WO2008148917A2 - Production method for a micrometric fluid focusing device - Google Patents

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Francisco Antonio PERDIGONES SÁNCHEZ
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Abstract

The invention relates to a production method for a device intended to disperse or 'focus' a fluid in a precise, controlled manner at a micrometer scale, using the flow focusing technique and devices produced in accordance with said method. According to the invention, the method enables the simple production of a device that can produce coaxial flows of fluids (three-dimensional encapsulation). The production process, which is based on standard techniques used in microsystem technology (microelectromechanical systems or MEMS), enables the low-cost mass production of dispersion devices having micrometer precision and a very reduced size. The device produced can be easily built into two-dimensional matrices and coaxial flows can be created in the direction perpendicular to the matrix

Description

TÍTULO TITLE
MÉTODO DE FABRICACIÓN PARA DISPOSITIVO ENFOCADOR DE FLUIDO A ESCALA MICROMÉTRICAMANUFACTURING METHOD FOR MICROMETRIC SCALE FLUID FOCUSING DEVICE
OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION
El objeto de Ia presente invención es un procedimiento de fabricación para un dispositivo destinado a Ia dispersión de un fluido, llamado enfocado, en otro u otros, llamados enfocantes, de manera precisa y controlada a una escala micrométrica mediante Ia técnica conocida como "flow focusing" y dispositivos fabricados según ese procedimientoThe object of the present invention is a manufacturing process for a device intended for the dispersion of a fluid, called focusing, in another or others, called focusing, precisely and controlled on a micrometric scale by means of the technique known as "flow focusing "and devices manufactured according to that procedure
El método objeto de Ia presente invención permite de forma sencilla Ia fabricación de un dispositivo capaz de producir corrientes coaxiales de fluidos (encapsulación tridimensional). El proceso de fabricación, basado en técnicas estándar en tecnología de microsistemas (sistemas microelectromecánicos o MEMS, Micro Electro Mechanical Systems), permite Ia producción masiva de los dispositivos de dispersión con una precisión micrométrica, a bajo coste, y con un tamaño muy reducido.The method object of the present invention allows in a simple way the manufacture of a device capable of producing coaxial currents of fluids (three-dimensional encapsulation). The manufacturing process, based on standard techniques in microsystem technology (microelectromechanical systems or MEMS, Micro Electro Mechanical Systems), allows the mass production of dispersion devices with micrometric precision, at low cost, and with a very small size.
El dispositivo fabricado puede ser fácilmente integrado en matrices bidimensionales, pudiéndose crear flujos coaxiales en Ia dirección perpendicular a Ia matriz de dispositivos.The manufactured device can be easily integrated into two-dimensional matrices, coaxial flows can be created in the direction perpendicular to the device matrix.
ESTADO DE LA TÉCNICASTATE OF THE TECHNIQUE
La técnica conocida como Flow-Focusing, o enfocamiento de fluido, es un método mecánico para Ia producción de chorros de muy pequeño diámetro. Según Ia forma de aplicación del método, puede conseguirse un chorro estable, o puede forzarse a éste a romperse en microgotas de tamaño controlado. La técnica se basa en envolver el chorro de líquido con otro fluido inmiscible con el primero, de manera que éste fluye coaxialmente con dicho fluido inmiscible (o enfocante). También es posible utilizar un líquido como fluido envolvente y que el fluido enfocado sea un gas.The technique known as Flow-Focusing, or fluid focusing, is a mechanical method for the production of very small diameter jets. According to the method of application of the method, a stable jet can be achieved, or it can be forced to break into micro-droplets of controlled size. The technique is based on wrapping the liquid jet with another immiscible fluid with the former, so that it flows coaxially with said immiscible (or focusing) fluid. It is also possible to use a liquid as the surrounding fluid and that the focused fluid is a gas.
Las principales aplicaciones de Ia encapsulación de fluido son las siguientes:The main applications of fluid encapsulation are the following:
1. Generación de aerosoles. Mediante Ia dispersión de un líquido dentro del aire es posible generar gotas con tamaños muy controlados y homogéneos. Los diámetros de1. Generation of aerosols. By means of the dispersion of a liquid within the air it is possible to generate drops with very controlled and homogeneous sizes. The diameters of
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) las gotas generadas pueden variar entre los cientos de mieras y las decenas de nanómetros.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The drops generated can vary between hundreds of microns and tens of nanometers.
2. Generación de burbujas. Si el fluido enfocado es un gas y el fluido enfocante un líquido, entonces se generan burbujas, cuyo tamaño es perfectamente uniforme y puede ser controlado.2. Bubble generation. If the focused fluid is a gas and the focusing fluid is a liquid, then bubbles are generated, the size of which is perfectly uniform and can be controlled.
3. Generación de espumas y emulsiones. Mediante Ia aplicación de los dos métodos descritos en los epígrafes anteriores, es posible Ia producción altamente eficiente de emulsiones y espumas.3. Generation of foams and emulsions. By applying the two methods described in the previous sections, highly efficient production of emulsions and foams is possible.
4. Producción de partículas complejas. Si se aplica Ia técnica de chorros coaxiales de fluidos inmiscibles dos o más veces sucesivamente, y se provoca su rotura en gotas, puede lograrse Ia producción de gotas de fluido que contengan en su interior otras gotas. Estas partículas encuentran aplicación en Ia dispensación de medicamentos, cuyo principio activo estaría en el interior, y se encontraría rodeado de un material protector que se disolvería, liberando dicho principio activo de manera controlada.4. Production of complex particles. If the technique of coaxial jets of immiscible fluids is applied two or more times successively, and its rupture in drops is caused, the production of fluid drops containing other drops inside it can be achieved. These particles find application in the dispensing of medicines, whose active principle would be inside, and would be surrounded by a protective material that would dissolve, releasing said active principle in a controlled manner.
