JPH08210519A - Microminiature device - Google Patents

Microminiature device

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JPH08210519A
JPH08210519A JP29354995A JP29354995A JPH08210519A JP H08210519 A JPH08210519 A JP H08210519A JP 29354995 A JP29354995 A JP 29354995A JP 29354995 A JP29354995 A JP 29354995A JP H08210519 A JPH08210519 A JP H08210519A
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JP
Japan
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valve seat
substrate
valve
flow passage
silicon
Prior art date
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Application number
JP29354995A
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Japanese (ja)
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Phillip W Barth
フィリップ・ダブリュ・バース
Christopher C Beatty
クリストファー・シー・ビーティ
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HP Inc
Original Assignee
Hewlett Packard Co
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve thermal insulation between a thermal driving substrate and a substrate including a valve orifice and a valve seat in a thermally-driven microactuator. SOLUTION: This device has (a) opposite main surfaces 130, 118A, a flow passage 114 extended from the main surface 130 to the main surface 118A, (b) an integral annular wall structure 131 projected from the main surface 130 to surround the flow passage 114 and provided with a vale seat, and (c) a valve seat substrate 112 installed adjacent to the integral annular wall structure 131 and provided with a recess 130A in the periphery of the main surface 130. Further the device has an upper substrate 113 including a valve surface which is installed adjacent to the valve seat substrate 128 and can be installed in a position to close to a valve seat 128 to obstruct a fluid flow passing through the flow passage 114 and in a position to open to the valve seat to pass the fluid flow through the flow passage.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は一般にマイクロミニ
チュア装置に関するものであり、更に詳細にはマイクロ
流体装置に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to microminiature devices, and more particularly to microfluidic devices.

【0002】[0002]

【技術背景】マイクロミニチュアメカニカル装置の発展
は、一般にマイクロマシーニングまたはマイクロファブ
リケーションといわれている手法を使用することにより
進歩してきた。たとえば、Angell,他による“S
ilicon Micromechanical De
vices”,Scientific America
n,(April 1983),pp.44〜55のメ
カニカル装置のマイクロファブリケーションの説明を参
照。
BACKGROUND OF THE INVENTION The evolution of microminiature mechanical devices has advanced by using techniques commonly referred to as micromachining or microfabrication. For example, "S by Angell, et al.
ilicon Micromechanical De
Vices ”, Scientific America
n, (April 1983), pp. See the description of the microfabrication of mechanical devices 44-55.

【0003】マイクロメカニカルアクチュエータ(以
下、「マイクロアクチュエータ」という)の基本的要件
は幾つかの機械的作動手段を設けなければならないとい
うことである。更に他の要件は作動手段が確実な作動の
ための十分な力を発生しなければならないということで
ある。たとえば、マイクロアクチュエータはガスクロマ
トグラフの毛細カラムを通るキャリアーガスの流れを制
御するのに使用するマイクロ弁の部分を備えることがで
きる。マイクロアクチュエータは、可動部材(典型的に
は、可動膜、ダイアフラム、またはボス)を平方インチ
あたり200ポンド(1375キロパスカル)の圧力に
対抗して100ミクロンもの距離を通じて変位せること
により、流体通路を開いたり閉じたりする必要がある場
合がある。
A basic requirement of micromechanical actuators (hereinafter "microactuators") is that some mechanical actuation means must be provided. Yet another requirement is that the actuation means must generate sufficient force for reliable actuation. For example, the microactuator can comprise a portion of a microvalve used to control the flow of carrier gas through the capillary column of a gas chromatograph. Microactuators move fluid members by moving a moving member (typically a moving membrane, diaphragm, or boss) through a distance of 100 microns against a pressure of 200 pounds per square inch (1375 kilopascals). May need to be opened and closed.

【0004】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る。マイクロアクチュエー
タは加えられた電力を作動力に変換するのに各種手法の
うちの一つを採用している。しばしば、加えられる電力
は一部または全部が熱パワーに変換され、このようなマ
イクロアクチュエータは熱的に駆動されていると考える
ことができる。
Power from an external power supply is typically supplied to the microactuator. Microactuators employ one of a variety of techniques to convert the applied power into actuating force. Often, the applied power is partially or wholly converted to thermal power, and such microactuators can be considered thermally driven.

【0005】マイクロミニチュア弁で熱的に駆動される
作動力を発生するのに、マイクロマシーニングにより加
工したバイメタル製の脚の配列が使用されてきた。バイ
メタル製の脚が加熱されるにつれて、その構造内にオリ
フィスに隣接する突出ボスを撓める応力が発生し、取り
付けた流体支持システムへの流体の流れを増減させる。
たとえば、Barth他に対して発行された、共通に譲
渡されている米国特許第5,333,831号から再録
した図1を参照すると、マイクロミニチュア弁10が基
台として働く弁座基板12、および上部基板13を備え
て図示されている。中心流れ通路(via)14が弁座
基板12を貫いて形成されている。弁座基板12の上の
上部基板13に支持されて:固定周辺16、好適にはシ
リコンで形成されている中心ボス18、および脚20,
22が存在している。上部基板13の長さおよび幅は弁
座基板12の寸法に合っている。
Arrays of bimetal legs machined by micromachining have been used to generate thermally actuated actuation forces in microminiature valves. As the bimetal leg heats up, stresses are created in its structure to deflect the protruding boss adjacent the orifice, increasing or decreasing fluid flow to the attached fluid support system.
For example, referring to FIG. 1, reproduced from commonly assigned US Pat. No. 5,333,831, issued to Barth et al., A valve seat substrate 12 on which a microminiature valve 10 serves as a base. And an upper substrate 13 is shown. A central flow passage (via) 14 is formed through the valve seat base plate 12. Supported on the upper substrate 13 above the valve seat substrate 12: a fixed periphery 16, a central boss 18, preferably made of silicon, and legs 20,
There are 22. The length and width of the upper substrate 13 match the dimensions of the valve seat substrate 12.

【0006】上部基板13の構造および動作は、Gor
don他に与えられた、共通に譲渡されている米国特許
第5,058,856号に説明されている。簡潔に述べ
れば、ニッケルの層がスパッタリング、写真平板法、お
よび電気めっきの技法を用いて上部基板13の上に堆積
され、パターン化されている。脚20および22の配列
は固定周辺16をボス18に接合している。ニッケルの
抵抗性層がボスの上面に存在し、ボスおよび脚を加熱す
るのに使用することができる。上部基板13を加熱する
と、シリコンとニッケルとの熱膨張係数の差が脚20,
22を円弧にし、ボス18を弁座28から遠くへ持ち上
げ、弁座基板12の上部主面から上方に突出させる。ボ
ス18が弁座基板12から隔たっていると、流れ通路1
4は周囲の体積24と流体連絡する。一方、この体積2
4は流体をマイクロミニチュア弁10によりそれに対す
る流れを調整しようとする装置と流体連絡している(代
わりに、円弧形脚以外の手段による作動があってもよ
い)。弁座28は支持面32を備えており、ボスが閉じ
た位置にあるときこの面に対してボス18が座る。
The structure and operation of the upper substrate 13 is Gor
Commonly assigned US Pat. No. 5,058,856 to Don et al. Briefly, a layer of nickel has been deposited and patterned on top substrate 13 using sputtering, photolithographic, and electroplating techniques. The array of legs 20 and 22 joins the fixed perimeter 16 to the boss 18. A resistive layer of nickel is present on the top surface of the boss and can be used to heat the boss and legs. When the upper substrate 13 is heated, the difference in the coefficient of thermal expansion between silicon and nickel causes the legs 20,
22 is an arc, and the boss 18 is lifted away from the valve seat 28 so as to project upward from the upper main surface of the valve seat base plate 12. When the boss 18 is separated from the valve seat base plate 12, the flow passage 1
4 is in fluid communication with the surrounding volume 24. On the other hand, this volume 2
4 is in fluid communication with the device which seeks to regulate the flow therethrough by means of a microminiature valve 10 (alternatively there may be actuation by means other than arcuate legs). The valve seat 28 includes a bearing surface 32 against which the boss 18 sits when the boss is in the closed position.

【0007】マイクロミニチュア弁10の性能は大部分
がその熱抵抗特性によって決まる。たとえば、マイクロ
ミニチュア弁10がパワーが加えられないとき通常閉じ
ていれば、またアクチュエータからその周囲への熱抵抗
が低ければ、マイクロミニチュア弁10は開くのに比較
的大量のパワーを必要とするが、パワーが除去されると
急速に冷却し、したがって急速に閉じる。マイクロミニ
チュア弁10から周囲への熱抵抗が高ければ、マイクロ
ミニチュア弁10は開くのに少ないパワーしか必要とし
ないが、一層ゆっくり冷却し、したがって一層ゆっくり
閉じる。
The performance of the microminiature valve 10 is largely determined by its thermal resistance characteristics. For example, if the microminiature valve 10 is normally closed when no power is applied, and if the thermal resistance from the actuator to its surroundings is low, the microminiature valve 10 requires a relatively large amount of power to open. , It cools rapidly when power is removed and therefore closes rapidly. If the thermal resistance from the microminiature valve 10 to the surroundings is high, the microminiature valve 10 requires less power to open, but cools more slowly and therefore more slowly.

