DE10235441A1

DE10235441A1 - Durch Mikrobearbeitung hergestelltes Hochtemperaturventil

Info

Publication number: DE10235441A1
Application number: DE2002135441
Authority: DE
Inventors: Tak Kui Wang; Peisheng Sheng; Richard P White
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2022-08-03
Also published as: DE10235441B4; GB2381058A; US20030030023A1; JP2003156157A; GB2381058B; US6715733B2; GB0216273D0

Abstract

Mikroventile, die eine Membran umfassen, die in der Lage ist, auf einem Ventilsitz positioniert zu werden oder von dem Ventilsitz entfernt zu werden. Die Mikroventile umfassen ferner Träger und eine Abdeckung, die die Bewegung der Membran beschränken, wodurch die Möglichkeit eines Zerbrechens verringert wird. Mikroventile, die durch ein anodisches Bonden der Membran auf ein Auflagesubstrat und durch ein anodisches Bonden der Abdeckung auf die Membran hergestellt sind. Mikroinjektoren, die Mikroventile umfassen. Ferner Verfahren zum Herstellen der Mikroventile und Mikroinjektoren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf durch Mikrobearbeitung hergestellte Ventile, die in der Lage sind, einen Fluß in Vorrichtungen mikro-elektromechanischer Systeme (MEMS-Vorrichtungen) zu regeln, und bezieht sich ferner auf Verfahren zum Herstellen derartiger Ventile.

Die an Johnson et al. erteilte US-Patentschrift Nr. 6,056,269 (die Johnson-Patentschrift '269), die in ihrer Gesamtheit hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, offenbart das in Fig. 1 veranschaulichte Mikrominiaturventil 5, das eine Silikonmembran aufweist. Das Ventil 5 umfaßt eine Membran 10, einen Ventilkörper 12 (der aus einem Auflagesubstrat 15 und einer Basis 17 besteht), einen Ventilsitz 20, eine Mulde oder Ausnehmung 30, eine Öffnung 40, ein Einlaßtor 50, einen Einlaßkanal 60, ein Auslaßtor 70 und einen Auslaßkanal 80. Das Auflagesubstrat 15 und die Membran 10 sind aus Silizium hergestellt. Die Basis 17 ist mit Glas hergestellt.

Durch einen ersten Ätzschritt wird eine Ausnehmung oder Mulde 30 in dem Auflagesubstrat 15 gebildet. In der Ausnehmung oder Mulde 30 befindet sich ein Ventilsitz 20, der durch einen zweiten Ätzschritt gebildet ist. Ferner wird manchmal ein dritter Ätzschritt verwendet, um die Merkmale auf der Vorderseite des Auflagesubstrats 15 auf die Merkmale auf der Rückseite des Auflagesubstrats 15 auszurichten. Das Einlaßtor 50, der Einlaßkanal 60 und der Auslaßkanal 80 sind über einen vierten Ätzschritt in dem Auflagesubstrat 15 gebildet. Die Öffnung 40 und das Auslaßtor 70 sind durch einen fünften Ätzschritt in dem Inneren des Ventilsitzes 20 chemisch geätzt, derart, daß sie sich durch das Auflagesubstrat 15 erstreckt und mit dem Einlaßtor 50 und dem Einlaßkanal 60 verbunden ist. Falls eine doppelseitige Ausrichtvorrichtung verwendet wird, kann der dritte Ätzschritt weggelassen werden. Somit wird dasselbe Stück Silizium, das das Ventil 5 bildet, entweder vier- oder fünfmal geätzt, je nachdem, ob eine doppelseitige Ausrichtvorrichtung verwendet wird oder nicht.

Da jeder Photolithographie-, Handhabungs- und Ätzschritt inhärent mit demselben zusammenhängende Ausbeuteprobleme aufweist, gehen bei jedem Schritt einige wenige Wafer verloren. Angenommen, daß jeder Schritt einen zugeordneten Verlust von 10% der Wafer aufweist, beträgt die Gesamtausbeute an Ventilen 5 gemäß dem oben erörterten Verfahren 90% hoch 4 oder 5. Daher sind lediglich zwischen 59 und 66% der durch den oben beschriebenen Prozeß hergestellten Ventile 5 funktionstüchtig.

Im Betrieb wird das Ventil 5 durch die Membran 10 geöffnet und geschlossen. Ob sich die Membran 10 in der offenen oder geschlossenen Position befindet, hängt von einem auf die obere Oberfläche der Membran 10 ausgeübten Steuerdruck ab. Wenn der Steuerdruck hoch ist, biegt sich die Membran 10 auf den Ventilsitz 20 durch und bildet eine Abdichtung mit demselben, wodurch das Ventil 5 geschlossen wird. Wenn der Druck jedoch verringert wird, lockert sich die Membran 10 weg von dem Ventilsitz 20 und öffnet das Ventil 5.