6. Análisis de partículas. Un analizador de partículas es capaz de medir las propiedades espectro-fotométricas de las partículas que circulan. Para conseguir un flujo lineal de partículas, es habitual forzar el fluido que las contiene a fluir rodeado por otra corriente coaxial. De esta forma, se consigue un chorro altamente estable y de dimensiones predeterminadas.6. Particle analysis. A particle analyzer is able to measure the spectrum-photometric properties of the circulating particles. To achieve a linear flow of particles, it is usual to force the fluid that contains them to flow surrounded by another coaxial current. In this way, a highly stable jet of predetermined dimensions is achieved.
7. Citometría de flujo. En el caso de que las partículas analizadas según el método descrito en el epígrafe anterior sean células de un organismo animal o vegetal, Ia técnica se denomina citometría de flujo.7. Flow cytometry. In the event that the particles analyzed according to the method described in the previous section are cells of an animal or plant organism, the technique is called flow cytometry.
Existen varias técnicas y dispositivos conocidos para el enfocamiento bidimensional de fluidos (ver, por ejemplo, Ia patente US20040043506, inventores Haussecker y Sundarajan). Las técnicas de fabricación habitualmente empleadas para estos dispositivos permiten realizar agrupaciones lineales de los mismos, pero hacen extremadamente difícil realizar una matriz bidimensional de dispositivos.There are several known techniques and devices for two-dimensional fluid focusing (see, for example, US20040043506, inventors Haussecker and Sundarajan). The manufacturing techniques commonly used for these devices allow linear groupings thereof, but make it extremely difficult to make a two-dimensional array of devices.
También se han diseñado previamente dispositivos y sus procesos de fabricación correspondientes para lograr una encapsulación tridimensional de fluidos (ver Sundarajan et al., IEEE J. Microelectromech. Syst, vol. 13, no. 4, pp. 559-567). Hasta ahora, los procesos de fabricación y los materiales utilizados para estos dispositivos no permiten Ia agrupación de varios formando una matriz bidimensional.Devices and their corresponding manufacturing processes have also been previously designed to achieve three-dimensional fluid encapsulation (see Sundarajan et al., IEEE J. Microelectromech. Syst, vol. 13, no. 4, pp. 559-567). Until now, the manufacturing processes and materials used for these devices do not allow the grouping of several forming a two-dimensional matrix.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) La integración de los dispositivos de encapsulación de fluido en matrices ofrece Ia ventaja de permitir una mayor producción en Ia unidad de tiempo, aumentando Ia eficiencia del sistema global.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The integration of the fluid encapsulation devices in matrices offers the advantage of allowing a greater production in the unit of time, increasing the efficiency of the global system.
Otros procesos de fabricación para dispositivos de encapsulación integrables en matrices han sido publicados previamente (por ejemplo, patente ES2199048, inventor Gañán-Calvo), pero son complejos y el nivel de integración que se alcanza es pequeño, dada Ia dificultad de mecanizar a pequeña escala los materiales en los que se basan, principalmente metales.Other manufacturing processes for encapsulation devices integrable in matrices have been previously published (for example, patent ES2199048, inventor Gañán-Calvo), but they are complex and the level of integration achieved is small, given the difficulty of small-scale machining the materials on which they are based, mainly metals.
El alto número de patentes y publicaciones científicas orientadas a Ia consecución de un dispositivo de enfocamiento de flujo que se pueda fabricar fácilmente a pequeña escala y sea integrable en matrices demuestra Ia utilidad de dicho dispositivo.The high number of patents and scientific publications oriented towards the achievement of a flow focusing device that can be easily manufactured on a small scale and can be integrated into matrices demonstrates the usefulness of said device.
En cuanto a los procesos de fabricación de dispositivos micrométricos, éstos se clasifican en mecanizado, grabado y moldeado. Las técnicas de mecanizado tradicional no suelen ser adecuadas para Ia construcción de un dispositivo como el descrito, ya que carecen de Ia precisión necesaria, y además no poseen Ia economía de escala necesaria para fabricar grandes cantidades a bajo coste. Los procesos de moldeado se utilizan para fabricar dispositivos de geometría compleja usando materiales moldeables, pero actualmente no son tan ampliamente usados para fabricar microsistemas como los procesos de grabado. Los procesos de grabado, que se utilizan en el método de fabricación objeto de Ia presente invención, evolucionan de las técnicas de fabricación de circuitos integrados en microelectrónica, y están basadas en reacciones químicas que eliminan material de un sustrato. Pueden clasificarse en grabado en superficie o en volumen, según sea Ia geometría del material a grabar. A su vez, las técnicas de grabado en volumen se dividen en grabado húmedo (cuando el reactivo que elimina el material se encuentra en fase líquida) y grabado seco (cuando está en cualquier otra fase, normalmente gaseosa).As for the manufacturing processes of micrometer devices, these are classified as machining, engraving and molding. Traditional machining techniques are usually not suitable for the construction of a device like the one described, since they lack the necessary precision, and also do not have the economy of scale necessary to manufacture large quantities at low cost. Molding processes are used to manufacture complex geometry devices using moldable materials, but they are not currently as widely used to make microsystems as engraving processes. The engraving processes, which are used in the manufacturing method object of the present invention, evolve from the techniques of manufacturing integrated microelectronic circuits, and are based on chemical reactions that remove material from a substrate. They can be classified as surface engraving or volume, depending on the geometry of the material to be engraved. In turn, volume etching techniques are divided into wet etching (when the reagent that removes the material is in the liquid phase) and dry etching (when it is in any other phase, usually gas).