【0008】熱パワーは上部基板13から幾つかの経路
を通って幾つかの態様で流れる。マイクロミニチュア弁
10が閉じると、ボス18は弁座28と接触する。熱パ
ワーはそれでボス18から弁座28を通って弁座基板1
2の大部に固相伝導により流れる。熱パワーはまたアク
チュエータの脚20,22から固定周辺16へ、したが
って弁座基板12へ固相伝導により流れる。熱パワーの
気相伝導は上部基板13の下面から弁座基板12へ、お
よび上部基板13の上面から周囲パッケージ(図示せ
ず)へも行なわれる。弁座基板12に流入する熱パワー
は更に下面38と接触している構造のような、弁座基板
12と接触している熱伝導性パッケージ構造に流入す
る。
Thermal power flows from upper substrate 13 through several paths and in several ways. When the microminiature valve 10 is closed, the boss 18 contacts the valve seat 28. Thermal power is then passed from the boss 18 through the valve seat 28 to the valve seat substrate 1
It flows to most of 2 by solid state conduction. Thermal power also flows from the actuator legs 20, 22 to the fixed perimeter 16 and thus to the valve seat substrate 12 by solid state conduction. Gas-phase conduction of thermal power is also performed from the lower surface of the upper substrate 13 to the valve seat substrate 12 and from the upper surface of the upper substrate 13 to a surrounding package (not shown). The thermal power flowing into the valve seat substrate 12 also flows into the thermally conductive package structure in contact with the valve seat substrate 12, such as the structure in contact with the lower surface 38.

【0009】マイクロミニチュア装置により消費される
パワーを、特に高速作動が重要でないマイクロミニチュ
ア弁で、可能なかぎり小さくしたいことがしばしばあ
る。しかし、従来技術の方法は上部基板13から下部基
板12への固相伝導または気相伝導により失われるパワ
ーに十分留意していなかった。
It is often desirable to minimize the power consumed by a microminiature device, especially for microminiature valves where high speed operation is not critical. However, the prior art methods have not paid sufficient attention to the power lost by solid phase conduction or vapor phase conduction from the upper substrate 13 to the lower substrate 12.

【0010】[0010]

【発明の目的】本発明は、熱作動マイクロアクチュエー
タで(および特に図1に示したようなマイクロミニチュ
ア弁10において)、熱駆動基板と弁オリフィスおよび
弁座が入っている基板との間の熱絶縁を改善することを
目的とする。
OBJECTS OF THE INVENTION The present invention is a thermally actuated microactuator (and particularly in a microminiature valve 10 such as that shown in FIG. 1), the heat between a thermally driven substrate and a substrate containing a valve orifice and a valve seat. Intended to improve insulation.

【0011】[0011]

【発明の概要】流体の流れを制御する装置を本発明によ
り構成することができる。この装置は、対向する第1お
よび第2の主面、および前記第1の主面から前記第2の
主面まで伸張する流れ通路、前記第1の主面から突出
し、流れ通路を取り囲み、弁座を備えている一体型円環
壁構造、および前記第1の主面内で周辺に設置され、前
記一体型円環壁構造に隣接している凹みを備えている弁
座基板、を含んでいる。上部基板が弁座基板に隣接して
設置され、前記流れ通路を通る流体流を妨害するよう弁
座に対して閉じた位置、および流体流を前記流れ通路を
通すよう弁座に対して開いた位置に設置し得る弁面を備
えている。凹みは、それぞれ上向き表面積全体および弁
座基板の厚さ全体に比較して、表面積および深さの十分
な組合せを有し、上部基板と弁座基板との間の気相伝導
が減るようになっている。円環壁構造を上部基板から弁
座基板への固相伝導を可能なかぎり小さくするために構
成することができる。
SUMMARY OF THE INVENTION A device for controlling fluid flow can be constructed in accordance with the present invention. The device includes opposing first and second major surfaces and a flow passage extending from the first major surface to the second major surface, projecting from the first major surface, surrounding the flow passage, and closing the valve. An integral toroidal wall structure having a seat, and a valve seat base plate peripherally disposed within the first major surface and having a recess adjacent the integral toroidal wall structure. There is. An upper substrate is installed adjacent to the valve seat substrate, closed to the valve seat to impede fluid flow through the flow passage, and open to the valve seat to allow fluid flow through the flow passage. It has a valve face that can be installed in position. The depressions have a sufficient combination of surface area and depth compared to the overall upward surface area and the overall thickness of the valve seat substrate, respectively, such that vapor phase conduction between the upper substrate and the valve seat substrate is reduced. ing. The annular wall structure can be configured to minimize solid phase conduction from the top substrate to the valve seat substrate.

【0012】本発明の他の長所はマイクロミニチュア弁
を形成する方法が中心流れ通路のオリフィスおよび弁座
を製作プロセスが過剰エッチングおよび過小エッチング
を受けないように自己整合させることである。異方性エ
ッチングはエッチング時間にかかわらず弁座の幾何学的
構成を一定にする。エッチングの継続時間は弁座の深さ
に影響するが、平行な{111}方向の壁の形成後、弁
座の断面構成が一般に固定される。
Another advantage of the present invention is that the method of forming the microminiature valve self aligns the orifice and valve seat of the central flow passage so that the fabrication process is not subject to over-etching and under-etching. Anisotropic etching keeps the valve seat geometry constant regardless of etching time. The duration of the etching affects the depth of the valve seat, but the cross-sectional configuration of the valve seat is generally fixed after the formation of parallel {111} direction walls.

【0013】マイクロミニチュア弁の製作は弁座基板の
上部および下部の両主面の所定部分をマスクする階梯を
含んでいる。第1の領域は下部主面で露出したままにな
っている。露出している第1の領域をエッチすると、基
板を貫いて部分的にまたは全体的に通路を形成する。好
適には、エッチングプロセスはエッチした通路に{11
1}方向の壁を形成する方向依存エッチングを採用す
る。前面をパターン化して、続いてエッチして凹みおよ
び円環壁構造を形成することになるマスク域を形成す
る。前面からの方向依存エッチングはまた更に通路を整
形し、面積がオリフィスで最小でその断面積がオリフィ
スからの距離の増大と共に増大する中心流れ通路を形成
する{111}壁を作成する。
Fabrication of a microminiature valve includes a ladder that masks selected portions of both the upper and lower major surfaces of the valve seat substrate. The first region remains exposed on the lower major surface. Etching the exposed first region partially or wholly forms a passage through the substrate. Preferably, the etching process is performed on the etched path with {11
Employ direction-dependent etching that forms walls in the 1} direction. The front surface is patterned and subsequently etched to form mask areas that will form depressions and torus wall structures. Direction-dependent etching from the front also further shapes the passages, creating {111} walls that form a central flow passage whose area is smallest at the orifice and whose cross-sectional area increases with increasing distance from the orifice.

【0014】[0014]

【本発明を実施する最良態様】下記説明はマイクロミニ
チュア弁の形を成すマイクロアクチュエータを目指して
いるが、本発明の教示は高温で極小消費動力で動作する
熱駆動マイクロ装置の他の形式にも用途があると考えら
れる。マイクロ装置をこのように「熱的に駆動される」
と特徴付けることは、加えられるパワーを可動部材を動
かす作動力に変換して動作するものを含むことを意味
し、この場合変換は変換の途中で生ずる熱エネルギの保
存または分離から利益を得ている。例として、気体また
は液体の膨張/収縮のプロセスで、気体または液体の相
変化、またはバイメタルまたは形状記憶材料の変化に従
って、発生する力により駆動されるマイクロアクチュエ
ータが挙げられる。したがって、本発明は、機械装置ま
たはシステムで、または流体(気体および液体を含む)
の流れのような物理現象、電気的および電子的パラメー
タ(キャパシタンス、電流、および電圧電位のよう
な)、音響的および光学的パラメータ(反射、吸収、ま
たは回折のような)、および簡単な寸法パラメータ(加
速度、圧力、長さ、深さ、などのような)で動作するの
に使用できる多様なマイクロアクチュエータに用途があ
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Although the following description is directed to a microactuator in the form of a microminiature valve, the teachings of the present invention apply to other types of thermally actuated microdevices that operate at high temperatures with minimal power consumption. It is considered to have uses. Microdevices are thus "thermally driven"
Is meant to include those that operate by converting the applied power into an actuating force that moves a movable member, where the conversion benefits from the conservation or separation of thermal energy generated during the conversion. . Examples include microactuators driven by forces generated in the process of expansion / contraction of a gas or liquid according to the phase change of the gas or liquid or the change of the bimetal or shape memory material. Accordingly, the present invention is a mechanical device or system, or fluids (including gases and liquids).
Physical phenomena such as current flow, electrical and electronic parameters (such as capacitance, current, and voltage potential), acoustic and optical parameters (such as reflection, absorption, or diffraction), and simple dimensional parameters There are applications in a variety of microactuators that can be used to operate at (such as acceleration, pressure, length, depth, etc.).