Wenn die Membran 10 von dem Ventilsitz 20 weg gelockert wird, kann ein Gas oder eine Flüssigkeit in das Einlaßtor 50, durch den Einlaßkanal 60 und aus der Öffnung 40 heraus passieren. Dann kann das Gas oder die Flüssigkeit in die Ausnehmung 30 strömen bzw. fließen und durch das Auslaßtor 70, den Auslaßkanal 80 und aus dem Ventil 5 heraus abfließen. Wenn die Membran 10 direkt auf dem Ventilsitz 20 positioniert ist, verhindert die erzeugte Abdichtung, daß ein Gas oder eine Flüssigkeit aus der Öffnung 40 herausströmt. Daher kann weder Gas noch Flüssigkeit über den Auslaßkanal 80 entweichen, und das Ventil 5 befindet sich in einer geschlossenen Position. In manchen Fällen kann die Flußrichtung umgekehrt werden, wobei der Einlaß zu einem Auslaß wird und umgekehrt.

Die Membran 10 kann aus einem relativ dicken Stück Silizium hergestellt sein, das mit dem Körper 12 verbunden ist und dann von einer Seite chemisch geätzt wird, was eine Membran 10 mit einer Dicke der Größenordnung zwischen 5 und 80 Mikrometer ergibt. Da eine Halbleiterverarbeitungsausrüstung jedoch ausgelegt ist, um Wafer bestimmter Dickenbereiche handzuhaben, ist es allgemein bevorzugt, die Membran 10 vor dem Durchführen des Bondingprozesses zu ätzen. Ferner ist eine vorgeätzte Membran 10 einem Verbinden bzw. Bonden von Wafern und einem anschließendem Ätzen derselben aufgrund von Dickenschwankungen von Wafer zu Wafer und Dickenschwankungen an unterschiedlichen Regionen auf demselben Wafer, wie oben erörtert, vorzuziehen.

In der Regel beträgt die Dickenschwankung von einem Wafer zu einem anderen ungefähr 25 Mikrometer. Dies bedeutet, daß in einer Gruppe von Wafern, die mit einer Dicke von 500 Mikrometern angegeben sind, einige Wafer lediglich 487 Mikrometer dick sein können, während andere eine Dicke von 512 Mikrometern aufweisen können. Falls eine 500-Mikrometer- Ätzung an allen Wafern in einer Gruppe durchgeführt würde, nachdem sie an einem Satz von Körpern 12 befestigt wurden, würden die 487 Mikrometer dicken Wafer vollständig durchgeätzt, während bei den 512 Mikrometer dicken Wafern eine Dicke von 12 Mikrometern verbleiben würde, die als Membran 10 verwendet werden könnte. Somit könnte die Dicke einer Membran 10 nicht genau durch standardmäßige Gruppenherstellungsprozesse gesteuert werden, und die Kosten einer Herstellung von Ventilen 5 würden beträchtlich ansteigen.

Dickenschwankungen an unterschiedlichen Regionen auf demselben Wafer würden die Verarbeitungskomplexitäten erhöhen und sogar noch mehr kosten. Unter solchen Bedingungen könnte die Membran 10 in manchen Regionen vollständig weggeätzt werden, während in anderen Regionen eine zu dicke Membran 10 verbleiben könnte. Deshalb werden vorgeätzte Membranen 10 bevorzugt, wie oben angegeben wurde.

Nachdem eine Membran 10 erhalten wurde, wird der Fusionsbondingprozeß verwendet, um die Membran 10 an dem Auflagesubstrat 15 zu befestigen und um das Auflagesubstrat 15 an der Basis 17 zu befestigen. Dieser Prozeß erfordert, daß zwei sehr saubere und flache Siliziumwaferoberflächen miteinander in Kontakt stehen. Wenn die Oberflächen erst einmal in Kontakt stehen, beginnt der Bondingprozeß, und nach einem Tempern, in der Regel in einer Umgebung einer hohen Temperatur von mehr als 1100°C, kann ein starkes Bonden gebildet werden. Das Endprodukt des Fusionsbondingprozesses kann eine Siliziumstruktur sein, die fast monolithisch ist. Gemäß bestimmten Arten eines Fusionsbondens kann jedoch ein Wafer oxidiert werden und in Kontakt mit einem blanken Siliziumwafer gebracht werden.

Obwohl der Fusionsbondingprozeß theoretisch ein starkes Bonden erzeugen kann, müssen bestimmte Anforderungen und Spezifikationen erfüllt sein. Beispielsweise wurden bereits viele Studien über Waferspezifikationen durchgeführt, und das Erfordernis einer Oberflächenrauheit von ungefähr 5 Nanometer im quadratischen Mittelwert (RMS-Wert) wird als für ein ordnungsgemäßes Bonden notwendig akzeptiert.

Ferner sind zum Durchführen des Fusionsbondingprozesses extrem saubere Oberflächen erforderlich. Allgemein werden Waferoberflächen zuerst gemäß dem hinreichend bekannten RCA- Ätz-/Reinigungsprozeß (durch RCA Corp. entwickelt) behandelt und unmittelbar danach miteinander verbunden. Ferner macht die für ein Fusionsbonden erforderliche Reinheit die Verwendung einer Reinraumumgebung der Klasse 10 oder, vorzugsweise, der Klasse 1 erforderlich. Da derartige Umgebungen teuer zu unterhalten sind, ist der Fusionsbondingprozeß für eine kommerzielle Herstellung nicht geeignet.

