JPH10176768A - マイクロデバイス支持システム及びマイクロデバイスのアレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロデバイスバルブ及びセンサを支持し
制御するための低コスト且つ信頼性のあるマイクロデバ
イス構成方法及びシステムを提供する。 【解決手段】 マイクロデバイス支持システム10はラミ
ネート51〜56を有し、このラミネートは誘電ベース材料
を有し、このシステムはさらにマイクロデバイスを有
し、このマイクロデバイスは誘電ベース材料に対して移
動可能であり、ラミネートに少なくとも部分的に埋め込
まれる要素を有し、少なくとも一つの金属電気接続部を
有し、この金属電気接続部はホトリソグラフィーでラミ
ネート上に形成されマイクロデバイスに接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プリント回路ボー
ド又は他の誘電基体上にマイクロ電気機械システムを構
成することに関する。さらに詳細には、本発明はホトリ
ソグラフィーで形成された回路を有する樹脂含浸誘電ラ
ミネートを使用する流体フローの感知アプリケーション
又は流体フローの制御を行うためのマイクロ電気機械シ
ステムの一体化（集積）された構成に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】マイク
ロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、センサ、マイクロ
流体制御システム又はマイクロマシーンで広く使用され
るマイクロデバイスである。現在、ＭＥＭＳセンサは、
自動車、医療計測器又はプロセス処理アプリケーション
で使用され、圧力、温度、加速度、ガス濃度及び多くの
他の物理的又は化学的状態の正確な決定を提供すること
ができる。マイクロ流体制御（ＭＥＭＳセンサにリンク
されてもよい）は、ガス又は液体、フローゲージ及びイ
ンクジェットノズルを扱うためのマイクロバルブを含
み、一方マイクロマシーンはマイクロアクチュエータ、
移動可能ミラーシステム又は触感移動アセンブリを含
む。（ＶＬＳＩ技術を使用して）電子制御回路に関連付
けやすく、これと一体化しやすいため、マイクロデバイ
スは一般的に半導体材料基体、例えば結晶シリコンから
構成され、この結晶シリコンは集積回路の製造のために
使用される半導体ウエハの形態で市販されている。

【０００３】しかし、このようなウエハタイプの基体は
サイズが限定され、このサイズは約１０〜２０ｃｍの直
径を有する。ＭＥＭＳの多くの可能なアプリケーション
はメートルスケールで分散したマイクロデバイスのアレ
イを必要とするため、構成、分散、装着及びシリコン基
体に基づいた大きなマイクロデバイスアレイの相互接続
には多額のコストがかかる。これは、バルブアレイを使
用した流体フローの大規模な制御において特に問題であ
る。流体バルブアレイは、分散アクチュエータ制御、紙
又はオブジェクト配置、流体不安定性の動的制御、流体
作動触感ディスプレイの構成又はマイクロ化学反応及び
生物学的アッセイのマイクロ制御を含む数多くのアプリ
ケーションで有用である。しかし、正確な配置、取り付
け、電源及びメートルスケールのアレイにおける流体バ
ルブの数多くの制御アドレスラインは高価であり、信頼
性がない。マイクロデバイスセンサ、マイクロデバイス
コントローラ及びマイクロデバイスマイクロマシーンを
支持し、制御する低コスト及び信頼性のあるマイクロデ
バイス構成方法が必要となる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、マイクロデバ
イス構成及び支持のためのシリコンウエハ基体の使用に
対する実際的な代替物を提供する。本発明のマイクロデ
バイスは、ラミネートを形成する誘電材料から少なくと
も部分的に構成され、典型的には複数のラミネート層に
埋め込まれる。誘電体は、繊維、織物、押出、又は蒸着
（付着）ポリマーであり、セラミック又は他の誘電材料
はメートルスケールのセクションに経済的に形成され得
る。好適な実施の形態では、ラミネート層は誘電ベース
材料及び従来のプリント回路ボード構成で用いられるよ
うな含浸された接着樹脂を含む。マイクロデバイスはラ
ミネートに埋め込まれ、ラミネート上にホトリホグラフ
ィーで形成された少なくとも一つの金属電気接続部に接
続し、この電気接続部によってデバイスは電力を供給さ
れ制御される。幾つかの実施の形態では、電気めっきさ
れた金属、例えば銅が接着されてラミネートの一部分を
形成し、これはエッチングされるか変更されて移動可能
要素を形成する。このような構造体によって、例えば、
マイクロデバイスセンサ又はフラップバルブを有するバ
ルブ、移動可能カンチレバーシステム又はダイヤフラム
が可能となる。従来のエッチング技術及びプリント回路
ボード製造のための材料は本発明の新規のマイクロデバ
イスの構成のために変更され得る。マイクロデバイスの
大きなアレイの寸法的な安定性又は正確な間隔が重要で
あり、ラミネートは繊維ガラス及び高接着強度樹脂、例
えばエポキシ又はポリイミドから剛性に構成され得る。
逆に、特定のアプリケーション（例えば、急峻な湾曲の
経路を移動するオブジェクトを支持するためのマイクロ
バルブのエアジェットのアレイ）において柔軟性又は平
滑な湾曲が必要であるならば、ポリイミド、ポリエチレ
ンテレフタレート、アラミド又はポリエステル誘電フィ
ルム及びフレキシブルポリエステル樹脂から部分的に構
成されたフレキシブルラミネートが適切である。

【０００５】本発明によって、マイクロデバイスの大規
模なアレイの低コストのバッチ構成が可能となり、数十
万の埋め込まれたマイクロデバイスを有するメートルス
ケールの構造が想定される。マイクロデバイスは相互接
続されるか又はホトリソグラフィーで定められエッチン
グされたリードによって個々に電源及び制御ラインに接
続される。典型的には、従来のプリント回路ボード構成
技術が使用され、接着され且つ光化学エッチングプロセ
スの一部としてパターン形成された電気蒸着された銅
は、電力を供給し、マイクロデバイスから感知した情報
を制御するか又は受ける電気接続部を提供する。理解さ
れるように、大規模な電気接続部が要求される場合は、
マルチ層且つホトリソグラフィーでエッチングされたボ
ードが使用される。さらに、移動可能又は部分的に支持
されない要素は、犠牲エッチング又は他の適切なＭＥＭ
Ｓバッチ処理技術によって定められ、要素をアンダーカ
ット又は三次元的に形成する。プリント回路ボードラミ
ネートに関連するこのような犠牲エッチング技術の使用
によって、ミクロン〜ミリメートルスケールのバルブ、
センサ及びコンジットシステムの低コストの構成が可能
となる。