【0015】図2および図2(図2の破線部分の拡大
図)を参照すると、マイクロミニチュア弁110の形を
成す新規なマイクロアクチュエータの第1の好適実施例
は基台として働く弁座基板112を備えている。弁座基
板112は好適には、図4〜図11に関して下に説明す
るようにバッチ処理工程を使用してウェーハから製作さ
れてきたシリコンオリフィスチップである。中心流れ通
路114は弁座基板112を貫いて形成されている
(「通路」という用語はここでは製作された層にある細
かい貫通穴を述べるのに使用する)。弁座基板112の
上部に支持されているのは固定周辺116および中心ボ
ス118の形を成す熱作動部材を備えた、シリコンから
形成されている上部基板113である。上部基板113
の長さおよび幅は弁座基板112のそれぞれの寸法にほ
ぼ合っている。
Referring to FIGS. 2 and 2 (enlarged view of the dashed portion of FIG. 2), a first preferred embodiment of a novel microactuator in the form of a microminiature valve 110 is a valve seat substrate 112 which serves as a base. Is equipped with. The valve seat substrate 112 is preferably a silicon orifice chip that has been fabricated from a wafer using a batch processing process as described below with respect to FIGS. A central flow passage 114 is formed through the valve seat substrate 112 (the term "passage" is used herein to describe the fine through holes in the fabricated layer). Supported on the top of the valve seat substrate 112 is an upper substrate 113 formed of silicon with a fixed periphery 116 and a thermally actuated member in the form of a central boss 118. Upper substrate 113
The lengths and widths of the are substantially matched to the respective dimensions of the valve seat substrate 112.

【0016】熱駆動アクチュエータは上部基板113
に、好適にはバイメタル素子の配列の形を成して、設け
られ、バイメタル素子の一部は熱膨張係数が残りの部分
より高く、バイメタル素子の温度が変化すると運動を生
ずるようになる。「バイメタル」および「バイメタル
性」という用語はその慣習的意味に限定されず、たとえ
ば、バイメタル素子内の一つまたは二つの部分が実際に
は非金属でよい。好適には、例示した実施例では、バイ
メタル素子の一部はニッケルであり、バイメタル素子内
の他の部分は、半導体であるシリコンである。
The thermal actuator is the upper substrate 113.
In addition, preferably provided in the form of an array of bimetal elements, some of the bimetal elements have a higher coefficient of thermal expansion than the rest of the bimetal elements, so that when the temperature of the bimetal elements changes, movement occurs. The terms "bimetal" and "bimetallic" are not limited to their conventional meaning, eg, one or two parts within a bimetal element may actually be non-metallic. Preferably, in the illustrated embodiment, a portion of the bimetal element is nickel and the other portion of the bimetal element is the semiconductor silicon.

【0017】脚120,122の形を成すバイメタル素
子はシリコン層の上にニッケルの層を備え、ニッケル層
およびシリコン層の厚さは各々、たとえば、30ミクロ
ンである。脚120および122は、固定周辺116を
中心ボス118に接合している。抵抗性ヒータ(図示せ
ず)が上部基板113の上面に隣接して脚120および
122に非常に近接して設置されている。上部基板11
3が抵抗性ヒータに電流を導入することにより加熱され
ると、シリコンおよびニッケルの熱膨張係数の差が脚1
20,122を円弧に曲げ、ボス118を弁座128か
ら遠くに持ち上げる。ボス118が弁座112から離れ
ると、流れ通路114が喉132と周囲体積124との
間を流体連絡する。一方、周囲体積124が、それに対
する流れをマイクロミニチュア弁110により調整しよ
うとする装置(図示せず)と流体連絡する。熱始動作動
の好適態様および上部基板113の構造および動作は、
共通に譲渡されているGordon他の米国特許第5,
058,856号、および共通に譲渡されているBar
th,他の米国特許5,333,831号に示されてい
る。これらの開示をここに引用して取り入れてある。
The bimetal element in the form of legs 120, 122 comprises a layer of nickel on top of a silicon layer, the thickness of the nickel layer and the silicon layer each being, for example, 30 microns. Legs 120 and 122 join fixed perimeter 116 to central boss 118. A resistive heater (not shown) is placed adjacent to the top surface of upper substrate 113 and in close proximity to legs 120 and 122. Upper substrate 11
When 3 is heated by introducing an electric current into the resistive heater, the difference in the coefficient of thermal expansion of silicon and nickel is
Bend 20, 122 into an arc and lift the boss 118 farther from the valve seat 128. When the boss 118 separates from the valve seat 112, the flow passage 114 provides fluid communication between the throat 132 and the surrounding volume 124. Meanwhile, the surrounding volume 124 is in fluid communication with a device (not shown) whose flow is intended to be regulated by the microminiature valve 110. The preferred embodiment of the thermal start-up operation and the structure and operation of the upper substrate 113 are
Commonly assigned Gordon et al. US Pat. No. 5,
No. 058,856, and the commonly assigned Bar
Th, et al., U.S. Pat. No. 5,333,831. These disclosures are incorporated herein by reference.

【0018】マイクロミニチュア弁110が、脚120
および122の配列を備えているとして説明するが、本
発明は円弧を成す脚による作動に限定されない。たとえ
ば、中心ボス118を固定周辺116に接続する構造
は、代わりに選択的に撓んで流れ通路114と周囲体積
124との間の流体流を調整する固い円形ダイアフラム
として設けることができる。
The microminiature valve 110 has a leg 120.
And 122, but the invention is not limited to actuation by arcuate legs. For example, the structure connecting the central boss 118 to the fixed perimeter 116 may instead be provided as a rigid circular diaphragm that selectively flexes to regulate fluid flow between the flow passage 114 and the surrounding volume 124.

【0019】弁座基板112は好適に中空の截頭角錐の
形を成す環状壁構造119を備えている。この説明の目
的では、「環状」という用語は多角形の他に円形または
円錐の構造をも含むことを意味する。環状壁構造119
は弁座128により囲まれているオリフィス127を備
えている。弁面118Aは中心ボス118が閉じた位置
にあるとき弁座128に対して座っている。弁座128
は喉壁131から突出している弁座壁129の上部に形
成されている。環状壁構造119は弁座基板112の上
部主面130に形成されている凹み130Aを規定する
周辺112Cにより囲まれている。以下に一層完全に説
明するように、環状壁構造119および凹み130Aは
好適に上部主面130および下部主面138で弁座基板
112の方向依存エッチングにより形成されている。弁
座128の幅は変えてよいが、弁座が弁座128と弁面
118Aとの間で繰り返し接触するとき破壊を受けない
だけ十分大きく選定すべきである。
The valve seat substrate 112 comprises an annular wall structure 119, preferably in the form of a hollow truncated pyramid. For the purposes of this description, the term "annular" is meant to include polygonal as well as circular or conical structures. Annular wall structure 119
Has an orifice 127 surrounded by a valve seat 128. The valve face 118A sits against the valve seat 128 when the central boss 118 is in the closed position. Valve seat 128
Is formed on the valve seat wall 129 protruding from the throat wall 131. The annular wall structure 119 is surrounded by a perimeter 112C defining a recess 130A formed in the upper main surface 130 of the valve seat substrate 112. As described more fully below, the annular wall structure 119 and the recess 130A are preferably formed in the upper major surface 130 and the lower major surface 138 by direction dependent etching of the valve seat substrate 112. The width of the valve seat 128 may vary, but should be chosen large enough not to be destroyed when the valve seat repeatedly contacts between the valve seat 128 and the valve surface 118A.

【0020】凹み130A、喉壁131、弁座128、
および弁座基板112のオリフィス127の特定の構成
により空気的および熱的特性が、従来技術に比較して向
上している。先に記したとおり、熱作動弁110の設計
の目標は無駄な熱パワーを最小限にすることである。典
型的には、パワーは上部基板113から幾つかの仕方
で、すなわち弁座128を貫くコンダクタンスにより、
脚120,122を通る熱伝導経路により、周囲体積1
24内のガスのおよび上部基板113の上方のガスの対
流加熱により、上部基板113の上面からの気相伝導に
より、上部基板113の上面から上にあるパッケージ部
材への気相伝導により、および周囲体積124のガスを
通る気相伝導流により、流れる。
The recess 130A, the throat wall 131, the valve seat 128,
Also, due to the particular configuration of the orifice 127 of the valve seat substrate 112, the aerodynamic and thermal properties are improved over the prior art. As noted above, the goal of the thermal actuation valve 110 design is to minimize wasted thermal power. Typically, power is derived from the top substrate 113 in several ways: by conductance through the valve seat 128.
Due to the heat conduction path through the legs 120, 122, the surrounding volume 1
Due to convective heating of the gases in 24 and above the upper substrate 113, vapor conduction from the top surface of the upper substrate 113, to the package members above the top substrate 113, and to the surroundings. It flows by a vapor-phase conduction flow through a gas of volume 124.

【0021】弁座基板112は、したがって上部基板1
13と弁座基板112との間の気相伝導を減らすように
凹み130Aを備えるよう構成される。好適には、弁座
基板112はそれぞれ弁座基板112の上向き表面積全
体および全体の厚さ112Dに比較して凹み130Aの
表面積および深さの十分な組合せを得るように構成さ
れ、上部基板113と弁座基板112との間の気相伝導
が従来技術に比較して少ないようにする。更に周辺11
2Cを十分厚くして凹み130Aの深さを極大にしなが
ら弁座基板112の全体としての機械的強度を適切にす
ることも望ましい。
The valve seat substrate 112, and thus the upper substrate 1,
13 is configured to have a recess 130A so as to reduce gas phase conduction between the valve 13 and the valve seat substrate 112. Preferably, the valve seat substrate 112 is configured to obtain a sufficient combination of the surface area and depth of the recesses 130A as compared to the overall upward surface area of the valve seat substrate 112 and the overall thickness 112D, respectively. The gas phase conduction between the valve seat substrate 112 and the valve seat substrate 112 is reduced as compared with the prior art. Further around 11
It is also desirable to make 2C thick enough to maximize the depth of the recess 130A and to make the mechanical strength of the valve seat substrate 112 as a whole suitable.

