプル（マイクロポンプ１００のポンプ薄膜１３３）で反射した対象ビームとの間の干渉パターンは、ＣＣＤカメラ６４によってデジタル的に記録される。

この強度分布はホログラムと称される。ホログラムはデジタル的に再構成され、その起伏（relief）は、いわゆる位相イメージング（phase imaging）法によって見出される。インターフェログラムを解析するのに用いられる技術は、ＰＳＩに対するものとは異なり、主にこの技術である。もし対象物が反射において一様でない位相シフトを生じないのであれば、位相画像（phase image）は、波動移動時間（wave travel time）すなわち対象物の起伏と関連付けられる。もしこの起伏が大きすぎなければ、表面の３次元（３Ｄ）マップが得られる。

マイクロポンプ１００のポンプ薄膜１３３の低位置及び高位置画像を差し引くことによってポンプ室１３８の容積変化を決定することは、上述したのと同様である。

第２の実施の形態では、ポンプ薄膜の表面の立体形状を光学的に検出又は測定するために、共焦点顕微鏡（confocal microscopy）技術が用いられる。

共焦点顕微鏡技術は、マイクロ流体の流れる空洞を特定するために用いられる。

対応する測定アセンブリ７０が図６に示されている。

レンズ７２がサンプル（マイクロポンプ１００）上に配置されている。

レーザ光源７４はその光ビームをビームスプリッタ７６に送り、ビームスプリッタ７６は、入射した光ビームをマイクロポンプ１００、特にポンプ室１３８に面したポンプ薄膜１３３の面へと向ける。

ポンプ薄膜１３３によって反射したビームは、一連の光検出器又はＣＣＤカメラ８４に到達する。

ＣＣＤカメラ８４の上流には、焦平面（focal plane）８２の画像だけがＣＣＤカメラ８４に到達するように、焦点絞り（confocal diaphragm）フィルタすなわちピンホール７８が配置されている。

透明遮蔽板１２０を介して空洞の完全な画像を記録するために、焦点絞り７８（ピンホール）内の開口のマイクロポンプ１００に平行な（Ｘ，Ｙ）平面内でスキャニングを行うことが必要である。

この焦点絞り７８は、焦平面以外の複数平面（図６において、破線及び一点鎖線で示す）から来るいずれの信号をも除去するという機能を有している。

そして、サンプル（マイクロポンプ１００）又は完全測定ヘッドが、サンプルの他の水平部分を測定するために移動させられる。このようにして得られた一連の光学部分によって、低位置にあるポンプ薄膜１３３の３Ｄ再構成が可能となる。

この手順は高位置のポンプ薄膜についても繰り返され、２つの形状（profile）の相違から空洞の容積変化が得られる。

本発明によって実施されるこれらの技術によって、用いられる光ビームの波長（すなわち一般的にはマイクロメートルのオーダー）に等しい直径を有するポンプ薄膜１３３の欠陥を同時に検出及び見つける（locate）ことが可能となる。

マイクロポンプの概略的な縦断面図である。 本発明の第１の実施の形態の第１及び第２の例による測定方法を実行するのに適した第１の装置を示す図面である。 本発明の第１の実施の形態の第１、第２及び第３の例による測定方法を実行するのに適した第２の装置を示す図面である。 本発明の第１の実施の形態の第１、第２及び第３の例による測定方法を実行するのに適した第３の装置を示す図面である。 本発明の第１の実施の形態の第３の例による測定方法を実行するのに適した第４の装置を示す図面である。 本発明の第２の実施の形態による測定方法を実行するのに適した第５の装置を示す図面である。

Claims (10)