【０００６】本発明の特に好適な実施の形態は、コンジ
ットに埋め込まれるか又はコンジットに近接して装着さ
れるマイクロバルブ、経路或いはラミネートに定められ
るか又はラミネートによって支持される開口を提供す
る。コンジットによって流体フローが可能となり、一方
ラミネートに埋め込まれたマイクロデバイスはコンジッ
トに交差して流体フローに相互作用するバルビング（バ
ルブの開閉）又は感知メカニズムのいずれかを提供す
る。流体フローを制御するマイクロデバイスの大規模な
アレイは、ホトリソグラフィーで形成された金属電気接
続部によって中央又は分散コントローラに容易に接続さ
れる。適切なセンサ及び流体圧力源に関連して、これら
のアレイは流体フローを正確に制御し、オブジェクト、
例えば紙を支持し、電気電荷、染料、インク又は化学薬
品を射出させるために使用される。

【０００７】本発明の請求項１の態様では、マイクロデ
バイス支持システムであって、少なくとも一つのラミネ
ートを有し、このラミネートは誘電ベース材料を有し、
マイクロデバイスを有し、このマイクロデバイスは誘電
ベース材料に対して移動可能であり、ラミネートに少な
くとも部分的に埋め込まれる要素を有し、少なくとも一
つの金属電気接続部を有し、この金属電気接続部はホト
リソグラフィーでラミネート上に形成されマイクロデバ
イスに接続される、ことを含む。

【０００８】本発明の請求項２の態様では、マイクロデ
バイスのアレイであって、ラミネートを有し、このラミ
ネートは誘電ベース材料を有し、複数のマイクロデバイ
スを有し、この複数のマイクロデバイスのうちの少なく
とも幾つかはラミネートに埋め込まれ、少なくとも一つ
の金属電気接続部を有し、この金属電気接続部はラミネ
ート上に形成され、複数のマイクロデバイスの各々に接
続される、ことを含む。

【０００９】本発明の請求項３の態様では、マイクロデ
バイス支持システムであって、少なくとも二つのラミネ
ート層を有し、第１ラミネート層は誘電ベース材料及び
含浸樹脂を有し、第２ラミネート層はエッチング可能な
材料から成り、マイクロデバイスを有し、このマイクロ
デバイスは、エッチングされた第２ラミネート層部分か
ら少なくとも部分的に形成される要素を有する、ことを
含む。

【００１０】本発明のさらなる機能、目的、利点及び特
徴は、好適な実施の形態の以下の記述及び図面を考慮す
ることによって明らかとなるであろう。

【００１１】

【発明の実施の形態】埋め込まれたマイクロデバイスを
有するオブジェクトコンベヤ１２０のためのマイクロデ
バイス支持システム１０の一部は、図１及び２に例示さ
れる。マイクロデバイスは、エアフローコンジット、マ
イクロデバイスセンサ、例えば熱運動、振動、光学、音
響又は他の検出器及びマイクロ流体コントローラ、例え
ばエアフロー制御に適したバルブを含み得る。コンベヤ
１２０での搬送に適したオブジェクトは、紙、プラスチ
ック、半導体ウエハ、セラミック、金属、木材又は他の
従来の材料又は製品を含み得る。オブジェクトコンベヤ
１２０に関する本発明の記述は例示の目的のみであり、
適切な場合において、本発明によってマイクロデバイス
支持システム１０はセンサ又はマイクロデバイスアクチ
ュエータを支持して様々なオブジェクト及びプロセスの
検出、トラッキング、操作又は制御することができ、こ
のオブジェクト及びプロセスは流体制御、光感知、熱監
視又はタグ付け又は静電、ゼログラフィック、レーザ又
はインクジェットプリントプロセスを含む。また、理解
されるように、コンベヤ１２０はエアによって作動され
る必要はなく、ベルト、摩擦ドライブ、スライド、シュ
ート、機械的グリッパ、真空装着メカニズム又は他の従
来のコンベヤ又は例えばマイクロデバイス支持システム
１０に埋め込まれたマイクロデバイスセンサに隣接して
位置されるドライブメカニズムによって置き換えられ得
る。

【００１２】図１及び２に示されるように、マイクロデ
バイス支持システム１０はエアコンジットのアレイ２
６、バルブ２７及びセンサ２８を含む数多くのマイクロ
デバイスを含み、これらは全て従来のプリント回路技術
を使用してラミネートの上にホトリソグラフィーで形成
されエッチングされた金属電気接続部を有する樹脂含浸
された誘電基体のラミネートから全体的に又は部分的に
装着され、埋め込まれ又は実際に形成される。エアコン
ジット２６は、開閉するチャンバ、開口、レセプタクル
又は流体フローを許容し、センサ又はマイクロアクチュ
エータを収容する他の適切なキャビティを含むが以下に
限定されない。