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
El método de fabricación que se describe está destinado a Ia fabricación de un dispositivo que posea dos entradas de fluido y una única salida, por Ia que saldrán al exterior ambos fluidos de entrada. La configuración geométrica interna posibilita Ia realización de Ia técnica conocida como "flow-focusing", en Ia que uno de los fluidos, llamado enfocante, rodea completamente al otro fluido, llamado enfocado, de manera que éste es arrastrado concéntricamente por el enfocante en forma de un micro-chorroThe manufacturing method described is intended for the manufacture of a device that has two fluid inlets and a single outlet, whereby both inlet fluids will go outside. The internal geometric configuration allows the realization of the technique known as "flow-focusing", in which one of the fluids, called focusing, completely surrounds the other fluid, called focusing, so that it is dragged concentrically by the focuser in form of a micro-jet
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) capilar o de gotas microscópicas, siendo el tamaño de éstas determinado por las condiciones de flujo (caudal) de ambos fluidos enfocante y enfocado.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) capillary or microscopic drops, the size of these being determined by the flow conditions (flow rate) of both focusing and focused fluids.
Este dispositivo tiene usos en sectores de Ia técnica como Ia industria farmacéutica (encapsulación de fármacos), Ia ciencia e ingeniería de materiales, Ia industria alimentaria, Ia industria química, Ia biotecnología, y Ia instrumentación científica.This device has uses in sectors of the technique such as the pharmaceutical industry (drug encapsulation), the science and engineering of materials, the food industry, the chemical industry, the biotechnology, and the scientific instrumentation.
Algunas de las aplicaciones del dispositivo son Ia generación de microsprays, microgotas, y espumas, así como Ia creación de partículas complejas, y el análisis de partículas o células.Some of the applications of the device are the generation of microsprays, microdrops, and foams, as well as the creation of complex particles, and the analysis of particles or cells.
Las ventajas que presenta el método objeto de Ia presente invención respecto a otras invenciones previas son:The advantages of the method object of the present invention with respect to other previous inventions are:
- Permite de forma sencilla Ia fabricación de un dispositivo capaz de producir corrientes coaxiales de fluidos (enfocado tridimensional), Io que otros métodos desarrollados anteriormente no son capaces de realizar.- It allows in a simple way the manufacture of a device capable of producing coaxial currents of fluids (three-dimensional focusing), which other methods previously developed are not capable of performing.
- El proceso de fabricación, basado en técnicas estándar en tecnología de microsistemas, permite Ia producción masiva de los dispositivos de dispersión con un bajo coste, y con un tamaño muy reducido (estando las dimensiones en el orden de las mieras).- The manufacturing process, based on standard techniques in microsystem technology, allows the mass production of the dispersion devices with a low cost, and with a very small size (the dimensions being in the order of the microns).
- El dispositivo fabricado puede ser fácilmente integrado en matrices bidimensionales, pudiéndose además crear flujos coaxiales en Ia dirección perpendicular a Ia matriz de dispositivos.- The manufactured device can be easily integrated into two-dimensional matrices, and coaxial flows can also be created in the direction perpendicular to the device matrix.
El dispositivo objeto de Ia invención consiste en dos obleas que han sido mecanizadas y unidas para Ia encapsulación de fluidos, como se muestra en Ia figura 2. En Ia oblea (1) hay un taladro (4) por donde asciende el fluido enfocado. El fluido enfocante es aportado a través del conducto (6) hasta alcanzar Ia estructura cilindrica (5) encargada de conducir el fluido enfocado. Esta geometría garantiza Ia encapsulación del fluido enfocado por parte del fluido enfocante. Ambos fluidos salen por el orificio (3) de descarga de Ia oblea (2) superior.The device object of the invention consists of two wafers that have been machined and joined for the encapsulation of fluids, as shown in Figure 2. In the wafer (1) there is a hole (4) through which the focused fluid ascends. The focusing fluid is supplied through the duct (6) until reaching the cylindrical structure (5) responsible for conducting the focused fluid. This geometry guarantees the encapsulation of the focused fluid by the focusing fluid. Both fluids leave through the discharge port (3) of the upper wafer (2).
El proceso de fabricación de Ia invención es el siguiente (ver figura 5):The manufacturing process of the invention is as follows (see figure 5):
1. Se realiza un grabado en una oblea de silicio (oblea #1) mediante un reactor RIE (Reactive Ion Etching), para realizar canales de reparto del fluido enfocante. El1. Engraving is performed on a silicon wafer (wafer # 1) by means of an RIE reactor (Reactive Ion Etching), to make distribution channels of the focusing fluid. He
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) grabado se realiza partiendo de una cara A de Ia oblea. Para definir Ia forma a grabar se realiza primero una etapa de fotolitografía sobre Ia misma cara A, usando una máscara que contiene Ia forma de los canales, y mediante Ia que se protegen las zonas que no se desean grabar. 2. Usando Ia misma máscara que en el paso 1 , se realiza fotolitografía sobre Ia cara B de Ia oblea #1 , y se graban las zonas no protegidas, creando una imagen especular de los canales existentes en Ia cara B, con una profundidad menor. Esta imagen se utilizará posteriormente para Ia alineación entre máscaras en otras etapas de fotolitografía. 3. Desde Ia cara B de Ia oblea #1 se vuelve a realizar otra etapa de fotolitografía, alineando Ia máscara con Ia copia de los canales realizada en el paso 2, y posteriormente se graba Ia oblea en todo su espesor usando RIE. De esta forma se crea el paso necesario para el fluido enfocado.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Engraving is done starting from an A side of the wafer. To define the form to be recorded, a photolithography stage is first performed on the same face A, using a mask that contains the shape of the channels, and by means of which the areas that do not wish to record are protected. 2. Using the same mask as in step 1, photolithography is performed on face B of wafer # 1, and the unprotected areas are recorded, creating a mirror image of the existing channels on face B, with a lower depth . This image will be used later for the alignment between masks in other photolithography stages. 3. From the B-side of wafer # 1 another photolithography stage is performed again, aligning the mask with the copy of the channels made in step 2, and subsequently the wafer is recorded in its entire thickness using RIE. This creates the necessary step for the focused fluid.
