KR20010067141A - 단결정 요소들을 가지는 마이크로전자기구 밸브 및 관련된제작 방법 - Google Patents

Abstract

마이크로전자기구(MEMS : microelectromechanical) 장치가 제공된다. 상기 MEMS는 마이크로전자 기판, 열작용 마이크로액추에이터, 및 관련 요소들을 포함하며, 이것들은 상기 기판에 배치되고 단결정 물질로부터 단일 구조로써 형성된다. 여기서, 관련된 요소들은 열작용 하는 마이크로액추에이터에 의해 작동된다. 예를들어, 상기 MEMS 장치는 밸브일 수 있다. 그러한 것으로서, 상기 밸브는 상기 마이크로액추에이터의 선택적인 작동에 의해 마이크로전자 기판에서 적어도 하나의 밸브 개구부에 제어할 수 있게 적용되는 적어도 하나의 밸브판(Valve plate)을 포함할 수 있다. 상기 MEMS 장치는 다양한 마이크로액추에이터를 포함할 수 있으며, 한편 상기 마이크로액추에이터는 상기 기판상에 배치되고 이격된 지지부들 한 쌍 및 그 사이를 연결하는 적어도 하나의 아치형 빔을 포함한다. 마이크로액추에이터의 적어도 하나의 아치형 빔을 가열함으로써, 밸브판이 상기 밸브 개구부와 씰링되어 맞물리는 닫힌 위치와 상기 밸브판이 적어도 일부분 밸브 개구부에서 풀려서 밸브 개구부를 씰링하지 않는 열린 위치 사이에서 마이크로액추에이터가 움직이도록 상기 아치형 빔들은 더욱 아치화 될 것이다. 상기 마이크로액추에이터는 아치형 빔들의 열작용 영역들을 중앙 부위로 억제하기 위해 상기 아치형 빔들의 말단 부위에 금속화 흔적(trace)을 더 포함할 수 있다. 상기 밸브는 또한 상기 마이크로액추에이터에 연속적인 에너지 입력을 필요로 하지 않고 상기 밸브판을 원하는 위치에 유지하기 위한 래치를 포함할수 있다. 단일 구조 단결정 요소를 가지는 MEMS밸브를 제작하기 위한 편리한 방법이 또한 제공된다.

Description

단결정 요소들을 가지는 마이크로전자기구 밸브 및 관련된 제작 방법 {Microelectromechanical valve having single crystalline components and associated fabrication method}

본 발명은 마이크로전자기구 장치 및 관련된 제작 방법, 더욱 상세하게는,단결정 요소들을 가지는 마이크로전자기구 밸브 및 관련된 제작방법과 연관된다.

마이크로전자기구 구조(MEMS : Microelectromechanical structures) 및 다른 마이크로공학 장치들은 최근 이들 장치들에 의해 제공되는 크기, 비용 및 신뢰성 이점의 관점에서 다양한 형태의 어플리케이션들이 개발되고 있다. 마이크로카, 마이크로모터, 및 움직이거나 힘을 가할 수 있는 다른 마이크로 기계장치를 포함하는, MEMS 장치들의 많은 상이한 변화들이 이루어졌다. 이러한 MEMS 장치들은 MEMS 펌프 혹은 밸브가 활용되는 수력 어플리케이션, MEMS 광 밸브 및 셔터를 포함하는 광 어플리케이션, 및 MEMS 릴레이들을 포함하는 전기적 어플리케이션을 포함하여 다양한 어플리케이션에 채용될 수 있다.

MEMS 장치들은 이러한 미세구조내에서 원하는 운동을 발생시키는데 필요한 힘을 공급하기 위하여 다양한 기법들에 의존해 왔다. 예를 들어, 액추에이터의 제어된 열팽창 및 다른 MEMS 요소들이 MEMS 장치들을 구동하는데 사용되어 왔다. 예를 들어, 미국 특허번호 5,909,078 및 미국 특허 출원 일련번호 08/936,598 및 08/965,277을 보면, 모두 MCNC에 양도되고, 또한 본 발명의 양수인으로, 열작용 마이크로액추에이터들(Thermally actuated microactuators)을 가지는 MEMS 장치들을 설명하며, 그 내용은 여기서 참조로써 포함된다.

MEMS 장치를 위한 열작용 마이크로액추에이터의 예는 이격된 한쌍의 지지부 사이를 연장하는 하나 이상의 아치형 빔들을 포함한다. 마이크로액추에이터의 열작용은 아치형 빔들을 더욱 아치화하여 사용가능한 기계적인 힘 및 변위를 만들어낸다. 아치형 빔들은 일반적으로 형상비가 5:1에 이르는 아치형 빔들을 생산하는높은 형상비의 석판술 기법을 이용하여 니켈로부터 형성된다. 비록 높은 형상비의 석판술 기법으로 형성되었지만, 실제 니켈 아치 빔들은 그다지 크지 않은 비율을 지니므로 어떤 경우에 있어서는 원하는 것보다 떨어지는 비평면 강성도를 지니고 강인성이 떨어질 수 있다. 더욱이, 니켈 아치 빔들을 형성하는 데 사용된 석판술 기법은 아치형 빔들이 상당히 멀리 떨어져서 위치하도록 하여, 인접한 빔들이 서로 가열하는 양을 제한함으로써 아치형 빔들을 가열하는데 필요한 전력이 증가하도록 한다. 더구나, 상기 결과적인 마이크로액추에이터는 아치형 빔들의 간격을 유지하는 결과로써 원하는 것보다 더 큰 발자국을 가질 수 있다. 이렇듯, MEMS 장치를 위한 마이크로액추에이터들의 비평면 강성도(Out-of-plane stiffness) 및 강인성을 향상시키기 위하여 아치형 빔들이 더 높은 형상비를 가지는 것이 필요하다. 부가적으로, 더욱 효율적인 가열 및 크기를 줄일 수 있도록 마이크로액추에이터들이 더욱 가깝게 간격을 유지하는 아치형 빔들을 가지는 것이 요구된다.

니켈 마이크로액추에이터들은 일반적으로, 니켈 구조의 직접가열(전류를 통과시키는 것과 같은)은 니켈의 낮은 고유저항 때문에 비효율적이므로, 액추에이터에 인접하고 하단에 배치된 폴리실리콘(Polysilicon) 가열기를 거치는 것과 같이, 간접적으로 가열된다. 그러나, MEMS 장치의 마이크로액추에이터를 간접 가열하는 것은 가열기에 의해 발생한 열의 일부가 주위로 빼앗기도록 하는 마이크로액추에이터와 히터사이의 필요한 거리유지 때문에 모든 열이 마이크로액추에이터에 전달되는 것은 아니므로 비효율성을 초래한다.

니켈은 아치형 빔들의 팽창을 용이하게 하는 비교적 큰 열팽창 계수를 가진다. 그러나, 비중 때문에 상당한 에너지가 여전히 니켈 아치형 빔의 원하는 아치화를 야기하는데 필요한 열을 발생하기 위하여 공급되어야 한다. 이처럼, 비록 니켈 아치형 빔 마이크로액추에이터를 가지는 MEMS 장치들은 종래의 작동 기법들에 비하여 상당한 장점을 제공하지만, 필요한 입력전력 필요조건을 제한하기 위하여 더욱 효율적인 방법으로 열작용할 수 있는 마이크로액추에이터를 가지는 MEMS 장치들을 향상시키는 것이 여전히 요구된다.