【００１３】図１では、コンベヤは六つの接着されたラ
ミネート５１〜５６を含み、これらのラミネートはエポ
キシ又は他のポリマー接着剤で含浸された繊維ガラスか
ら形成され、エアコンジット２６、マイクロアクチュエ
ータ、例えばバルブ２７及びセンサ２８のための剛性且
つ寸法的に安定した誘電支持を提供する。理解されるよ
うに、適切なレミネートはベース誘電材料と広く利用さ
れているポリマー樹脂剤の組み合わせから形成され得
る。例えば、誘電材料、例えば紙、ペーパーガラス複合
体、ガラスマット又はフリット、アラミド、ポリエチレ
ン又は繊維ガラスが、単独で又は充填剤、例えば微小球
セラミック、粘土粉末又は他の誘電剤、吸湿剤又は柔軟
性改質剤と共にベース材料として使用され得る。これら
のベース材料はフェノール樹脂、エポキシ、ポリエステ
ル、熱可塑性材料、例えばポリテトラフルオロエチレン
又はポリスルホン又はポリイミドと結合され、この特定
の選択された結合は、コスト制限、所望の寸法、誘電、
殺菌及び熱特性並びにプリント回路ボード構造の技術の
当業者に公知の他のファクタに依存する。材料の適切な
結合によって、特性の特定の結合を有するラミネート構
造が形成され得る。例えば、マイクロデバイスの大きな
アレイでの正確な間隔が重要であるならば、ラミネート
は繊維ガラス及び高接着強度且つ自消性エポキシからＦ
Ｒ−４又はＦＲ−５スタンダードに構成され得る。反対
に、特定のアプリケーションにおいて柔軟性又は平滑な
湾曲が要求されるならば、ポリイミド、ポリエチレンテ
レフタレート、アラミド又はポリエステル誘電フィルム
及びフレキシブルポリエステル樹脂から部分的に構成さ
れるフレキシブルラミネートが使用され得る。

【００１４】従来のプリント回路ボード複合体を使用し
てラミネートを構成することに加えて、全体的に又は部
分的に繊維ガラス／樹脂含浸ラミネートを増加させるか
或いはこれらに代わる別の誘電ラミネート構造が使用さ
れ得る。例えば、幾つかのアプリケーションでは、プラ
スチックフィルム、金属、ガラス、セラミック、射出成
形プラスチック、弾性層、強磁層、犠牲ホトレジスト
層、形状記憶金属層、光ガイド層、ポリマーベースの光
ディスプレイ又は光ジェネレータ又は他の適切な材料が
考えられる。これらは樹脂含浸誘電ボードに接着される
か又は埋め込まれたマイクロデバイスを有するラミネー
ト複合体を形成する。理解されるように、接着はデバイ
スを支持するラミネートを形成することは要求されず、
別の層のアプリケーション又は構成技術、例えばマルチ
オーバーコーティングが可能である。

【００１５】理解されるように、様々な層製造技術が用
いられて本発明のラミネート又はマイクロデバイス構造
を定める。例えば、マイクロデバイスセンサ又はマイク
ロアクチュエータは、二つ以上のマイクロストリップ上
にマイクロデバイス構造要素を表面エッチングし、続い
てストリップをサンドイッチしてラミネート層に埋め込
まれた作動マイクロデバイスを形成することによって形
成される。或いは、幾つかの好適な実施の形態では、ラ
ミネート構成中の犠牲層の使用が考えられる。犠牲層
（典型的には、ホトレジスト、早く腐食するプラスチッ
ク又は化学的にエッチング可能な材料である）の頂部に
追加のラミネート層を積層した後、犠牲層は部分的に又
は完全に取り除かれて自立し、サスペンドされ、移動可
能に延出するマイクロ作動構造体、例えばカンチレバー
ビーム（片持ちばり）、移動可能フラップ、ルーバー及
びダイヤフラム（全てのエッジでピン留めされたカンチ
レバービームと同等であると思われる）が残る。さらに
他の積層技術では、選択的又はパターン化蒸着が使用さ
れて部分的に又は完全にラミネート層を構成する。或い
は、マイクロデバイス又はマイクロデバイス要素を保持
するチャンバ又はレセプタクルは、前に述べたようなサ
ンドイッチング又は犠牲技術、穴あけ、パンチング、モ
ールド形成又は当業者に公知の他の従来技術によって形
成され得る。次に、マイクロデバイスが形成され、蒸着
され、配置され、チャンバを定めるラミネートに埋め込
まれる。

【００１６】用いられる特定のラミネート構成技術に応
じて、エアコンジット２６は直接穴あけされ、パンチさ
れ、プラスチックからモールド形成されて別個のラミネ
ート層を提供するか又はモールド形成されてその後にラ
ミネート層の穴あけされた部分に埋め込まれる。コンジ
ットは円形、三角形、楕円形、長方形又は正方形の断面
（非円形断面コンジットは、通常穴あけされるか又はモ
ールド形成される）であり得る。例えば、図１及び図３
〜５に示されるように、エアコンジット２６は角度付け
されたエアコンジット３１、３２、３３及び３４を含
み、これらのエアコンジットは連続するラミネート層を
オフセット穴あけすることによって形成されたほぼ円形
の断面を有する。これは図３及び４に最も良く示され、
これらの図はそれぞれ反対方向に角度付けされたエアコ
ンジット３１及び３２の側面図及び平面図を例示する。
図４では穴あけされた穴は影を付けて示され、穴あけさ
れた穴のオーバーラップする方向をよりよく示す。示さ
れるように、各ラミネート層５１〜５６は垂直方向に穴
あけされた穴を有し、この穴あけされた穴は層間で長手
方向にややオフセットし、ラミネートの垂直方向に対し
て約４５°に角度付けられたラミネートスタックにコン
ジットを形成する。コンジットの先鋭なエッジは積層後
処理によって滑らかになり、適切なポリマー又はエポキ
シ３６はディッピング、スピンコーティング、射出又は
他の適切プロセスでコンジットにコーティングされる。
もちろん、エッジを滑らかにする他の技術も使用される
ことができ、これらの技術は、化学的又は機械的浸食に
基づいた技術又はプラスチックリフローを誘導する熱ベ
ースの技術を含む。理解されるように、この技術の変更
によって直角（例えば、９０°に角度付けされたコンジ
ット）からほぼ水平に（５°に角度付けされたコンジッ
ト）角度付けされたコンジットの形成が可能となる。穴
あけされた穴を連続的なラミネートに対して横方向及び
長手方向の両方向にオフセットすることによって、複雑
な湾曲又はらせん状のコンジット構造を構成することが
できる。また、複数の横方向及び長手方向の穴あけパタ
ーンの使用によって複雑なマニホールドの構成が可能と
なり、所望されるように、共通の入口が複数の出口に分
岐したり、複数の入口が結合して共通の出口になったり
する。コンジットの直径は１０ミクロン〜センチメート
ルスケールであり、特定のアプリケーションに応じてミ
リメートルスケールの開口が典型的である。