Die Waferoberflächen müssen ferner frei von Splitterstückchen sein. Wenn ein Wafer abgesplittert ist, können die Splitter selbst zu blanken Siliziumoberflächen werden. Sollten die Splitter (oder Partikel von den Splittern) auf eine der Waferoberflächen zurückfallen, würde unweigerlich ein Zwischenraum verbleiben, wenn die Oberflächen miteinander in Kontakt gebracht werden. Ein solcher Zwischenraum würde ein Wafer-Zu-Wafer-Bonding unmöglich machen. Somit macht das Erfordernis, eine Zwischenraumbildung zu vermeiden, den Herstellungsprozeß der oben erörterten Ventile 5 sogar noch problematischer.

Wenn nicht alle oben erörterten Glattheit- und Reinheitsbedingungen erfüllt werden, bilden sich die Silizium-An- Silizium-Verbindungen, die die Membran 10 an dem Auflagesubstrat 15 in dem Ventil 5 halten, entweder nie oder sind sehr anfällig für eine Schichtenspaltung. Unter nicht- idealen Bedingungen, auch wenn sich Verbindungen bilden, sind die Verbindungen schwach, und ein einfaches Einführen eines Fingernagels zwischen die beide Wafern bewirkt, daß die Wafer voneinander abblättern.

Angenommen, daß ideale Bondingbedingungen erfüllt wurden, weist das Ventil 5 immer noch inhärente Konstruktionsfehler auf, die seine Verwendung einschränken. Beispielsweise unterliegt die Membran 10 einem hohen Risiko, während eines Gebrauchs zu zerbrechen, wenn ein Druck von der Ober- oder Rückseite des Ventils 5 (gegenüber dem Körper 12) zu groß ist. Unter solchen Bedingungen wird die Membran 10 mit einer solchen Kraft gegen den Ventilsitz 20 gedrückt, daß die Membran 10 versucht, sich an die Form des Ventilsitzes 20 anzupassen. Deshalb erfährt die Membran 10 vor allem an den Rändern des Ventilsitzes 20 eine enorme Spannung, und die damit zusammenhängende Beanspruchung bewirkt, daß die Membran 10 zerbricht.

Ein weiterer inhärenter Konstruktionsfehler wird problematisch, wenn die Rückseite der Membran 10 auf einem geringeren Druck gehalten wird als die Vorderseite der Membran 10. Unter solchen Bedingungen biegt sich die Membran 10 weg von dem Auflagesubstrat 15. Da nichts dieses Biegen verhindert, biegt sich die Membran 10 unter einer ausreichenden Druckumkehrung manchmal ganze 500 Mikrometer und zerbricht.

In der Dissertation von Stephen Clark (Dissertation by Stephen Clark, Stanford University, Ph. D, E. E., Mai 1975, "A Gas Chromatography System Fabricated On a Silicon Wafer Using Integrated Circuit Technology", S. 41-128. UMI Dissertation Services, Ann Arbor, MI, USA), die in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, ist ein weiteres Mikrominiaturventil 6 offenbart. Das in der Clark- Arbeit offenbarte Ventil 6 ist in Fig. 2 veranschaulicht.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt das Clark-Ventil 6 eine Membran 10, eine Basis 17, einen Ventilsitz 20, eine Öffnung 40, einen Einlaßkanal 60, ein Auslaßtor 70, einen Auslaßkanal 80, eine Abdeckung 90 und einen Druckeinlaß 310, der den Druck über der Membran 10 reguliert. Die Basis 17, die Membran 10 und der Ventilsitz 20 des Clark-Ventils 5 sind aus Silizium hergestellt, und die Abdeckung 90 ist aus Glas hergestellt. Die Basis 17 ist mit der Abdeckung 90 verbunden, und die Membran 10 ist zwischen dem Ventilsitz 20 und der Abdeckung 90 angeordnet. Die Membran 10 ist ferner unter Verwendung von anodischem Glas-Silizium-Bonden hermetisch mit der Abdeckung 90 abgedichtet.

Im Betrieb öffnet und schließt die Membran 10 das Ventil 6, indem sie gegen den Ventilsitz 20 drückt oder sich von demselben weg lockert. Wie bei dem Johnson-Ventil 5 ist die Membran 10 des Clark-Ventils 6 in ihrer Fähigkeit, sich unter einem rückseitigen Druck von dem Ventilsitz 20 wegzubiegen, nicht eingeschränkt. Ganz im Gegenteil, die Membran 10 ist von der Abdeckung 90 stark losgelöst, kann sich stark nach hinten biegen und kann somit unter einem rückseitigen Druck zerbrechen.

