DE19530843A1 - Mikrobearbeitete Ventilöffnung und Ventilsitz mit verbesserter thermischer Isolierung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Mikro­ miniatur-Bauelemente und insbesondere auf Mikrofluid-Bauele­ mente.

Die Entwicklung mechanischer Mikrominiaturbauelemente hat sich allgemein durch die Verwendung einer Technik, die als Mikrobearbeitung oder Mikroherstellung bekannt ist, weiter­ entwickelt. Es sei z. B. die Erörterung der Mikroherstellung mechanischer Elemente von Angell u. a. in "Silicon Microme­ chanical Devices," Scientific American, (April 1983), Seiten 44-55, betrachtet.

Eine elementare Anforderung eines mikromechanischen Betäti­ gungsglieds (hierin nachfolgend Mikrobetätigungsglied) be­ steht darin, daß eine bestimmte mechanische Betätigungsein­ richtung geschaffen werden muß. Eine weitere Anforderung be­ steht darin, daß die Betätigungseinrichtung eine ausreichen­ de Kraft für eine zuverlässige Betätigung liefern muß. Ein Mikrobetätigungsglied kann beispielsweise einen Teil eines Mikroventils aufweisen, das verwendet ist, um in einem Gas­ chromatographen den Fluß eines Trägergases durch eine Kapil­ larsäule zu steuern. Es ist möglich, daß das Mikrobetäti­ gungsglied durch das Verschieben eines bewegbaren Bauglieds (typischerweise einer bewegbaren Membran, eines Diaphragmas oder eines Vorsprungs) gegen einen Druck von 1375 Kilopascal (200 Pfund pro Quadratinch) über eine Distanz von mehr als 100 Mikrometern eine Fluidpassage öffnen oder schließen muß.

Typischerweise wird dem Mikrobetätigungsglied eine elektri­ sche Leistung von einer externen Quelle zugeführt, welches eine von verschiedenen Techniken verwendet, um die Zuge­ führte Leistung in eine Betätigungskraft umzuwandeln. Häufig wird die zugeführte elektrische Leistung teilweise oder als Ganzes in thermische Leistung umgewandelt, wobei solche Mi­ krobetätigungsglieder als thermisch betrieben betrachtet werden können.

Eine Reihe von mikrobearbeiteten bimetallischen Beinen wurde verwendet, um in einem Mikrominiaturventil eine thermisch betriebene Betätigungskraft zu liefern. Wenn die bimetalli­ schen Beine erwärmt werden, werden Belastungen in der Struk­ tur erzeugt, um einen vorstehenden Vorsprung benachbart zu einer Öffnung abzulenken, wodurch der Fluidfluß zu einem an­ geschlossenen Fluid-Beförderungssystem vergrößert oder ver­ ringert wird. Bezugnehmend auf Fig. 1, die aus dem U.S. Pa­ tent Nummer 5,333,831 reproduziert ist, ist beispielsweise ein Mikrominiaturventil 10 gezeigt, das ein Sitzsubstrat 12, das als eine Basis wirkt, und ein oberes Substrat 13 auf­ weist. Ein mittiger Flußdurchgang ist durch das Sitzsubstrat 12 gebildet. Das obere Substrat 13, das auf dem Sitzsubstrat 12 gehalten ist, besteht aus einer festen Peripherie 16, ei­ nem mittleren Vorsprung 18, der vorzugsweise aus Silizium gebildet ist, und Beinen 20, 22. Die Länge und die Breite des oberen Substrats 13 stimmen mit den Abmessungen des Sitzsubstrats 12 überein.

Die Struktur und der Betrieb des oberen Substrats 13 sind in dem U.S.-Patent Nummer 5,058,856 beschrieben. Kurz gesagt ist eine Nickelschicht unter Verwendung der Techniken des Sputterns, der Photolithographie und der Elektroplattierung auf dem oberen Substrat 13 abgeschieden und strukturiert. Die Reihe von Beinen 20 und 22 verbindet die feste Periphe­ rie 16 mit dem Vorsprung 18. Eine resistive Nickelschicht befindet sich auf der oberen Oberfläche des Vorsprungs und kann verwendet werden, um den Vorsprung und die Beine zu erwärmen. Wenn das obere Substrat 13 erwärmt ist, bewirkt der Unterschied der thermischen Expansionskoeffizienten des Siliziums und des Nickels, daß sich die Beine 20, 22 biegen, wobei der Vorsprung 18 von einem Ventilsitz 28, der sich von einer oberen Hauptoberfläche 30 in dem Sitzsubstrat 12 nach oben erstreckt, weg angehoben wird. Wenn der Vorsprung 18 von dem Sitzsubstrat 12 räumlich entfernt ist, steht der Flußdurchgang 14 mit einem umgebenden Volumen 24 in einer fluidmäßigen Verbindung. Dieses Volumen 24 ist wiederum in einer fluidmäßigen Verbindung mit einer Vorrichtung, zu der oder von der ein Fluß durch das Mikrominiaturventil 10 gere­ gelt werden soll. (Alternativ kann eine andere Betätigung als das Biegen der Beine existieren.) Der Ventilsitz 28 weist eine Trägeroberfläche 32 auf, auf der der Vorsprung 18 sitzt, wenn der Vorsprung in der geschlossenen Stellung ist.