【００１７】或いは、エアコンジット２６はモールド形
成されたプラスチックコンジット４０を含み、このコン
ジットは成形体４１によって定められた角度付けされた
エアチャネル４２を有する。コンジットは、各層の適切
な部分を穴あけし、成形体４１を挿入することによって
六つの接着されたラミネート５１〜５６に埋め込まれ
る。コンジット４０の構造は図６及び７を参照して最も
良く示され、これらの図はそれぞれ角度付けされたコン
ジットを構成するための成形体の頂面図及び断面図を例
示する。図７を参照して最も良く示されるように、頂部
モールド４７は底部モールド４８に接触される。各モー
ルド４７及び４８はそれぞれ角度付けされた突出部分４
２及び４５を有し、これらの突出部分は所望のコンジッ
ト角度にマッチする所定の角度で延出する。各突出部分
４２及び４５の面はかみあい（面は垂直からやや傾いた
角度でかみあい、スリップ又は他の軽度のミスマッチの
場合の寸法的なトレランスに関する問題を低減させ
る）、プラスチックはこの突出部分の周りに射出成形さ
れてボディ４１及びエアチャネル４２を形成する。理解
されるように、角度付けされたチャネルのアレイはこの
技術を使用して製造され、対向する角度付けされたチャ
ネル（例えば、穴あけされたコンジット３１〜３４に関
して例示される）のアレイも可能である。理解されるよ
うに、大きなアレイは別個のラミネート層又はラミネー
ト層の部分を形成することができ、個々にラミネートに
埋め込まれるか取り付けられることもできる。

【００１８】図１に示されるように、バルブ２７はエア
コンジット２６に位置されて流体圧力源１２１からのコ
ンジット２６を介した流体フロー（気体及び液体流体フ
ロー、ガス又は液体にエントレインされた固体を含む）
をポジティブに制御して搬送されたオブジェクトに力を
加える。流体圧力源１２１（典型的には濾過されたエ
ア）はファン、加圧された空気源、又は利用可能な流体
圧力を変更するのに適した他の従来のデバイスによって
提供され得る。バルブはコンジット３１に位置される静
電気的に制御されたフラップバルブ３７又はバルブ４０
のチャネル４２埋め込まれた電磁バルブ４３を含む。バ
ルブ２７に電気的に接続するプリント銅制御ライン６３
はバルブを開閉させる電気信号を出力するために使用さ
れ得る。静電気的又は電磁的バルブに加えて、当業者に
公知の他の従来のバルブも使用されることができ、この
バルブはフラップバルブ、移動可能膜バルブ、スライド
バルブ、ヒンジ又はバタフライバルブ、圧電バルブ、電
気流動バルブ、熱膨張バルブ又は形状記憶合金バルブ、
ロータリー又は単純な圧力作動スプリングバルブを含む
がこれらに限定されない。

【００１９】理解されるように、マイクロアクチュエー
タ、例えばバルブ２７は様々な機械加工又はマイクロ機
械加工技術で構成され、これらの技術は従来の集積回路
又はプリント回路ボード製造に関連する技術を含む。例
えば、化学エッチング、電子ビームリソグラフィー、ホ
トリソグラフィー、レーザアブレーション又は他の標準
的な集積回路処理技術が使用されて必要なバルブ開口を
定める。或いは、射出成形、高精度数値制御マシーン又
はステレオリソグラフィーがバルブ構成のために用いら
れる。構成に使用される材料は、プラスチック、金属、
ガラス又はセラミックを含む。一つの可能な実施の形態
では、プラスチック、エポキシ、ガラス、シリコン、ポ
リシリコン、窒化シリコン、酸化シリコン、酸素窒化
物、プラスチック又は金属、例えば電気めっきされた銅
又はアルミニウム、又はリソグラフィー処理に適した他
の利用可能な材料が使用されて必要なマイクロアクチュ
エータ、バルブ、バルブハウジング、バルブ構造体又は
コンジットを定める。電極は任意の導電性金属又はポリ
マーであり、一方移動可能要素は電気めっきされた銅、
プラスチックフィルム、アルミニウムコーティングされ
たマイラー、プレート状ニッケル又はポリイミドサンド
イッチアルミニウムから構成され得る。一つ以上の移動
可能要素を有するマイクロアクチュエータの大きなアレ
イが構成されることができ、本発明の誘電基体に分散し
た数万〜数十万のマイクロアクチュエータを有するメー
トルスケールのアレイが考えられる。

【００２０】センサ２８は情報を提供するか或いはマイ
クロアクチュエータ、例えばバルブ２７を直接的又は間
接的に制御するために使用される。センサ２８は市販さ
れている振動センサ７１、温度センサ７２、容量センサ
７３、圧力センサ７４、光センサ７０又はラミネート５
１〜５６内に埋め込まれるかこれらのラミネートから部
分的に構成されるか或いはラミネートに装着される他の
従来のセンサシステムを含むがこれらに限定されない。
典型的には、センサ２８は所定のチャンバ又はレセプタ
クルに完全に埋め込まれ、ラミネートに定められたコン
ジット又は他のアクセスポートによってラミネートの外
側の感知が可能となる。このようなセンサは、例えば、
検出された熱的、光学的又は電気的特性の変化によって
移動するオブジェクトをトラッキングするために使用さ
れるか又は振動センサ７１の場合はシステムの振動周波
数を監視し異常を報告するために使用される（振動セン
サはラミネートチャンバに完全に埋め込まれ、電気接続
部以外開口又は外部アクセスは必要ない）。オブジェク
ト検出のため又はシステム監視のためのいずれに使用さ
れるかによって、センサ２８は銅制御ライン６１によっ
てバルブ２７に接続されて局所的バルブ制御を提供する
か、或いは分析のための中央センサ信号処理ユニットに
接続される。