1. 流体が流動する微小機械装置（１００）内の表面形状を光学的に測定することによって前記微小機械装置内の容積を測定する方法であって、前記微小機械装置（１００）は、透明な遮蔽板（１２０）によって被覆された積層体（１３０）を備えており、前記積層体（１３０）は、支持プレート（１３６）と、この支持プレートを被覆し且つ前記遮蔽板に被覆されたシリコンウェハ（１３２）とを備えており、前記遮蔽板（１２０）と前記シリコンウェハ（１３２）との間には少なくとも１つの空洞（１３８）が形成されており、前記シリコンウェハには、前記空洞（１３８）の容積変化を画定する第１の位置と第２の位置との間において前記支持プレート（１３６）に向かって及び前記支持プレート（１３６）から離れるように移動するのに適した可動部材が形成されており、
   ａ）前記可動部材（１３３）の前記遮蔽板（１２０）に面した面が測定の基準面となるように、表面形状を測定するための光学機器（１０；５０；３０；７０）を用意し配置するステップと、
   ｂ）形状を測定するための光学機器（１０；５０；３０；７０）からの画像を取得し且つ処理するための画像取得処理手段（２４；４４；６４；８４）を用意するステップと、
   ｃ）前記可動部材（１３３）を前記第１の位置（低位置）に配置してから、表面形状を測定するための前記光学機器（１０；５０；３０；７０）を動作させて光線を前記基準面上に向けると共に、前記画像取得処理手段（２４；４４；６４；８４）を動作させて、前記可動部材（１３３）の前記第１の位置での第１の画像を取得するステップと、
   ｄ）前記可動部材（１３３）を前記第２の位置（高位置）に配置してから、表面形状を測定するための前記光学機器（１０；５０；３０；７０）を動作させて光線を前記基準面上に向けると共に、前記画像取得処理手段（２４；４４；６４；８４）を動作させて、前記可動部材（１３３）の前記第２の位置での第２の画像を取得するステップと、
   ｅ）前記基準面の前記第２の画像と前記第１の画像とを比較して、前記可動部材（１３３）の変形によって生じる前記空洞（１３８）の容積変化を決定するステップ、
   とを備えていることを特徴とする容積測定方法。
2. 表面形状を測定するための前記光学機器（１０；５０；３０；７０）が、２つの多色波面のコヒーレンス最大値を検出することによって白色光で動作する、又は、位相シフト干渉分光法（ＰＳＩ）を用いることによって、若しくは、前記第１及び第２の画像が干渉画像となるようにデジタルホログラフィ顕微鏡として作動させることによって、単色光で動作する干渉計であることを特徴とする請求項１に記載の容積測定方法。
3. 表面形状を測定するための前記光学機器（１０；５０；３０；７０）が、基準ミラー（２０；４０）を含んでおり、前記ステップａ）において、前記透明な遮蔽板（１２０）と光学的に等価な補正板（２１；４１）を前記基準ミラー（２０；４０）上に配置することを特徴とする請求項２に記載の容積測定方法。
4. 表面形状を測定するための前記光学機器（１０；５０；３０；７０）が、共焦点顕微鏡の原理で動作する機器（７０）であることを特徴とする請求項１に記載の容積測定方法。
5. 前記微小機械装置（１００）がマイクロポンプであり、前記空洞（１３８）がポンプ室（１３８）であり、前記可動部材（１３３）が薄膜であり、前記薄膜（１３３）の前記遮蔽板（１２０）から離れる移動が終了したときに到達する低位置と称される前記薄膜（１３３）の第１の位置と、前記薄膜（１３３）の前記遮蔽板（１２０）に向かう移動が終了したときに到達する高位置に対応する前記薄膜（１３３）の第２の位置との間における前記ポンプ室の容積変化が測定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の容積測定方法。
6. 流体が流動する微小機械装置（１００）内の表面形状を光学的に測定することによって容積を測定するアセンブリ（１０；３０；５０；７０）であって、
   ・透明な遮蔽板（１２０）によって被覆された積層体（１３０）を備えた微小機械装置（１００）であって、前記積層体（１３０）は、支持プレート（１３６）と、この支持プレートを被覆し且つ前記遮蔽板に被覆されたシリコンウェハ（１３２）とを備えており、前記遮蔽板（１２０）と前記シリコンウェハ（１３２）との間には少なくとも１つの空洞（１３８）が形成されており、前記シリコンウェハには、前記空洞（１３８）の容積変化を画定する第１の位置（低位置）と第２の位置（高位置）との間において前記支持プレート（１３６）に向かって及び前記支持プレート（１３６）から離れるように移動するのに適した可動部材（１３３）が形成された微小機械装置と、
   ・光ビームが前記微小機械装置（１００）に向けられたときに、前記可動部材（１３３）の前記遮蔽板（１２０）に面した面が測定の基準面となるように取り付けられた、表面形状を測定するための光学機器（１０；５０；３０；７０）と、
   ・前記光学機器（１０；５０；３０；７０）からの画像を取得し且つ処理することが可能であると共に、前記可動部材（１３３）が前記第１の位置にあるときの前記基準面の第１の画像と前記可動部材（１３３）が前記第２の位置にあるときの前記基準面の第２の画像とを比較することによって、前記可動部材（１３３）の変形によって生じる前記空洞（１３８）の容積変化を決定することが可能である画像取得処理手段（２４；４４；６４；８４）とを備えている容積測定アセンブリ。
7. 表面形状を測定するための前記光学機器（１０；５０；３０；７０）が、２つの多色波面のコヒーレンス最大値を検出することによって白色光で動作する、又は、位相シフト干渉分光法（ＰＳＩ）を用いることによって、若しくは、前記第１及び第２の画像が干渉画像となるようにデジタルホログラフィ顕微鏡として作動させることによって、単色光で動作する干渉計（１０；５０；３０）であることを特徴とする請求項６に記載の容積測定アセンブリ。
8. 表面形状を測定するための前記光学機器（１０；５０；３０；７０）が、基準ミラー（２０；４０）を含んでおり、前記透明な遮蔽板（１２０）と光学的に等価な補正板（２１；４１）が前記基準ミラー（２０；４０）上に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の容積測定アセンブリ。
9. 表面形状を測定するための前記光学機器（１０；５０；３０；７０）が、共焦点顕微鏡の原理で動作する機器（７０）であることを特徴とする請求項６に記載の容積測定アセンブリ。
10. 前記微小機械装置（１００）がマイクロポンプ（１００）であり、前記空洞（１３８）がポンプ室（１３８）であり、前記可動部材（１３３）が薄膜であり、前記ポンプ室の容積変化が、前記薄膜（１３３）の前記第１の位置と前記薄膜（１３３）の前記第２の位置との間で測定されることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の容積測定アセンブリ。

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