니켈 아치형 빔 액추에이터들을 가지는 열작용 MEMS 밸브 구조들은 또한 일반적으로 니켈을 포함하는 밸브 판을 가진다. 니켈로 얻을 수 있는 한계 형상비는 비평면 강성도 및 강인성에서 유사하게 제한된 구조를 만들어내므로, 니켈 밸브 판을 가지는 MEMS 밸브들은 일반적으로 밸브가 적당한 씰링으로 동작하기 위하여 저압 유체 시스템에 제한된다. 밸브 판들을 위한 비평면 멈추개들은 MEMS 밸브의 압력 성능을 향상시키는데 도움을 줄 수 있지만, 멈추개들은 일반적으로 니켈 밸브 판들을 가지는 MEMS 밸브들을 위한 일반적인 반도체 처리 기법을 사용하여 제작하는 것이 어렵다.

그러므로, 향상된 비평면 강성도를 가지는 밸브 판으로 된 더욱 강인한 MEMS 밸브와 이에 따라 보다 높은 고압 유체 시스템들에서의 어플리케이션이 더욱 필요하다. 더욱이, 멈추개가 밸브판(Valve plate)의 안정성 및 씰링 능력에 도움을 주는데서, 밸브 제작이 일반적인 반도체 공정 기법을 사용하여 비평면 멈추개의 형성을 용이하게 하는 것이 요구된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대표적인 MEMS 밸브의 평면도이다.

도 2a 내지 2j는 본 발명의 실시예에 따라 MEMS 밸브의 제작동안 수행되는 동작의 순서를 설명하는, 도 1에서 라인 2-2를 따라 취해진 단면도이다.

도 3a 내지 3d는 본 발명의 실시예에 따라 MEMS 밸브의 제작동안 수행되는 동작의 순서를 설명하는, 도 1에서 라인 3-3을 따라 취해진 단면도이다.

도 4a 내지 4c는 본 발명의 다른 실시예에 따라 MEMS 액추에이터에 보호덮개를 채용한 MEMS 밸브를 설명하는 평면도 및 단면도이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 MEMS 액추에이터의 평면도이다.

도 6은 본 발명에 따르고 열적 래치를 포함하는 MEMS 밸브의 바람직한 실시예의 평면도이다.

상기 및 다른 필요성들은 일 실시예에서, 적어도 하나의 개구부를 규정하는 마이크로전자 기판, 기판상에 배치되고 실리콘과 같은 단결정 물질로 구성된 열작용 마이크로액추에이터, 및 단결정 물질로 구성되고 적어도 하나의 밸브 시트를 가지는 적어도 하나의 밸브판을 포함하는 마이크로전자기구 (MEMS) 밸브를 제공하는 본 발명에 의해 충족된다. 상기 밸브판은 작동가능하게 마이크로액추에이터에 맞물리고, 마이크로전자 기판에서 상응하는 개구부에 대하여 밸브 시트를 풀려서 열린 위치 및 조여서 닫힌위치 사이에서 움직이도록 적응된다. 더욱 상세하게는, 마이크로액추에이터의 열 작용은 상기 밸브 시트가 밸브판과 마이크로액추에이터 사이에서 작동가능한 접촉의 결과로 기판에서 개구부를 조이며 그리고/혹은 풀도록한다.

마이크로액추에이터는 바람직하기로는 기판상에 배치되고 이격된 지지부 쌍과 그것들 사이를 연장하는 적어도 하나의 아치형 빔을 포함한다. 상기 마이크로액추에이터는 또한 그로부터 바깥쪽으로 연장된 적어도 하나의 아치형 빔과 작동가능하게 연결된 액추에이터 부재를 포함할 수 있다. 상기 마이크로액추에이터는 상기 액추에이터 요소가 밸브판을 기판내 개구부에 대하여 닫힌 위치 및 열린 위치 사이에서 움직이도록 하는 것과 같은 더욱 아치화를 되게하는 적어도 하나의 아치형 빔을 가열하기 위한 수단을 더 포함한다. 닫힌 위치에서, 상기 밸브판은 밸브시트가 개구부를 조이고 씰링하도록 마이크로전자 기판에서 개구부에 인접한 밸브시트에 위치한다. 열린 위치에서, 상기 밸브시트는 개구부가 씰링되지 않도록 개구부로부터 적어도 부분적으로 풀어진다. 따라서, 본 발명의 MEMS 밸브는 정상-닫힘 혹은 정상-열림 구성으로 제공될 수 있다. 또한, 상기 MEMS 밸브는 기판에 대하여, 정렬을 용이하게 할 뿐만 아니라, 밸브판을 위한 비평면성 제한을 제공하기 위하여 밸브판에 인접하여 배치된 적어도 하나의 기계적인 멈추개를 포함할 수 있다. 부가적으로, 상기 MEMS 밸브는 또한 상기 밸브판이 개구부에 대하여 마이크로액추에이터의 연속적인 작동을 요구하지 않고 소정의 위치에 지정될 수 있도록, 마이크로액추에이터의 열 작용에 따른 소정의 변위 후에, 상기 기판에 배치되고 밸브판과 상호작용할 수 있는 적어도 하나의 래치를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 래치는 예를 들어, 열적으로 작용하거나 혹은 정전기적으로 작용할 수 있다.

명백해질 것처럼, 마이크로액추에이터의 각 아치 빔은 반도체 물질로 구성되고 각 지지부에 인접한 서로 마주보는 말단 부위 및 상기 말단 부위들 사이를 연결하는 중앙 부위를 가진다. 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 아치형 빔의 상기 중앙 부위는 대체로 비금속성으로 하면서, 금속층이 아치형 빔의 상기 말단 부위에 배치된다. 이에 따라, 상기 지지부들 사이로 흐르는 전류는 바람직하기로는 상기 아치형 빔의 중앙 부위를 가열하고 그로부터 더욱 아치화 되도록 한다.

본 발명의 다른 측면은 단결정 요소들을 가지는 마이크로전자기구 밸브를 형성하기 위한 관련 방법을 포함한다. 바람직한 일 방법에 따르면, 마이크로전자 기판이 초기에 형성되어 밸브 개구부를 포함하는 적어도 하나의 개구부를 지정한다. 단결정 물질로 구성된 제1웨이퍼는 다음에 밸브시트가 상기 기판에 인접하도록 상기 기판 표면상에 접합되기 전에, 동일한 단결정 물질 혹은 다른 적당한 물질로부터 형성된 적어도 하나의 밸브시트를 가진다. 그 후에, 상기 제1웨이퍼는 원하는 두께로 연마된다. 다음에 적어도 하나의 기계적인 멈추개가 상기 기판에 대하여 정렬을 용이하게 할 뿐 아니라 상기 밸브판에 대한 비평면성 제한을 제공하기 위해 상기 밸브판 주위에 형성된다. 상기 마이크로액추에이터 및 상기 밸브판 부위가 상기 마이크로전자 기판에 대하여 유동적이고 상기 마이크로액추에이터가 상기 밸브판에 작동가능하게 맞물리도록, 적어도 하나의 열작용 마이크로액추에이터 및 적어도 하나의 밸브판이 다음에 제1웨이퍼로부터 형성된다. 어떤 실시예에서, 상기 마이크로액추에이터 및 상기 밸브판은 상기 제1웨이퍼가 상기 기판에 접착되기 전에 상기 제1웨이퍼로부터 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 마이크로액추에이터의 열작용은 마이크로액추에이터가 상기 밸브판과 이로인해 상기 밸브시트를 상기 마이크로전자 기판에 의해 규정되는 상기 개구부에 대해 열린 위치와 닫힌 위치 사이에서 움직이도록 하여 이로 인해 상기 밸브를 형성한다. 더욱이, 상기 밸브판이 개구부에 대하여 소정 위치에 한정될 수 있도록, 상기 마이크로액추에이터의 열작용에 의한 소정 변위 후에, 적어도 하나의 래치가 또한 밸브판과 상호작용할 수 있는 기판상에 형성된다.

