JPH08114278A - マイクロアクチュエータ - Google Patents
マイクロアクチュエータInfo
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- JPH08114278A JPH08114278A JP7239230A JP23923095A JPH08114278A JP H08114278 A JPH08114278 A JP H08114278A JP 7239230 A JP7239230 A JP 7239230A JP 23923095 A JP23923095 A JP 23923095A JP H08114278 A JPH08114278 A JP H08114278A
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- Japan
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- flow
- major surface
- microactuator
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
- F16K99/0001—Microvalves
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15C—FLUID-CIRCUIT ELEMENTS PREDOMINANTLY USED FOR COMPUTING OR CONTROL PURPOSES
- F15C5/00—Manufacture of fluid circuit elements; Manufacture of assemblages of such elements integrated circuits
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
- F16K99/0001—Microvalves
- F16K99/0003—Constructional types of microvalves; Details of the cutting-off member
- F16K99/0005—Lift valves
- F16K99/0009—Lift valves the valve element held by multiple arms
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16K99/0042—Electric operating means therefor
- F16K99/0044—Electric operating means therefor using thermo-electric means
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- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
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- F16K2099/0073—Fabrication methods specifically adapted for microvalves
- F16K2099/0074—Fabrication methods specifically adapted for microvalves using photolithography, e.g. etching
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
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- F16K2099/008—Multi-layer fabrications
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- Fluid Mechanics (AREA)
- Micromachines (AREA)
- Temperature-Responsive Valves (AREA)
- Weting (AREA)
- Flow Control (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】断熱構造を備えるマイクロアクチュエータ。
【解決手段】フローチャネルを介して運搬される流体流
を制御する超小型バルブの形態をなすマイクロアクチュ
エータであり、サーマルアクチュエータによって選択的
に駆動される熱駆動部材を有し、これが駆動されること
によって熱エネルギを生成する第１基板と、対向する第
１、第２主要面を有する第２基板よりなる。第２基板が
第１主要面で第１基板に取付けられる。第２の主要面は
第２基板が支持体に取付られると絶縁セルを画定し、こ
れによってマイクロアクチュエータの熱容量を減少さ
せ、第１基板を支持体から熱遮断する。
を制御する超小型バルブの形態をなすマイクロアクチュ
エータであり、サーマルアクチュエータによって選択的
に駆動される熱駆動部材を有し、これが駆動されること
によって熱エネルギを生成する第１基板と、対向する第
１、第２主要面を有する第２基板よりなる。第２基板が
第１主要面で第１基板に取付けられる。第２の主要面は
第２基板が支持体に取付られると絶縁セルを画定し、こ
れによってマイクロアクチュエータの熱容量を減少さ
せ、第１基板を支持体から熱遮断する。
Description
【０００１】
【発明の技術分野】本発明は、一般に、超小型デバイ
ス、特に、マイクロアクチュエータに関するものであ
る。
ス、特に、マイクロアクチュエータに関するものであ
る。
【０００２】
【発明の背景】超小型メカニカルデバイスの開発は一般
にマイクロマシーニングまたは微細加工技術として知ら
れている技術を用いることによって進展してきた。例え
ば、１９９３年４月の「Scientific American」、４４
〜５５頁に記載の「Silicon Micromechanical Device
s」と題する論文には、メカニカルデバイスの微細加工
技術が述べられている。
にマイクロマシーニングまたは微細加工技術として知ら
れている技術を用いることによって進展してきた。例え
ば、１９９３年４月の「Scientific American」、４４
〜５５頁に記載の「Silicon Micromechanical Device
s」と題する論文には、メカニカルデバイスの微細加工
技術が述べられている。
【０００３】超小型アクチュエータ（本願明細書では、
マイクロアクチュエータと呼ぶ）の設計における一つの
必要条件は、ある種の機械的駆動手段を備えなければな
らない。さらに他の必要条件は、駆動手段が信頼性のあ
る駆動のために十分な力を与えなければならない。超小
型バルブの形で設計されたマイクロアクチュエータは、
例えば、ガスクロマトグラフのキャピラリー・カラムを
通るキャリヤガスの流量を決定する気体流量調節器とし
て使用される。微細加工されたバルブは、１平方インチ
当たり２００ポンド（１平方センチメートル当たり１１
キログラム）の圧力に対する可動部材（典型的には、可
動膜、ダイヤフラムあるいはバルブフェイス）を開閉す
ることが要求される。この条件を達成するために、可動
部材は100ミクロン程度で変位しなければならない場合
もある。典型的には、外部電源からの電力がマイクロア
クチュエータに供給され、種々の技術の一つを用いて印
加電力を駆動力に変換する。しばしば印加電力はその一
部あるいは全体が熱エネルギに変換され、また、この種
のマイクロアクチュエータは熱駆動であることが考えら
れる。
マイクロアクチュエータと呼ぶ）の設計における一つの
必要条件は、ある種の機械的駆動手段を備えなければな
らない。さらに他の必要条件は、駆動手段が信頼性のあ
る駆動のために十分な力を与えなければならない。超小
型バルブの形で設計されたマイクロアクチュエータは、
例えば、ガスクロマトグラフのキャピラリー・カラムを
通るキャリヤガスの流量を決定する気体流量調節器とし
て使用される。微細加工されたバルブは、１平方インチ
当たり２００ポンド（１平方センチメートル当たり１１
キログラム）の圧力に対する可動部材（典型的には、可
動膜、ダイヤフラムあるいはバルブフェイス）を開閉す
ることが要求される。この条件を達成するために、可動
部材は100ミクロン程度で変位しなければならない場合
もある。典型的には、外部電源からの電力がマイクロア
クチュエータに供給され、種々の技術の一つを用いて印
加電力を駆動力に変換する。しばしば印加電力はその一
部あるいは全体が熱エネルギに変換され、また、この種
のマイクロアクチュエータは熱駆動であることが考えら
れる。
【０００４】マイクロマシーングされたバイメタルダイ