【００２１】紙ハンドリングシステム１１０の部品とし
て関連するバルブ及びセンサアレイを有するマイクロデ
バイス支持システムを使用することは、図２を参照して
例示される。図２に示されるように、図１に教示された
バルブ及びセンサアレイは、フレキシブルオブジェク
ト、例えば紙を含むオブジェクトを移動させるために使
用され得る。このような紙ハンドリングシステム１１０
は、ローラ、ベルト又は他の機械的搬送デバイスとの直
接的且つ物理的な接触を必要とせずシート１１２を取り
扱うために最適化され得る。紙ハンドリングシステム１
１０はコンベヤ１２０を有し、このコンベヤは下部セク
ション１２２及び上部セクション１２４に分割されてい
る。明確にするために、上部セクション１２４は紙の移
動をよりよく例示するために切り取られているが、上部
セクション１２４と下部セクション１２２は実質的には
同一平面上に広がることが理解される。セクション１２
２及び１２４は間隔をあけて維持されてその間に経路１
２３を定め、この経路は紙１１２の非接触経路を許容す
るサイズである。セクション１２２及び１２４は（図１
のコンジット２６に関連して提供されるような）複数の
独立的又は半独立的に制御される調節可能エアジェット
１２６を有し、紙１１２をシステム１１０を介して動的
に支持し、移動させ、ガイドする。エアジェット１２６
の強度又は方向性は、コンジット１２６のマイクロデバ
イスバルブによって制御されるか又はエアフローを方向
付けるための別のマイクロデバイス、例えば方向性を有
する羽根、ルーバー又はコンジット２６内又はこれに隣
接してに埋め込まれる他の機械的エアフローリディレク
ター（redirector: 再方向付装置）を使用することによ
って制御され得る。

【００２２】コンベヤ１２０は、図１に関連して述べた
ように埋め込まれたマイクロ電気機械コントローラ及び
センサを有する複数のラミネート層から構成される。理
解されるように、コンジット３１〜３４に例示されるよ
うな複数の角度付けされた方向を有するセクション１２
２及び１２４の対向する正確に制御可能なエアジェット
を使用することは、エアフローを紙１１２の両側に調節
可能に施し、紙をセクション１２２と１２４との間で動
的に保持し、（方向付けられたエアジェットによって）
垂直方向、横方向又は長手方向の力を加えることによっ
て紙の位置、速度及び方向の正確な制御を可能にするた
めの一つのメカニズムである。追加の利点として、独立
的又は半独立的に制御される調節可能なエアジェットを
使用することによって、紙１１２の部分に方向付けられ
たエアフローを動的に増減少させることができ、直線
化、カーリング、カール除去又は紙の地形の他の所望の
変更、及び紙の位置、方向及び速度に対する調節が可能
となる。さらに、様々な重量、サイズ及び機械的特性の
紙は、エアジェット１２６によって加えられるエアフロ
ーの適切な変更によって容易に支持され加速される。例
えば、重く厚く比較的柔軟性のない板紙タイプの紙は支
持及び操作のためにジェット１２６からより多量のエア
フローを必要とし、一方軽量のシートは全体的なエアフ
ローをあまり必要としないが、独立的又は半独立的なエ
アジェット１２６によって方向付けられたより迅速且つ
より頻繁なエアフロー調節を必要とし、フラッター又は
エッジカーリング効果を補償する。多数の独立的なバル
ブ制御エアジェットの使用によって、様々なタイプ及び
サイズの紙が同時に搬送されることができ、エアフロー
特徴に対する適切な変更はコンベヤ１２０で各紙に対し
て行われる。

【００２３】フラッター及びフレキシブルオブジェクト
の他の動的問題を補正するための（紙１１２の）アクテ
ィブフレキシブルオブジェクトガイドは、コンベヤ１２
０に埋め込まれた複数のセンサに接続する感知ユニット
１４０を提供することによって可能となる。感知ユニッ
ト１４０は埋め込まれたセンサから受け取った情報をま
とめることによって紙１１２の動作状態を感知し、動作
分析ユニット１５０に空間的及び動的情報を与え、この
動作分析ユニットは受け取ったセンサ情報から紙１１２
の相対的又は絶対的移動を計算し、この移動計算結果は
紙１１２の全体的な位置、方向、速度、並びに（紙１１
２のたわみによる）紙１１２のサブ領域の位置、方向及
び速度を提供する。典型的には、動作分析ユニット１５
０は多目的コンピュータ、埋め込まれたマイクロプロセ
ッサ、デジタル信号プロセッサ又はオブジェクトの移動
を決定するのに必要な高速画像処理計算が可能な専用ハ
ードウェアシステムである。この計算した移動情報を使
用して、動作分析ユニット１５０に接続する動作制御ユ
ニット１５２はコンベヤ１２０に制御信号を送出し、紙
１１２のサブ領域への方向付けられたエアジェットの使
用を選択的に増加又は減少させたりすることによって紙
１１２の移動を適切に変更し、フラッター、バックル、
カール又は所望の動作状態からの他の所望されない偏差
を低減させる。理解されるように、別個のセンサ、動作
分析ユニット及び動作制御ユニットの使用は要求され
ず、一体化した動作分析及び動作制御アセンブリが想定
される。実際、コンベヤ上の一体化したマイクロコント
ローラとして複数の一体化したセンサ、動作分析ユニッ
ト及び動作制御ユニットを提供することも可能であり、
各エアジェットは局所的に感知された情報に応じて局所
的に又は半局所的に制御される。

【００２４】感知ユニット１４０が別個であってもマイ
クロコントローラと一体化していても、オブジェクトの
位置を適切に確認するために、感知ユニット１４０は信
頼性があり正確でなければならず、サブミリメートルの
精度での紙搬送経路を介した紙の全体的なトラッキング
に十分な二次元空間的及び時間的解像度及びフレキシブ
ルオブジェクトの比較的小さな領域（典型的には約１ｃ
ｍ² より小さいが、より低い解像度も可能である）に対
する三次元トラッキング能力を有するのが理想的であ
る。さらに、多くのプロセスでは、オブジェクトは迅速
に移動し、約１〜１００ミリ秒より速いトラック測定が
可能である。光学センサ、ビデオ画像形成システム、赤
外又は光学エッジ検出器又はある他の従来の検出器は、
適切な空間的及び時間的解像度を提供することができ
る。最高の結果のためには、二次元光学センサ（例え
ば、電荷結合デバイス（ＣＣＤ））、又は位置感知検出
器が利用される。しかし、適切に配置された一次元セン
サアレイも使用され得る。図１に関する本発明の記述で
理解されるように、光学センサ以外のセンサが使用さ
れ、圧力センサ、温度センサ、音響センサ又は静電セン
サが含まれるがこれらに制限されない。