그러므로, MEMS 밸브가 단결정 실리콘으로 형성된 아치형 빔과 밸브판을 포함하는 본 발명에 따라서 형성될 수 있다. 단결정 실리콘으로부터 아치형 빔 및 밸브판을 제작하는 것은 이러한 요소들이 적어도 10:1의 형상비로, 특히 심반응(deep reactive) 이온에칭 공정에 의해서 형성되도록 허용한다. 상기 아치형 빔 및 상기 밸브판의 높은 형상비는 비평면성 견고성을 향상시키고 더 큰 힘과 강도를 가지는 더욱 강인한 장치를 제작한다. 예를 들어, 높은 형상비의 밸브판은 이에따라 고압 유체 시스템에서 MEMS 밸브의 작용을 허용한다. 본 발명의 상기 제작 기법은 또한 아치형 빔들과 다른 요소들이 더욱 가깝게 배치되도록 한다. 예를 들어, 인접하는 실리콘 아치형 빔들간의 간격이 좁을수록 인접하는 아치형 빔들사이에서 보다 효율적인 열 전달이 발생한다. 부가적으로, 단결정 실리콘 마이크로액추에이터는 그것을 통해서 전류를 통과시킴으로써 직접가열 될 수 있다. 명백해질 것처럼, 마이크로액추에이터의 직접 가열은 일반적으로 간접 가열보다 효율적이다. 또한, 실리콘의 열팽창 계수는 니켈과 같은 금속의 열팽창 계수보다 작지만, 실리콘은 니켈보다 밀도가 상당히 작아서 주어진 전력량에 대해서, 실리콘 아치형 빔은 상응하는 니켈 아치형 빔보다 일반적으로 더 가열될 수 있고, 이로인해 더욱 아치화가 될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 상기 MEMS 밸브는 더 큰 비평면 강성도를 가질 수 있으며, 더욱 강인할 수 있고, 그리고 이에 의한 열작용 마이크로액추에이터는 금속 아치형 빔들을 가지는 일반적인 MEMS 마이크로액추에이터보다 더욱 효율적이고 제어될 수 있게 가열될 수 있다.

본 발명은 이제 발명의 바람직한 실시예가 도시되는, 수반된 도면을 참조하여 다음에 더욱 충분히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태로 실시될 수 있으며, 다음에 구현되는 실시예에 한정되어 해석되어서는 않된다; 오히려, 이러한 실시예들은 본 공개가 철저하고 완전하기 위해, 그리고 당업자에게 본 발명의 범위를 완전히 전달하기 위해 제공되는 것이다. 설명 전체에 걸쳐 동일한숫자들은 동일한 요소를 가리킨다.

본 발명의 장점 등은 치수에 따라 작성될 필요가 없는, 동반된 도면과 연계하여 계속되는 설명으로써 나타날 것이다.

도 1은 본 발명의 특징을 포함하는 MEMS 장치, 특히, 일반적으로 참조부호 10에 의해 지시되는 밸브의 실시예를 보여준다. 밸브(10)는 일반적으로 인접한 마이크로전자 기판(50)에 의해 정해지는 상응하는 밸브 개구부(40)에 맞물리기 위한 적어도 하나의 마이크로액추에이터(20) 및 적어도 하나의 밸브판(30)을 포함한다. 마이크로전자 기판(50)은 다양한 물질로 형성될 수 있는 반면, 상기 기판(50)은 바람직하기로는 단결정 실리콘과 같은, 마이크로전자 물질의 웨이퍼를 포함한다. 비록 마이크로액추에이터(20)는 다양한 형태를 가질 수 있지만, 장점을 가지는 일 실시예의 상기 마이크로액추에이터(20)는 상기 기판(50)에 고정되어 이격된 지지부(22) 한 쌍을 포함하고, 적어도 하나의, 더욱 바람직하기로는, 다수의 상기 이격된 지지부들(22) 사이를 연결하는 아치형 빔들(24)을 포함한다. 본 발명에 따라서, 상기 지지부들(22), 아치형 빔들(24), 및 적어도 하나의 밸브판(30)은 바람직하기로는 단결정 실리콘과 같은, 더욱 바람직하기로는, 동일한 단결정 실리콘 웨이퍼로부터 형성된 단일 구조와 같은 단결정 물질로 형성된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 아치형 빔들(24)은 니켈의 열팽창 계수보다 대략 1/5인, 비교적 낮은 열팽창 계수 2.5 x 10^-6/°k를 가지는 단결정 실리콘으로 구성된다. 그러나 놀랍게도, 실리콘 아치형 빔들은 일반적으로 동일 크기 및 형상의 니켈 아치형 빔들과 비교하여 동일한 온도로 가열되는데 더 적은 에너지를필요로 한다. 상기 실리콘 아치형 빔들을 가열하기 위해 요구되는 에너지에서의 감소는, 얼마간, 대략 니켈 밀도의 단지 1/4인 2.33g/cm²의 실리콘 밀도에 기인한다. 더욱이, 실리콘 아치형 빔들은 직접 가열될 수 있어서, 니켈 아치형 빔들에서 일반적으로 사용되는 간접 가열보다 보다 효율적인 가열을 제공한다.

실리콘 아치형 빔들(24)의 다른 장점은 (니켈 아치형 빔들의 형상비를 5:1로 현재 제한하는) 높은 형상비의 석판술 공정이 필요하지 않다는 것이다. 대신에, 심반응 이온에칭 공정이 실리콘 아치형 빔들의 형성에 사용되는데, 상기 에칭 공정은 10:1의 형상비를 기계적인 절차로 생성할 수 있다. 실리콘 아치형 빔들에 대한 높은 형상비는 아치형 빔들의 비평면 강성도를 증가시키고 예를 들어, 비교적 고압에서 동작할 수 있는 밸브와 같은 보다 강인한 장치에 도움이 된다. 더욱이, 심반응 이온에칭 공정은 상기 아치형 빔이 니켈 아치형 빔들보다 더욱 조밀하게 있도록 하여, 인접하는 실리콘 아치형 빔들 사이의 향상된 열 전달로 마이크로액추에이터(20)의 에너지 효율을 증가하도록 한다. 예를 들어, 10:1의 형상비를 가지는 본 발명에 따른 MEMS 밸브(10)의 상기 실리콘 아치형 빔들은 10μm의 중앙-대-중앙 거리 및 5μm의 인접한 아치형 빔들 사이의 간격을 가질 수 있다. 전술한 이유로, 실리콘 아치형 빔들을 가지는 마이크로액추에이터는 이웃하는 빔들에 더 가깝게 인접하여 위치할 수 있으므로 니켈 아치형 빔들로 된 일반적인 마이크로액추에이터들보다 더욱 효율적으로 가열된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상기 실리콘 빔들을 가열하는데 필요한 에너지에서의 40% 감소는 10:1 의 형상비를 가지는 실리콘 아치형 빔들의 배치를 22μm의 중앙-대-중앙 거리 및 12μm의 인접한 아치형 빔들 사이의 간격을 10μm의 중앙-대-중앙 거리 및 5μm의 인접한 아치형 빔들 사이의 간격으로 감소시킴으로써 얻어진다.

상기 마이크로액추에이터(20)는 또한 상기 아치형 빔들(24)을 가열하기 위한 수단을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 마이크로액추에이터(20)는 상기 아치형 빔들(24)의 직접 가열에 의해 열적으로 작동한다. 예를 들어, 상기 아치형 빔들(24)을 통해 전류가 흐르도록 하는 이격된 지지부들(22)에 배치된 전극들 사이에 전위 차이가 인가될 수 있다. 아치형 빔들(24)의 고유저항은 전류로 인하여 열이 아치형 빔들(24)에서 생성되도록 하며, 이로 인해 필요한 열작용을 제공한다. 다른 방법으로, 상기 아치형 빔들(24)은 예를 들어, 상기 아치형 빔들(24)에 대한 주위 온도를 변화시키거나 인접하여 설치된 외부 폴리실리콘 히터에 의하는 것과 같이 간접적으로 가열되어 마이크로액추에이터(20)의 열작용을 만들어 낼 수 있다. 도 1에 도시된 것처럼, 상기 아치형 빔들(24)은 바람직하기로는 원하거나 혹은 소정의 마이크로액추에이터(20) 운동 방향에서 상기 기판(50)과 평행하게 연장하는 방향으로 아치를 이룬다. 이와 같이, 아치형 빔(24)의 가열은 소정 방향으로 더욱 아치화를 이루게 하여, 사용할 수 있는 변위 및 기계적인 힘을 만들어 낸다.