ヤフラムが、マイクロアクチュエータに熱駆動される駆
動力を提供するのに使用されている。バイメタルダイヤ
フラムが加熱されと、ダイヤフラムをたわませる応力が
発生し、それによって、取り付けられた流体ベアリング
システムへの流体流の開閉が行われる。例えば、米国特
許第５，０５８，８５６号の第３図や第４図では、熱駆
動される超小型バルブ４０は、図３に示す閉状態から図
4に示す開状態に駆動される。このバルブ４０は、ベー
スとして作用するシート基板４２と、中央フローオリフ
ィス４４と、下方縁部４５と、フローオリフィス４４を
取り巻くバルブシート４６を含んでいる。シート基板４
２の上部には上側基板４９が支持されている。この上側
基板４９は固定縁部47と、中央可撓性部材５０と、可撓
性部材50の下層４８と、ボス４３を含んでいる。ニッケ
ル層５１と加熱素子５２中の付加的なヘビ状のニッケル
部材がシリコン層４８上に被着される。外部電源からの
電流が加熱素子５２に導電され、局部加熱の状態で熱エ
ネルギを発生することができる。この熱は、シリコン層
４８およびニッケル層５１に伝達し、周囲温度より約１
００℃高い温度へと上昇させる。この温度上昇がバルブ
を開かせ、気体はフローオリフィス４４より流出する。
ヤフラムが、マイクロアクチュエータに熱駆動される駆
動力を提供するのに使用されている。バイメタルダイヤ
フラムが加熱されと、ダイヤフラムをたわませる応力が
発生し、それによって、取り付けられた流体ベアリング
システムへの流体流の開閉が行われる。例えば、米国特
許第５，０５８，８５６号の第３図や第４図では、熱駆
動される超小型バルブ４０は、図３に示す閉状態から図
4に示す開状態に駆動される。このバルブ４０は、ベー
スとして作用するシート基板４２と、中央フローオリフ
ィス４４と、下方縁部４５と、フローオリフィス４４を
取り巻くバルブシート４６を含んでいる。シート基板４
２の上部には上側基板４９が支持されている。この上側
基板４９は固定縁部47と、中央可撓性部材５０と、可撓
性部材50の下層４８と、ボス４３を含んでいる。ニッケ
ル層５１と加熱素子５２中の付加的なヘビ状のニッケル
部材がシリコン層４８上に被着される。外部電源からの
電流が加熱素子５２に導電され、局部加熱の状態で熱エ
ネルギを発生することができる。この熱は、シリコン層
４８およびニッケル層５１に伝達し、周囲温度より約１
００℃高い温度へと上昇させる。この温度上昇がバルブ
を開かせ、気体はフローオリフィス４４より流出する。
【０００５】しかし、熱エネルギはいくつかの経路を通
って、またいくつかの消散形態で失われる。バルブが閉
じているとき、熱エネルギは上側基板のボスを介して電
動子４８からバルブシート４６およびシート基板４２の
かたまりへと伝導する。熱エネルギが固定縁部４７を介
して加熱パッドないし加熱素子５２からシート基板４２
へ伝わり、気体相伝導状態が下層４８からシート基板４
２に生じる。熱エネルギはさらにシート基板４２に隣接
している熱伝導性構造へも流れる場合もある。熱エネル
ギの損失の大きさは電動子の温度を決定し、この温度
（およびその変化率）はバルブの動作性能に大きな影響
を与える。
って、またいくつかの消散形態で失われる。バルブが閉
じているとき、熱エネルギは上側基板のボスを介して電
動子４８からバルブシート４６およびシート基板４２の
かたまりへと伝導する。熱エネルギが固定縁部４７を介
して加熱パッドないし加熱素子５２からシート基板４２
へ伝わり、気体相伝導状態が下層４８からシート基板４
２に生じる。熱エネルギはさらにシート基板４２に隣接
している熱伝導性構造へも流れる場合もある。熱エネル
ギの損失の大きさは電動子の温度を決定し、この温度
（およびその変化率）はバルブの動作性能に大きな影響
を与える。
【０００６】流体の熱駆動相変化はマイクロアクチュエ
ータにおいて駆動力として使用され、流体の熱駆動膨張
あるいは収縮も駆動力として使用されてきた。膨張−収
縮構造の主要素子には基板に形成されたキャビティを含
む。このキャビティの一つの壁は薄い可撓性膜である。
このキャビティは、気体あるいは流体の固定数のモルを
含み、キャビティ中の流体の温度が上昇したときに、気
体あるいは流体の圧力−容積（Ｐ−Ｖ）の積も同時に大
きくなる。キャビティの温度は、例えば、そのキャビテ
ィの上あるいは内部に設けられた抵抗加熱素子に電流が
印加することによって変化する。この抵抗素子はキャビ
ティ内に入り込んだ気体あるいは流体を加熱する。例え
ば、米国特許第４、８２４、０７３号に開示されてい
る。
ータにおいて駆動力として使用され、流体の熱駆動膨張
あるいは収縮も駆動力として使用されてきた。膨張−収
縮構造の主要素子には基板に形成されたキャビティを含
む。このキャビティの一つの壁は薄い可撓性膜である。
このキャビティは、気体あるいは流体の固定数のモルを
含み、キャビティ中の流体の温度が上昇したときに、気
体あるいは流体の圧力−容積（Ｐ−Ｖ）の積も同時に大
きくなる。キャビティの温度は、例えば、そのキャビテ
ィの上あるいは内部に設けられた抵抗加熱素子に電流が
印加することによって変化する。この抵抗素子はキャビ
ティ内に入り込んだ気体あるいは流体を加熱する。例え
ば、米国特許第４、８２４、０７３号に開示されてい
る。
【０００７】マイクロアクチュエータに用られた熱駆動
の形式に関係なく、熱エネルギは有効にかつ、有益に利
用されるという共通の必要性が残されている。有効に利
用されないエネルギは、過剰熱の形態でマイクロアクチ
ュエータから消失し、その結果、マイクロアクチュエー
タは望ましくない電力消費を強いられる。さらに、熱的
に駆動される部材と熱的に結合しているマイクロアクチ
ュエータのいかなる部分も熱を蓄積する傾向にある。こ
の結果として、マイクロアクチュエータは望まれるよう
に速く駆動されない。なぜならば、熱駆動部材が加熱さ
れた状態から非加熱（あるいは冷却）状態に変化したと
きに、熱駆動部材がこれに蓄積された熱エネルギを消散
されるために時間が費やされるからである。この問題は
特に例えば迅速な駆動を必要とするガスクロマトグラフ
の空気流制御(pneumatic flow control)等の流体量制御
に使用されるマイクロアクチュエータにおいて不利であ
る。
の形式に関係なく、熱エネルギは有効にかつ、有益に利
用されるという共通の必要性が残されている。有効に利
用されないエネルギは、過剰熱の形態でマイクロアクチ
ュエータから消失し、その結果、マイクロアクチュエー
タは望ましくない電力消費を強いられる。さらに、熱的
に駆動される部材と熱的に結合しているマイクロアクチ
ュエータのいかなる部分も熱を蓄積する傾向にある。こ
の結果として、マイクロアクチュエータは望まれるよう
に速く駆動されない。なぜならば、熱駆動部材が加熱さ
れた状態から非加熱（あるいは冷却）状態に変化したと
きに、熱駆動部材がこれに蓄積された熱エネルギを消散
されるために時間が費やされるからである。この問題は
特に例えば迅速な駆動を必要とするガスクロマトグラフ
の空気流制御(pneumatic flow control)等の流体量制御
に使用されるマイクロアクチュエータにおいて不利であ
る。
【０００８】従って、熱的に駆動されるマイクロアクチ
ュエータ（および特に図３、４に示すマイクロアクチュ
エータ）には、支持構造に関してマイクロアクチュエー
タの改良された断熱が必要である。
ュエータ（および特に図３、４に示すマイクロアクチュ
エータ）には、支持構造に関してマイクロアクチュエー
タの改良された断熱が必要である。
【０００９】
【発明の目的】本発明の目的は、上述の問題点を解消
し、断熱構造を備えるマイクロアクチュエータを提供す
ることにある。
し、断熱構造を備えるマイクロアクチュエータを提供す
ることにある。
【００１０】
【発明の概要】支持体上に配置可能な熱的に駆動される
本発明に係るマイクロアクチュエータは、第１の基板と
第２の基板を含む。第1の基板には、サーマルアクチュ
エータによって選択的に作動される熱的駆動部材を備え
ており、よって、第１の基板は熱エネルギを生成する。
第２の基板には、対向する第１および第２の主要面を有
している。第２の基板は、第１の基板に第１の主要面に
取付けられる。第２の主要面は、第２の基板が支持体に
取付けられ、マイクロアクチュエータの熱容量を減少さ
せ、第１の基板に発生する熱エネルギを熱的に絶縁する
とき、体積を封入している絶縁セルを画定している。
本発明に係るマイクロアクチュエータは、第１の基板と
第２の基板を含む。第1の基板には、サーマルアクチュ
エータによって選択的に作動される熱的駆動部材を備え
ており、よって、第１の基板は熱エネルギを生成する。
第２の基板には、対向する第１および第２の主要面を有
している。第２の基板は、第１の基板に第１の主要面に
取付けられる。第２の主要面は、第２の基板が支持体に
取付けられ、マイクロアクチュエータの熱容量を減少さ
せ、第１の基板に発生する熱エネルギを熱的に絶縁する