4. En una oblea #2 se realiza un grabado RIE desde su cara B, definiendo previamente Ia forma mediante fotolitografía. La profundidad de este grabado determina Ia separación entre el extremo superior de Ia superficie cilindrica (5) y Ia oblea superior (2).4. On a wafer # 2 an RIE engraving is made from its face B, previously defining the shape by photolithography. The depth of this engraving determines the separation between the upper end of the cylindrical surface (5) and the upper wafer (2).
5. Las dos obleas se unen mediante un proceso físico o químico de unión hermética, por ejemplo unión por fusión de silicio, o unión anódica. 6. En Ia oblea #2 se define una zona en su cara superior mediante fotolitografía, y mediante RIE se practica un orificio pasante que comunique el exterior con Ia cavidad creada en el interior de las dos obleas. Este orificio debe estar alineado con el orificio pasante del interior de Ia estructura cilindrica (5) y permitirá Ia salida de los fluidos enfocados y enfocante una vez producida Ia encapsulación. 7. Adicionalmente, en el paso 6 se puede mecanizar Ia oblea #2 para realizar Ia tobera de descarga (9) de Ia figura 3, o para reducir su espesor. 8. Asimismo, es posible mecanizar Ia oblea #1 por su cara inferior para definir mediante fotolitografía una red de canales de reparto del fluido enfocado, que lleve a éste hasta Ia entrada del orificio interno a Ia estructura cilindrica.5. The two wafers are joined by a physical or chemical process of hermetic bonding, for example silicon fusion bonding, or anodic bonding. 6. In wafer # 2 an area on its upper face is defined by photolithography, and through RIE a through hole is made that communicates the outside with the cavity created inside the two wafers. This hole must be aligned with the through hole inside the cylindrical structure (5) and will allow the outflow of the focused and focusing fluids once the encapsulation has occurred. 7. Additionally, in step 6, wafer # 2 can be machined to make the discharge nozzle (9) of Figure 3, or to reduce its thickness. 8. Likewise, it is possible to machine the # 1 wafer on its underside to define by means of photolithography a network of distribution channels of the focused fluid, which leads to it until the entrance of the internal hole to the cylindrical structure.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASDESCRIPTION OF THE FIGURES
Figura 1. Concepto de enfocamiento de fluidosFigure 1. Fluid focusing concept
En Ia figura, (7) es el fluido enfocante y (8) el fluido enfocado.In the figure, (7) is the focusing fluid and (8) the focused fluid.
Figura 2. Sección del dispositivoFigure 2. Device section
El dispositivo consta de dos obleas: inferior #1 (1) y superior #2 (2), que han sido micromecanizadas y unidas. En Ia oblea inferior (1) se ha tallado una superficie cilindrica (5) y una cámara de remanso que Ia rodea desde Ia cara superior. Desde Ia cara inferiorThe device consists of two wafers: lower # 1 (1) and upper # 2 (2), which have been micromachined and joined. In the lower wafer (1) a cylindrical surface (5) and a backwater chamber that surrounds it from the upper face has been carved. From the lower face
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) de la oblea (1) se han abierto dos orificios de entrada para el fluido enfocado (4) y fluido enfocante (6). En Ia oblea superior (2) se ha abierto un orificio de salida (3) que se encuentra alineado con el orificio de entrada de fluido enfocado (4). El fluido enfocado entra por (4) mientras que el fluido enfocante entra por (6). La forma cilindrica en (5) hace que el fluido enfocante envuelva al fluido enfocado y que ambos salgan por el orificio (3).SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) of the wafer (1) two inlet holes have been opened for the focused fluid (4) and focusing fluid (6). In the upper wafer (2) an outlet opening (3) has been opened that is aligned with the focused fluid inlet hole (4). The focused fluid enters through (4) while the focusing fluid enters through (6). The cylindrical shape in (5) causes the focusing fluid to wrap the focused fluid and both exit through the hole (3).
Figura 3. Sección del dispositivo, con geometría alternativa para Ia salidaFigure 3. Device section, with alternative geometry for the output
El orificio de descarga puede presentar distintas geometrías de salida. En Ia figura 3 se muestra una salida cónica (9). Otros perfiles en Ia tobera de descarga son posibles.The discharge hole may have different output geometries. Figure 3 shows a conical output (9). Other profiles in the discharge nozzle are possible.
Figura 4. Disposición de varios dispositivos integrados formando una matrizFigure 4. Arrangement of several integrated devices forming an array
En esta figura se aprecia cómo los dispositivos pueden fabricarse a partir del mismo sustrato, distribuidos en un plano, y con Ia salida del fluido encapsulado perpendicular a dicho plano.This figure shows how the devices can be manufactured from the same substrate, distributed in a plane, and with the outlet of the encapsulated fluid perpendicular to said plane.