마이크로액추에이터(20)는 또한 상기 아치형 빔(24)에 연결된 세로로 연장하는 액추에이터 부재(26)를 포함하고 그것으로부터 바깥쪽으로 연장한다. 상기 액추에이터 부재(26)는 도 1에 도시된 바와 같이 이격된 지지부들(22) 사이에서 다수의 아치형 빔들(24)을 기계적으로 연결하는 연결자로써 기능한다. 그처럼, 소정 방향으로 상기 아치형 빔들(24)을 더욱 아치화 하는 것은 액추에이터 부재(26)를동일한 소정 방향으로 바꾸어 놓는다. 액추에이터 부재(26)를 지닌 다중 아치형 빔들(24)을 기계적으로 연결함으로써, 결과적인 마이크로액추에이터(20)는 단일 아치형 빔에 의해 제공될 때보다 더 높은 정도의 제어되는 변위 및 힘을 제공한다.

도 1에 더 도시된 바와 같이, 본 발명의 적어도 하나의 마이크로액추에이터(20)는 바람직하기로는 적어도 하나의 밸브판(30)이 적어도 하나의 마이크로액추에이터(20)와 , 이를테면 액추에이터 부재(26)를 통해, 작동가능하게 맞물리고 이로인해 동작하도록 설계된다. 또한 도시된 바대로, 상기 적어도 하나의 마이크로액추에이터(20)는 예를 들어, 하나의 마이크로액추에이터(28)가 밸브판(30)의 한쪽 면에 배치되고 밸브판(30)으로부터 멀어지는 소정 방향으로 연장("풀" 배치)하고, 반면에 다른 마이크로액추에이터(29)는 밸브판(30)의 반대편에 밸브판(30)으로 향하여 동일한 소정 방향으로 연장("푸쉬" 배치)하는 두 개의 마이크로액추에이터들(28 및 29)을 포함할 수 있다. 마이크로액추에이터 (28 및 29) 모두 밸브판(30)의 변위를 제어하기 위하여 협동한다. 비록 상기 밸브판(30)은 상이한 방법, 구성, 및 형태로 형성될 수 있지만, 도해된 실시예의 밸브판(30)은 인접한 연장된 밸브 개구부(40)에 상응하여 덮도록 적응된 액추에이터 부재(26)로부터 수직으로 확장된 가로대(30a)를 포함한다. 상기 지지부들(22)은 상기 기판(50)에 부착되어 있는 반면, 상기 밸브판(30)은 액추에이터 부재(26) 및 아치형 빔들(24)로 통합적으로 형성되고 상기 기판(50)에 대하여 움직일 수 있다. 이렇듯, 상기 밸브판(30)은 또한 단결정 실리콘과 같은, 단결정 물질로 형성된다.

작동에 있어서, 마이크로액추에이터들 (28 및 29)의 열작용은 액추에이터 부재(26)를 소정 방향(아치형 빔(24)의 아치 방향)으로 바꾸어 놓고, 그것에 의해 또한 밸브판(30)도 바꾸어 놓는다. 그러므로, 정상-열림 밸브(10)에 대하여, 상기 밸브판(30)은, 비 작용 혹은 환경노출상태에서 마이크로액추에이터들(28 및 29)로, 마이크로전자 기판(50)에서 상응하는 밸브 개구부(40)와 이격되거나 불완전하게 덮을 수 있다. 그러나, 아치형 빔(24)들의 직접 가열에 의한 것과 같은 마이크로액추에이터들(28 및 29)의 열작용에서, 상기 밸브판(30)은 바람직하기로는 마이크로전자 기판(50)에서 상응하는 밸브 개구부(40)와 맞물리게 된다. 밸브(10)에 의한 적절한 씰링을 위해서, 밸브홀들(Valve holes)(40)에 인접한 밸브판(30)의 표면은 바람직하기로는 상기 밸브판(30)이 배치될 때 상기 밸브 홀들(40)을 씰링하기 위한 밸브 시트(도 1에 미도시)를 포함한다. 이처럼, 본 실시예의 MEMS 장치는 밸브(10)의 몸체를 형성하는 마이크로전자 기판(50)을 통하는 밸브 개구부(40)를 제어가능하게 열고 닫음으로써 밸브(10)로서 역할을 수행한다. 상기 밸브(10)를 유압 시스템에 적절하게 연결함으로써, 이로인한 유체 흐름은 마이크로액추에이터들(28 및 29)을 선택적으로 열적으로 작동시킴으로써 제어될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 밸브(10)는 예를 들어, 정상-열림 밸브, 정상-닫힘 밸브, 혹은 어떤 밸브 홀(40)은 마이크로액추에이터(28 및 29)의 열작용으로 열릴 수 있는 반면 다른 밸브 홀들(40)은 이로인해 닫히는, 이들의 조합과 같은 많은 상이한 구성들로 형성될 수 있다. 정상-닫힘 밸브에 대하여, 환경노출상태에서의 상기 밸브는 상기 밸브판(30)이 상기 밸브홀들(40)에 맞물려 씰링하도록 제공한다. 마이크로액추에이터들 (28 및 29)의 열작용으로, 상기 밸브는 가로대(30a)가 밸브 홀(40)로부터풀려서 밸브 홀(40)을 열도록 상기 아치형 빔들(24)이 아치를 이루고 상기 밸브판(30)을 바꾸어 놓는 작용 단계로 진입한다.

하기에 설명되는 바처럼, 마이크로액추에이터들(28 및 29) 및 밸브판(30)은 일반적으로 실리콘, 유리, 혹은 석영과 같은 다양한 물질을 포함할 수 있는 기판(50)상에 형성된다. 비록 본 발명의 구현을 위해서 필요하지는 않지만, 상기 마이크로액추에이터들(28 및 29) 및 상기 밸브판(30)은 바람직하기로는 웨이퍼의 형태로 제공되는, 실리콘과 같은, 단결정 물질로부터 단일 구성으로써 형성된다. 마이크로액추에이터들(28 및 29) 및 밸브판(30)은 기판(50)상에 침적된 산화물 층 그리고/혹은 다른 중간층들(미도시)에 의해 일반적으로 기판(50)으로부터 분리된다. 상기 중간 산화물 층은 일부가 남도록, 예를 들어 지지부들(22) 하단, 그러나 아치형 빔들(24) 혹은 액추에이터 부재(26)의 하단은 아닐 수 있으며, 혹은 기판(50)에 대하여 이러한 요소들의 움직임을 용이하게 하는 밸브판(30)은 남도록 일반적으로 선택적으로 제거된다.