Wie das Johnson-Ventil 5 zerbricht auch die Membran 10 des Clark-Ventils 6 unter einem ausreichend großen Druck, wenn sie versucht, sich an die Geometrie der Oberfläche des Ventilsitzes 20 anzupassen. Ferner erfordert allein eine Herstellung der Basis 17 vier Ätzschritte, um die Mulde 30, den Auslaßkanal 80, den Ventilsitz 20 und die Öffnung 40 zu ätzen. Mit anderen Worten arbeitet das Clark-Ventil 6 auf ähnliche Weise wie Johnson-Ventil 5. Zusätzlich zu den Nachteilen, die das Johnson-Ventil aufweist, erfordert das Clark-Ventil ferner eine höhere Präzisionssteuerung eines Ätzens und Handhabens von kleinen Teilen während der Herstellung.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auf einfachere Weise herstellbare Mikroventile und ein einfacheres Verfahren zum Herstellen eines Mikroventils zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Mikroventil gemäß den Ansprüchen 1 oder 10 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen gemäß Anspruch 14 gelöst.

Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt ein Mikroventil ein Auflagesubstrat, das ein Auslaßtor und eine Öffnung aufweist, die durch dasselbe verlaufen. Das Auflagesubstrat umfaßt einen Ventilsitz, der von einer Mulde in dem Auflagesubstrat vorsteht, einen Träger, der von der Mulde vorsteht, und eine Membran über dem Auflagesubstrat.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel umfaßt ein Mikroventil ein Auflagesubstrat, das ein Auslaßtor und eine Öffnung durch das Tor aufweist. Das Substrat umfaßt eine Membran, die ein anderes Material als das Auflagesubstrat aufweist und über dem Auflagesubstrat positioniert ist.