Figura 5. Proceso de fabricaciónFigure 5. Manufacturing process
El dibujo (a) muestra el rebaje realizado inicialmente en una oblea inferior #1 para crear Ia superficie cilindrica y Ia cámara de remanso. El dibujo (b) muestra el grabado desde Ia cara inferior para finalizar el orificio interior a Ia superficie cilindrica (por donde circulará el fluido enfocado) y el orificio de entrada del fluido enfocante. El dibujo (c) muestra el rebaje realizado en Ia oblea superior #2, y que determina Ia separación entre Ia superficie cilindrica y Ia tapadera. El dibujo (d) muestra Ia unión de las dos obleas mecanizadas hasta ahora. El dibujo (e) muestra el dispositivo final, después de realizar el orificio de salida en Ia oblea superior.The drawing (a) shows the recess made initially in a bottom wafer # 1 to create the cylindrical surface and the backwater chamber. The drawing (b) shows the engraving from the lower face to finish the inner hole to the cylindrical surface (through which the focused fluid will circulate) and the inlet hole of the focusing fluid. The drawing (c) shows the recess made in the upper wafer # 2, and which determines the separation between the cylindrical surface and the cover. Drawing (d) shows the union of the two machined wafers so far. The drawing (e) shows the final device, after making the exit hole in the upper wafer.
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓNEMBODIMENT OF THE INVENTION
En Io que sigue se explica un ejemplo de modo de realización de Ia presente invención que no pretende ser ni exhaustivo ni limitar el campo que cubre Ia presente invención, y sólo se incluye a modo ilustrativo, estando el campo limitado sólo por las reivindicaciones que se exponen al final.In the following, an example of embodiment of the present invention is explained, which is not intended to be neither exhaustive nor to limit the field covered by the present invention, and is only included by way of illustration, the field being limited only by the claims that are Expose at the end.
El método de fabricación es similar al que se ha descrito anteriormente. Al tratarse de técnicas estándar de fabricación de microsistemas, las dimensiones óptimas para este método de fabricación van desde pocos micrómetros hasta decenas o centenas. El proceso de fabricación de un dispositivo típico consiste en:The manufacturing method is similar to that described above. As these are standard microsystem manufacturing techniques, the optimal dimensions for this manufacturing method range from a few micrometers to tens or hundreds. The manufacturing process of a typical device consists of:
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 1a. Fotolitografía de una oblea inferior de silicio de 380 micrómetros de espesor, definiendo una red de canales de reparto de fluido enfoncante de anchura variable y comprendida entre los 100 y los 400 micrómetros.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) 1st. Photolithography of a silicon bottom wafer 380 micrometers thick, defining a network of distribution channels of variable-width fluid ranging from 100 to 400 micrometers.
1b. Grabado RIE de Ia oblea, con una profundidad de 180 micrómetros (um) en las zonas definidas por Ia fotolitografía anterior.1 B. RIE engraving of the wafer, with a depth of 180 micrometers (um) in the areas defined by the previous photolithography.
2a. Fotolitografía en Ia cara opuesta (inferior) de Ia misma oblea usando Ia misma máscara que en el paso 1a.2nd. Photolithography on the opposite (lower) side of the same wafer using the same mask as in step 1a.
2b. Grabado de Ia oblea por Ia cara inferior, con una profundidad de 5um para usarlo como patrón de alineación.2b Engraving of the wafer on the underside, with a depth of 5um to use as an alignment pattern.
3a. Fotolitografía desde Ia cara inferior usando una nueva máscara y alineándola con los patrones realizados en el paso 2b, definiendo orificios de 50um de diámetro, que se usarán como canales para el fluido enfocado. 3b. Grabado profundo (Deep RIE) de Ia oblea desde Ia cara inferior en las zonas definidas por Ia fotolitografía realizada en 3a. La profundidad del grabado es Ia necesaria para atravesar completamente todo el espesor de Ia oblea, en este caso 380um.3rd. Photolithography from the lower face using a new mask and aligning it with the patterns made in step 2b, defining holes of 50um in diameter, which will be used as channels for the focused fluid. 3b Deep engraving (Deep RIE) of the wafer from the lower face in the areas defined by the photolithography performed in 3rd. The depth of the engraving is necessary to completely cross the entire thickness of the wafer, in this case 380um.
4a. En una nueva oblea superior de silicio de 380um de espesor se realiza una fotolitografía en Ia cara inferior, definiendo las áreas en las que el fluido enfocante se encuentra con el enfocado. Estas áreas tienen un diámetro de 600um. 4b. Grabado de Ia oblea en las zonas definidas en Ia fotolitografía anterior, con una profundidad de 20um.4th. In a new superior silicon wafer 380um thick, a photolithography is performed on the lower face, defining the areas in which the focusing fluid meets the focused one. These areas have a diameter of 600um. 4b Engraving of the wafer in the areas defined in the previous photolithography, with a depth of 20um.
5. Unión por fusión de las dos obleas de silicio, con Ia segunda oblea encima de Ia primera.5. Union by fusion of the two silicon wafers, with the second wafer on top of the first.
6. Reducción por mecanizado del espesor de Ia segunda oblea, hasta que el espesor resultante sea de 20um.6. Reduction by machining the thickness of the second wafer, until the resulting thickness is 20um.
7a. Fotolitografía en Ia cara superior del conjunto formado por las dos obleas, definiendo los orificios de salida, con un diámetro de 50um.7a. Photolithography on the upper face of the set formed by the two wafers, defining the exit holes, with a diameter of 50um.