상기 기판(50)과 상기 마이크로액추에이터들(28 및 29)/밸브판(30) 구조 사이에 배치된 분리층/층으로, 상기 지지부(22)는 상기 기판(50)으로부터 중간층(들)에 의해 분리되므로 틈이 밸브판(30)과 밸브홀들(40) 사이에 존재할 수 있다. 이처럼, 상기 밸브(10)는 상기 밸브판(30)이 밸브홀들(40)에 씰링하면서 맞물릴 수 있도록 구성되어야만 한다. 예를 들어, 밸브홀들(40)을 둘러싼 기판(50)의 표면에 대한 추가적인 표면 특징은, 이를테면 중간 층의 일부는, 홀들(40)과 밸브판(30) 사이에 적절한 씨팅(seating)을 제공할 필요가 있을 수 있다. 또한, 본 발명의 특별히 장점을 지니는 실시예에 따라서, 상기 기판(50)에 인접한 상기 밸브판(30)의 측면은 밸브판(30)과 밸브홀들(40)에 대한 기판(50) 사이에 효율적인 씰링을 제공하기 위하여 밸브판(30)의 측면상에 형성된 적어도 하나의 밸브시트(미도시)를 가질 수 있다. 밸브시트는 예를 들어, 밸브판(30)과 동일하거나 혹은 실리콘 질화물 혹은 폴리실리콘(polysilicon)으로 형성된 분리 구조와 동일한 단결정 실리콘을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 MEMS 밸브(10)의 상기 밸브판(30)은 기판(50)에 대하여 유동적이어야 하므로, 그것의 유일한 기판(50)으로의 연결은, 예를 들어, 아치형 빔들(24)을 상기 기판(50)에 부착하는, 이격된 지지부들(22)이다. 이처럼, 마이크로액추에이터들(28 및 29) 및 밸브판(30)의 일반적인 구조 특징은 MEMS 밸브(10)의 작동 압력을 정상적으로 제한할 수 있다. 그러나, 예를 들어, 심반응 이온에칭으로 형성된 단결정 실리콘 요소의 사용을 통해 얻을 수 있는 더 높은 형상비는 요소들의 비평면 강성도를 증대하고 MEMS 밸브(10)가 비교적 높은 압력에서 동작하도록 허용한다. 더욱이, 본 발명의 이점을 가지는 실시예에 따른 MEMS 밸브는 상기 밸브판(30)에 인접하여 배치되고 상기 기판(50)에 작동가능하게 연결된 일련의 비평면 기계 멈추개(45)를 더 포함할 수 있다. 바람직하기로는, 상기 멈추개(45)는 상기 기판(50)에 대하여, 정렬을 용이하게 할 뿐 아니라, 밸브판(30)의 비평면 편차를 제한하기 위해 밸브판의 적어도 일부를 오버랩하는 탭(tab) 부위를 가지도록 형성된다. 상기 멈추개(45)는 MEMS 밸브(10)의 작동 압력 한계를 더욱 증대할 수 있다.

본 발명에 따라서, 여러 관련 방법들이 단결정 요소를 가지는 MEMS 장치, 이를테면 밸브(10)를 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 도 2a에 도시된 것 및 장점을 지니는 일 방법에 따라서, 마이크로전자 기판(50)은 마이크로액추에이터(20)의 아치형 빔들(24)의 열적 격리를 위해서 최소한 하나의 습식에치 혹은 건조에치 호(52), 및 적어도 하나의 부분적인 밸브 개구부(42)를 먼저 만든다. 기판(50)은 다음에 도 2b에 도시된 것처럼 절연 산화물 층이 그 위에 형성되도록 산화된다. 그 후에, 도 2c에 도시된 것처럼, 상기 산화물 층(54)은 예를 들어, 습식에칭에 의해, 선택적으로 제거되고, 상기 기판(50)은 밸브 개구부(들)(40)를 형성하기 위해 더 에칭된다.

도 2d에 도시된 것처럼, 실리콘과 같은 단결정 물질로 구성된 제1웨이퍼(31)는 다음에 마이크로전자 기판(50)에서 상기 밸브 개구부들(40)에 상응하는 적어도 하나의 밸브시트(36)를 규정하기 위하여 패턴이 넣어진다. 이 때, 비록 최종 마이크로액추에이터(20) 및 밸브판(30) 구조가 일반적으로 제1웨이퍼(31)를 상기 기판(50)에 접착한 후에 형성되지만, 상기 제1웨이퍼(31)는 적어도 하나의 마이크로액추에이터(20) 및 밸브판(30)구조를 정의하기 위하여 또한 패턴화되고 적어도 부분적으로 에칭될 수 있다. 게다가, 상기 제1웨이퍼(31)는 또한 이를테면, 예를 들어 아치형 빔들(24)에 대하여 원하는 전도특징을 생성하기 위하여 이때에 선택적으로 불순물을 첨가할 수 있다. 일단 마이크로전자 기판(50) 및 제1웨이퍼(31)가 준비되면, 두 개의 웨이퍼들이 도 2e에서 도시된 것 처럼 예를 들어, 융해접착에 의해 서로 접착한다. 상기 두 개의 웨이퍼들은 적어도 하나의 밸브판(30)이 정상-열림 혹은 정상-닫힘 상태중의 원하는 하나에서 밸브시트(36)를 거처 상기 밸브 개구부(40)에 맞물릴 수 있도록 서로 접착된다. 접착 공정 후에, 상기 제1웨이퍼(31)는 일반적으로 도 2f에 도시된 것 처럼 원하는 두께로 연마된다.

도 2g에 도시된 것처럼, 제1웨이퍼(31)는 다음에 멈추개(45)의 위치에 상응하여 거기에 홀들(45a)의 형성 후에 산화되어 그 위에 산화층(38)을 형성한다. 멈추개(45)는 일반적으로 도 2g에 나타난 절단부에 수직으로 배치되므로 멈추개(45)를 위한 홀들(45a)의 생성 및 계속되는 산화 공정은 도 3a에 더욱 자세하게 나타난다. 그 후에, 도 3b에 더 도시된 것처럼, 산화물 층(38)의 일부는 다음에 멈추개(45)를 위한 앵커 지역(47)을 형성하기 위하여 에칭에 의해 제거된다. 폴리실리콘 층(49)은 예를 들어, 다음에 도 2h 및 3c에 도시된 것 처럼, 상기 멈추개(45)가 형성되는 산화물 층(38) 위에 만들어진다. 도 2i 및 3d는 폴리실리콘 층(49)의 침전(deposition) 후에, 상기 폴리실리콘 층(49)은 다음에 패턴화되고 에칭되어 산화물 층(38)이 습식 에칭에 의해 제거되기 전에 멈추개(45)를 형성는 것을 더 보여준다. 상기 멈추개(45)는 이렇게 앵커 지역(47)에서 제1웨이퍼(31)에 부착되고 밸브판(30)을 형성하기 위해 그후에 처리되는 제1웨이퍼(31)의 일부 가장자리로 확장한다. 도 2j에 도시된 것처럼, 마이크로액추에이터들(28 및 29) 및 밸브판(30)은 다음에 단결정 실리콘 제1웨이퍼(31)로부터, 지지부(22), 아치형 빔들(24), 액추에이터 부재(26), 및 가로대(30a)와 같은 요소들을 에칭함으로써 형성될 수 있다. 도시된 바와 같이, MEMS 밸브(10)는 적어도 하나의 마이크로액추에이터(20) 및 적어도 하나의 밸브판(30)이 형성된 전이나 후에 금속화 및 에칭 공정에 의해 형성된 금속 패드(39)를 더 포함할 수 있으며, 상기 금속패드(39)는 마이크로액추에이터들(28 및 29)에 대한 전기적 접촉을 용이하게 한다. 어떤 실시예에서, 상기 금속패드(39)는 밸브 개구부(40)에 대하여 소정 위치에서 밸브판(30)을 억제하는 방법으로써 밸브판(30)의 정전기적인 클램핑을 용이하게 할 수 있다.