【００２５】動作中、オブジェクト移動のフィードバッ
ク制御のための感知ユニット１４０の使用によって、オ
ブジェクトの動作状態の正確なマイクロ操作が可能にな
る。図２に例示される例では、紙１１２はコンベヤ１２
０に沿って四つの別個の位置で連続的に例示され、それ
ぞれ紙位置１０８、紙位置１１４、紙位置１１６及び紙
位置１１８として示される。初期位置１０８では、紙１
１２は、フレキシブルポリイミドラミネートから少なく
とも部分的に構成されたコンベヤのフレキシブル部分１
３０によって定められた湾曲する経路に沿って移動す
る。位置１１４では、紙１１２は位置合わせがずれてい
る。紙１１２がエアジェット１２６によって位置１１６
に向かってコンベヤ１２０に沿って移動する場合、埋め
込まれたセンサは情報を提供し、これによってセンサユ
ニット１４０は紙１１２の瞬間位置に対応する別個の空
間測定値の時系列を提供する。空間測定値情報の時系列
のこれらの要素は、動作分析ユニット１５０に連続的に
送出される。動作分析ユニット１５０は受け取った情報
（即ち、センサが測定した一、二、又は三次元空間情
報）を使用して紙１１２の位置、速度及び紙の内部の動
力学（例えば、カール又はフラッターをうける紙の領域
の軌跡）を含む紙１１２の移動状態を正確に決定する。
この情報（集合的に "軌道" と称する）は動作制御ユニ
ット１５２に送出され、この動作制御ユニットは新しい
所望の軌跡及び／又は補正応答を計算して所望の軌道か
らの誤差を最小化する。動作制御ユニット１５２は選択
したエアジェット１２６に信号を送出して位置合わせの
ずれを補正し、紙１１２を位置１１６に示されるように
正確な位置合わせに近づける。紙の軌道に対するフィー
ドバック制御補正（紙１１２は位置１１６に空間的に配
置される）によって紙１１２を適切に方向付けるための
このフィードバック制御プロセスは繰り返され、紙１１
２の軌道は最終的に位置１１８に示されるように正確に
位置合わせされる。理解されるように、フレキシブルオ
ブジェクトの軌道を変更するためのこのフィードバック
制御プロセスは迅速に繰り返され、高速センサ、動作処
理及びエアジェットシステムが用いられる場合はミリ秒
サイクルで実行可能である。

【００２６】本発明は、様々なオブジェクト及びプロセ
スの操作及び制御を可能にする。紙ハンドリングに加え
て、他の剛性固体、例えば半導体ウエハ又は押出プラス
チック、金属はく、ワイヤ、布又は光ファイバを含むフ
レキシブル製品は三次元で位置合わせされて正確に移動
されることができる。理解されるように、コンベヤ１２
０のレイアウトの変更が予想され、湾曲したコンベヤ
（処理方向又は処理方向に垂直な方向のいずれかに湾曲
し、垂直又は水平 "スイッチバック" 又はターンを可能
にする）、円筒形又は他の非線形コンベヤ又はエアジェ
ットを支持しない領域によって分離された分割コンベヤ
の使用を含むがこれらに限定されない。さらに、フレキ
シブル材料、モジュール要素からコンベヤ１２０を構成
することができ、また、所望の材料処理経路にコンベヤ
の迅速且つ便利なレイアウトを可能とする、インターロ
ックする分割部分としてコンベヤを構成することができ
る。

【００２７】本発明によって、軌道、回転、位置合わせ
の軽いずれ、フラッター、折れしわ、ターンした紙によ
る三次元的な位置合わせのずれ、又は標準的な材料処理
移動制御システムを使用して迅速に検出し、適切な移動
の補償を提供するのが困難な他の方向の問題の迅速な検
出及び補正を可能にする。当業者によって理解されるよ
うに、適切なエアジェット構成及び制御は本発明の必須
の態様である。典型的には、エアジェットはフレキシブ
ルオブジェクトの両側に約１ミリニュートンの力が加え
られるように構成され、かつフレキシブルオブジェクト
に対して配置されなければならず、正確な力の値は、所
望のオブジェクト加速度及び軌道、並びにフレキシブル
オブジェクトの材料及び動的特性に依存する。最良の動
作のためには、加えられるエアジェット力が迅速に変更
可能でなければならない。例えば、約０．１ｃｍの長さ
を有する直径０．０２５ｃｍの典型的なオリフィスは、
約１００マイクロ秒の空気移動の固有応答時間を有する
ことが予想される。もちろん、エアコンジット、バルブ
応答時間、コントローラ、動作分析及び圧力状態も相互
作用するように設計されなければならず、結果としてエ
アジェット動作及び制御がミリ秒の時間スケールで起こ
る。

【００２８】前に述べたエアジェット１２６のコンジッ
ト２６によってエアフローを正確に制御するためには、
従来のプリントバッチ処理技術を部分的に使用して構成
された電磁バルブが特に適している。例えば、図８及び
９はアクティブにアドレス可能な電磁バルブ２００を例
示し、この電磁バルブは本発明のラミネート２０２上に
形成された移動可能要素及び構造体から構成される。ラ
ミネート２０２は穴あけされ、エッチングされ、モール
ド形成されるかそうでなければ変更されてエアフローを
内側に向ける入口コンジット２２５及び角度付けされた
エアジェットとしてエアフローを外側へ向ける出口コン
ジット２２６を有するチャンバ２０３を定める。ほぼ均
一なパーマロイ又は他の磁気感受性のある材料から構成
された圧縮応力を受けた膜２１０は、チャンバ２０３に
位置される。膜２１０は応力を受け、出口コンジット２
２６をブロックすることによってバルブ２００を閉じ
る。バルブ２００を開くためには、ラミネート２０２の
誘電層２１８上に形成された銅平面コイル２１６を（行
アドレスライン２２０及び列アドレスライン２２２を用
いて）電気的にアドレスすることが要求される。パーマ
ロイ層２１４に関連して、これによって十分な電磁力が
生成されて膜を位置２１２に引っ張り、バルブを開けて
チャンバ２０３の圧縮空気が出口コンジット２２６から
放出される。電流が減少すると、機械的にバイアスされ
た膜２１０はブロッキング位置に戻り、バルブを閉じ
る。