とき、体積を封入している絶縁セルを画定している。
【００１１】本発明の第１の好適な実施例において、流
体流を制御する超小型バルブは、対向する第１および第
２の主要面を有する第１の基板を含み、第1の主要面は
バルブシート構造を含み、第２の主要面は中央領域と周
縁領域とこれらの間に画定された絶縁セルとさらにバル
ブシート構造と中央領域の間に延長するフローバイアを
含む。中央領域と周縁領域は支持体に配置可能であり、
フローバイアとチャネル間の流体連絡と絶縁セルと支持
体間の体積を封入することができ、よって、第１の基板
を支持体から熱的に絶縁する。第２の基板は、閉位置に
おいてバルブシート構造と接触し、流体のフローバイア
への流れを阻止し、開位置において流体のフローバイア
への流れを許容するように配置可能な電動子を備えてい
る場合もある。閉位置と開位置の間には電動子を選択的
に変位させる手段が設けられている。
体流を制御する超小型バルブは、対向する第１および第
２の主要面を有する第１の基板を含み、第1の主要面は
バルブシート構造を含み、第２の主要面は中央領域と周
縁領域とこれらの間に画定された絶縁セルとさらにバル
ブシート構造と中央領域の間に延長するフローバイアを
含む。中央領域と周縁領域は支持体に配置可能であり、
フローバイアとチャネル間の流体連絡と絶縁セルと支持
体間の体積を封入することができ、よって、第１の基板
を支持体から熱的に絶縁する。第２の基板は、閉位置に
おいてバルブシート構造と接触し、流体のフローバイア
への流れを阻止し、開位置において流体のフローバイア
への流れを許容するように配置可能な電動子を備えてい
る場合もある。閉位置と開位置の間には電動子を選択的
に変位させる手段が設けられている。
【００１２】超小型バルブの形態にある新規なマイクロ
アクチュエータの第２の好適な実施例は、第２の基板と
第１の基板を含む。第２の基板は、エッチングされて絶
縁セルを画定するように中央領域と周縁領域と、バイア
周辺部とを形成している下側主要面を含んでいる。基板
プレートはこのプレートが下側主要面に取付けられたと
きに、フローバイアと同中心上に一致する中央孔を画定
し、これによって支持体の代わりに絶縁セルを封入す
る。
アクチュエータの第２の好適な実施例は、第２の基板と
第１の基板を含む。第２の基板は、エッチングされて絶
縁セルを画定するように中央領域と周縁領域と、バイア
周辺部とを形成している下側主要面を含んでいる。基板
プレートはこのプレートが下側主要面に取付けられたと
きに、フローバイアと同中心上に一致する中央孔を画定
し、これによって支持体の代わりに絶縁セルを封入す
る。
【００１３】超小型バルブの形態にある新規なマイクロ
アクチュエータの第３の好適な実施例は、サーマルアク
チュエータによって選択的に駆動される熱駆動部材を有
し、その中で熱エネルギを発生する第1の基板と、対向
する第１、第２の主要面を有し、第１の主要面で第１の
基板に取付けられる第２基板を含む。第２の主要面は中
央領域域と、この中央領域と第１の主要面の間ニ延長
し、流体流を形成するフローバイアを備えた周縁領域と
からなる。フローバイアは熱駆動部材の駆動によって閉
されるように構成されている。ポートプレートが上下対
向面とこれら両者間にフローポートを含み、上面が体積
を封入する絶縁セルを画定している。ポートプレートの
上面は第２の主要面と接触し、フローポートがフローバ
イアとフローチャネルと整列させ、絶縁セルを封入し、
これによって第1の基板に発生した熱エネルギの少なく
とも一部が熱的に絶縁される。
アクチュエータの第３の好適な実施例は、サーマルアク
チュエータによって選択的に駆動される熱駆動部材を有
し、その中で熱エネルギを発生する第1の基板と、対向
する第１、第２の主要面を有し、第１の主要面で第１の
基板に取付けられる第２基板を含む。第２の主要面は中
央領域域と、この中央領域と第１の主要面の間ニ延長
し、流体流を形成するフローバイアを備えた周縁領域と
からなる。フローバイアは熱駆動部材の駆動によって閉
されるように構成されている。ポートプレートが上下対
向面とこれら両者間にフローポートを含み、上面が体積
を封入する絶縁セルを画定している。ポートプレートの
上面は第２の主要面と接触し、フローポートがフローバ
イアとフローチャネルと整列させ、絶縁セルを封入し、
これによって第1の基板に発生した熱エネルギの少なく
とも一部が熱的に絶縁される。
【００１４】本発明により構成された熱駆動マイクロア
クチュエータは、サーマルアクチュエータによって消費
される電力を減少させるという利点を有している。さら
に、絶縁セルの存在により、マイクロアクチュエータの
熱容量を減じ、これによりその応答性が向上する。
クチュエータは、サーマルアクチュエータによって消費
される電力を減少させるという利点を有している。さら
に、絶縁セルの存在により、マイクロアクチュエータの
熱容量を減じ、これによりその応答性が向上する。
【００１５】
【発明の実施例】本発明はマイクロアクチュエータの断
熱構造に指向される。以下の説明は、超小型バルブの形
態をなすマイクロアクチュエータに向けられているが、
本発明は他のタイプの熱駆動マイクロアクチュエータへ
の適用も意図している。「熱駆動」というアクチュエー
タの特徴は、印加されるエネルギ量を可動部材を動かす
駆動力に変換させるように動作するマイクロアクチュエ
ータを含むことを意味している。この変換は、変換中に
発生する熱エネルギの保存あるいは絶縁の点で有利であ
る。マイクロアクチュエータの例は、気体又は液体の膨
張／収縮、気体又は液体相変換の過程で生じた、あるい
はバイメタル材料又は形状記憶材料における変化により
生じた力によって駆動される。従って、本発明はメカニ
カルデバイスあるいはシステムを作動するために使用さ
れるか物理現象に対して作動するために用いる種々のマ
イクロアクチュエータに実施することが可能である。こ
のような物理現象には、例えば、流体（気体および液体
を含む）の流れ、電気および電子パラメータ（例えば、
容量、電流量、電位差等）、音響および光学パラメータ
（例えば、反射、吸収、屈折等）および簡単な寸法パラ
メータ（例えば、加速、圧力、長さ、深さ等々）があ
る。
熱構造に指向される。以下の説明は、超小型バルブの形
態をなすマイクロアクチュエータに向けられているが、
本発明は他のタイプの熱駆動マイクロアクチュエータへ
の適用も意図している。「熱駆動」というアクチュエー
タの特徴は、印加されるエネルギ量を可動部材を動かす
駆動力に変換させるように動作するマイクロアクチュエ
ータを含むことを意味している。この変換は、変換中に
発生する熱エネルギの保存あるいは絶縁の点で有利であ
る。マイクロアクチュエータの例は、気体又は液体の膨
張／収縮、気体又は液体相変換の過程で生じた、あるい
はバイメタル材料又は形状記憶材料における変化により
生じた力によって駆動される。従って、本発明はメカニ
カルデバイスあるいはシステムを作動するために使用さ
れるか物理現象に対して作動するために用いる種々のマ
イクロアクチュエータに実施することが可能である。こ
のような物理現象には、例えば、流体（気体および液体
を含む）の流れ、電気および電子パラメータ（例えば、
容量、電流量、電位差等）、音響および光学パラメータ
（例えば、反射、吸収、屈折等）および簡単な寸法パラ
メータ（例えば、加速、圧力、長さ、深さ等々）があ
る。
【００１６】図１を参照すると、新規な本願発明の好適
な一実施例であるマイクロアクチュエータが示されてい
る。このアクチュエータは、フローチャネル１１Ａを有
する支持体１１の上に取付け可能な超小型バルブ１０Ａ
の形態をなし、ベースとして作用するシート基板１２が
設けられている。シート基板１２は、バッチ処理工程を
用いてウェハから製造されたシリコンチップであること
が好ましい。その周縁には、シート基板の厚さは約１０
００ミクロンである。中央フローバイア１４は、シート
基板１２を貫通するように形成される。（ここにおい
て、用語「バイア」は集積回路製造技術において典型的
に使用されるもので、形成層にある小さいボイドあるい
はスルーホールである。）シート基板１２の上部に支持
されている上側基板１５はシリコンで形成され、固定周
縁部１６と中央ボス１８の形状をなす熱駆動部材を含ん
でいる。上側基板１５の長さと幅は、シート基板１２の
各寸法とほぼ一致している。上側基板１５の構造と動作
は、米国特許５，０５８，８５６号に開示されており、
ここでは参考として引用する。簡単に説明すると、ニッ
ケル層１９は蒸着、フォトリソグラフおよび電気メッキ
技術を用いて上側基板に被着され、パターンが形成され
ている。脚部２０、２２のアレイは、固定周縁部１６を
中央ボス１８に結合させる。脚部を形成しているシリコ
ンの厚さは、超小型バルブ１０Ａの最大開口の大きさを
決定する一つの要素である。従って、シリコン層の理想
的な厚さは、適用によって異なる。
な一実施例であるマイクロアクチュエータが示されてい