보다 상세하게는, 적어도 하나의 마이크로액추에이터(20) 및 적어도 하나의 밸브판(30)은 단결정 실리콘 제1웨이퍼(31) 상에 처음에 마스크층을 침전함으로써 단결정 실리콘 웨이퍼로부터 형성될 수 있다. 층 혹은 요소가 다른 층 혹은 요소 "위에" 있는 것으로 여기에서 설명될 때, 그것은 층에 대하여 위에, 아래에 혹은 측면 지역에 직접 형성될 수 있거나, 혹은 하나 이상의 층이 상기 층들 사이에 제공될 수 있음은 당업자에 의해 이해될 것이다. 마스크 층은 일반적으로 포토레지스트 혹은 감광 폴리미어(light sensitive polymer) 물질이다. 웨이퍼(31)상에 일단 침전되면, 상기 마스크 층은 웨이퍼(31)상에 남는 포토레지스트가 (각각 일반적으로 이격된 한 쌍의 지지부(22), 적어도 하나의 아치형 빔(24), 및 액추에이터 부재(26)를 포함하는) 마이크로액추에이터(28 및 29) 및 밸브판(30)을 규정하도록 패턴화된다. 일단 포토레지스트가 패턴화되면, 상기 웨이퍼(31)는 마이크로액추에이터들(28 및 29) 및 밸브판(30) 구조를 형성하기 위해 에칭된다. 바람직하기로는, 상기 웨이퍼(31)는 10:1과 비슷한 형상비를 가지는 웨이퍼(31)로부터 얇은 실리콘 구조를 형성할 수 있는 심반응 이온 에칭에 의해 에칭된다. 실리콘 아치형 빔들(24) 및 밸브판(30)을 위한 높은 형상비는 이러한 구조의 비평면 강성도를 증가시키며 더욱 강인한 장치에 기여한다. 더욱이, 본 발명의 제작 기법은 특징 그리고/혹은 요소들이 더욱 가깝게 거리를 유지하도록 한다. 예를 들어, 인접한 실리콘 아치형 빔들(24)사이의 간격을 가깝게 하는 것은 인접한 빔들(24) 사이의 향상된 열 전달에 의해 상기 아치형 빔들(24)이 가열되는 효율을 향상시킨다. 웨이퍼(31)가 일단 에칭되면, 포토레지스트는 제거된다. 이 때에, 제1웨이퍼(31)는 선택적 혹은 블랭킷 공정중의 하나로, 불순물이 더 첨가될 수 있다. 선택적 불순물 첨가는 예를 들어, 전도 영역을 비 전도 영역과 분리하기 위해 사용된다. 더욱 상세하게는, 선택적 불순물 첨가는 예를 들어 교대 가열 및 비 가열 아치형 빔들(24) 혹은 그것의 일부를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 전도성을 증가/억제하기 위하여 교대 아치형 빔들(24)에 불순물을 첨가함으로써, 교대하는 아치형 빔들(24)만이 전류를 통과하여 흘리는 것과 같은, 직접 가열 수단에 의해 가열되고 동작할 것이다. 비 전도, 비 가열 아치형 빔들(24)은 인접한 가열된 아치형 빔들(24)에 의해 생성된 주위 온도에 의해 그 후에 동작할 수 있다. 이렇게, 원하는 정도의 작용을 제공하기 위해 전류로써 가열되는데 더 적은 수의 아치형 빔들(24)이 필요하므로, 효율성에서의 추가적인 이득 및 감소된 에너지 소모가 인식될 수 있다.

도 4a 내지 4c에 도시된 것처럼, 그리고 본 발명의 장점을 지닌 실시예에 따라서, 하나의 마이크로액추에이터(420) 및 두 개의 밸브판(430)으로 교대 배치되어 나타나는, MEMS 밸브(410)는 거기에 접착된 제2웨이퍼(460)를 가질 수 있다. 제2웨이퍼(460)의 중요한 특징은, 예를 들어, 보호 덮개를 형성하기 위하여 마이크로액추에이터(420)에 배치되어 적절하게 에칭된 공동(cavity)(462)을 포함할 수 있다. 도 4b에 더 도시되는 것처럼, 상기 공동(462)은 아치형 빔들(424) 및 액추에이터 부재(426)의 일부를 덮으면서 액추에이터(420)로 확장될 것이다. 도 4c에 또한 도시되는 것처럼, 제2웨이퍼(460)는 제2웨이퍼(460)가 마이크로액추에이터(420)의 엑추에이터 부재(426)로부터 이격되어 운동 및 작동을 허용하도록 상기 공동(462)의 말단에 적절하게 에칭된 채널(464)을 더 포함할 수 있다. 도 4b는 또한 밸브(410)에 의해 제어되는 유체흐름을 위하여 적절한 도관을 제공하기 위해, 상기 제2웨이퍼(460)는 밸브(410)의 밸브 부분에 상응하여 적절히 간격이 유지되어, 비아스(vias)(466)를 제공하기 위해 더 형성될 수 있음을 보여준다. 제2웨이퍼(460)는 다음에 이를테면 융해 접착 혹은 애노딕(anodic) 접착 공정에 의해, 상기 밸브(410)의 동작이 설명된 것처럼 가능케 하기 위하여 제1웨이퍼(431)에 접착된다. 제1웨이퍼(431)에 접착되기 때문에, 상기 제2웨이퍼(460)는 또한 마이크로액추에이터(420)를 위한 비평면 기계 멈추개(out-of-plane mechanical stop)로써 기능을 수행할 수 있다.

여기에서 설명된 본 발명의 심화된 측면은 MEMS 밸브(10)에 대한 상호연결 및 접촉 패드를 정의하는데 사용되는 금속화 단계를 포함한다. 도 5에 도시되는 것처럼, 금속화는 바람직하기로는 아치형 빔들(24)의 열 특징을 정의하고 제어하는데 또한 사용될 수 있다. 일반적인 아치형 빔(24)은 반도체 물질로 형성되고 각 지지부들(22)에 인접하여 배치되는 말단부(23) 및 말단부(23) 사이로 확장하는 중간 부분(25)을 포함한다. 이에 따라, 금속화 층 혹은 흔적(70)은 지지부(22)상에서 증발되어 작동가능하게 연결된 전류 소스(미도시)를 위한 접촉 패드로서 제공된다. 지지부들(22)사이 및 아치형 빔들(24)을 가로지르는 전류의 적용은 아치형 빔들(24)의 고유저항에 기인한 아치형 빔들(24)을 열적으로 가동하는데 필요한 열을 내부적으로 발생한다. 증발은 일반적으로 원하는 표면에 니켈, 구리, 혹은 금과 같은 금속을 침전하는 것을 포함한다. 금속 부위는 다음에 예를 들어, 원하는 금속 구성을 마이크로액추에이터(20) 구조상에 형성하는 습식 에칭 공정에 의해 제거된다. 대안으로, 포토레지스트가 마이크로액추에이터(20) 구조에 적용되어 금속이 필요하지 않는 마이크로액추에이터(20) 부위에는 포토레지스트를 남기도록 패턴화 할 수 있는데서, 리프트-오프(lift-off) 공정이 상기 증발된 금속을 구성하는데 사용될 수 있다. 금속 증발 공정 후에 포토레지스트의 제거는 또한 원하지 않는 금속을 제거하여 마이크로액추에이터(20) 구조상에 원하는 금속 구성이 남도록 한다.

놀랍게도, 상기 증발된 금속 층(70)을 상기 지지부(22)에서 아치형 빔들(24)의 말단부들(23)로 연장하는 것은 아치형 빔들(24)의 가열 영역을 중앙 부위(25)로 집중한다는 것을 알 수 있다. 아치형 빔들(24)의 말단부(23)위에 연장된 상기 금속화 흔적(72)은 전류가 흐르는데 낮은 저항값의 경로를 제공한다. 흔적(72)의 말단에서, 전류는 더 높은 저항, 실리콘 아치형 빔들(24)의 중앙 부위를 통해 흐르게 된다. 이렇게, 마이크로액추에이터(20)의 원하는 변위를 발생하기 위하여 상기 아치형 빔들(24)의 중앙 부위들(25)에서 더 큰 열작용이 이루어 지도록, 상기 아치형 빔들(24)의 중앙 부위들(25)은 말단 부위(23)보다 전류에 의한 더 큰 가열 효과를 겪게된다. 아치형 빔들(24)의 가열 영역을 축소하는 것은 원하는 변위를 이루기 위해 상기 아치형 빔들(24)을 가열하는데 필요한 에너지에서의 상응하는 감소를 더 제공할 수 있다.