Bei einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel umfaßt ein Verfahren zum Herstellen eines ersten Mikroventils Schritte eines Ätzens einer Mulde in einem Auflagesubstrat, eines Bildens einer Öffnung und eines Auslaßtores in der Mulde und eines anodischen Bondens einer Membran auf das Auflagesubstrat.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung I werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten durch Mikrobearbeitung hergestellten Ventils;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines weiteren bekannten durch Mikrobearbeitung hergestellten Ventils;
Fig. 3 eine Seitenansicht, die eines durch Mikrobearbeitung hergestellten Hochtemperaturventils gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, bei dem ein Glas- Auflagesubstrat und eine Abdeckung veranschaulicht sind;
Fig. 4 eine Draufsicht eines durch Mikrobearbeitung hergestellten Hochtemperaturventils gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, bei dem mehrere Träger die Bewegung der Membran in die Ausnehmung einschränken; und
Fig. 5 eine Draufsicht, die eine Injektoraufbringung eines durch Mikrobearbeitung hergestellten Hochtemperaturventils veranschaulicht.
Fig. 3 veranschaulicht ein Ventil 7 gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das Ventil 7 umfaßt eine über einem Körper 12 positionierte Membran 10, der selbst aus einem Auflagesubstrat 15 auf einer Basis 17 besteht. In dem Auflagesubstrat 15 sind ein Ventilsitz 20, eine Mulde 30, eine Öffnung 40, ein Auslaßtor 70 und ein Träger 200 gebildet. In der Basis 17 sind ein Einlaßkanal 60 und ein Auslaßkanal 80 gebildet. Über der Membran 10 ist eine Abdeckung 90 positioniert. In der Abdeckung 90 sind eine Vertiefung 110 und ein Druckeinlaß 310 gebildet. Das in Fig. 3 veranschaulichte Ventil 7 arbeitet dadurch, daß es der Membran 10 ermöglicht wird, das Ventil zu öffnen bzw. zu schließen, wenn sie sich von dem Ventilsitz 20 weg- bzw. auf denselben zubewegt.
Die in dem Ventil 7 enthaltene Basis 17 und Membran 10 sind in der Regel aus Silizium hergestellt. Das Auflagesubstrat 15, der Ventilsitz 20, die Abdeckung 90 und der Träger 200 sind in der Regel aus Glas hergestellt. Jedoch liegen auch andere Materialien mit eng abgestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder die in der Lage sind, bei dem unten ausführlich beschriebenen Herstellungsprozeß für das Ventil 7 verwendet zu werden, in dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung. Der Träger 200 ist manchmal nicht in dem Ventil 7 enthalten, aber es ist allgemein vorzuziehen, daß dieser Träger 200 vorhanden ist, da der Träger 200 als eine von mehreren Funktionen verhindert, daß sich die Membran 10 zu weit nach unten zu dem Auflagesubstrat 15 hin durchbiegt. Die Höhe des Trägers 200 relativ zu dem Auflagesubstrat 15 kann niedriger als die, gleich der oder höher als die Höhe des Ventilsitzes 20 sein.
Die Membran 10 ist allgemein vorgeätzt und weist in der Regel eine Dicke im Bereich von 10 bis 25 Mikrometern auf. Die wünschenswerteste Dicke für die Membran 10 hängt jedoch von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Geometrie des Ventils 7 und der Öffnung 40. Daher wird die Dicke allgemein durch ein Praktizieren der vorliegenden Erfindung von Fall zu Fall, gemäß einem Experimentieren oder eines anderen empirischen Nachweises bestimmt. Es können jedoch auch theoretische Berechnungen einer maximalen zulässigen Durchbiegung, bevor die Membran 10 zerbricht, durchgeführt werden und sind Fachleuten der Technik der vorliegenden Erfindung hinreichend bekannt.
Das Glas-Auflagesubstrat 15 wird vorzugsweise unter Verwendung von zwei Ätzungen gebildet, wobei eine dazu dient, zumindest teilweise die Mulde 30 zu bilden, und eine dazu dient, selektive Abschnitte der Mulde zu vertiefen, um den Ventilsitz 20 und den Träger 200 zu bilden. Die Öffnung 40 und das Auslaßtor 70 werden allgemein nicht durch ein chemisches Ätzen gebildet. Statt dessen werden sie vorzugsweise durch Verfahren wie beispielsweise, aber nicht ausschließlich, Laserbohren, Ultraschallbohren und mechanisches Bohren hergestellt.
Eine Öffnung 40 mit einem Durchmesser von ungefähr 200 Mikrometern oder weniger kann durch eines der obigen Verfahren mit einem hohen Maß an Regelmäßigkeit in das Auflagesubstrat 15 gebohrt werden. Unter bestimmten Umständen, wenn zum Beispiel in dem Gestell und der Bohrspitze überhaupt keine Schwingung vorliegt, kann eine Öffnung 40 mit einem Durchmesser von nicht mehr als ungefähr 150 Mikrometern in das Auflagesubstrat 15 gebohrt werden. Die Größenbegrenzung des Durchmessers ist jedoch eine Funktion der Dicke des Wafers, durch den die Öffnung 40 gebohrt wird. Bei einem sehr dünnen Wafer kann ein Loch mit einem kleineren Durchmesser gebohrt werden. Wenn beispielsweise ein ungefähr einen Millimeter dickes Glas-Auflagesubstrat 15 verwendet wird, kann reproduzierbar eine Öffnung 40 mit einem Durchmesser von ungefähr 250 Mikrometern gebohrt werden. Obwohl die Öffnung 40 in diesem Abschnitt als kreisförmig erörtert wird, sind auch andere Geometrien, beispielsweise, aber nicht ausschließlich, dreieckig, trapezförmig und rechteckig, in dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung enthalten.
Gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird PYREX-Glas verwendet, um das Auflagesubstrat 15 herzustellen. PYREX-Glas wird bevorzugt, da es im wesentlichen denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Silizium, das die Membran 10 bildet. Jedoch sind auch andere Gläser und Materialien, die ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silizium aufweisen, in dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung enthalten. Beispiele solcher Gläser umfassen PYREX-Glas, das ein Borsilikatglas von Corning ist, Lithium-Kali-Borsilikat-Glas 7070 von Corning und ein Glas, das von Schott Specialty Glass unter dem Namen BOROFLOAT vertrieben wird, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
Die Basis 17, die vorzugsweise aus Silizium besteht, wird vorzugsweise ein einziges Mal chemisch geätzt, um den Einlaßkanal 60, den Auslaßkanal 80 und jegliche weiteren Kanäle zu bilden, die bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Wie später erörtert wird, kann die Basis 17 auf andere Strukturen plaziert werden, beispielsweise Wafer, in die Kanäle geätzt sind.
Die Abdeckung 90 des Ventils 7 ist vorzugsweise derart geätzt, daß eine kleine Delle oder Vertiefung 110 in derselben gebildet ist. Ein Druckeinlaß 310 wird ebenfalls gebildet, vorzugsweise durch eines der oben beschriebenen Bohrverfahren, um Druck auf die Membran 10 auszuüben.
Wenn, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist, die Abdeckung 90 über der Membran 10 positioniert wird, wird ein kleiner Zwischenraum, in der Regel ungefähr 10 bis 25 Mikrometer, zwischen der Membran 10 und der Abdeckung 90 gebildet. Dieser Zwischenraum nimmt kleine Durchbiegungen auf, die die Membran 10 unter einem rückseitigen Druck durchführen kann. Bevor sich die Membran 10 jedoch zu weit von dem Auflagesubstrat 15 wegbiegt, schränkt die Abdeckung 90 die Bewegung der Membran 10 ein. Dies verhindert ein Zerbrechen der Membran 10 unter einem Gegendruck.
Fig. 4 ist eine Draufsicht der Oberfläche des Auflagesubstrats 15 eines Ventils 7 in dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wobei der Träger 200, statt einen einzelnen Ring zu umfassen, mehrere konzentrische kreisförmige Trägersegmente 100 und bogenförmige Trägersegmente 120 umfaßt. Obwohl kreisförmige, konzentrische Trägersegmente 100 veranschaulicht sind, können auch andere Geometrien und Konfigurationen verwendet werden, beispielsweise, aber nicht ausschließlich, Quadrate, Dreiecke und nicht- konzentrische Kreise. Die bogenförmigen Trägersegmente 120 können ebenfalls andere Geometrien als die in Fig. 4 veranschaulichten aufweisen.
Nachdem die Membran 10, das Auflagesubstrat 15, die Basis 17 und die Abdeckung 90 gebildet wurden, werden das Auflagesubstrat 15 und die Basis 17 aneinandergefügt oder miteinander verbunden, um den Körper 12 des Ventils 7 zu bilden. Die Membran 10 wird daraufhin an den Körper 12 des Ventils 7 gefügt oder mit demselben verbunden. Daraufhin wird die Abdeckung 90 an die Membran 10 angefügt oder mit derselben verbunden, und, falls gewünscht, wird das Ventil 7 auf eine weitere Struktur, beispielsweise einen Wafer, plaziert. Dank der hohen Schmelztemperaturen der zum Herstellen seiner Komponenten verwendeten Materialien kann das Ventil 7 bei erhöhten Temperaturen betrieben werden.
Um die Abdeckung 90 mit der Membran 10, die Membran 10 mit dem Auflagesubstrat 15 und das Auflagesubstrat 15 mit der Basis 17 zu verbinden, verwenden bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung den anodischen oder Mallory-Bondingprozeß. Dieser anodische Bondingprozeß verringert die erforderliche Oberflächenglattheit und erforderliche Reinheit im Vergleich zu diesen Anforderungen an einen Silikon-Zu-Silikon-Fusionsbondingprozeß. Jedoch erzeugt dieser anodische Bondingprozeß eine starke Glas-Zu-Metall- oder Glas-Zu-Halbleiter-Verbindung. Obwohl glatte Oberflächen immer noch erwünscht sind, ist jedoch beispielsweise eine Oberflächengüte von 50 Å (Angstrom) für ein anodisches Bonding nicht notwendig.
Der anodische Bondingprozeß ist sehr robust und wird kommerziell verwendet, um Millionen von Drucksensoren herzustellen. Der anodische Prozeß erfordert in der Regel nicht einen in der Industrie als RCA-Reinigung bekannten Reinigungsprozeß. Statt dessen werden zwei Oberflächen dem bekannten Piranha-Reinigungsprozeß unterzogen, in einem Schleudertrockner getrocknet und auf einer Heizplatte plaziert, wobei ihre gereinigten Oberflächen einander zugewandt sind. Die Temperatur der Heizplatte wird daraufhin auf ungefähr 350°C oder darüber erhöht, eine positive Elektrode wird auf das Metall oder den Halbleiter plaziert, und eine negative Elektrode wird auf das Glas plaziert. Während die Spannung auf zwischen ungefähr 400 Volt und 1000 Volt erhöht wird, verbinden sich die beiden Oberflächen miteinander.
Wenn man sich dem Betrieb des Ventils 7 zuwendet, ist die "offene" Position definiert, wenn die Membran 10 von dem Ventilsitz 20 und der Öffnung 40 weg verschoben ist. In der "geschlossenen" Position erzeugt die Membran 10 eine Abdichtung mit dem Ventilsitz 20. Die Abdichtung wird in der Regel durch ein Ausüben eines nach unten gerichteten Drucks auf die Membran 10 gebildet, um zu bewirken, daß die Membran 10 mit einer ausreichenden Kraft, um ein Lecken im wesentlichen zu vermeiden, mit dem Ventilsitz 20 physisch in Berührung kommt.
Gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weisen mindestens einige entweder der kreisförmigen Träger 100 oder der bogenförmigen Segmente 120 des Trägers 200 obere Oberflächen auf, die auf derselben Höhe wie bzw. auf einer höheren Höhe über dem Auflagesubstrat 15 als die obere Oberfläche des Ventilsitzes 20 angeordnet sind. Somit liegt die Membran 10 immer dann, wenn das Ventil 7 geschlossen ist, an dem Träger 200 an. Gemäß bestimmten weiteren Ausführungsbeispielen weisen die Komponenten des Trägers 200 obere Oberflächen auf, die auf einer Höhe zwischen der Höhe des Substratträgers 15 und der der oberen Oberfläche des Ventilsitzes 20 angeordnet sind. Bei diesen Ausführungsbeispielen liegt die Membran 10 nur dann an dem Träger 200 an, wenn ein starker Druck auf die Membran 10 ausgeübt wird.