【0022】環状壁構造119に関する本明細書の教示
は上部基板113と弁座基板112との間の全体として
の熱コンダクタンスを極小にすることをも目指してい
る。たとえば、弁面118Aから弁座基板112までの
固相熱コンダクタンスを極小にするために、弁座壁12
9を強健な機械的強度と妥協することなく十分薄くし、
弁座128を十分薄くする。更に、喉壁131を十分薄
くして弁座壁129から弁座基板112への固相熱伝導
を極小にする。その結果、脚120,122の、所定温
度でボス118の所定変位を達成するパワー消費が大幅
に減少する。
The teachings herein of the annular wall structure 119 also aim to minimize the overall thermal conductance between the upper substrate 113 and the valve seat substrate 112. For example, in order to minimize the solid-state thermal conductance from the valve surface 118A to the valve seat substrate 112, the valve seat wall 12
Make 9 thin enough without compromising strong mechanical strength,
The valve seat 128 is made sufficiently thin. Further, the throat wall 131 is made sufficiently thin to minimize solid-phase heat conduction from the valve seat wall 129 to the valve seat substrate 112. As a result, the power consumption of the legs 120, 122 to achieve a given displacement of the boss 118 at a given temperature is significantly reduced.

【0023】第1の好適実施例では、凹み130Aは弁
座128により囲まれている断面積の少なくとも10倍
の表面積を包含している。凹み130Aの深さは環状壁
構造119の垂直高さに実質上等しくなっている。弁座
基板112の第2の実施例では、環状壁構造119の垂
直高さは喉壁131の最小横方向厚さの2倍から5倍ま
での範囲より大きい。弁座基板112の第3の実施例で
は、凹み130Aの表面積は好適に弁座基板113の上
向き表面積全体の25〜95%であり、凹み130Aの
深さは好適に弁座基板112の全体としての厚さ112
Dの25〜95%の間にあり、または周辺112Cの厚
さは弁座基板112の全厚さ112Dの約5〜75%の
範囲から選択されている。
In the first preferred embodiment, the recess 130A covers a surface area of at least 10 times the cross-sectional area enclosed by the valve seat 128. The depth of the recess 130A is substantially equal to the vertical height of the annular wall structure 119. In the second embodiment of the valve seat substrate 112, the vertical height of the annular wall structure 119 is greater than 2 to 5 times the minimum lateral thickness of the throat wall 131. In the third embodiment of the valve seat substrate 112, the surface area of the recess 130A is preferably 25-95% of the total upward surface area of the valve seat substrate 113, and the depth of the recess 130A is preferably as large as the entire valve seat substrate 112. The thickness of 112
Between 25 and 95% of D, or the thickness of the perimeter 112C is selected from the range of about 5 to 75% of the total thickness 112D of the valve seat substrate 112.

【0024】弁座基板112の第4の実施例では、全体
の厚さ112Dは500ミクロンより少なく、周辺11
2Dの厚さは300ミクロンより少なく、凹み130A
の深さは200ミクロンより大きく、または流れオリフ
ィスの断面積は360,000平方ミクロンより少な
い。
In a fourth embodiment of the valve seat substrate 112, the total thickness 112D is less than 500 microns and the perimeter 11
The thickness of 2D is less than 300 microns and the recess 130A
Depth is greater than 200 microns or the cross-sectional area of the flow orifice is less than 360,000 square microns.

【0025】オリフィスチップに弁座基板112を製作
する方法を次に全般的に説明し、弁座基板112の製作
の特定の工程を下に、図4〜図11に関して説明する。
更にアクチュエータ基板の製作に関する詳細はGord
onおよびBarthに与えられた、共通に譲渡されて
いる米国特許第5,058,856号に開示されてい
る。
A method of making the valve seat substrate 112 on the orifice tip will now be generally described, and specific steps in the fabrication of the valve seat substrate 112 will be described below with respect to FIGS.
Further details on the fabrication of the actuator substrate are Gord.
disclosed in commonly assigned US Pat. No. 5,058,856 to On and Barth.

【0026】図4〜図11は図2の弁座基板112を製
作する第1の好適な方法を示している。製作プロセスは
好適には、複数の弁座基板112を一つのシリコンウェ
ーハに同時に製作し、多数のシリコンウェーハをカセッ
ト内で同時に処理するバッチモードで行なわれる。製作
プロセスはウェーハ表面上の薄い膜をマスクしてエッチ
する幾つかの操作に加えて三つのシリコンエッチング操
作から構成されている。
FIGS. 4-11 illustrate a first preferred method of making the valve seat substrate 112 of FIG. The fabrication process is preferably performed in a batch mode in which multiple valve seat substrates 112 are simultaneously fabricated on one silicon wafer and multiple silicon wafers are processed simultaneously in a cassette. The fabrication process consists of three silicon etching operations in addition to some operations that mask and etch the thin film on the wafer surface.

【0027】製作プロセスは図4から始まる。シリコン
ウェーハ260を上および下の両方に低圧化学蒸着法
(LPCVD)により窒化シリコンの第1および第2の
層262,264で被覆する。優先的に、第1および第
2の窒化シリコン層262,264はシリコンリッチ付
着法により達成される低応力層である。続いて、クロム
層266を第1の窒化シリコン層262にスパッタ付着
により付着させる。
The fabrication process begins with FIG. Silicon wafer 260 is coated both top and bottom by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) with first and second layers 262 and 264 of silicon nitride. Preferentially, the first and second silicon nitride layers 262 and 264 are low stress layers achieved by the silicon rich deposition method. Subsequently, a chrome layer 266 is deposited on the first silicon nitride layer 262 by sputter deposition.

【0028】Karl Suss MA−25 アライ
ナーのような両面フォトマスクアライナーを使用して、
クロム層266および第2の窒化シリコン層264にフ
ォトレジストパターンを同時に形成する。中心領域26
9は、フォトレジストで定義され、次に慣習的プラズマ
エッチング法を使用して第2の窒化シリコン層264を
貫いてエッチし、後にエッチされてキャビティ279A
を形成することになるシリコンウェーハの一部を露出さ
せる。クロム層266の上のフォトレジストパターンを
ガラス上にクロムフォトマスキングパターンを製作する
のに知られている湿式エッチング法を使用してエッチす
る。内側環272は後に弁座128となる区域を形成
し、外側環274は後に弁座基板112の周辺で肩領域
の上面となる区域を形成する。この説明の目的では、
「円環」および「環」という用語は多角形の他に円形の
形態を含むことを意味している。特に、弁座128の好
適実施例は(上から見たとき)直線形態を形成している
が、他の形態を本発明により考えることができる。
Using a double sided photomask aligner, such as the Karl Suss MA-25 aligner,
A photoresist pattern is simultaneously formed on the chrome layer 266 and the second silicon nitride layer 264. Central area 26
9 is defined in photoresist and is then etched through the second silicon nitride layer 264 using a conventional plasma etching method and later etched to form the cavity 279A.
Exposing a portion of the silicon wafer that will form the. The photoresist pattern on chrome layer 266 is etched using a wet etching method known to fabricate a chrome photomasking pattern on glass. The inner ring 272 forms the area that will later become the valve seat 128, and the outer ring 274 will form the area that will later become the upper surface of the shoulder region around the valve seat substrate 112. For the purposes of this description,
The terms "ring" and "ring" are meant to include circular as well as polygonal forms. In particular, although the preferred embodiment of the valve seat 128 forms a linear configuration (when viewed from above), other configurations are contemplated by the present invention.

【0029】図5で、第1のシリコンエッチング操作に
水酸化カリウム(KOH)水溶液を使用して中心領域2
69でシリコンウェーハ260の下の中までエッチす
る。好適に、シリコンウェーハ260はシリコン結晶格
子に対して<100>結晶方向がシリコンウェーハ26
0の主面に垂直であるような向きにある。シリコンウェ
ーハ260のこのような向きでは、KOH水溶液による
エッチングはウェーハ面に垂直な<100>方向で急速
に進行し、<100>方向から54.7度離れた向きに
ある<111>平面に沿ってはエッチングははるかにゆ
っくり進行する。その結果、エッチングは{111}結
晶平面で実質上終わり、それにより平らな屋根および
{111}結晶平面から構成される四つの傾斜した喉壁
を有するキャビティ279Aが得られる。図5で、四つ
の傾斜した壁の第1および第2の喉壁278,280を
見ることができる。第1および第2の喉壁278,28
0の各々はシリコンウェーハ260の水平面から角度5
4.7度の方向にある。
In FIG. 5, the central region 2 is formed by using an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) in the first silicon etching operation.
At 69, etch into the bottom of the silicon wafer 260. Preferably, the silicon wafer 260 has a <100> crystal orientation of the silicon wafer 26 with respect to the silicon crystal lattice.
It is oriented so that it is perpendicular to the principal plane of 0. In such an orientation of the silicon wafer 260, the etching with the KOH aqueous solution proceeds rapidly in the <100> direction perpendicular to the wafer surface, and along the <111> plane oriented 54.7 degrees away from the <100> direction. However, etching proceeds much slower. As a result, the etching substantially terminates at the {111} crystal plane, resulting in a cavity 279A having a flat roof and four beveled throat walls composed of the {111} crystal planes. In FIG. 5, the four sloping wall first and second throat walls 278, 280 can be seen. First and second throat walls 278, 28
0 is an angle of 5 from the horizontal plane of the silicon wafer 260.
It is in the direction of 4.7 degrees.