る。このアクチュエータは、フローチャネル１１Ａを有
する支持体１１の上に取付け可能な超小型バルブ１０Ａ
の形態をなし、ベースとして作用するシート基板１２が
設けられている。シート基板１２は、バッチ処理工程を
用いてウェハから製造されたシリコンチップであること
が好ましい。その周縁には、シート基板の厚さは約１０
００ミクロンである。中央フローバイア１４は、シート
基板１２を貫通するように形成される。（ここにおい
て、用語「バイア」は集積回路製造技術において典型的
に使用されるもので、形成層にある小さいボイドあるい
はスルーホールである。）シート基板１２の上部に支持
されている上側基板１５はシリコンで形成され、固定周
縁部１６と中央ボス１８の形状をなす熱駆動部材を含ん
でいる。上側基板１５の長さと幅は、シート基板１２の
各寸法とほぼ一致している。上側基板１５の構造と動作
は、米国特許５，０５８，８５６号に開示されており、
ここでは参考として引用する。簡単に説明すると、ニッ
ケル層１９は蒸着、フォトリソグラフおよび電気メッキ
技術を用いて上側基板に被着され、パターンが形成され
ている。脚部２０、２２のアレイは、固定周縁部１６を
中央ボス１８に結合させる。脚部を形成しているシリコ
ンの厚さは、超小型バルブ１０Ａの最大開口の大きさを
決定する一つの要素である。従って、シリコン層の理想
的な厚さは、適用によって異なる。
【００１７】シート基板１２はバルブシート２８を含
み、ボス１８が閉位置にあるときボスはこのバルブシー
トに対して固定される。バルブシート２８はシート基板
１２の上側主要面３０に設けられるリリーフ３０Ａから
延長している。バルブシート２８は基板の上側主要面３
０でシート基板１２を異方性エッチングによって形成さ
れる。次により詳しく説明するように、絶縁セル３４
は、下側主要面３８を中央領域３８Ａと周辺部３８Ｃで
分離された周縁域３８Ｂを設けることによって画定され
る。上側基板１５のニッケル層１９に電流が流れるて加
熱されると、シリコンとニッケルの熱膨張率の違いが脚
部２０をアーチ状に湾曲せしめ、ボス１８がシート基板
１２から持ち上げられる。ボスがシート基板１２から離
反すると、フローバイア１４によって、フローチャネル
１１Ａと周辺領域２４、２６との間の流体連絡を可能に
する。次いで、これらの域２４、２６が装置（図示せ
ず）との流体連絡を形成して、装置へのあるいは装置か
らの流体の流れが超小型バルブ１０Ａによって調整され
る。
み、ボス１８が閉位置にあるときボスはこのバルブシー
トに対して固定される。バルブシート２８はシート基板
１２の上側主要面３０に設けられるリリーフ３０Ａから
延長している。バルブシート２８は基板の上側主要面３
０でシート基板１２を異方性エッチングによって形成さ
れる。次により詳しく説明するように、絶縁セル３４
は、下側主要面３８を中央領域３８Ａと周辺部３８Ｃで
分離された周縁域３８Ｂを設けることによって画定され
る。上側基板１５のニッケル層１９に電流が流れるて加
熱されると、シリコンとニッケルの熱膨張率の違いが脚
部２０をアーチ状に湾曲せしめ、ボス１８がシート基板
１２から持ち上げられる。ボスがシート基板１２から離
反すると、フローバイア１４によって、フローチャネル
１１Ａと周辺領域２４、２６との間の流体連絡を可能に
する。次いで、これらの域２４、２６が装置（図示せ
ず）との流体連絡を形成して、装置へのあるいは装置か
らの流体の流れが超小型バルブ１０Ａによって調整され
る。
【００１８】周辺部３８Ｃは、脚部２０、２２より生成
される周辺域２４、２６内の気体を介して周辺部３８Ｃ
に伝導される熱エネルギのラテラルシャント（すなわ
ち、導体）の作用を最小化するのに十分薄い厚さを有す
ることが望ましい。周辺部３８Ｃの好ましい厚さは、約
1ないし１０ミクロンの範囲から選ばれる。絶縁セル３
４によって占められている領域は好ましくは下側主要面
３８の表面積の１０から９０％、絶縁セルの深さは好ま
しくはシート基板１２の全体の厚さの１０から９０％の
間である。バルブ１０Ａが支持体１１に固定されると、
気体、例えば、空気、窒素（シート基板が支持体に取り
付けられるときの周囲条件に依存する）等で充填された
体積は絶縁セルによって封入される。従って、封入され
た体積は断熱材として機能し、絶縁セル３４の存在によ
って、上側基板１５に発生した熱エネルギの良好な保存
が可能となる。さらに、絶縁セル３４が設けられている
ことによって、シート基板１２の熱容量が大きく減少
し、これにともない熱エネルギのシート基板１２で蓄積
が少なくなり、かつ、シート基板１２と支持体１１との
間の熱経路の熱抵抗が増加する。
される周辺域２４、２６内の気体を介して周辺部３８Ｃ
に伝導される熱エネルギのラテラルシャント（すなわ
ち、導体）の作用を最小化するのに十分薄い厚さを有す
ることが望ましい。周辺部３８Ｃの好ましい厚さは、約
1ないし１０ミクロンの範囲から選ばれる。絶縁セル３
４によって占められている領域は好ましくは下側主要面
３８の表面積の１０から９０％、絶縁セルの深さは好ま
しくはシート基板１２の全体の厚さの１０から９０％の
間である。バルブ１０Ａが支持体１１に固定されると、
気体、例えば、空気、窒素（シート基板が支持体に取り
付けられるときの周囲条件に依存する）等で充填された
体積は絶縁セルによって封入される。従って、封入され
た体積は断熱材として機能し、絶縁セル３４の存在によ
って、上側基板１５に発生した熱エネルギの良好な保存
が可能となる。さらに、絶縁セル３４が設けられている
ことによって、シート基板１２の熱容量が大きく減少
し、これにともない熱エネルギのシート基板１２で蓄積
が少なくなり、かつ、シート基板１２と支持体１１との
間の熱経路の熱抵抗が増加する。
【００１９】バルブ１０Ａが脚部２０、２２のアレイが
含まれていることを説明してきたが、本発明は湾曲する
脚部の作用を利用することに限定されるものではない。
例えば、中央ボス１８を固定周縁部16と連結する構造
は、円形のソリッドダイヤフラムに代えてもよく、この
ダイヤフラムを選択的に曲げてフローバイア１４と周辺
域２４、２６との間の流体の流れを調節する。バルブシ
ート２８の幅は、容易に変えることができるが、ボス１
８の繰り返される閉動作時にバルブシートが折れること
のないよう十分な大きさが選ばれなければならない。好
適な一実施例においては、フローオリフィス１４は２０
０ミクロン平方であり、ベアリング面の外側周辺部は２
４０ミクロン平方である。米国特許第５、０５８、８５
６号に開示されているように、バルブシート２８とフロ
ーオリフィス１４の図示形態は超小型バルブ１０Ａの空
気特性および熱特性の両方を改善する。特に有利なバル
ブシートは、米国特許第５、３３３、８３１号に開示さ
れており、ここでは参考例として引用する。
含まれていることを説明してきたが、本発明は湾曲する
脚部の作用を利用することに限定されるものではない。
例えば、中央ボス１８を固定周縁部16と連結する構造
は、円形のソリッドダイヤフラムに代えてもよく、この
ダイヤフラムを選択的に曲げてフローバイア１４と周辺
域２４、２６との間の流体の流れを調節する。バルブシ
ート２８の幅は、容易に変えることができるが、ボス１
８の繰り返される閉動作時にバルブシートが折れること
のないよう十分な大きさが選ばれなければならない。好
適な一実施例においては、フローオリフィス１４は２０
０ミクロン平方であり、ベアリング面の外側周辺部は２
４０ミクロン平方である。米国特許第５、０５８、８５
６号に開示されているように、バルブシート２８とフロ
ーオリフィス１４の図示形態は超小型バルブ１０Ａの空
気特性および熱特性の両方を改善する。特に有利なバル
ブシートは、米国特許第５、３３３、８３１号に開示さ
れており、ここでは参考例として引用する。
【００２０】バルブ１０Ａ製造工程は、一般に以下に述
べるとおりである。オリフィスウエハとよばれる最初の
シリコンウエハにおいて、バッチ加工シリコンマイクロ
マシーニング技術の工程が採用され、持ち上げられたバ
ルブシート２８等のフィーチャーを製造する。上述の製
造工程に続いて、オリフィスウエハはウエハを個々のオ
リフィスチップに切断することによって分割し、各オリ
フィスチップを洗浄する。（オリフィスウエハのシート
基板を製造するための特定の工程については、図５から
図１１に基づいて説明する。）アクチュエータウエハと
呼ばれる第２のシリコンウエハは、この第２ウエハの上
下側主要面の上に二酸化シリコン層、次に窒化シリコン
層を受けている。これらの層は上下主要面上にフォトリ
トグラフィーによってパターン化され、後でエッチング
される領域を形成する。例えば、二酸化シリコン層およ
び窒化シリコン層をアクチュエータウエハの下側主要面
上にパターン化し、ボス18になる部分を画定する。次
に、ニッケル層を蒸着あるいはスパッタリングを用いて
上側主要面上に被着させ、このニッケルをパターン化し
て、薄膜化抵抗領域と、後で厚いニッケルで電気メッキ