도 6은 도 1에 도시된 실시예와 유사하지만, 밸브판(630)과 작동가능하게 연결된 적어도 하나의 상응하는 인게이지(engage) 부재(682)와 상호작용하도록 구성된 적어도 하나의 래치(680)를 더 포함하는 본 발명의 또다른 장점이 있는 실시예를 보여준다. 본 발명의 일 실시예에 따라서, 상기 MEMS 밸브(610)는 밸브판(630)의 어느 한쪽 측면에 배치된 래치(680) 및 상응하는 인게이지 부재(682)를 가질 수 있다. 상기 래치(680)는 열 동작을 위해 더 구성될 수 있다. 즉, 예를 들어, 래치(680)의 각 측면은 하나가 다른 것보다 더 좁은, 두 개의 실리콘 스트립(Silicon strip)(684 및 686)으로 구성될 수 있다. 상기 래치(680)를 통한 전류의 적용은 래치(680)가 실리콘 스트립들(684 및 686)의 저항에 기인하여 가열되게 한다. 더 좁은 스트립(686)이 더 작은 단면적에 의해 일반적으로 더 높은 저항을 가지므로, 넓은 스트립(684)보다 더 큰 범위까지 가열될 것이다. 이렇게, 도 6에 도시된 것 처럼, 더 좁은 스트립(686)은 더 넓은 스트립(684)보다 더 팽창하여 래치(680)의 측면들을 분기하게 할 것이다. 마이크로액추에이터들(628 및 629)의 다음 작용은 밸브판(630), 및 인게이지 부재(682)가 래치들(680)을 향해 변위되도록 한다. 인게이지 부재(682)가 각 래치들(680)의 측면들 사이 위치로 일단 변위되면, 상기 래치들(680)을 통한 전류의 흐름은 정지될 수 있어, 래치들(680)의 측면들이 식어서 원래 구성으로 환원되도록 하며 상응하는 인게이지 부재(682)를 그사이에서 막히게 한다. 상기 밸브(610)는 다음에 상기 밸브판(630)이 래치들(680)에 의해 원하는 위치에서 유지되도록 비가동되어, 마이크로액추에이터들(628 및 629)을 위한 전기적인 작동원에 의지하지 않고 상기 밸브(610)를 "가동" 위치에서 계속 유지한다.상기 밸브(610)는 다음에 상기 상세 단계들을 역으로 수행함으로써 "비가동" 위치로 되돌아온다. 마이크로액추에이터들(628 및 629) 혹은 열적 래치들(680)중 어느 한쪽에 대해 연속적인 에너지 입력을 요구함이 없이 작동 위치에서 계속 유지할 수 있는 밸브를 제공함으로써 열적 래치들(680)은 MEMS 밸브(610)를 위한 추가적인 에너지 보존을 용이하게 한다.

이렇게, 밸브(10)와 같은 MEMS 장치는 아치형 빔들(24) 및 단결정 실리콘으로부터 단일 구조로써 형성된 적어도 하나의 밸브판(30)을 포함하는 본 발명에 따라 형성될 수 있다. 단결정 실리콘으로부터 상기 아치형 빔들(24) 및 밸브판(30)을 제작하는 것은 상기 아치형 빔들(24) 및 밸브판(30)이 정밀하게 형성되도록 한다. 더욱 상세하게는, 상기 아치형 빔들(24) 및 밸브판(30)은 적어도 10:1에 이르는 형상비로, 더욱 상세하게는 심반응 이온에칭 공정을 사용함으로써 형성될 수 있다. 이러한 요소들의 높은 형상비는 그것들의 비평면 강성도를 증대하고 더욱 강인한 장치를 만든다. 본 발명의 제작 기법은 또한 상기 밸브(10)의 요소들이 더욱 가깝게 간격을 유지할 수 있게 한다. 인접하는 실리콘 아치형 빔들(24) 사이의 간격이 좁을수록, 예를 들어, 인접하는 아치형 빔들(24) 사이의 보다 효율적인 열전달을 초래한다. 더욱이, 단결정 실리콘 마이크로액추에이터(20)는, 이를테면 전류를 통과하여 흐르게 함으로써, 직접 가열될 수 있다. 이러한 직접 가열은 일반적으로 간접 가열보다 더욱 효율적이다. 또한, 실리콘의 열 팽창계수는 니켈과 같은 금속의 계수보다 작지만, 주어진 전력량에 대하여, 실리콘 아치형 빔은 상응하는 니켈 아치형 빔보다 더 잘 가열될 수 있도록 실리콘은 밀도가 상당히 낮다. 상기가열 효과는 실리콘 아치형 빔의 열 작용 부위의 넓이를 제어할 수 있게 억제하는 실리콘 아치형 빔 상의 금속화 흔적의 확장에 의해 더욱 강화될 수 있다. 열적 래치들의 포함은 마이크로액추에이터 혹은 래치들 중 어느 하나에 대하여 연속적인 에너지 입력을 요구하지 않고 밸브판이 작동 위치에서 유지되도록 함으로써 MEMS 밸브들의 효율성을 더욱 증가시킬 수 있다.

앞서의 설명 및 관련 도면에 나타난 가르침의 이익을 가지면서 본 발명이 속하는 분야에 숙달된 사람에게는 본 발명의 많은 수정 및 다른 실시예들이 떠오를 것이다. 그러므로 본 발명은 공개된 상세 실시예에 한정되지 않고, 수정 및 다른 실시예들은 첨부된 청구항들의 영역내에 포함되도록 의도됨이 이해되어야 한다. 비록 여기에 특정 용어가 쓰이더라도, 그것들은 단지 일반적이고 설명적인 의미로 사용되며 제한의 목적을 위한 것이 아니다.

그러므로, 본 발명의 MEMS 밸브는 금속 아치형 빔들을 가지는 일반적인 MEMS 장치들보다 더 큰 비평면 강성도를 가질 수 있고, 더욱 강인할 수 있으며, 더욱 잘 제어되고 효율적으로 가열되며 작동될 수 있다.

Claims (32)

1. 적어도 하나의 개구부를 한정하는 마이크로전자 기판;

   상기 기판상에 배치되고 단결정 물질로 구성된 열작용 마이크로액추에이터; 및

   단결정 물질로 구성되고 적어도 하나의 밸브시트를 가지는 적어도 하나의 밸브판으로서, 상기 마이크로액추에이터와 작동가능하게 맞물리고 상기 마이크로액추에이터의 열작용으로 상기 적어도 하나의 개구부에 대하여 풀려서 열린 위치 및 조여서 닫힌 위치 사이에서 적어도 하나의 밸브시트가 동작하도록 적응되는 밸브판을 포함하는 마이크로전자기구 밸브.
2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로액추에이터는

   상기 기판상에 배치되고 이격된 지지부들;