【0030】好適には、この工程で得られるキャビティ
279Aの深さは所要周囲領域112Cの厚さより大き
くすべきであるから、後のエッチング工程の結果はシリ
コンウェーハ260を貫通する通路を形成する。また好
適には、中心領域269の範囲は第1および第2の喉壁
278,280の突起が内側環272の境界内に完全に
入る程十分小さくすべきである。キャビティ279Aは
製作プロセスのこの点でシリコンウェーハ260を通じ
て窒化シリコン層262の止めまで完全にエッチするこ
とができるが、製作時間を節約するため、エッチングプ
ロセスをキャビティ279Aの深さが周囲領域112C
の所要厚さより大きくなったときに止めるのが望まし
い。たとえば、周囲領域112Cの厚さを250ミクロ
ンにしたければ、製作プロセスのこの点でキャビティ2
79Aの深さを300ミクロンにし、50ミクロンの快
適な余裕を設けることができる。また、製作プロセスの
この点で、キャビティ279Aは、第1の窒化シリコン
層まで完全にエッチされるべきではない。続いてフォト
マスキング操作を行なわなければならず、且つ第1の窒
化シリコン層262は続くフォトマスキングプロセス中
機械的ハンドリングに生き残るに十分な強度を備えるこ
とができないからである。
Preferably, the resulting cavity 279A depth in this step should be greater than the thickness of the required perimeter region 112C, so that the results of subsequent etching steps form a passage through the silicon wafer 260. Also preferably, the extent of the central region 269 should be small enough that the protrusions of the first and second throat walls 278, 280 are completely within the boundaries of the inner annulus 272. Cavity 279A may be completely etched through silicon wafer 260 to the stop of silicon nitride layer 262 at this point in the fabrication process, but to save fabrication time, the etching process may be performed with a depth of cavity 279A that surrounds peripheral region 112C.
It is desirable to stop when the thickness exceeds the required thickness. For example, if one wishes to have a thickness of the peripheral region 112C of 250 microns, the cavity 2 at this point in the fabrication process.
The 79A depth can be 300 microns to provide a comfortable margin of 50 microns. Also, at this point in the fabrication process, the cavity 279A should not be completely etched down to the first silicon nitride layer. This is because a subsequent photomasking operation must be performed, and the first silicon nitride layer 262 cannot be strong enough to survive mechanical handling during the subsequent photomasking process.

【0031】つぎに、第2のフォトマスキング操作を行
なう。プラズマエッチングを第1の窒化シリコン層26
2に関して行い、窒化シリコンの外側環領域270およ
び窒化シリコンの内側環領域276を残す。第2のシリ
コンエッチング操作をKOH水溶液で行い、図6および
図7(図6の破線部分の拡大図)に示す特徴を生ずる。
第2のシリコンエッチング操作は環領域270と環領域
276との間の領域にあるシリコンウェーハ260の露
出部分をエッチし、凹み面282のある環状キャビティ
を作る。第2のシリコンエッチング操作はまたキャビテ
ィ279Aを深くする。第2のシリコンエッチング操作
は喉壁281を作る。好適実施例では、第2のシリコン
操作はシリコンウェーハ260の上面に725ミクロン
深くエッチし、キャビティ279Aの屋根をエッチして
シリコンウェーハ260を完全に貫いて延びる中心流れ
通路279Bを作る。
Next, a second photomasking operation is performed. Plasma etching is performed on the first silicon nitride layer 26.
2 and leave an outer ring region 270 of silicon nitride and an inner ring region 276 of silicon nitride. A second silicon etching operation is performed with an aqueous KOH solution, resulting in the features shown in FIGS. 6 and 7 (enlarged view of the dashed portion of FIG. 6).
The second silicon etching operation etches the exposed portion of the silicon wafer 260 in the area between the ring regions 270 and 276, creating an annular cavity with a recessed surface 282. The second silicon etching operation also deepens the cavity 279A. The second silicon etching operation creates the throat wall 281. In the preferred embodiment, the second silicon operation etches 725 microns deep into the top surface of silicon wafer 260, etching the roof of cavity 279A to create a central flow passage 279B that extends completely through silicon wafer 260.

【0032】好適には、図6および図7に示すように、
内側環領域276は中心通路でシリコンウェーハ260
の上側からシリコンエッチングができるようにする。し
かし、環は厳密に必要ではなく、内側環領域276は製
作の便利のため製作公差を緩和するのに役立つ。公差
は、下方移動する{100}方向エッチング平面が上向
き移動する{100}方向エッチング平面に合うにつれ
て、中心領域269の幅の元来の範囲を結晶方向および
方向依存エッチングの既知の原理に従って計算する仕方
で減らすことができるので、第2のシリコンエッチング
操作では容易である。更に、第2のシリコンエッチング
操作中、シリコンウェーハ260を貫いて完全な通路を
形成することは厳密には必要ない。しかし、完全な通路
の製作は目視的に確実に上側および下側のマスキングパ
ターンを互いに正しく整列させることができる。したが
って、第2のシリコンエッチング操作は中心流れ通路2
79Bをシリコンウェーハ260を完全に貫いて好適に
形成する。
Preferably, as shown in FIGS. 6 and 7,
Inner ring region 276 is the central passageway for silicon wafer 260.
Allow silicon etching from above. However, the annulus is not strictly necessary and the inner annulus region 276 helps to ease manufacturing tolerances for manufacturing convenience. Tolerances calculate the original range of widths of the central region 269 according to known principles of crystallographic and direction dependent etching as the downward moving {100} direction etch plane fits into the upward moving {100} direction etch plane. The second silicon etching operation is easy because it can be reduced in any way. Moreover, it is not strictly necessary to form a complete passage through the silicon wafer 260 during the second silicon etching operation. However, the fabrication of a complete passage can ensure that the upper and lower masking patterns are properly aligned with each other visually. Therefore, the second silicon etching operation involves the central flow passage 2
79B is preferably formed completely through the silicon wafer 260.

【0033】次に、内側環272および外側環274を
内側円領域276および外側環状領域270の露出窒化
シリコンをエッチするプラズマエッチング操作でマスキ
ング領域として採用する。環272の横方向形状を複製
する窒化シリコンの内側環状サブ領域276Aおよび環
領域274の横方向形状を複製する外側環状サブ領域2
70Aを形成する。環状サブ領域276Aは上方から見
たとき図20で特徴702として示し且つ下に説明する
特定の形状を形成する。図8および図9(図8の破線部
分の拡大図)に示す凹み面282、および第1、第2、
第3、および第4の対向凹み壁294A,294B,2
95A,295Bのような今度露出しているシリコン領
域を第3のシリコンエッチング操作でKOH水溶液によ
りエッチする。好適には、第3のシリコンエッチング操
作で行なわれる平らな{100}面の<100>方向の
エッチングは第1および第2のエッチング操作での同じ
面のエッチングより少ない。たとえば、凹み面282は
第3のシリコンエッチング操作中典型的に25ミクロン
余分にエッチされる。
Inner ring 272 and outer ring 274 are then employed as masking regions in a plasma etching operation that etches the exposed silicon nitride in inner circular region 276 and outer annular region 270. Inner annular sub-region 276A of silicon nitride replicating the lateral shape of ring 272 and outer annular sub-region 2 replicating the lateral shape of ring region 274.
70A is formed. The annular sub-region 276A, when viewed from above, forms the particular shape shown as feature 702 in FIG. 20 and described below. The concave surface 282 shown in FIGS. 8 and 9 (enlarged view of the broken line portion of FIG. 8), and the first, second, and
Third and fourth opposed recess walls 294A, 294B, 2
The now exposed silicon regions such as 95A and 295B are etched with a KOH solution in a third silicon etching operation. Preferably, the flat {100} face is etched in the <100> direction in the third silicon etching operation less than in the same plane in the first and second etching operations. For example, recessed surface 282 is typically over 25 microns overetched during the third silicon etch operation.