される他の領域を残す。フォトレジスト層を被着し、フ
ォトリトグラフィーによってパターン化して、さらにエ
ッチングしてフォトレジストを通してホールを画定す
る。次に、電気メッキを行なって厚いニッケル部分を形
成する。アクチュエータウエハの上側主要面がニッケル
あるいは窒化物層によって保護されるのに対して、ウエ
ハの下側主要面は水酸化カルウム水溶液中でエッチング
され、アクチュエータウエハの底部側に（他のものの中
で）ボス18が形成される。窒化物層の選ばれた部分をプ
ラズマエッチングで除去して、ウエハの両サイドの水酸
化カリウム（ＫＯＨ）中でさらにエッチングと脚部の間
の域を明確にする。個別のバルブ１０Ａは公知の方法で
パッケージングされ、支持体１１に結合され、絶縁セル
３４が適切な気体で充填されるように乾燥した空気ある
いは窒素等の熱伝導率の低い気体の雰囲気中で行なうこ
とがが好ましい。代替として、より大きい断熱を得るた
めに、絶縁セル３４が真空あるいはこれに近い状態で封
入される等の排気環境下で支持体11の上にバルブ１０Ａ
を組立、結合させる。
べるとおりである。オリフィスウエハとよばれる最初の
シリコンウエハにおいて、バッチ加工シリコンマイクロ
マシーニング技術の工程が採用され、持ち上げられたバ
ルブシート２８等のフィーチャーを製造する。上述の製
造工程に続いて、オリフィスウエハはウエハを個々のオ
リフィスチップに切断することによって分割し、各オリ
フィスチップを洗浄する。（オリフィスウエハのシート
基板を製造するための特定の工程については、図５から
図１１に基づいて説明する。）アクチュエータウエハと
呼ばれる第２のシリコンウエハは、この第２ウエハの上
下側主要面の上に二酸化シリコン層、次に窒化シリコン
層を受けている。これらの層は上下主要面上にフォトリ
トグラフィーによってパターン化され、後でエッチング
される領域を形成する。例えば、二酸化シリコン層およ
び窒化シリコン層をアクチュエータウエハの下側主要面
上にパターン化し、ボス18になる部分を画定する。次
に、ニッケル層を蒸着あるいはスパッタリングを用いて
上側主要面上に被着させ、このニッケルをパターン化し
て、薄膜化抵抗領域と、後で厚いニッケルで電気メッキ
される他の領域を残す。フォトレジスト層を被着し、フ
ォトリトグラフィーによってパターン化して、さらにエ
ッチングしてフォトレジストを通してホールを画定す
る。次に、電気メッキを行なって厚いニッケル部分を形
成する。アクチュエータウエハの上側主要面がニッケル
あるいは窒化物層によって保護されるのに対して、ウエ
ハの下側主要面は水酸化カルウム水溶液中でエッチング
され、アクチュエータウエハの底部側に（他のものの中
で）ボス18が形成される。窒化物層の選ばれた部分をプ
ラズマエッチングで除去して、ウエハの両サイドの水酸
化カリウム（ＫＯＨ）中でさらにエッチングと脚部の間
の域を明確にする。個別のバルブ１０Ａは公知の方法で
パッケージングされ、支持体１１に結合され、絶縁セル
３４が適切な気体で充填されるように乾燥した空気ある
いは窒素等の熱伝導率の低い気体の雰囲気中で行なうこ
とがが好ましい。代替として、より大きい断熱を得るた
めに、絶縁セル３４が真空あるいはこれに近い状態で封
入される等の排気環境下で支持体11の上にバルブ１０Ａ
を組立、結合させる。
【００２１】特に、図５から図１０には、バルブ１０Ａ
のシート基板１２を製造する工程を示す。図５では、従
来のマスキング材料を、シリコンウエハ６０の両方の主
要面にフォトリトグラフィーによってパターン化する。
各主要面はシリコン酸化物６２、６４の第１層と窒化シ
リコン６６、６８の外側層を有している。従来のプラズ
マエッチング技術を用いて、上側面における窒化物の外
側層６６の約５０％を部分的に除去し、バルブシートを
画定する厚さの窒化物領域７０、７２を残し、上側のバ
ルブ・フェイスの大きさを画定する外側の厚い窒化物域
７４、７６を残す。シリコンウエハ６０の下側表面にお
いて、酸化物層６４と窒化物層６８は、中央域において
完全にエッチングされている。フッカ水素酸を用いて、
底部の酸化物をエッチング除去する。
のシート基板１２を製造する工程を示す。図５では、従
来のマスキング材料を、シリコンウエハ６０の両方の主
要面にフォトリトグラフィーによってパターン化する。
各主要面はシリコン酸化物６２、６４の第１層と窒化シ
リコン６６、６８の外側層を有している。従来のプラズ
マエッチング技術を用いて、上側面における窒化物の外
側層６６の約５０％を部分的に除去し、バルブシートを
画定する厚さの窒化物領域７０、７２を残し、上側のバ
ルブ・フェイスの大きさを画定する外側の厚い窒化物域
７４、７６を残す。シリコンウエハ６０の下側表面にお
いて、酸化物層６４と窒化物層６８は、中央域において
完全にエッチングされている。フッカ水素酸を用いて、
底部の酸化物をエッチング除去する。
【００２２】図６において、水酸化カリウム（ＫＯＨ）
を用いて、窒化シリコン層６８と酸化物層６４をエッチ
ング除去によって露出しているシリコンウエハ６０の底
部の中央域をエッチングするために用られる。シリコン
は（１１１）平面に沿って、ゆっくりとエッチングさ
れ、これによって傾斜壁７８、８０が形成される。シリ
コンウエハの異方性エッチングは約５４度の角度を有す
る壁を形成する。この異方性エッチングはシリコンウエ
ハを介して部分的に広がっている。
を用いて、窒化シリコン層６８と酸化物層６４をエッチ
ング除去によって露出しているシリコンウエハ６０の底
部の中央域をエッチングするために用られる。シリコン
は（１１１）平面に沿って、ゆっくりとエッチングさ
れ、これによって傾斜壁７８、８０が形成される。シリ
コンウエハの異方性エッチングは約５４度の角度を有す
る壁を形成する。この異方性エッチングはシリコンウエ
ハを介して部分的に広がっている。
【００２３】図７、図８において、窒化シリコン層６６
をエッチング除去して、厚さのあった領域７０から７６
の一部を残し、また、厚い域間の窒化シリコン層６６を
完全に取り除く。さらに、シリコンウエハ６０の底部の
中央部分を取り巻く周縁領域は、窒化シリコン層６８と
酸化シリコン層６４の各部分をエッチングすることによ
って露出される。水酸化カリウム（ＫＯＨ）が中央領域
と周縁領域をエッチングするために使用される。シリコ
ンに（１１１）平面に沿って、ゆっくりとエッチングを
施すことによって、傾斜壁７８、８０が形成される。シ
リコンウエハの異方性エッチングが約５４．７度の角度
を有する壁を形成する。この中央領域の異方性エッチン
グはシリコンウエハを貫通するように伸びている。そし
て、露出された酸化物６２はフッ化水素酸中でエッチン
グされる。この結果、上側および下側オリフィスを有す
る中央バイア８１がシリコンウエハ６０を貫通して全体
に形成され、セル８２が中央バイアのまわりに形成され
る。しかしながら、中央バイア８１は加工される最終の
フローバイアとはまだ類似しておらず、むしろ、シリコ
ンウエハ６０の底面からのエッチングは、フローバイア
の「おおまか」な形状をなしている。
をエッチング除去して、厚さのあった領域７０から７６
の一部を残し、また、厚い域間の窒化シリコン層６６を
完全に取り除く。さらに、シリコンウエハ６０の底部の
中央部分を取り巻く周縁領域は、窒化シリコン層６８と
酸化シリコン層６４の各部分をエッチングすることによ
って露出される。水酸化カリウム（ＫＯＨ）が中央領域
と周縁領域をエッチングするために使用される。シリコ
ンに（１１１）平面に沿って、ゆっくりとエッチングを
施すことによって、傾斜壁７８、８０が形成される。シ
リコンウエハの異方性エッチングが約５４．７度の角度
を有する壁を形成する。この中央領域の異方性エッチン
グはシリコンウエハを貫通するように伸びている。そし
て、露出された酸化物６２はフッ化水素酸中でエッチン
グされる。この結果、上側および下側オリフィスを有す
る中央バイア８１がシリコンウエハ６０を貫通して全体
に形成され、セル８２が中央バイアのまわりに形成され
る。しかしながら、中央バイア８１は加工される最終の
フローバイアとはまだ類似しておらず、むしろ、シリコ
ンウエハ６０の底面からのエッチングは、フローバイア
の「おおまか」な形状をなしている。
【００２４】図８を参照して、ＫＯＨを用いた異方性エ
ッチングが半導体ウエハ６０の両方の主面に適用され
る。ウエハの上側面の露出領域をエッチングし、頭部が
切断された逆ピラミッド状面８２、８４が形成される。
頭部切断ピラミッド面の深さはＫＯＨエッチングの持続
時間に変化する。最初に、上側表面に適用されたエッチ
ングは、（１１１）平面に沿って下側方向で内側に傾斜
している壁８６、８８が形成される。実質的に垂直な壁
９０、９２は、半径方向で内側に傾斜している壁８６、
８８を形成された壁７８、８０に連絡している。シリコ
ンウエハ６０の対向する側における異方性エッチングが
続けられると、垂直壁９０、９２が図９に示すように下