   상기 이격된 지지부들 사이에서 연장되고 적어도 하나의 밸브판과 작동가능하게 맞물리는 적어도 하나의 아치형 빔을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전자기구 밸브.
3. 제2항에 있어서, 상기 마이크로액추에이터는 상기 밸브시트가 적어도 하나의 개구부에 조여져서 상기 밸브를 닫는 제1위치 및 상기 밸브시트가 적어도 하나의 개구부에서 풀려서 상기 밸브를 여는 제2위치 사이에서 상기 밸브시트가 움직이도록 더욱 아치화를 이루도록 하는 적어도 하나의 아치형 빔을 가열하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전자기구 밸브.
4. 제2항에 있어서 상기 마이크로액추에이터는 다수의 아치형 빔들과 함께 연결하기 위한 액추에이터 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전자기구 밸브.
5. 제1항에 있어서, 상기 마이크로액추에이터의 열작용은 상기 밸브판을 위치변환하고 상기 밸브판이 풀어져서 상기 개구부를 열도록 상기 밸브판은 상기 개구부에 대하여 정상닫힘 위치로 배치됨을 특징으로 하는 마이크로전자기구 밸브.
6. 제1항에 있어서, 상기 마이크로액추에이터의 열작용은 상기 밸브판의 위치를 바꾸고 상기 밸브판이 조여져서 상기 개구부를 닫도록 상기 밸브판은 상기 개구부에 대하여 정상열림 위치로 배치됨을 특징으로 하는 마이크로전자기구 밸브.
7. 제1항에 있어서, 상기 마이크로액추에이터는 내부 가열로써 열적으로 작용됨을 특징으로 하는 마이크로전자기구 밸브.
8. 제1항에 있어서, 상기 마이크로액추에이터는 외부 가열로써 열적으로 작용됨을 특징으로 하는 마이크로전자기구 밸브.
9. 제1항에 있어서, 상기 마이크로액추에이터는 단결정 실리콘으로 구성됨을 특징으로 하는 마이크로전자기구 밸브.
10. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 밸브판은 단결정 실리콘으로 구성됨을 특징으로 하는 마이크로전자기구 밸브.
11. 제1항에 있어서, 상기 기판에 대하여 밸브판용 비평면성 제한을 제공하기 위해 상기 밸브판에 인접하여 배치된 적어도 하나의 기계적인 멈추개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전자기구 밸브.
12. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 밸브시트는 적어도 하나의 단결정 실리콘, 실리콘 질화물, 및 폴리실리콘으로 구성됨을 특징으로 하는 마이크로전자기구 밸브.
13. 제1항에 있어서, 상기 밸브판이 상기 개구부에 대하여 소정의 위치에 제한되도록 마이크로액추에이터의 열작용에 기인한 소정의 변위 후에, 상기 기판상에 배치되고 상기 밸브판과 상호작용할 수 있는 적어도 하나의 래치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전자기구 밸브.
14. 제13항에 있어서, 상기 래치는 적어도 하나의 열작용 래치 및 정전기 작용 래치를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전자기구 밸브.
15. 적어도 하나의 개구부를 한정하는 마이크로전자 기판을 제공하는 단계;

    단결정 물질을 포함하는 제1웨이퍼를 마이크로전자 기판상에 접착하는 단계; 및

    상기 마이크로액추에이터가 상기 밸브판을 작동가능하게 맞물리도록 적응되고 상기 마이크로액추에이터의 일부, 및 마이크로액추에이터의 열작용에 반응하여 마이크로전자 기판에 의해 정해지는 적어도 하나의 개구부에 대해 풀려서 열린 위치 및 조여서 닫힌 위치 사이에서 움직일 수 있는 적어도 하나의 밸브시트를 더 가지는 밸브판이 상기 마이크로전자 기판에 대해 유동적이도록 단결정 물질로 구성된 상기 제1웨이퍼로부터 열작용 마이크로액추에이터 및 적어도 하나의 밸브판을 형성하는 단계를 포함하는 마이크로전자기구 밸브를 제작하는 방법.
16. 제15항에 있어서, 마이크로전자 기판을 제공하는 상기 단계는 포토레지스트 층을 상기 마이크로전자 기판상에 침전하는 단계, 적어도 하나의 밸브 개구부에 상응하여 상기 마이크로전자 기판에 적어도 하나의 윈도우를 내기위해 상기 포토레지스트 층을 패터닝하는 단계, 및 상기 밸브 개구부를 부분적으로 형성하기 위하여 상기 포토레지스트 층에 의해 정의된 상기 윈도우 내에서 상기 마이크로전자 기판을 부분 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제16항에 있어서, 마이크로전자 기판의 부분 에칭 단계 후에 그 위에 열 산화물 층을 형성하기 위해 상기 마이크로전자 기판을 산화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 밸브 개구부의 형성을 완성하기 위하여 부분적으로 형성된 밸브 개구부에 대하여 상기 열 산화물 층 및 상기 마이크로전자 기판을 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제15항에 있어서, 접착단계 전에 상기 제1웨이퍼에 적어도 하나의 밸브시트를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제15항에 있어서, 접착단계 전에 상기 제1웨이퍼에 마이크로액추에이터 및 적어도 하나의 밸브판을 적어도 부분적으로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제19항에 있어서, 상기 접착 단계는 적어도 하나의 밸브시트가 상기 마이크로전자 기판에 인접하도록 상기 마이크로전자 기판에 상기 제1웨이퍼를 융해 접착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제15항에 있어서, 접착 단계 후에 상기 제1웨이퍼를 원하는 두께로 연마하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제15항에 있어서, 접착 단계 후에 상기 기판에 대해 상기 밸브판을 위한 비평면성 제한을 제공하기 위하여 상기 밸브판에 인접하여 배치된 적어도 하나의 기계적인 멈추개를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제15항에 있어서, 열작용 마이크로액추에이터 및 밸브판을 형성하는 단계는 제1웨이퍼상에 포토레지스트 층을 침적시키고, 작동가능하게 맞물린 마이크로액추에이터 및 적어도 하나의 밸브판을 잔존하는 포토레지스트가 지정하도록 포토레지스트를 패터닝하며, 상기 마이크로액추에이터 및 상기 적어도 하나의 밸브판을 형성하기 위하여 상기 제1웨이퍼를 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제15항에 있어서, 접착 단계 후에 상기 제1웨이퍼로부터 적어도 하나의 래치를 형성하는 단계로서, 상기 래치는 적어도 하나의 열작용 래치 및 정전기 작용 래치이고 상기 밸브판을 상기 개구부에 대하여 소정 위치에 속박하는 상기 마이크로액추에이터의 열작용에 기인하여 소정의 변위 후에 상기 밸브판과 상호작용할 수 있는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제15항에 있어서, 제2웨이퍼로부터 보호 덮개를 형성하여 상기 보호덮개는 비평면 기계적 멈추개를 제공하는 동안 상기 마이크로액추에이터를 덮고 보호하도록 적응되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제26항에 있어서, 상기 마이크로액추에이터 형성 단계 후에 상기 마이크로액추에이터의 위에 적어도 부분적으로 놓이기 위해 상기 제1웨이퍼 위에 상기 제2웨이퍼를 접착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제15항에 있어서, 마이크로액추에이터의 소정 부위의 전도성을 변경하기 위하여 마이크로액추에이터 형성 단계 전에 제1웨이퍼를 선택적으로 도핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
29. 마이크로전자 기판;

    상기 마이크로전자 기판상에 배치되고 이격된 지지부들;

    반도체 물질로 형성되고 상기 이격된 지지부들 사이를 연장하며, 각 지지부들에 인접하여 마주보는 말단부 및 상기 말단부 사이를 연장하는 중간부를 가지는 적어도 하나의 아치형 빔; 및

    상기 지지부들 사이를 지나는 전류가 바람직하기로는 상기 아치형 빔의 중앙 부위를 가열하고 그로인해 더욱 아치형을 이루도록 상기 아치형 빔의 중앙 부위는 대체로 비금속성인, 상기 적어도 하나의 아치형 빔의 말단부에 배치된 금속층을 포함하는 마이크로액추에이터.
30. 제29항에 있어서, 상기 적어도 하나의 아치형 빔에 작동가능하게 연결되고 그로부터 바깥쪽으로 연장하는 액추에이터 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로액추에이터.
31. 제29항에 있어서, 상기 적어도 하나의 아치형 빔은 단결정 실리콘으로 구성됨을 특징으로 하는 마이크로액추에이터.
32. 제29항에 있어서 상기 증발된 금속은 니켈, 금, 및 백금 중의 적어도 하나로 구성됨을 특징으로 하는 마이크로액추에이터.