【0034】図8および図9を参照すると、上部主面で
行なわれる第3のシリコンエッチング操作は{111}
方向の内側および外側横壁面を有し、その組合せ上面が
弁座のそれと同じ形状である四つの隣接壁を生ずる。第
1および第2の傾斜弁座内壁296,298は図8およ
び図9に断面図で示してある。第1および第2の実質上
垂直の壁290および292は第1および第2の傾斜弁
座内壁296,298を先に形成されている第1および
第2の喉内壁278,280に接続する。第1および第
2の垂直壁290,292は実質上{110}方向の結
晶平面から成り、KOH水溶液による<110>結晶方
向のエッチレートは典型的には{100}平面の<10
0>方向の垂直エッチレートより約1.9倍も大きい。
したがって、第1および第2の垂直壁290,292は
下向きおよび外向きに突出し、したがってその横寸法を
増加しながらも実質的に同じ垂直寸法を維持している。
喉壁281の水平上面も下向きに<100>結晶方向に
エッチされている。しかし、第1および第2の傾斜弁座
内壁296,298は第3のシリコンエッチング操作の
早い時期に確定しており、第1および第2の垂直壁29
0,292の横方向エッチングおよび喉壁281の水平
上面の垂直エッチング期間中実質上不変である。
Referring to FIGS. 8 and 9, the third silicon etching operation performed on the top major surface is {111}.
Four side walls with inner and outer lateral walls in the direction, the combined upper surface of which has the same shape as that of the valve seat. The first and second tilted valve seat inner walls 296, 298 are shown in cross section in FIGS. 8 and 9. First and second substantially vertical walls 290 and 292 connect the first and second angled valve seat inner walls 296, 298 to the first and second inner throat walls 278, 280 previously formed. The first and second vertical walls 290, 292 consist essentially of crystal planes in the {110} direction, and the etch rate in the <110> crystal direction with aqueous KOH is typically <10 in the {100} plane.
It is about 1.9 times higher than the vertical etch rate in the 0> direction.
Thus, the first and second vertical walls 290, 292 project downwardly and outwardly, thus increasing their lateral dimension while maintaining substantially the same vertical dimension.
The horizontal upper surface of the throat wall 281 is also etched downward in the <100> crystal direction. However, the first and second tilted valve seat inner walls 296, 298 are established early in the third silicon etching operation, and the first and second vertical walls 29,
It is essentially unchanged during the lateral etching of 0,292 and the vertical etching of the horizontal upper surface of the throat wall 281.

【0035】図10および図11(図10の破線部分の
拡大図)に示すとおり、および第3のシリコンエッチン
グ操作後、第2の窒化シリコン層264はプラズマエツ
チングによりシリコンウェーハ260の下から除去され
る。次に、第3のシリコンエッチング操作中、内側の環
状サブ領域276Aのアンダーカットにより露出されて
いる内側環272の下の内側環サブ領域276Aの部分
をエッチするためシリコンウェーハ260の上面をプラ
ズマエッチに曝す。内側環状サブ領域276Aの残りの
部分の横方向範囲は第2および第4の対向凹み壁294
B,295Bと実質上同一空間に広がるようになる。し
たがって、第1および第2の傾斜弁座内壁296,29
8の上部にあるエッチされたシリコン造作と内側環状サ
ブ領域276Aの縁との間に自己整合特性が得られ、そ
れにより内側環状サブ領域276Aの縁は第1および第
2の傾斜弁座内壁296,298の上面の縁とサブミク
ロンの精度で横方向に一致する。
As shown in FIGS. 10 and 11 (enlarged view of the dashed portion of FIG. 10) and after the third silicon etching operation, the second silicon nitride layer 264 is removed from underneath the silicon wafer 260 by plasma etching. It Next, during a third silicon etching operation, a plasma etch is performed on the upper surface of the silicon wafer 260 to etch the portion of the inner ring sub-region 276A below the inner ring 272 exposed by the undercuts of the inner ring sub-region 276A. Exposed to. The lateral extent of the remainder of the inner annular sub-region 276A is defined by the second and fourth opposed recess walls 294.
B and 295B are spread in substantially the same space. Therefore, the first and second tilted valve seat inner walls 296, 29
8 between the etched silicon features on the top and the edges of the inner annular sub-region 276A, so that the edges of the inner annular sub-region 276A have first and second inclined valve seat inner walls 296. , 298 laterally coincide with the edges of the top surface of subassembly 298 with sub-micron accuracy.

【0036】バッチ製作プロセスの最終工程として、湿
式化学エッチングを利用してシリコンウェーハ260か
ら残っているクロム領域を除去する。その結果複数の個
別オリフィスおよび座を備えているシリコンウエーハ2
60が生ずる。シリコンウエーハ260を次にダイシン
グ工程で慣習的高速ダイシングソーを使用して個別オリ
フィスチップに分離することができる。最終ダイシング
工程は後にオリフィスチップの動作を害なうことがある
埃を発生する可能性がある。したがって、一定の考察に
より修正製作プロセスが正当とおもわれる場合には、ダ
イシング工程を第3のシリコンエッチング操作の前に行
なうことができ、ダイシング後得られる個々のシリコン
チップを第3のシリコンエッチ、2回のプラズマエッ
チ、および上述のようなクロムエッチに曝すことができ
る。ただし個々のチップをこのような個別ハカドリング
を容易にする取り付け具に設置する場合を除く。修正製
作プロセスは、第3のシリコンエッチング操作がダイシ
ング工程後オリフィスチップに残っている微小なシリコ
ンの埃を溶かす傾向があるので、或る場合には有益であ
る。
As a final step in the batch fabrication process, wet chemical etching is used to remove the remaining chromium regions from the silicon wafer 260. As a result, a silicon wafer 2 having a plurality of individual orifices and seats
60 results. The silicon wafer 260 can then be separated into individual orifice tips in a dicing process using a conventional high speed dicing saw. The final dicing step can generate dust that can later interfere with the operation of the orifice tip. Thus, if the modified fabrication process is justified by certain considerations, the dicing step can be performed before the third silicon etching operation, and the individual silicon chips obtained after dicing can be processed by a third silicon etch, It can be exposed to two plasma etches and a chrome etch as described above. Except when the individual tips are mounted in a fixture that facilitates such individual huddle. The modified fabrication process is beneficial in some cases because the third silicon etching operation tends to dissolve the fine silicon dust that remains in the orifice tip after the dicing step.

【0037】図12および図13(図12の破線部分の
拡大図)は個別オリフィスチップ内に完成した弁座基板
112のオリフィス域の切り払い斜視図である。
12 and 13 (enlarged view of the broken line portion in FIG. 12) are cutaway perspective views of the orifice region of the valve seat substrate 112 completed in the individual orifice tip.

【0038】図14および図15(図14の破線部分の
拡大図)、図16および図17(図16の破線部分の拡
大図)、図18および図19(図18の破線部分の拡大
図)は前述の工程に従って形成された、ただし下に示す
ように、わずかな修正を施した弁座基板のそれぞれ第
2,第3,第4の好適実施例を示す。
14 and 15 (enlarged view of broken line portion of FIG. 14), FIG. 16 and FIG. 17 (enlarged view of broken line portion of FIG. 16), FIG. 18 and FIG. 19 (enlarged view of broken line portion of FIG. 18) Show the second, third and fourth preferred embodiments of the valve seat base plate, respectively, formed according to the above process, but with minor modifications, as shown below.

【0039】図14,図15で、第2の弁座基板412
は第2の中心流れ通路414、第2の弁座428、第2
の座壁429、および第2の喉壁431を備えている。
この実施例は上述の第1のシリコンエッチング操作を制
御して下側から第2の喉壁431を囲む弁座基板412
の部分に望ましい厚さに等しい深さエッチすることによ
り行なわれる。次に、第3のシリコンエッチング操作
中、第2の中心流れ通路414がウェーハを完全に貫い
て延長するとエッチングを停止する。過大エッチングは
横方向のアンダーカットまたは第2の弁座428の破壊
を生ずる。
In FIGS. 14 and 15, the second valve seat substrate 412 is used.
Is the second central flow passage 414, the second valve seat 428, the second
Seat wall 429 and second throat wall 431.
This embodiment controls the first silicon etching operation described above to control the valve seat substrate 412 surrounding the second throat wall 431 from below.
By etching to a depth equal to the desired thickness. Then, during the third silicon etching operation, the etching stops when the second central flow passage 414 extends completely through the wafer. Overetching results in lateral undercuts or destruction of the second valve seat 428.

【0040】図16,図17で、第3の弁座基板512
は第3の中心流れ通路514、第3の弁座528、第3
の座壁529、および第3の喉壁531を備えている。
この実施例は第1および第2のシリコンエッチング操作
を使用して行なわれ、行なうのが一層簡単である。
In FIGS. 16 and 17, the third valve seat substrate 512 is shown.
Is the third central flow passage 514, the third valve seat 528, the third
Seat wall 529 and third throat wall 531.
This example is performed using the first and second silicon etching operations and is easier to perform.

【0041】図18,図19で、第4の弁座基板612
は第4の中心流れ通路614、第4の弁座628、第4
の座壁629、および第4の喉壁631を備えている。
この実施例は、拡張接触部618A,618Bが中心ボ
ス618の下面に追加されている以外は図16および図
17に示す実施例と概念的に同じである。
In FIGS. 18 and 19, the fourth valve seat substrate 612 is used.
Is the fourth central flow passage 614, the fourth valve seat 628, the fourth
Seat wall 629 and a fourth throat wall 631.
This embodiment is conceptually the same as the embodiment shown in FIGS. 16 and 17 except that extended contact portions 618A, 618B are added to the lower surface of the central boss 618.

【0042】図20は本発明でここに説明した各種弁座
のエッチを制御するのに使用するのが望ましい弁座エッ
チングマスク702を示す。弁座エッチングマスク70
2はその相対的配列を示す目的で弁座基板112のオリ
フィス域の上方に重なっている。マスクはシリコンウェ
ーハ260の{100}平面上<110>方向に沿う向
きにある特徴および{100}平面上の<110>方向
に向くその隅角で対角線タブを備えている直線枠から構
成されている。対角線タブの目的は隅角の形状を改善す
るように、直線状特徴の下をアンダーカットせずに続い
て枠の外縁に形成される{111}平面が鋭い隅角で確
実に合うようにすることである。
FIG. 20 illustrates a valve seat etch mask 702 that is preferably used to control the etch of the various valve seats described herein in the present invention. Valve seat etching mask 70
2 overlaps above the orifice area of the valve seat substrate 112 for the purpose of indicating its relative arrangement. The mask is composed of features that are oriented along the <110> direction on the {100} plane of the silicon wafer 260 and a straight frame with diagonal tabs at its corners that face the <110> direction on the {100} plane. There is. The purpose of the diagonal tabs is to improve the shape of the corners, ensuring that the {111} planes that are subsequently formed on the outer edge of the frame without undercutting the linear features meet at sharp corners. That is.