【００２９】図１０は電磁バルブ２３０の別の実施の形
態を示し、このバルブは膜２１１の強制された機械的双
安定性に応じて受動的マトリックスアドレス処理を可能
にする。通常閉じているようにバイアスされる図８の膜
２１０と対照的に、膜２１１は双安定であり、実線で示
される閉じた位置及び点線２１３で示される開いた位置
の両方で安定している。バルブ２３０は図８及び９のバ
ルブ２００に非常に類似しているが、二次パーマロイ層
２１５共にラミネート２０２の誘電層２１９上に形成さ
れた（行アドレスライン２２１及び列アドレスライン２
２３を有する）二次銅平面コイル２１７が追加されてい
ることだけが異なる。動作中、銅平面コイル２１６を電
気的にアドレスすることによって十分な電磁力が生成さ
れて膜を位置２１３に引っ張り、バルブを開け、チャン
バ２０３の圧縮空気を出口コンジット２２６から放出さ
せる。電圧が減少すると、機械的にバイアスされた膜２
１１は二つの機械的に安定な位置の一方に残るため、膜
は開いた位置のままである。バルブ２３０を閉じるため
には、行アドレスライン２２１及び列アドレスライン２
２３は一時的に電気的にアドレスされ、その結果十分な
電磁力が生成されて膜を元のブロッキング位置に引っ張
り、バルブを閉じ、チャンバ２０３の圧縮空気が出口コ
ンジット２２６から放出するのを防ぐ。

【００３０】電磁バルブ２４０の別の双安定バルブの実
施の形態は、図１１に例示される。この実施の形態で
は、双安定膜２４２は、実線で示される閉じた位置と点
線２４４で示される開いた位置の両方で安定している。
バルブ２４０は図８〜９のバルブ２００に非常に類似し
ているが、膜２４２は均一なパーマロイ膜２１０及び２
１１とは異なり、パーマロイパターン形成を使用して極
性を有する磁気層及びライン２４６で示される磁界ライ
ンパターンを形成する。動作中、銅平面コイル２１６の
電圧アドレスによって、コイル２１６の電流フローが十
分な電磁力を生成して膜を位置２１３に引っ張り、バル
ブを開き、チャンバ２０３の圧縮空気を出口コンジット
２２６から放出させる。電流が減少すると、機械的にバ
イアスされた膜２４２は二つの機械的に安定な位置の一
方に残るため、膜は開いた位置のままである。バルブ２
３０を閉じるためには、行アドレスライン２２１及び列
アドレスライン２２３が一時的に電気的にアドレスされ
て電流方向を逆転させ、結果的に十分な電磁力が生成さ
れて磁極を有する膜を元のブロッキング位置へ押し、バ
ルブを閉じ、チャンバ２０３の圧縮空気が出口コンジッ
ト２２６から放出するのを防ぐ。

【００３１】別の適切な単一のコイルの電磁バルブ２５
０は図１２に示される。図１１のバルブ２４０のよう
に、バルブ２５０は双安定膜２５２を有し、この膜は実
線で示される閉じた位置及び点線２５４で示される開い
た位置の両方で安定している。バルブ２４０のように、
バルブ２５０は双安定動作のための単一のコイルのみを
必要とし、コイルの電流方向の逆転によって膜を開いた
位置と閉じた位置との間で前後に移動させる。しかし、
バルブ２４０と対照的に、バルブ２４０のように平面銅
コイルは誘電層２１８によって支持されるのではなく、
バルブ２５０の膜２５２が平面コイル２５８を支持す
る。動作中、銅平面コイル２５８を電気的にアドレスす
ることによって、コイル２５８の電流フローが十分な電
磁力を生成し、膜を極性を有するパーマロイ領域２１５
（Ｎ−Ｓ極は矢印２５７によって示され、磁束線は２５
６によって示される）に向かって引っ張って位置２５４
へ移動させ、バルブを開け、チャンバ２０３の圧縮空気
を出口コンジット２２６から放出させる。電流が減少す
ると、機械的にバイアスされた膜２５２は二つの機械的
に安定した位置の一方に残るため、膜はその開いた位置
のままである。バルブ２５０を閉じるためには、電圧ア
ドレスラインが一時的に電気的にアドレスされて電流方
向を逆転させ、十分な電磁力を生成して磁気極性を有す
る膜を元のブロッキング位置へ押し、バルブを閉じ、チ
ャンバ２０３の圧縮空気が出口コンジット２２６から放
出するのを防ぐ。図１１の上記の磁気極性を有する実施
の形態と比較すると、バルブ２５０は一時的に形成され
たパーマロイ磁気回路よりも低いインダクタンス及び平
面コイルの量が少ないため、動作が迅速である。

【００３２】電磁バルブに加えて、他のバルブ構造をも
ちろん本発明で使用されることができる。例えば、図１
３は接着された二重膜基体３０５を使用して形成された
単純な静電フラップバルブ３００を例示し、この基体は
従来のプリント回路ボード構成技術の適切な変更によっ
てバッチ構成され得る。図１３に示されるように、バル
ブ３００は第１ボード３０５を第２ボードに積層するこ
とによって形成される。ボード３０５は穴あけされた空
気出口コンジット３２６を有し、アンカ３２４及びフラ
ップ３１０を支持し、これら両方はエッチングされた銅
又は他の導電体から形成され、任意でパリレンのような
絶縁層でコーティングされる。第２ボード３０７は包囲
電極３２２を有し、この包囲電極は行アドレスライン及
び列アドレスライン（図示せず）によってアクティブに
アドレスされて十分な所定のしきい値電圧を印加し、穴
あけされた空気入口コンジット３２５によって加えられ
る空気圧に対してフラップ３１０を閉じた状態で保持す
る。フラップバルブは空気圧が加えられた状態で通常開
いているため、バルブ３００を開くためには単にアドレ
スラインの一本に対して電極３２２に印加された電圧を
減少させてフラップ３１０を包囲電極から離れるように
移動させ、圧縮空気を出口コンジット２２６から放出さ
せる。理解されるように、このバルブ方式の様々な変更
が考えられ、フラップを通常開いた位置ではなく通常閉
じた位置を維持するように再構成してもよいが、これに
限定されない。