7b. Grabado profundo de Ia segunda oblea desde su cara superior en las zonas definidas por Ia fotolitografía anterior, con Ia profundidad necesaria para perforar Ia oblea en su totalidad (en este caso 20um).7b Deep engraving of the second wafer from its upper face in the areas defined by the previous photolithography, with the depth necessary to drill the wafer in its entirety (in this case 20um).
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)

Claims

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de fabricación de un dispositivo de nebulización mediante enfocamiento capilar de fluidos que consta de n bocas de descarga, por las que sale un fluido enfocado, situadas en una o varias cámaras de remanso y que están enfrentadas a n orificios de salida a través de los cuales sale el fluido enfocado y uno o varios fluidos enfocantes, caracterizado por que comprende los siguientes subprocesos en el orden indicado o en cualquier otro: a. se realiza un grabado o ataque químico sobre Ia cara A de una oblea #1 que, en una o varias etapas, define en su superficie una o varias cámaras de remanso dentro de las que se definen n bocas de descarga, siendo n mayor o igual que uno; para definir Ia forma a grabar se realiza primero una etapa de fotolitografía; b. se realiza un grabado o ataque químico sobre Ia oblea #1 que, en una o varias etapas, define (i) una o varias entradas de fluido enfocante que alimentan directa o indirectamente a todas las cámaras de remanso y (ii) n entradas de fluido enfocado que alimentan a las n bocas de descarga; para definir Ia forma a grabar se realiza primero una etapa de fotolitografía; c. se realiza un grabado o ataque químico sobre Ia cara A de Ia oblea #1 que, en una o varias etapas, define uno o varios canales que permiten distribuir el fluido enfocante desde Ia o las entradas de enfocante a cada una de las cámaras de remanso en donde se encuentran las n bocas de descarga; para definir Ia forma a grabar se realiza primero una etapa de fotolitografía; d. se realiza un grabado o ataque químico sobre Ia cara B de Ia oblea #1 que, en una o varias etapas, define una red de distribución con o sin canales que permiten distribuir el fluido enfocado a cada una de las n entradas de fluido enfocado desde una o varias entradas generales; se considera un caso particular de esta red de canales que exista una entrada general para cada entrada de enfocado; para definir Ia forma a grabar se realiza primero una etapa de fotolitografía; e. se realiza un grabado o ataque químico sobre una oblea #2 que, en una o varias etapas, define los n orificios de salida del dispositivo; para definir Ia forma a grabar se realiza primero una etapa de fotolitografía; f. se realiza un grabado o ataque químico sobre Ia cara B de Ia oblea #2 que, en una o varias etapas, rebaja el espesor de Ia placa en las inmediaciones de los n orificios de salida en una cantidad igual o1. Method of manufacturing a fogging device by means of capillary fluid focusing consisting of n discharge mouths, through which a focused fluid exits, located in one or several backwater chambers and facing outflow holes through which the focused fluid and one or several focusing fluids leave, characterized in that it comprises the following threads in the order indicated or in any other: a. a etching or chemical attack is carried out on the A-side of a # 1 wafer that, in one or several stages, defines one or several backwater chambers within which n discharge mouths are defined, n being greater or equal that one; to define the form to be recorded, a photolithography stage is first performed; b. a etching or chemical attack is carried out on the # 1 wafer that, in one or several stages, defines (i) one or several focusing fluid inlets that directly or indirectly feed all the backwater chambers and (ii) n fluid inlets focused that feed the n discharge mouths; to define the form to be recorded, a photolithography stage is first performed; C. a etching or chemical attack is carried out on the A-side of the # 1 wafer that, in one or several stages, defines one or several channels that allow the focusing fluid to be distributed from the or the focusing inputs to each of the backwater chambers where are the n discharge mouths; to define the form to be recorded, a photolithography stage is first performed; d. a etching or chemical attack is carried out on the face B of the # 1 wafer that, in one or several stages, defines a distribution network with or without channels that allow the focused fluid to be distributed to each of the n focused fluid inlets from one or more general entries; It is considered a particular case of this network of channels that there is a general input for each focusing input; to define the form to be recorded, a photolithography stage is first performed; and. an etching or chemical attack is carried out on a # 2 wafer that, in one or several stages, defines the exit holes of the device; to define the form to be recorded, a photolithography stage is first performed; F. a etching or chemical attack is carried out on the face B of the wafer # 2 which, in one or several stages, reduces the thickness of the plate in the vicinity of the exit holes by an equal amount or
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) superior a Omm; para definir Ia forma a grabar se realiza primero una etapa de fotolitografía; g. se utiliza un método físico o químico para unir Ia cara A de Ia oblea #1 aSUBSTITUTE SHEET (RULE 26) greater than Omm; to define the form to be recorded, a photolithography stage is first performed; g. a physical or chemical method is used to join face A of wafer # 1 to
Ia cara B de Ia oblea #2, de manera que las n bocas de descarga quedan alineadas con los n orificios de salida, estando separados por una distancia determinada por el rebaje de Ia cara B de Ia oblea #2 y Ia altura de Ia boca de descarga de Ia oblea #1.The B face of the wafer # 2, so that the n discharge mouths are aligned with the n exit holes, being separated by a distance determined by the recess of the B face of the wafer # 2 and the height of the mouth Wafer discharge # 1.