【0043】図21は本発明でここに説明した弁座支持
構造のエッチを制御するのに使用するのに好適な写真平
板隅角補償マスク802を示す。この隅角補償マスクの
目的は環状壁構造119の外面を形成する非常に深くエ
ッチされる{111}平面が確実に適切な隅角を形成す
るようにすることである。{100}シリコンの凸角を
KOH水溶液でエッチすることの更に詳細はMayer
他が“Fabrication of Non−Und
eretched Convex Corners i
n Anisotropic Etching of
(100)−Silicon in Aqueous
KOH with Respect To Novel
Micromechanic Element”、
J.Electrochem.Soc.,Vol.13
7,No.12,p.3947〜3951に記してい
る。
FIG. 21 shows a photographic plate corner compensation mask 802 suitable for use in controlling the etch of the valve seat support structure described herein in the present invention. The purpose of this corner compensation mask is to ensure that the very deeply etched {111} planes that form the outer surface of the annular wall structure 119 form the proper corners. For more details on etching the convex corners of {100} silicon with an aqueous KOH solution, see Mayer.
Others are "Fabrication of Non-Und
eretched Convex Corners i
n Anisotropic Etching of of
(100) -Silicon in Aqueous
KOH with Respect To Novel
Micromechanical Element ”,
J. Electrochem. Soc. , Vol. Thirteen
7, No. 12, p. 3947-3951.

【0044】なお、上記開示した実施例の構造の修正は
耐エッチ皮膜のパターンを変えることにより行なうこと
ができる。他に、二酸化シリコンまたはポリイミドのよ
うな、代わりの皮膜を完成した構造の表面に堆積または
成長させるものとして考えられる。更に、本発明の開示
した実施例はシリコン基板から製作するとして説明して
きたが、金属、ガラス、セラミック、またはポリマーの
ような、他の材料、および他の半導体またはガリウム砒
素のような結晶基板をも使用することができる。たとえ
ば、ここに記した構造は下記代案の一つ以上に従って製
作することができる。硼珪酸ガラスを超音波機械加工を
使用して製作することができ、感光性ガラスをリトグラ
フィで形成することができ、セラミック材料を超音波機
械加工することができ、または鋳造して焼くことがで
き、金属または機械加工可能なセラミックを慣習的機械
加工により形成することができ、またはポリマーを機械
加工、鋳造、または射出成形することができる。
The structure of the above-disclosed embodiment can be modified by changing the pattern of the etch resistant film. Alternatively, alternative coatings such as silicon dioxide or polyimide are contemplated as deposited or grown on the surface of the finished structure. Further, while the disclosed embodiments of the invention have been described as being fabricated from a silicon substrate, other materials such as metals, glass, ceramics, or polymers, and other semiconductors or crystalline substrates such as gallium arsenide may be used. Can also be used. For example, the structures described herein can be made according to one or more of the following alternatives. Borosilicate glass can be made using ultrasonic machining, photosensitive glass can be lithographically formed, ceramic material can be ultrasonically machined, or can be cast and baked. The metal or machinable ceramic can be formed by conventional machining, or the polymer can be machined, cast, or injection molded.

【0045】以上、説明したように、本発明のマイクロ
ミニチュア装置は、〔1〕流体の流れを制御するマイク
ロミニチュア装置において、 a.対向する第1および第2の主面、および前記第1の
主面から前記第2の主面まで伸張する流れ通路、 b.前記第1の主面から突出し、流れ通路を取り囲み、
弁座を備えている一体型環状壁構造、 c.前記一体型環状壁構造に隣接して設置され、前記第
1の主面の周辺にある凹み、を備えている弁座基板、お
よび弁座基板に隣接して設置され、前記流れ通路を通る
流体流を妨害するよう弁座に対して閉じた位置におよび
流体流を前記流れ通路を通すよう弁座に対して開いた位
置に設置し得る弁面を備えている上部基板、を備えて成
り、前記凹みは、それぞれ上向き表面積全体および弁座
基板の厚さ全体に比較して、表面積および深さの十分な
組合せを有し、上部基板と弁座基板との間の気相伝導が
減るように構成され、次の〔2〕〜〔20〕に示すよう
な実施例を有する。
As described above, the microminiature device of the present invention is [1] a microminiature device for controlling the flow of a fluid, comprising: a. Opposing first and second major surfaces, and a flow passage extending from the first major surface to the second major surface, b. Projecting from the first major surface and surrounding the flow passage,
An integral annular wall structure with a valve seat, c. A valve seat substrate disposed adjacent the integral annular wall structure and having a recess around the first major surface; and a fluid disposed adjacent the valve seat substrate and passing through the flow passage. A top substrate having a valve face that can be placed in a closed position relative to the valve seat to obstruct flow and in an open position relative to the valve seat to allow fluid flow through the flow passage, The recesses have a sufficient combination of surface area and depth, respectively, as compared to the overall upward surface area and the overall thickness of the valve seat substrate to reduce vapor phase conduction between the upper substrate and the valve seat substrate. It is constructed and has an embodiment as shown in the following [2] to [20].

【0046】〔2〕周辺は凹みの深さを可能なかぎり大
きくしながら弁座基板の全体としての機械的強度を適切
にするのに十分な程厚い〔1〕に記載の装置。
[2] The apparatus according to [1], wherein the peripheral portion is thick enough to make the mechanical strength of the valve seat base plate as a whole suitable while making the depth of the recess as large as possible.

【0047】〔3〕環状壁構造は上部基板と弁座基板と
の間の気相伝導を減らすのに十分な垂直高さを示してい
る〔2〕に記載の装置。
[3] The apparatus according to [2], wherein the annular wall structure exhibits a vertical height sufficient to reduce vapor phase conduction between the upper substrate and the valve seat substrate.

【0048】〔4〕環状壁構造は更に喉壁を備えてお
り、喉壁は弁面から弁座基板までの固相熱コンダクタン
スを可能なかぎり小さくするのに十分なほど薄い〔1〕
に記載の装置。
[4] The annular wall structure further includes a throat wall, and the throat wall is thin enough to minimize the solid-state thermal conductance from the valve surface to the valve seat substrate [1].
An apparatus according to claim 1.

【0049】〔5〕環状壁構造は更に弁座壁に支持され
た弁座を備えており、凹みは弁座により囲まれた断面積
の少なくとも10倍の表面積を囲んでいる〔1〕に記載
の装置。
[5] The annular wall structure further comprises a valve seat supported by the valve seat wall, and the recess encloses a surface area of at least 10 times the cross-sectional area surrounded by the valve seat. Equipment.

【0050】〔6〕凹みの深さは環状壁構造の垂直高さ
に実質上等しくなっている〔1〕に記載の装置。
[6] The device according to [1], wherein the depth of the recess is substantially equal to the vertical height of the annular wall structure.

【0051】〔7〕凹みの表面積は弁座基板の上向き表
面積全体の25〜95%の間にある〔1〕に記載の装
置。
[7] The device according to [1], wherein the surface area of the recess is between 25% and 95% of the total upward surface area of the valve seat substrate.

【0052】〔8〕凹みの深さは弁座基板の厚さ全体の
25〜95%の間にある〔1〕に記載の装置。
[8] The device according to [1], wherein the depth of the recess is between 25% and 95% of the total thickness of the valve seat base plate.

【0053】〔9)周辺の厚さは弁座基板の厚さ全体の
約5〜75%の範囲から選定されている〔1〕に記載の
装置。
[9] The apparatus according to [1], wherein the peripheral thickness is selected from the range of about 5 to 75% of the total thickness of the valve seat substrate.

【0054】〔10〕弁座基板の厚さ全体は500ミク
ロンより大きく、周辺の厚さは300ミクロン未満であ
る〔1〕に記載の装置。
[10] The apparatus according to [1], wherein the valve seat substrate has a total thickness of more than 500 microns and a peripheral thickness of less than 300 microns.

【0055】〔11〕凹みの深さは200ミクロンより
大きい〔1〕に記載の装置。
[11] The device according to [1], wherein the depth of the recess is larger than 200 microns.

【0056】〔12〕環状壁構造は更に喉壁を備えてお
り、環状壁構造の垂直高さは喉壁の最小横方向厚さの2
〜3倍の範囲より大きい〔1〕に記載の装置。
[12] The annular wall structure further includes a throat wall, and the vertical height of the annular wall structure is 2 which is the minimum lateral thickness of the throat wall.
The apparatus according to [1], which is larger than the range of 3 times.

【0057】〔13〕流れ通路は前記環状壁構造の中心
に設置され、前記流れ通路の断面積は前記弁座から出る
と小さくなっている〔1〕に記載の装置。
[13] The apparatus according to [1], wherein the flow passage is installed at the center of the annular wall structure, and the cross-sectional area of the flow passage is reduced when the flow passage exits from the valve seat.