Das Verhalten des Mikrominiaturventils 10 ist zum großen Teil durch seine thermischen Widerstandscharakteristika be­ stimmt. Wenn das Mikrominiaturventil 10 normalerweise ge­ schlossen ist, wenn keine Leistung zugeführt wird, und wenn der thermische Widerstand von dem Betätigungsglied zu seinen Umrandungen gering ist, wird das Mikrominiaturventil 10 bei­ spielsweise einen relativ großen Leistungsbetrag benötigen, um zu öffnen, wird jedoch schnell abkühlen, wenn die Lei­ stung abgeschaltet wird und wird somit schnell schließen. Wenn der thermische Widerstand von dem Mikrominiaturventil 10 zu seinen Umrandungen hoch ist, wird das Mikrominiatur­ ventil 10 wenig Leistung erfordern, um zu öffnen, wird je­ doch langsamer abkühlen und somit langsamer schließen.

Eine thermische Leistung fließt über mehrere Wege und auf mehrere Arten von dem oberen Substrat 13 weg. Wenn das Mi­ krominiaturventil 10 geschlossen ist, ist der Vorsprung 18 in Kontakt mit dem Ventilsitz 28. Eine thermische Leistung fließt dann durch eine Festphasenleitung von dem Vorsprung 18 durch den Ventilsitz 28 und in die Masse des Sitzsub­ strats 12. Eine thermische Leistung fließt ferner durch eine Festphasenleitung von- den Betätigungsgliedbeinen 20, 22 zu der festen Peripherie 16 und daher zu dem Sitzsubstrat 12. Eine Gasphasenleitung der thermischen Leistung tritt von der unteren Oberfläche des oberen Substrats 13 zu dem Sitzsub­ strat 12 und ferner von der oberen Oberfläche des oberen Substrats 13 zu einem beliebigen, umgebenden Gehäuse (nicht gezeigt) auf. Die thermische Leistung, die in das Sitzsub­ strat 12 fließt, fließt außerdem in eine beliebige, ther­ misch leitfähige Gehäusestruktur, die an das Sitzsubstrat 12 angrenzt, wie z. B. eine Struktur, die in Berührung mit der unteren Oberfläche 38 ist.

Es ist häufig erwünscht, die Leistung, die von einem Mikro­ miniaturelement verbraucht wird, zu minimieren, insbesondere bei einem Mikrominiaturventil, bei dem eine schnelle Betäti­ gung kein notwendiges Merkmal ist. Jedoch beachteten bekann­ te Lösungsansätze den Leistungsverlust durch eine Festpha­ senleitung oder eine Gasphasenleitung von dem oberen Sub­ strat 13 zu dem unteren Substrat 12 nicht ausreichend.

Demgemäß ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte thermische Isolierung zwischen dem thermisch be­ triebenen Substrat und dem Substrat, das die Ventilöffnung und den Ventilsitz enthält, in thermisch betätigten Mikrobe­ tätigungsgliedern (und speziell in einem Mikrominiaturventil 10, wie es beispielsweise in Fig. 1 gezeigt ist) zu schaf­ fen.

Diese Aufgabe wird durch ein Mikrominiaturelement gemäß Pa­ tentanspruch 1 gelöst.

Ein Bauelement zum Steuern des Flusses eines Fluids kann ge­ mäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut sein, wobei das Bauelement ein Sitzsubstrat mit einer ersten und einer ge­ genüberliegenden zweiten Hauptoberfläche und einen Fluß­ durchgang, der sich von dem ersten Hauptoberfläche zu der zweiten Hauptoberfläche erstreckt, aufweisen, wobei sich eine einstückig ausgebildete, ringförmige Wandstruktur von der ersten Hauptoberfläche erstreckt, wobei die ringförmige Wandstruktur den Flußdurchgang umgibt und einen Ventilsitz und eine Ausnehmung, die sich in einer Umrandung der ersten Hauptoberfläche befindet, aufweist, wobei die Ausnehmung be­ nachbart zu der einstückig ausgebildeten, ringförmigen Wand­ struktur angeordnet ist. Ein oberes Substrat ist benachbart zu dem Sitzsubstrat positioniert und weist eine Ventilfläche auf, die bezüglich des Ventilsitzes in einer geschlossenen Stellung positioniert werden kann, um einen Fluidfluß durch den Flußdurchgang zu blockieren, und in einer offenen Stel­ lung bezüglich dem Ventilsitz, um einen Fluidfluß durch den Flußdurchgang zu ermöglichen. Die Ausnehmung weist eine aus­ reichende Kombination von Oberflächenbereich und Tiefe auf, verglichen mit dem gesamten, nach oben gerichteten Oberflä­ chenbereich bzw. der Gesamtdicke des Sitzsubstrats, derart, daß die Gasphasenleitung zwischen dem oberen Substrat und dem Sitzsubstrat reduziert ist. Die ringförmige Wandstruktur kann ferner aufgebaut sein, um eine Feststoffphasenleitung von dem oberen Substrat zu dem Sitzsubstrat zu minimieren.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dar­ in, daß das Verfahren zum Herstellen des Mikrominiaturven­ tils ein derartiges ist, bei dem eine Öffnung in dem mitt­ leren Flußdurchgang und der Ventilsitz selbst-ausrichtend sind, derart, daß das Herstellungsverfahren für ein Über­ ätzen und ein Unterätzen nicht anfällig ist. Das anisotrope Ätzen liefert ungeachtet der Ätzzeit eine konstante Ventil­ sitzgeometrie. Die Dauer des Ätzens beeinflußt die Tiefe des Ventilsitzes, wobei jedoch nach der Bildung der parallel {111}-ausgerichteten Wände die Querschnittkonfiguration des Ventilsitzes im allgemeinen fest ist.