方向に移動する。対向壁９４、９６および平行な対向壁
９８、１００を提供するため、上側表面に異方性エッチ
ングが施されると、ハルブシートの最終構成が形成され
始める。この図に示すように、頭部の切断された逆ピラ
ミッド状面８２、８４の深さは、エッチング時間ととも
に大きくなる。
ッチングが半導体ウエハ６０の両方の主面に適用され
る。ウエハの上側面の露出領域をエッチングし、頭部が
切断された逆ピラミッド状面８２、８４が形成される。
頭部切断ピラミッド面の深さはＫＯＨエッチングの持続
時間に変化する。最初に、上側表面に適用されたエッチ
ングは、（１１１）平面に沿って下側方向で内側に傾斜
している壁８６、８８が形成される。実質的に垂直な壁
９０、９２は、半径方向で内側に傾斜している壁８６、
８８を形成された壁７８、８０に連絡している。シリコ
ンウエハ６０の対向する側における異方性エッチングが
続けられると、垂直壁９０、９２が図９に示すように下
方向に移動する。対向壁９４、９６および平行な対向壁
９８、１００を提供するため、上側表面に異方性エッチ
ングが施されると、ハルブシートの最終構成が形成され
始める。この図に示すように、頭部の切断された逆ピラ
ミッド状面８２、８４の深さは、エッチング時間ととも
に大きくなる。
【００２５】図１０において、垂直壁９０、９２は下側
方向に移動し、ピラミッド状面８２、８４の深さが増加
する。しかし、平行壁９４、９６と平行壁９８、１００
によって画定されたバルブシートの断面形状は変化しな
い。当業者にとって周知にように、この形状はマスクの
コーナーで変化するので、製造工程はマスクコーナーで
適切な結果が保証されるように行なわれる。所望なら
ば、エッチングを垂直壁９０、９２はシリコンウエハ６
０の下側表面に到達するまで続けることができ、これに
よって、得られたフローバイアのオリフィスに９０度の
コーナーを設けることができる。
方向に移動し、ピラミッド状面８２、８４の深さが増加
する。しかし、平行壁９４、９６と平行壁９８、１００
によって画定されたバルブシートの断面形状は変化しな
い。当業者にとって周知にように、この形状はマスクの
コーナーで変化するので、製造工程はマスクコーナーで
適切な結果が保証されるように行なわれる。所望なら
ば、エッチングを垂直壁９０、９２はシリコンウエハ６
０の下側表面に到達するまで続けることができ、これに
よって、得られたフローバイアのオリフィスに９０度の
コーナーを設けることができる。
【００２６】図１１では、マスキング材料をシリコンウ
エハの上下表面より除去し、図１と図２のシート基板１
２が得られる。この基板には、バルブシート２８とバル
ブ・シートの上部においてベアリング面３２を含んでい
る。前述した利点を有する中央フローバイア１４を得る
ことがができる。
エハの上下表面より除去し、図１と図２のシート基板１
２が得られる。この基板には、バルブシート２８とバル
ブ・シートの上部においてベアリング面３２を含んでい
る。前述した利点を有する中央フローバイア１４を得る
ことがができる。
【００２７】前述の工程でいくつかを変更して製造した
シート基板の第２及び第３の実施例を図１２および図１
３にそれぞれ示す。図１２において、ウエハ１０２（好
ましくはシリコンで形成される）はその上面と底面がそ
れぞれフォトリトグラフィーによってパターン化された
保護層（好ましくは窒化シリコン）で被覆される。この
保護層は図５から図７に示したものと同様のパターンで
ある。上側の保護層はパターン化され、保護部を形成
し、ウエハ１０２がＫＯＨ中で両側からエッチングされ
て、中央バイア１１４、垂直壁１２４、１２６、バイア
壁１２８、ベアリングシート１３２および絶縁セル１３
４が形成される。図１３において、ウエハ２０２はその
残りの部分を形成している物質よりも実質上小さい熱伝
導率を有している物質で形成された構造層２０３を含
む。好ましくは、ウエハ２０２はシリコンで形成され、
構造層２０３は二酸化シリコン（SiO2）で形成される。
ウエハ２０２はその上面と底面がそれぞれフォトリトグ
ラフィーによってパターン化された保護層（好ましくは
窒化シリコン）で被覆される。この保護層は図５から図
７に示したものと同様のパターンである。ウエハ２０２
はその両側からテトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＭ
ＡＨ）中でエッチングされ、中央バイア２１４、垂直壁
２２４、２２６、バイア壁２２８、ベアリングシート２
３２および絶縁セル２３４を形成する。構造層２０３
は、ウエハ２０２よりも小さい熱伝導率を有しているの
で、小さい熱エネルギだけがベアリングシート２３２よ
り伝わるので、上側基板１５の断熱性が向上する。
シート基板の第２及び第３の実施例を図１２および図１
３にそれぞれ示す。図１２において、ウエハ１０２（好
ましくはシリコンで形成される）はその上面と底面がそ
れぞれフォトリトグラフィーによってパターン化された
保護層（好ましくは窒化シリコン）で被覆される。この
保護層は図５から図７に示したものと同様のパターンで
ある。上側の保護層はパターン化され、保護部を形成
し、ウエハ１０２がＫＯＨ中で両側からエッチングされ
て、中央バイア１１４、垂直壁１２４、１２６、バイア
壁１２８、ベアリングシート１３２および絶縁セル１３
４が形成される。図１３において、ウエハ２０２はその
残りの部分を形成している物質よりも実質上小さい熱伝
導率を有している物質で形成された構造層２０３を含
む。好ましくは、ウエハ２０２はシリコンで形成され、
構造層２０３は二酸化シリコン（SiO2）で形成される。
ウエハ２０２はその上面と底面がそれぞれフォトリトグ
ラフィーによってパターン化された保護層（好ましくは
窒化シリコン）で被覆される。この保護層は図５から図
７に示したものと同様のパターンである。ウエハ２０２
はその両側からテトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＭ
ＡＨ）中でエッチングされ、中央バイア２１４、垂直壁
２２４、２２６、バイア壁２２８、ベアリングシート２
３２および絶縁セル２３４を形成する。構造層２０３
は、ウエハ２０２よりも小さい熱伝導率を有しているの
で、小さい熱エネルギだけがベアリングシート２３２よ
り伝わるので、上側基板１５の断熱性が向上する。
【００２８】シート基板の第４の好適な一実施例を図１
４に示す。ウエハ２４２（好ましくは、低い熱伝導率を
有する精密にエッチング可能な物質からなる）は、その
上面および底面がそれぞれフォトリトグラフィーによっ
てにパターン化された保護層で被着される。この保護層
は図５から図７に示したものと同様のパターンになって
いる。上側保護層は、パターン化されて保護部を形成
し、またウエハ２４２は酸中で両面がエッチングされ
て、中央バイア２４４、ベアリング・シート２４３、垂
直バイア壁２４５、絶縁セル２４８が成形される。低い
熱伝導率を有する精密にエッチング可能な物質からなる
好ましい組成物は、感光ガラスで、適切な組成物は、ニ
ューヨーク州のComing Fotoform Products Groupより入
手可能なＰＯＴＯＦＯＲＭガラス製品群およびＰＯＴＯ
ＣＥＲＡＭガラス・セラミック製品群から選ぶことがで
きる。
４に示す。ウエハ２４２（好ましくは、低い熱伝導率を
有する精密にエッチング可能な物質からなる）は、その
上面および底面がそれぞれフォトリトグラフィーによっ
てにパターン化された保護層で被着される。この保護層
は図５から図７に示したものと同様のパターンになって
いる。上側保護層は、パターン化されて保護部を形成
し、またウエハ２４２は酸中で両面がエッチングされ
て、中央バイア２４４、ベアリング・シート２４３、垂
直バイア壁２４５、絶縁セル２４８が成形される。低い
熱伝導率を有する精密にエッチング可能な物質からなる
好ましい組成物は、感光ガラスで、適切な組成物は、ニ
ューヨーク州のComing Fotoform Products Groupより入
手可能なＰＯＴＯＦＯＲＭガラス製品群およびＰＯＴＯ
ＣＥＲＡＭガラス・セラミック製品群から選ぶことがで
きる。
【００２９】超小型バルブの形態をなす新規なマイクロ
アクチュエータの第２のおよび第３の好ましい実施例を
それぞれ図１５、１６に示す。図１５において、第２の
超小型バルブ１０Ｂは、図１に関して説明した上側基板
１５と、上側主要面２５３のリリーフ２５３Ａから延長
しているバルブシート２６２を含んでいるシート基板２
５２とを備えている。バルブシート２６２とリリーフ２
５３Ａは、上側主要面２５３でシート基板２５２が精密
にエッチングされることによって形成される。シート基
板２５２は下側主要面２５８を含んでおり、この面がエ
ッチングされて中央領域２５８Ａ、周縁領域２５８Ｂお
よびバイア周辺部２６５が形成され、絶縁セル２６４が
画定される。フローバイア２５４および絶縁セル２６４
は、下側主要面２５８でシート基板２５２が精密にエッ