【0058】〔14〕前記弁座基板は半導体材料から構
成されている〔1〕に記載の装置。
[14] The apparatus according to [1], wherein the valve seat substrate is made of a semiconductor material.

【0059】〔15〕前記環状壁構造は{111}結晶
平面により形成されている〔14〕に記載の装置。
[15] The apparatus according to [14], wherein the annular wall structure is formed by a {111} crystal plane.

【0060】〔16〕前記弁座基板は、金属、ガラス、
セラミック、およびポリマーの材料グループから選定さ
れた材料から構成されている〔1〕に記載の装置。
[16] The valve seat substrate is made of metal, glass,
The device according to [1], which is composed of a material selected from a material group of ceramics and polymers.

【0061】〔17〕前記環状壁構造は截頭円錐構造を
形成している〔1〕に記載の装置。
[17] The apparatus according to [1], wherein the annular wall structure forms a truncated cone structure.

【0062】〔18〕前記流れ通路は四辺喉壁により形
成されている〔17〕に記載の装置。
[18] The apparatus according to [17], wherein the flow passage is formed by a four-sided throat wall.

【0063】〔19〕上部基板は更に弁面を開き位置お
よび閉じ位置のうち選択された一方に位置決めするよう
動作する熱アクチュエータを備えている〔1〕に記載の
装置。
[19] The apparatus according to [1], wherein the upper substrate further comprises a thermal actuator that operates to position the valve surface at a selected one of the open position and the closed position.

【0064】〔20〕熱アクチュエータは更にそれぞれ
熱膨張係数の異なる第1および第2の材料から構成され
ている〔19〕に記載の装置。
[20] The apparatus according to [19], wherein the thermal actuator is further composed of first and second materials having different thermal expansion coefficients.

【0065】[0065]

【発明の効果】本発明は上記のように構成したので、熱
作動マイクロアクチュエータにおいて、熱駆動基板と弁
オリフィスおよび弁座が入っている基板との間の熱絶縁
を改善することができる。
Since the present invention is constructed as described above, it is possible to improve the thermal insulation between the thermally driven substrate and the substrate containing the valve orifice and the valve seat in the thermally actuated microactuator.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】従来技術のマイクロミニチュア弁の断面側面図
である。
FIG. 1 is a cross-sectional side view of a prior art microminiature valve.

【図2】本発明に従って構成された流れオリフィスおよ
び弁座を備えているマイクロミニチュア弁の断面側面図
である。
FIG. 2 is a cross-sectional side view of a microminiature valve with a flow orifice and valve seat constructed in accordance with the present invention.

【図3】図2のマイクロミニチュア弁の一部拡大詳細断
面側面図である。
3 is a partially enlarged detailed sectional side view of the microminiature valve of FIG.

【図4】図2のマイクロミニチュア弁の弁座および流れ
オリフィスの一実施例を製作する工程を示す図で、作成
初期工程を示す。
FIG. 4 is a diagram showing a process of manufacturing the valve seat and the flow orifice of the microminiature valve shown in FIG.

【図5】図2のマイクロミニチュア弁の弁座および流れ
オリフィスの一実施例を製作する工程を示す図で、中心
領域をエッチングした様子を示す図である。
5 is a diagram showing a process of manufacturing an embodiment of the valve seat and the flow orifice of the microminiature valve of FIG. 2, showing a state in which a central region is etched.

【図6】図5の更に後工程の一例を示す図で、中心流れ
通路等が形成された様子を示す図である。
FIG. 6 is a view showing an example of a process subsequent to that of FIG. 5, showing a state in which a central flow passage and the like are formed.

【図7】図6の中心流れ通路部の拡大図である。7 is an enlarged view of the central flow passage portion of FIG.

【図8】図5の更に後工程の他の例を示す図で、中心流
れ通路等が形成された様子を示す図である。
8 is a view showing another example of the post-process of FIG. 5, showing a state in which a central flow passage and the like are formed.

【図9】図8の中心流れ通路部の拡大図である。9 is an enlarged view of the central flow passage portion of FIG.

【図10】図6〜図8の更に後工程の一例を示す図であ
る。
FIG. 10 is a diagram showing an example of a further post process of FIGS. 6 to 8;

【図11】図10の中心流れ通路部の拡大図である。11 is an enlarged view of the central flow passage portion of FIG.

【図12】図4〜図11の工程を使用して製作したマイ
クロミニチュア弁の弁座および流れオリフィスの一部の
詳細側面斜視、断面図である。
12 is a detailed side perspective, cross-sectional view of a portion of a valve seat and flow orifice of a microminiature valve made using the process of FIGS. 4-11.

【図13】図12の傾斜弁座内壁部分の拡大図である。13 is an enlarged view of an inner wall portion of the tilted valve seat of FIG.

【図14】本発明に従って構成したマイクロミニチュア
弁の第2の好適実施例の断面側面図である。
FIG. 14 is a cross-sectional side view of a second preferred embodiment of a microminiature valve constructed in accordance with the present invention.

【図15】図14の弁の一部の詳細断面側面図である。15 is a detailed cross-sectional side view of a portion of the valve of FIG.

【図16】本発明に従って構成したマイクロミニチュア
弁の第3の好適実施例の断面側面図である。
FIG. 16 is a sectional side view of a third preferred embodiment of a microminiature valve constructed in accordance with the present invention.

【図17】図16の弁の一部の詳細断面側面図である。17 is a detailed cross-sectional side view of a portion of the valve of FIG.

【図18】本発明に従って構成したマイクロミニチュア
弁の第4の好適実施例の断面側面図である。
FIG. 18 is a cross-sectional side view of a fourth preferred embodiment of a microminiature valve constructed in accordance with the present invention.

【図19】図18の弁の一部の詳細断面側面図である。19 is a detailed cross-sectional side view of a portion of the valve of FIG.

【図20】本発明において、図4〜図11の工程により
製作された弁座基板のオリフィス域の平面図であり、図
解の目的で好適な弁座エッチングマスクを重ねて示す図
である。
FIG. 20 is a plan view of an orifice region of a valve seat substrate manufactured by the steps of FIGS. 4 to 11 in the present invention, and is a view showing a suitable valve seat etching mask in an overlapping manner for the purpose of illustration.

【図21】本発明において、図4〜図11の工程により
製作された喉壁の外の各々を制御するのに好適な隅角補
償マスクの平面図である。
FIG. 21 is a plan view of a corner compensation mask suitable for controlling the outside of the throat wall manufactured by the process of FIGS. 4 to 11 according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

110 マイクロミニチュア弁 112 弁座基板 112A 中心領域 112B 周辺領域 112C 周囲 112D 弁座基板の全体厚さ 113 上部基板 114 中心流れ通路 116 固定周辺 118 中心ボス 118A 弁面 119 環状壁構造 120,122 脚 124 周囲体積 127 オリフィス 128 弁座 129 座壁 130 上部主面 130A 凹み 131 喉壁 132 喉 138 下部主面 110 Micro Miniature Valve 112 Valve Seat Substrate 112A Central Region 112B Peripheral Region 112C Peripheral 112D Overall Thickness of Valve Seat Substrate 113 Upper Substrate 114 Central Flow Passage 116 Fixed Perimeter 118 Central Boss 118A Valve Face 119 Annular Wall Structure 120, 122 Leg 124 Perimeter Volume 127 Orifice 128 Valve seat 129 Seat wall 130 Upper main surface 130A Recess 131 Throat wall 132 Throat 138 Lower main surface

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 流体の流れを制御するマイクロミニチュ
ア装置において、 a.対向する第1および第2の主面、および前記第1の
主面から前記第2の主面まで伸張する流れ通路、 b.前記第1の主面から突出し、流れ通路を取り囲み、
弁座を備えている一体型円環壁構造、 c.前記一体型円環壁構造に隣接して設置され、前記第
1の主面の周辺にある凹み、を備えている弁座基板、お
よび弁座基板に隣接して設置され、前記流れ通路を通る
流体流を妨害するよう弁座に対して閉じた位置におよび
流体流を前記流れ通路を通すよう弁座に対して開いた位
置に設置し得る弁面を備えている上部基板、を備えて成
り、 前記凹みは、それぞれ上向き表面積全体および弁座基板
の厚さ全体に比較して、表面積および深さの十分な組合
せを有し、上部基板と弁座基板との間の気相伝導が減る
ようになっているマイクロミニチュア装置。
1. A microminiature device for controlling fluid flow, comprising: a. Opposing first and second major surfaces, and a flow passage extending from the first major surface to the second major surface, b. Projecting from the first major surface and surrounding the flow passage,
An integral toroidal wall structure with a valve seat, c. A valve seat substrate disposed adjacent to the integral annular wall structure and having a recess around the first major surface, and disposed adjacent to the valve seat substrate and through the flow passage. A top substrate having a valve face that can be placed in a closed position relative to the valve seat to impede fluid flow and in an open position relative to the valve seat to pass the fluid flow through the flow passage. , The recess has a sufficient combination of surface area and depth compared to the overall upward surface area and the overall thickness of the valve seat substrate, respectively, so that gas phase conduction between the upper substrate and the valve seat substrate is reduced. Is a micro miniature device.
JP29354995A 1994-10-20 1995-10-17 Microminiature device Pending JPH08210519A (en)

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GB9520719D0 (en) 1995-12-13

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