Eine Verwendung des Trägers 200 gewährleistet, daß die Membran 10 auch unter einem enormen Druck relativ flach bleibt. Somit werden Belastungssingularitäten und Belastungserhöhungen dort, wo die Membran an der Kante des Ventilsitzes 20 hängt, ausgeschaltet. Bei Konfigurationen wie den in Fig. 4 veranschaulichten paßt sich die Membran 10 nicht an jede der Strukturen an, und die Beanspruchung wird nicht zu einem Zerbrechen führen.
Während sich das Ventil 7 in der "offenen" Position befindet, wird die Membran 10 weg von dem Ventilsitz 20 und dem Träger 200 angehoben. Das Gas bzw. die Flüssigkeit kann zwischen der Öffnung 40 und dem Auslaßtor 70 wandern. Wenn sich die oberen Oberflächen der kreisförmigen Träger 100 auf derselben Höhe wie die oberen Oberflächen des Ventilsitzes 20 befinden und das Ventil 7 in der "geschlossenen" Position ist, ist es möglich, jedoch nicht erforderlich, daß sich zwischen der Membran 10 und den kreisförmigen Trägern 100 zusätzliche Abdichtungen bilden, derart, daß zwischen der Öffnung 40 und dem Auslaßtor 70 zusätzliche Barrieren erzeugt werden. Dies liefert einen zusätzlichen Schutz vor einem Lecken.
Obwohl die kreisförmigen Träger 100 in Fig. 4 als zahlreich und konzentrisch gezeigt sind, sind andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf Ventile 7 gerichtet, bei denen lediglich ein einziger, nicht-kreisförmiger Träger verwendet wird, während wieder andere Ausführungsbeispiele nicht-kreisförmige, nichtkonzentrische Träger verwenden. Obwohl vier Auslaßtore 70 zwischen den bogenförmigen Trägern 120 in Fig. 4 positioniert sind, stellt weder die Anzahl der Auslaßtore 70 noch ihre Positionen relativ zu den Zwischenträgern 200 eine Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar, solange eine Barriere zwischen der Öffnung 40 und dem Auslaßtor 70 erzeugt wird, wenn sich das Ventil 7 in der "geschlossenen" Position befindet.
Einer der Vorteile der Ventile 7 der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das in Fig. 3 veranschaulichte Ventil statt der mindestens 4 bis 5 Ätzschritte, die erforderlich sind, um das Johnson-Ventil 5 und das Clark-Ventil 6 herzustellen, mit lediglich zwei Glasätzungen und lediglich einer Siliziumätzung hergestellt werden kann. Falls wieder angenommen wird, daß Ätzschritte eine Ausbeute von 90% aufweisen, weist das Glas-Auflagesubstrat 15 eine Ausbeute von 81% auf, und die Siliziumbasis 17 weist eine Ausbeute von 90% auf. Da unbrauchbare Komponenten einzeln ausgesondert werden können, kann man auf der Basis der oben erörterten statistischen Annäherungen und Berechnungen sehen, daß die Gesamtausbeute der Ventile 7 über 80% liegt. Dieser Prozentsatz stellt eine beträchtliche Verbesserung gegenüber den oben erörterten Ausbeuten von 59% bis 66% dar.
Mittels dieses robusten Herstellungsprozesses können zuverlässige Ventile hergestellt werden. Nun wird eine repräsentative Anwendung dieser Ventile erörtert. Diese Anwendung ist rein exemplarisch und stellt keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Im einzelnen veranschaulicht Fig. 5 einen Injektor 400, der durch Mikrobearbeitung hergestellten Hochtemperaturventile 7 verwendet. Um den Injektor 400 zu bilden, wird unter der Basis 17 ein Wafer hinzugefügt. In dem Wafer sind Meßkanäle 410 gebildet, die für eine fluidische Messung verwendet werden. In der Regel sind diese Kanäle eingeätzt, und es sind Löcher durch den Wafer gebohrt, um eine Verbindung zwischen den durch Mikrobearbeitung hergestellten Ventilen 7 herzustellen.
Der Zweck der Meßkanäle kann unter Bezugnahme auf den Betrieb eines Gaschromatographen, der chemische Proben quantifiziert und qualifiziert, verstanden werden. Der Injektor 400 eines Gaschromatographen ist für ein Messen oder ein Injizieren eines bekannten Volumens oder eines bekannten Gewichts einer Probe in die Säule des Chromatographen verantwortlich. Um diese bekannte Probenmenge in die Säule zu injizieren, ist der Injektor 400 mit Meßkanälen 410 ausgestattet, die auf jeder Seite derselben Ventile 7 aufweisen. Somit kann eine Probe durch ein erstes Ventil 7 in den Meßkanal 410 geleitet werden. Wenn das erste Ventil 7 geschlossen wird, ist eine bekannte Menge eines Gases oder einer Flüssigkeit in dem Meßkanal 410 gefangen, bis ein weiteres Ventil 7 geöffnet wird, wodurch die Probe freigegeben wird.
Auf diese Weise ist ein Meßkanal 410 eines bekannten oder festgelegten Volumens vorgesehen. Einer Probe des Gases oder der Flüssigkeit wird ermöglicht, in den Meßkanal 410 einzudringen und zwischen zwei Ventilen 7 eingeschlossen zu werden, wenn sie geschlossen werden. Durch ein Öffnen eines der Ventile 7 kann die Bedienperson des Chromatographen daraufhin die Probe in die Säule überführen, wo die analytischen Prozesse stattfinden. In der Alternative kann die Bedienperson ein Ventil 7 öffnen, das ein Ausstoßen der Probe in die Umgebungsatmosphäre ermöglicht.
Je genauer der Meßkanal 410 in dem Injektor 400 definiert werden kann, desto genauer und desto wiederholbarer sind natürlich die analytischen Ergebnisse von Verwendung zu Verwendung und von Vorrichtung zu Vorrichtung. Deshalb besteht einer der Gründe, warum die oben erörterten Meßkanäle 410 allgemein aus Silizium hergestellt sind, darin, daß Silizium sehr gut definierte, gut verstandene Ätzcharakteristika aufweist.