チングされることによって形成される。シート基板プレ
ート２６６が中央孔２６８を画定する。この中央孔は、
シート基板プレート２６６を下側主要面２５８に結合し
たときにフローバイア２５４と同中心に一致する大きさ
で、整列している。シート基板２５２およびシート基板
プレート２６６は好ましくは精密にエッチング可能な物
質からなり、熱エネルギのバルブシート２６２から支持
体１１への伝導を最小化するように低い熱伝導率を有し
ている。このような好適な組成物の一つとしては、前述
の感光ガラスが挙げられる。さらに好ましいことは、絶
縁セル２６４が気体で充填された、または排気されてい
る体積を封入することによって断熱作用が最大となる等
の、適切な環境下で、シートプレート２６６が下側主要
面２５８に結合されることである。
アクチュエータの第２のおよび第３の好ましい実施例を
それぞれ図１５、１６に示す。図１５において、第２の
超小型バルブ１０Ｂは、図１に関して説明した上側基板
１５と、上側主要面２５３のリリーフ２５３Ａから延長
しているバルブシート２６２を含んでいるシート基板２
５２とを備えている。バルブシート２６２とリリーフ２
５３Ａは、上側主要面２５３でシート基板２５２が精密
にエッチングされることによって形成される。シート基
板２５２は下側主要面２５８を含んでおり、この面がエ
ッチングされて中央領域２５８Ａ、周縁領域２５８Ｂお
よびバイア周辺部２６５が形成され、絶縁セル２６４が
画定される。フローバイア２５４および絶縁セル２６４
は、下側主要面２５８でシート基板２５２が精密にエッ
チングされることによって形成される。シート基板プレ
ート２６６が中央孔２６８を画定する。この中央孔は、
シート基板プレート２６６を下側主要面２５８に結合し
たときにフローバイア２５４と同中心に一致する大きさ
で、整列している。シート基板２５２およびシート基板
プレート２６６は好ましくは精密にエッチング可能な物
質からなり、熱エネルギのバルブシート２６２から支持
体１１への伝導を最小化するように低い熱伝導率を有し
ている。このような好適な組成物の一つとしては、前述
の感光ガラスが挙げられる。さらに好ましいことは、絶
縁セル２６４が気体で充填された、または排気されてい
る体積を封入することによって断熱作用が最大となる等
の、適切な環境下で、シートプレート２６６が下側主要
面２５８に結合されることである。
【００３０】図１６において、第３の好適な超小型バル
ブ１０Ｃは、上側主要面３５３のリリーフ３５３Ａから
上方に延長するバルブシート３６２を備えたシート基板
３５２を含む。バルブシート３６２はシート基板３５２
の上側主要面３５３でエッチングをすることによって形
成される。シート基板３５２は下側主要面３５８、バイ
ア周辺部３６５およびシート基板３５２の上側主要面３
５３でエッチングをすることによって形成されたフロー
バイア３５４を含んでいる。シート基板３５２は、プレ
ス、ミル、エッチングあるいは他の周知の方法で加工さ
れたポートプレート３１１と結合し、絶縁セル３７４が
フローポート３７６のまわりに形成される。さらに好ま
しいことは、絶縁セルは気体が充填されているまたは排
気されている体積を封入することによって、第３の超小
型バルブ１０Ｃの断熱作用が最大とする適切な環境下
で、シート基板３５３は、バルブ支持プレート３７０と
結合する。ポートプレート３７０は、周知の方法で支持
体３１１に結合ないし固定される一方、フローポート３
７６がフローチャネル３１１Ａと同中心に整列すること
により、フローチャネル１１Ａとフロー・ポート３７６
からフローバイア３５４へ妨げられていない流れを可能
にする。第２の好適な実施例のシート基板２５２と同様
に、第３の好適な実施例のシート基板３５２は、低い熱
伝導率を有する精密にエッチング可能な物質から好適に
形成され、これによってバルブシート３６２からポート
プレート３７０への熱エネルギの伝導が最小化される。
この種の好ましい組成物の一つとしては、前述の感光ガ
ラスがある。ポートプレート３７０は、断熱効果を高め
るために感光ガラスあるいは（あまり需要のない適用例
では）金属またはプラスチック等の他の物質のような精
密にエッチング可能な物質から形成できる。
ブ１０Ｃは、上側主要面３５３のリリーフ３５３Ａから
上方に延長するバルブシート３６２を備えたシート基板
３５２を含む。バルブシート３６２はシート基板３５２
の上側主要面３５３でエッチングをすることによって形
成される。シート基板３５２は下側主要面３５８、バイ
ア周辺部３６５およびシート基板３５２の上側主要面３
５３でエッチングをすることによって形成されたフロー
バイア３５４を含んでいる。シート基板３５２は、プレ
ス、ミル、エッチングあるいは他の周知の方法で加工さ
れたポートプレート３１１と結合し、絶縁セル３７４が
フローポート３７６のまわりに形成される。さらに好ま
しいことは、絶縁セルは気体が充填されているまたは排
気されている体積を封入することによって、第３の超小
型バルブ１０Ｃの断熱作用が最大とする適切な環境下
で、シート基板３５３は、バルブ支持プレート３７０と
結合する。ポートプレート３７０は、周知の方法で支持
体３１１に結合ないし固定される一方、フローポート３
７６がフローチャネル３１１Ａと同中心に整列すること
により、フローチャネル１１Ａとフロー・ポート３７６
からフローバイア３５４へ妨げられていない流れを可能
にする。第２の好適な実施例のシート基板２５２と同様
に、第３の好適な実施例のシート基板３５２は、低い熱
伝導率を有する精密にエッチング可能な物質から好適に
形成され、これによってバルブシート３６２からポート
プレート３７０への熱エネルギの伝導が最小化される。
この種の好ましい組成物の一つとしては、前述の感光ガ
ラスがある。ポートプレート３７０は、断熱効果を高め
るために感光ガラスあるいは（あまり需要のない適用例
では）金属またはプラスチック等の他の物質のような精
密にエッチング可能な物質から形成できる。
【００３１】本発明はシリコンあるいは感光ガラス基板
より製造するたものを説明してきたが、他の物質も使用
可能である。例えば、ガリウムひ素のような他の結晶基
板も使用できる。説明した実施例の構造の変形は、エッ
チング・レジスタント・コーティングの異なるパターン
の使用によって実行される。加えて、二酸化シリコン等
の別のコーティングを完成された構造体の表面に被着ま
たは成長させることもできる。
より製造するたものを説明してきたが、他の物質も使用
可能である。例えば、ガリウムひ素のような他の結晶基
板も使用できる。説明した実施例の構造の変形は、エッ
チング・レジスタント・コーティングの異なるパターン
の使用によって実行される。加えて、二酸化シリコン等
の別のコーティングを完成された構造体の表面に被着ま
たは成長させることもできる。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように、本願発明に係るマ
イクロアクチュエータは、断熱構造であることより、電
力消費の低減をはかり、さらに、マイクロアクチュエー
タの熱容量を減少させることにより、応答性を向上させ
ることができる。
イクロアクチュエータは、断熱構造であることより、電
力消費の低減をはかり、さらに、マイクロアクチュエー
タの熱容量を減少させることにより、応答性を向上させ
ることができる。
【図１】本発明の一実施例であるマイクロアクチュエー
タの分解側面図。
タの分解側面図。
【図２】図１の断面図。
【図３】従来の閉状態の超小型バルブの側面図。
【図４】従来の開状態の超小型バルブの側面図。
【図５】本発明の一実施例であるマイクロアクチュエー
タの製造工程を説明するための図。
タの製造工程を説明するための図。
【図６】本発明の一実施例であるマイクロアクチュエー
タの製造工程を説明するための図。
タの製造工程を説明するための図。
【図７】本発明の一実施例であるマイクロアクチュエー
タの製造工程を説明するための図。
タの製造工程を説明するための図。
【図８】本発明の一実施例であるマイクロアクチュエー
タの製造工程を説明するための図。
タの製造工程を説明するための図。
【図９】本発明の一実施例であるマイクロアクチュエー
タの製造工程を説明するための図。
タの製造工程を説明するための図。
【図１０】本発明の一実施例であるマイクロアクチュエ
ータの製造工程を説明するための図。
ータの製造工程を説明するための図。
【図１１】本発明の一実施例であるマイクロアクチュエ
ータの製造工程を説明するための図。
ータの製造工程を説明するための図。
【図１２】本発明の他の実施例であるマイクロアクチュ
エータの製造工程を説明するための図。
エータの製造工程を説明するための図。
【図１３】本発明の他の実施例であるマイクロアクチュ
エータの製造工程を説明するための図。
エータの製造工程を説明するための図。
【図１４】本発明の他の実施例であるマイクロアクチュ
エータの製造工程を説明するための図。