【００３３】理解されるように、様々なバルブ構造はプ
リント回路ボード／マイクロ電気機械構造技術の適切な
使用によって可能となる。別の例として、図１４及び１
５はそれぞれ受動的にアドレス可能な静電フラップバル
ブ３４０及びフラップバルブアレイ３６０を例示し、こ
れらは、はんだ付け、光パターン形成可能な接着剤又は
ラミネートを使用した接着又はラミネート、電鋳製造技
術（フラップバルブの場合は図１５に例示される）又は
他の従来の装着技術によって構成されてラミネート３４
１に埋め込まれ得る機械的に双安定なフラップ３４２
（又は図１５のアンカ３６５を有するフラップ３６２）
を形成する。図１４において、フラップは穴あけされた
穴３４３を被覆し、電極３４４及び３４６の両方がアド
レスされた場合にのみ開いた位置と閉じた位置との間を
移動し、単一の電極の電圧アドレスはフラップ３４２を
移動させるのに不十分である。図１４又は１５に例示さ
れるいずれかのフラップ設計の追加の双安定性が必要な
場合、小さな一定の電圧を維持することによって大きな
スイッチング電圧が印加されるまで定位置にフラップを
保持することができる追加のラッチ又は "キャッチ" 電
極を設けることも考えられる。

【００３４】本発明が特定の実施の形態に関連して述べ
られてきたが、多くの代替物、変更及びバリエーション
は当業者には明らかである。したがって、本明細書中に
述べられた様々な実施の形態は例示と見なされ、請求の
範囲に定められる本発明の範囲を制限するものではな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】紙を移動するためのコンベヤの一部であり、例
示的なエアジェット構造及びマイクロデバイスセンサを
例示する。

【図２】紙ハンドリングシステムの部分図であり、この
システムは図１に例示されたエアジェット及びマイクロ
デバイスセンサを有するコンベヤを有する。

【図３】ラミネートの階段状穴構造を使用した角度付け
されたエアジェットの構造を例示した図である。

【図４】図３の角度付けされたエアジェットの平面図で
ある。

【図５】階段状エッジが平滑化された図３及び図４のエ
アジェットの図である。

【図６】図１に示された成形されたエアジェットチャネ
ルユニットの平面図である。

【図７】図６の成形されたエアジェットチャネルの側面
図であり、上部モールド及び下部モールドは例示される
チャネルユニットを形成するために使用される。

【図８】バルブ閉塞を制御するために単一のコイルを有
する電磁バルブの側面図である。

【図９】バルブ閉塞を制御するために単一のコイルを有
する電磁バルブの平面図である。

【図１０】互いに対向するように取り付けられた二重コ
イルを有する電磁バルブの側面図である。

【図１１】単一のコイルを有する電磁バルブの別の実施
の形態の側面図である。

【図１２】双安定膜に取り付けられた単一のコイルを有
する電磁バルブの別の実施の形態の側面図である。

【図１３】フラップバルブの側面図である。

【図１４】別のフラップバルブの平面図であり、アドレ
スラインを示す。

【図１５】フラップバルブアレイの平面図である。

【符号の説明】

１０ マイクロデバイス支持システム ２６ エアコンジット ２７ バルブ ２８ センサ ５１−５６ ラミネート １２０ オブジェクトコンベヤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パトリック シー．ピー．チェン アメリカ合衆国 94610 カリフォルニア 州 オークランド アダムズ ストリート 276 アパートメント 25 (72)発明者 デイビッド ケー．ビーゲルセン アメリカ合衆国 94028 カリフォルニア 州 ポートラ ヴァレイ ミモザ ウェイ 200 (72)発明者 ウォーレン ビー．ジャクソン アメリカ合衆国 94116−1407 カリフォ ルニア州 サンフランシスコ カステナダ アベニュー 160 (72)発明者 マーク エイチ．イム アメリカ合衆国 94303 カリフォルニア 州 パロ アルト タンランド ドライブ 1091 ナンバー215

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロデバイス支持システムであっ
   て、 少なくとも一つのラミネートを有し、前記ラミネートは
   誘電ベース材料を有し、 マイクロデバイスを有し、前記マイクロデバイスは誘電
   ベース材料に対して移動可能であり、ラミネートに少な
   くとも部分的に埋め込まれる要素を有し、 少なくとも一つの金属電気接続部を有し、前記金属電気
   接続部はホトリソグラフィーでラミネート上に形成され
   マイクロデバイスに接続される、 マイクロデバイス支持システム。
2. 【請求項２】 マイクロデバイスのアレイであって、 ラミネートを有し、前記ラミネートは誘電ベース材料を
   有し、 複数のマイクロデバイスを有し、前記複数のマイクロデ
   バイスのうちの少なくとも幾つかはラミネートに埋め込
   まれ、 少なくとも一つの金属電気接続部を有し、前記金属電気
   接続部はラミネート上に形成され、複数のマイクロデバ
   イスの各々に接続される、 マイクロデバイスのアレイ。
3. 【請求項３】 マイクロデバイス支持システムであっ
   て、 少なくとも二つのラミネート層を有し、第１ラミネート
   層は誘電ベース材料及び含浸樹脂を有し、第２ラミネー
   ト層はエッチング可能な材料から成り、 マイクロデバイスを有し、前記マイクロデバイスは、エ
   ッチングされた第２ラミネート層部分から少なくとも部
   分的に形成される要素を有する、 マイクロデバイス支持システム。