Claims

1. Mikroventil (7), das folgende Merkmale aufweist:
ein Auflagesubstrat (15), das ein Auslaßtor (70) und eine Öffnung (40) aufweist, die durch das Auflagesubstrat (15) gebildet sind, wobei das Auflagesubstrat (15) folgende Merkmale umfaßt:
einen Ventilsitz (20), der von einer Mulde (30) in dem Auflagesubstrat (15) vorsteht,
einen Träger (100, 120, 200), der von der Mulde (30) vorsteht; und
eine Membran (10) über den Auflagesubstrat (15), die in der Lage ist, mit dem Ventilsitz (20) eine Abdichtung zu bilden.

2. Mikroventil (7) gemäß Anspruch 1, bei dem der Träger (100, 120, 200) und der Ventilsitz (20) um gleiche Entfernungen von der Mulde (30) vorstehen.

3. Mikroventil (7) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Träger (100, 120, 200) mindestens entweder eine bogenförmige Region und/oder eine kreisförmige Region umfaßt.

4. Mikroventil (7) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner eine Abdeckung (90) über der Membran (10) aufweist.

5. Mikroventil (7) gemäß Anspruch 4, bei dem die Abdeckung (90) eine Vertiefung (110) aufweist.

6. Mikroventil (7) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner eine Basis (17) unterhalb des Auflagesubstrats (15) aufweist, die einen Einlaßkanal (60) und einen Auslaßkanal (80) umfaßt.

7. Mikroventil (7) gemäß Anspruch 6, bei dem die Membran (10) betreibbar ist, um sich zwischen einer offenen Position, bei der es einer Flüssigkeit ermöglicht wird, zwischen dem Einlaßkanal (60) und dem Auslaßkanal (80) zu fließen, und einer geschlossenen Position, bei der eine Flüssigkeit daran gehindert wird, zwischen dem Einlaßkanal (60) und dem Auslaßkanal (80) zu fließen, zu bewegen.

8. Mikroventil (7) gemäß Anspruch 6 oder 7, das ferner einen Wafer aufweist, der einen betreibbar mit dem Auslaßkanal (80) gekoppelten Meßkanal (410) umfaßt.

9. Mikroventil (7) gemäß Anspruch 8, bei dem der Meßkanal (410) Silizium aufweist.

10. Mikroventil (7), das ferner folgendes Merkmal aufweist: ein Auflagesubstrat (15), das ein Auslaßtor (70) und eine Öffnung (40) aufweist, die durch das Substrat (15) gebildet sind, wobei das Substrat (15) eine Membran (10) umfaßt, die ein anderes Material als das Auflagesubstrat (15) aufweist und über dem Auflagesubstrat (15) positioniert ist.

11. Mikroventil (7) gemäß Anspruch 10, bei dem das Auflagesubstrat (15) ein Glas aufweist und die Membran (10) Silizium aufweist.

12. Mikroventil (7) gemäß Anspruch 10 oder 11, das ferner eine Abdeckung (90) aufweist, wobei die Abdeckung (90) über der Membran (10) angeordnet ist und ein anderes Material als die Membran (10) aufweist.

13. Mikroventil (7) gemäß Anspruch 12, bei dem die Abdeckung (90) ein Glas aufweist und die Membran (10) Silizium aufweist.

14. Verfahren zum Herstellen eines ersten Mikroventils (7), das folgende Schritte aufweist:
Ätzen einer Mulde (30) in ein Auflagesubstrat (15);
Bilden einer Öffnung (40) und eines Auslaßtores (70) in der Mulde (30); und
anodisches Bonden einer Membran (10) auf das Auflagesubstrat (15).

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem der Schritt des Ätzens die Mulde (30) ätzt, um einen Träger (100, 120, 200) freizulegen.

16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, das ferner einen Schritt des Bildens eines Trägers (100, 120, 200) auf dem Auflagesubstrat (15) aufweist.

17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, das ferner einen Schritt des anodischen Bondens einer Abdeckung (90) auf die Membran (10) aufweist.

18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, das ferner folgende Schritte aufweist:
Bilden einer Vertiefung (110) in einer Abdeckung (90); und
anodisches Bonden der Abdeckung (90) auf die Membran (10).

19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, das ferner folgende Schritte aufweist:
Befestigen einer Basis (17) an dem Auflagesubstrat (15), wobei die Basis (17) einen Einlaßkanal (60) und einen Auslaßkanal (80) aufweist; und
Befestigen eines Wafers an der Basis (17).

20. Verfahren gemäß Anspruch 19, das ferner folgende Schritte aufweist:
Bilden eines Meßkanals (410) in dem Wafer; und
betreibbares Koppeln des Meßkanals (410) mit dem Auslaßkanal (80).