エータの製造工程を説明するための図。
【図１５】本発明の他の実施例であるマイクロアクチュ
エータの分解側面図。
エータの分解側面図。
【図１６】本発明の他の実施例であるマイクロアクチュ
エータの分解側面図。
エータの分解側面図。
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ： 超小型バルブ １２：シート基板 １５：上側基板 １１Ａ：フローチャネル １１：支持体 １８：ボス １４：フローバイア １９：ニッケル層 ３４：絶縁セル
Claims (18)
- 【請求項１】支持体に取付可能な熱駆動マイクロアクチ
ュエータにおいて、 サーマルアクチュエータによって選択的に操作される熱
駆動部材を有し、熱エネルギをその中において生成する
第１の基板と、 対向する第１および第２主要面を有し、前記第１主要面
は前記第１基板に取付けられ、前記第２主要面は支持体
に取付られる第２の基板とを具備し、 前記第２の主要面は前記第２の基板が前記支持体に取付
けられるとき、体積を封入する絶縁セルを画定し、これ
により、前記マイクロアクチュエータの熱容量を減少さ
せ、前記第１の基板内に生じた熱エネルギを断熱するこ
とを特徴とするマイクロアクチュエータ。 - 【請求項２】前記絶縁セルは前記第２の主要面の表面積
の１０％から９０％を占め、前記絶縁セルの深さは前記
第１の基板の厚さの１０％から９０％の間であることを
特徴とする請求項第１項記載のマイクロアクチュエー
タ。 - 【請求項３】前記第２の基板はシリコンウエハであるこ
とを特徴とする請求項題１項記載のマイクロアクチュエ
ータ。 - 【請求項４】前記第２の基板は感光ガラス材料からなる
ことを特徴とする請求項題１項記載のマイクロアクチュ
エータ。 - 【請求項５】前記サーマルアクチュエータはさらにそれ
ぞれ異なる熱膨張率を有する第１および第２材料層と、
第１、第２の層の異なる膨張を誘起するために前記第
１、第２層のどちらかと熱的に結合する加熱手段を含む
ことを特徴とする請求項第１項記載のマイクロアクチュ
エータ。 - 【請求項６】前記第１の材料層はシリコンで、前記第２
材料層は金属であることを特徴とする請求項第５項記載
のマイクロアクチュエータ。 - 【請求項７】前記第１および第２の基板は互いに結合し
ており、前記第２の主要面は前記支持体と結合している
ことを特徴とする請求項第１項記載のマイクロアクチュ
エータ。 - 【請求項８】その体積は気体で充填されていることを特
徴とする請求項第１項記載のマイクロアクチュエータ。 - 【請求項９】その体積は排気されていることを特徴とす
る請求項第１項記載のマイクロアクチュエータ。 - 【請求項１０】前記第２の主要面は、中央領域と周辺領
域とそれらの間に設けられた絶縁セルより成り、前記第
２の基板はさらに前記中央領域と前記第１の主要面の間
に伸びているフローバイアを備え、前記フローバイア
は、前記支持体のフローチャネルと整列し、流体流に影
響を与えるものであり、さらに、前記熱駆動部材の駆動
によって閉じられることを特徴とする請求項第１項記載
のマイクロアクチュエータ。 - 【請求項１１】請求項第１０項記載のマイクロアクチュ
エータはさらにフローバイアと整列するフローチャネル
を有する基板プレートを有し、前記基板プレートは前記
第２の主要面に固定され、前記支持体の代わりに絶縁セ
ルを封入することを特徴とするマイクロアクチュエー
タ。 - 【請求項１２】 第２基板が、第１、第２主面間に挿入
され、フロー・バイアと周縁域間に横方向に延長すると
ともに、第２基板の残りの部分の熱伝導率よりも小さい
熱伝導率を有する熱エネルギの横方向の流れを妨げるよ
うな構造層をさらに含んでいることを特徴とする請求項
１０に記載のマイクロアクチュエータ。 - 【請求項１３】前記第２の基板はシリコンウエハと二酸
化シリコンからなる構成層を備えることを特徴とする請
求項第１２項記載のマイクロアクチュエータ。 - 【請求項１４】前記支持体の中のフローチャネルによっ
て運搬される流体流を制御する超小型バルブであって、 サーマルアクチュエータによって選択的に駆動される熱
駆動部材を有し、それによりその中で熱エネルギを発生
する第１の基板と、 対向する第１と第２の主要面を有する第２の基板と、前
記第２の基板は、第１の主要面において前記第１の基板
に取付けられ、前記第２の主要面は、中央領域と周辺領
域を有し、さらに、前記中央領域と前記第１の主要面の
間に伸びるフローバイアを備えており、その中を流体流
が流れ、前記フローバイアは熱駆動部材によって閉じら
れるものであり、 上側および下側対向表面を有するポートプレートとそれ
らの間のフロープレートから成り、前記上側表面は体積
を封入する絶縁セルを画定し、前記フローポートは前記
フローバイアと前記フローチャネルと整列し、前記上側
表面は前記第２の主要面に取付けられ、前記絶縁セルを
封入することによって、前記第１の基板内に生成された
熱エネルギの少なくとも一部分を断熱することを特徴と
する超小型バルブ。 - 【請求項１５】前記第２の基板は感光ガラス材料である
ことを特徴とする請求項第１４項記載のバルブ。 - 【請求項１６】前記ポート・プレートは感光ガラス材料
であることを特徴とする請求項第１４項記載のバルブ。 - 【請求項１７】支持体のフローチャネルによって運搬さ
れる流体流を制御する超小型バルブであって、 互いに対向する第１と第２の主要面を有し、前記第１の
主要面は、中央域と周縁域とこれらの間に画定された絶
縁セルを備え、前記第２の主要面はバルブシート構造を
含み、 前記バルブシート構造と前記中央領域の間に伸長するフ
ローバイアを有し、 前記フローバイアは前記チャネルと流体連結するため支
持体上で整列可能であり、前記第１の主要面は前記絶縁
セルと前記支持体の間の体積を封入する前記支持体上に
配置可能であり、よって、前記第１の基板を支持体に関
して熱的に絶縁するものであり、 前記バルブシート構造の開閉位置に関して取付可能なボ
スを有する上側基板と、それによって流れの流体流を可
能にし、 前記開位置と前記閉位置間でボスを選択的に変位させる
サーマルアクチュエータとを具備することを特徴とする
超小型バルブ。 - 【請求項１８】支持体のフローチャネルによって運搬さ
れる流体を制御する超小型バルブを形成する方法であっ
て、 第１、第２の主要面を有する第１の基板を製造し、 前記第１の主要面上に第１のマスクをパターン化し、前
記第１の主要面の中央領域に第１の露出領域を残し、 前記第１の露出領域をエッチングして前記第１の基板の
第１の部分を除去し、前記第１の基板の少なくとも一部
を通って延長する第１の傾斜壁を有する第１バイアを形
成し、 前記第１のマスク部分を除去し、前記第１のバイアと周
辺部間に設けられた第１の主要面の第２の露出領域を残
し、 前記第１の主要面を異方性エッチングして、前記第１の
主要面から第２の主要面へ前記第１バイアの伸長をおこ
ない、第２の露出領域に対応する前記基板の第２部分を
残し、これによって絶縁セルを形成し、 フローバイアへの流体流を阻止するために閉位置に流体
のフローバイア中の流れを可能とするために開位置に取
付可能な熱的に駆動される部材を含む前記第２の基板を
製造し、 前記第１、第２基板を互いに結合することから成ること
を特徴とする超小型バルブの形成方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/295,127 US5529279A (en) | 1994-08-24 | 1994-08-24 | Thermal isolation structures for microactuators |
| US295,127 | 1994-08-24 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08114278A true JPH08114278A (ja) | 1996-05-07 |
Family
ID=23136323
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7239230A Pending JPH08114278A (ja) | 1994-08-24 | 1995-08-24 | マイクロアクチュエータ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5529279A (ja) |
| JP (1) | JPH08114278A (ja) |
| DE (1) | DE19509026C2 (ja) |
| GB (1) | GB2292608B (ja) |
Families Citing this family (54)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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