2. Procedimiento de fabricación de un dispositivo de nebulización mediante enfocamiento capilar de fluidos que consta de n bocas de descarga por las que sale un fluido enfocado, situadas en una o varias cámaras de remanso y que están enfrentadas a n orificios de salida a través de los cuales sale el fluido enfocado y uno o varios fluidos enfocantes, según Ia reivindicación 1 caracterizado por que comprende los siguientes subprocesos en el orden indicado o en cualquier otro: a. se realiza un grabado químico mediante un reactor RIE (reactive ion etching) sobre Ia cara A de una oblea de silicio #1 que, en una o varias etapas, define en su superficie una o varias cámaras de remanso dentro de las que se definen n bocas de descarga, siendo n mayor o igual que uno; para definir Ia forma a grabar se realiza primero una etapa de fotolitografía usando las máscaras necesarias; b. definiendo previamente Ia forma y alineación mediante fotolitografía, se realiza un grabado químico mediante reactor RIE sobre Ia oblea #1 que, en una o varias etapas, define (i) una o varias entradas de fluido enfocante que alimentan directa o indirectamente a todas las cámaras de remanso y (ii) n entradas de fluido enfocado que alimentan a las n bocas de descarga; c. definiendo previamente Ia forma y alineación mediante fotolitografía, se realiza un grabado químico mediante reactor RIE sobre Ia cara A de Ia oblea #1 que, en una o varias etapas, define uno o varios canales que permiten distribuir el fluido enfocante desde Ia o las entradas de enfocante a cada una de las cámaras de remanso en donde se encuentran las n bocas de descarga; d. definiendo previamente Ia forma y alineación mediante fotolitografía, se realiza un grabado químico mediante reactor RIE sobre Ia cara B de Ia oblea #1 que, en una o varias etapas, define una red de distribución con o sin canales que permiten distribuir el fluido enfocado a cada una de las n entradas de fluido enfocado desde una o varias entradas generales; se considera un caso particular de esta red de canales que exista una entrada general para cada entrada de enfocado;2. Method of manufacturing a fogging device by capillary fluid focusing consisting of n discharge mouths through which a focused fluid exits, located in one or more backwater chambers and facing outflow holes through the which the focused fluid and one or several focusing fluids, according to claim 1, characterized in that it comprises the following threads in the order indicated or in any other: a. a chemical etching is carried out by means of an RIE reactor (reactive ion etching) on the A side of a # 1 silicon wafer that, in one or several stages, defines on its surface one or several backwater chambers within which n discharge mouths, being n greater than or equal to one; To define the form to be recorded, a photolithography stage is first performed using the necessary masks; b. previously defining the shape and alignment by photolithography, a chemical etching is carried out by means of the RIE reactor on the # 1 wafer that, in one or several stages, defines (i) one or more focusing fluid inlets that directly or indirectly feed all the chambers backwater and (ii) n focused fluid inlets that feed the n discharge mouths; C. previously defining the shape and alignment by photolithography, a chemical etching is carried out by means of the RIE reactor on the A-side of the wafer # 1 which, in one or several stages, defines one or several channels that allow the focusing fluid to be distributed from the or the entrances focusing on each of the backwater chambers where the n discharge mouths are located; d. previously defining the shape and alignment by photolithography, a chemical etching is carried out by means of the RIE reactor on the face B of the wafer # 1 which, in one or several stages, defines a distribution network with or without channels that allow the focused fluid to be distributed to each of the n fluid inlets focused from one or more general inlets; It is considered a particular case of this network of channels that there is a general input for each focusing input;
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) e. definiendo previamente Ia forma y alineación mediante fotolitografía, se realiza un grabado químico mediante un reactor RIE sobre una oblea de silicio #2 que, en una o varias etapas, define los n orificios de salida del dispositivo; f. definiendo previamente Ia forma y alineación mediante fotolitografía, se realiza un grabado químico mediante reactor RIE sobre Ia cara B de Ia oblea #2 que, en una o varias etapas, rebaja el espesor de Ia placa en las inmediaciones de los n orificios de salida en una cantidad igual o superior a Omm; g se utiliza un método de unión por fusión para unir Ia cara A de Ia obleaSUBSTITUTE SHEET (RULE 26) and. previously defining the shape and alignment by photolithography, a chemical etching is carried out by means of an RIE reactor on a silicon wafer # 2 which, in one or several stages, defines the exit holes of the device; F. previously defining the shape and alignment by photolithography, a chemical etching is carried out by means of the RIE reactor on the B face of the wafer # 2 which, in one or several stages, reduces the thickness of the plate in the vicinity of the exit holes in an amount equal to or greater than Omm; g a fusion bonding method is used to join the wafer face A
#1 a Ia cara B de Ia oblea #2, de manera que las n bocas de descarga quedan alineadas con los n orificios de salida, estando separados por una distancia determinada por el rebaje de Ia cara B de Ia oblea #2 y Ia altura de Ia boca de descarga de Ia oblea #1. # 1 to the B face of the wafer # 2, so that the n discharge mouths are aligned with the n exit holes, being separated by a distance determined by the recess of the B face of the wafer # 2 and the height of the discharge mouth of the wafer # 1.
3. Procedimiento según reivindicación 1 caracterizado por que una o varias de sus etapas son realizadas por ablación láser en lugar de ataque químico con etapas de fotolitografía.3. Method according to claim 1 characterized in that one or more of its stages are performed by laser ablation instead of chemical attack with photolithography stages.
4. Procedimiento según reivindicaciones 1-3, caracterizado por que Ia boca de descarga que se obtiene es un tubo de sección circular, o un conducto de sección variable con una geometría tridimensional, incluyendo formas troncocónicas, piramidales, axilsimétricas con generatriz curva o combinaciones de las mismas.4. Method according to claims 1-3, characterized in that the discharge mouth that is obtained is a tube of circular section, or a conduit of variable section with a three-dimensional geometry, including truncated conical, pyramidal, axyl-symmetrical shapes with curved generatrix or combinations of the same.
5. Procedimiento según reivindicaciones 1-3, caracterizado por que el orificio de salida que se obtiene es de sección circular a Io largo de toda su longitud o tiene sección variable y una geometría tridimensional, incluyendo formas troncocónicas, piramidales, axilsimétricas con generatriz curva, toberas convergentes, toberas divergentes, toberas convergente-divergente o combinaciones de las mismas.5. Method according to claims 1-3, characterized in that the outlet orifice obtained is circular in section along its entire length or has a variable section and three-dimensional geometry, including truncated conical, pyramidal, axyl-symmetrical shapes with a curved generatrix, convergent nozzles, divergent nozzles, convergent-divergent nozzles or combinations thereof.
6. Procedimiento según reivindicaciones 1-3, caracterizado por que Ia unión de las dos obleas se realiza mediante Ia unión por fusión química, unión anódica, adhesivos convencionales, unión mecánica u otros procedimientos que aseguren Ia fijación de Ia geometría y Ia ausencia de fugas intersticiales.6. Method according to claims 1-3, characterized in that the union of the two wafers is carried out by means of the chemical fusion union, anodic union, conventional adhesives, mechanical union or other procedures that ensure the fixing of the geometry and the absence of leaks interstitials
7. Procedimiento según reivindicaciones 1-3, caracterizado por que Ia oblea #1 y/o #2 son sometidas en algún momento a una o varias etapas adicionales de procesado físico o químico, en particular fresado físico-químico, mecanizado convencional, ablación láser, que permiten variar el espesor de Ia oblea, Ia forma de los orificios de salida, Ia forma de los canales y/o las bocas de descarga.7. Method according to claims 1-3, characterized in that the wafer # 1 and / or # 2 are subjected at some time to one or more additional stages of physical or chemical processing, in particular physical-chemical milling, conventional machining, laser ablation , which allow varying the thickness of the wafer, the shape of the exit holes, the shape of the channels and / or the discharge mouths.
8. Dispositivo de nebulización caracterizado por estar fabricado según procedimientos de reivindicaciones 1-7.8. Fogging device characterized by being manufactured according to the procedures of claims 1-7.
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9. Dispositivo según reivindicación 8, caracterizado por que el material base sobre el que se forman las estructuras es silicio y que las técnicas de grabado utilizadas sobre las obleas son técnicas convencionales en Ia fabricación de microsistemas. 9. Device according to claim 8, characterized in that the base material on which the structures are formed is silicon and that the engraving techniques used on the wafers are conventional techniques in the manufacture of microsystems.
10. Dispositivo según reivindicación 8, caracterizado por que el material base sobre el que se forman las estructuras es vidrio, material compuesto, plástico, o cualquier otro susceptible de ser mecanizado por ataque o grabado químicos según el procedimiento descrito.10. Device according to claim 8, characterized in that the base material on which the structures are formed is glass, composite, plastic, or any other material capable of being mechanized by chemical attack or etching according to the described procedure.
11. Dispositivo según reivindicación 8, caracterizado por que n es igual a 1 y, por tanto el dispositivo consta de una sola boca de descarga y un solo orificio de salida.11. Device according to claim 8, characterized in that n is equal to 1 and, therefore, the device consists of a single discharge port and a single outlet opening.
12. Dispositivo según reivindicación 8, caracterizado por que Ia dirección del fluido enfocado en el interior de Ia boca de descarga es esencialmente perpendicular a las dos obleas. 12. Device according to claim 8, characterized in that the direction of the fluid focused inside the discharge mouth is essentially perpendicular to the two wafers.
13. Dispositivo según reivindicación 8, caracterizado por que Ia entrada del fluido enfocado proviene de otro dispositivo enfocador de fluido según reivindicación 8, estando por tanto dicha entrada constituida a su vez por un fluido enfocado y un fluido enfocante. Se consigue de esta forma el enfocamiento de tres fluidos simultáneamente. El dispositivo completo puede construirse apilando dos dispositivos como los descritos en Ia reivindicación 8, de forma que Ia salida de los dos fluidos encapsulados del dispositivo inferior se conecte a Ia entrada del fluido o del dispositivo superior.13. Device according to claim 8, characterized in that the inlet of the focused fluid comes from another fluid focusing device according to claim 8, said input being therefore constituted in turn by a focused fluid and a focusing fluid. In this way, the focus of three fluids is achieved simultaneously. The complete device can be constructed by stacking two devices as described in claim 8, so that the output of the two encapsulated fluids of the lower device is connected to the inlet of the fluid or the upper device.
14. Dispositivo según reivindicación 8, caracterizado por que consta de electrodos que permiten establecer una diferencia de potencial eléctrica entre el orificio de salida y Ia boca de descarga, de modo que el campo eléctrico generado provoca efectos sobre Ia formación y rotura del chorro microenfocado.14. Device according to claim 8, characterized in that it consists of electrodes that allow establishing a difference in electrical potential between the outlet orifice and the discharge mouth, so that the generated electric field causes effects on the formation and breakage of the micro-focused jet.
15. Dispositivo según reivindicación 8, caracterizado por que Ia o las entradas del fluido enfocante que alimentan a Ia o las cámaras de remanso se encuentran en Ia cara B o en Ia cara lateral de Ia oblea #1.15. Device according to claim 8, characterized in that the or the focusing fluid inlets that feed the backwater chambers or chambers are located on the B side or on the side face of the # 1 wafer.
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