Die Herstellung des Mikrominiaturventils enthält Schritte zum Markieren ausgewählter Abschnitte sowohl der oberen als auch der unteren Hauptoberfläche des Sitzsubstrats. Eine er­ ste Region auf der unteren Hauptoberfläche bleibt freilie­ gend. Das Ätzen der freiliegenden ersten Region bildet einen Durchgang, entweder teilweise oder ganz durch das Substrat. Vorzugsweise verwendete das Ätzverfahren ein ausrichtungs-ab­ hängiges Ätzmittel, das {111}-ausgerichtete Wände in dem ge­ ätzten Durchgang bildet. Die vordere Oberfläche ist struk­ turiert, um maskierte Bereiche zu definieren, die nachfol­ gend geätzt werden, um die Ausnehmung und die ringförmige Wandstruktur zu bilden. Ein Ausrichtungs-abhängiges Ätzen von der vorderen Oberfläche formt den Durchgang ebenfalls weiter, wobei {111}-Wände erzeugt werden, die einen mitt­ leren Flußdurchgang definieren, der bei der Öffnung flächen­ mäßig am kleinsten ist, und dessen Querschnittfläche mit zu­ nehmendem Abstand von der Öffnung zunimmt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die bei liegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine Seitenschnittansicht eines bekannten Mikromi­ niaturventils;

Fig. 1B eine Seitenschnittansicht eines Mikrominiaturven­ tils mit einer Flußöffnung und einem Ventilsitz, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind;

Fig. 1C eine detaillierte Seitenschnittansicht eines Ab­ schnitts des Mikrominiaturventils von Fig. 1B;

Fig. 2A bis 5B Herstellungsschritte eines Ausführungsbei­ spiels des Ventilsitzes und der Flußöffnung des Mikrominiaturventils von Fig. 1B;

Fig. 6A und 6B eine perspektivische Schnittansicht bzw. eine Seitenschnittansicht eines Abschnitts des Ventilsitzes und der Flußöffnung des Mikrominia­ turventils, das unter Verwendung der Schritte der Fig. 2A bis 5B hergestellt wurde;

Fig. 7A eine Seitenschnittansicht eines zweiten bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels des Mikrominiaturventils, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 7B eine detaillierte Seitenschnittansicht eines Ab­ schnitts des Ventils von Fig. 7A;

Fig. 8A eine Seitenschnittansicht eines dritten bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels des Mikrominiaturventils, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 8B eine detaillierte Seitenschnittansicht eines Ab­ schnitts des Ventils von Fig. 8A;

Fig. 9A eine Seitenschnittansicht eines vierten bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels des Mikrominiaturventils, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 9B eine detaillierte Seitenschnittansicht eines Ab­ schnitts des Ventils von Fig. 9A;

Fig. 10 eine Draufsicht des Öffnungsbereichs des Sitzsub­ strats, das unter Verwendung der Schritte aus den

Fig. 2A bis 5B hergestellt ist, wobei zu Zwecken der Darstellung eine bevorzugte Sitz-Ätzmaske überlagert ist; und

Fig. 11 eine Draufsicht einer Eckenkompensationsmaske, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung be­ vorzugt ist, um das Ätzen des äußeren Abschnitts der Verengungswand, die unter Verwendung der Schritte aus den Fig. 2A bis 5B hergestellt ist, zu steuern.

Obwohl die folgende Beschreibung auf ein Mikrobetätigungs­ glied in der Form eines Mikrominiaturventils gerichtet ist, ist es offensichtlich, daß die Lehren der vorliegenden Er­ findung bei anderen Typen von thermisch betriebenen Mikro­ elementen, die mit einem minimalen Leistungsverbrauch bei einer erhöhten Temperatur arbeiten, Anwendung finden können. Diese Charakterisierung der Mikroelemente als "thermisch be­ trieben" ist dazu bestimmt, diejenigen einzuschließen, die auf der Basis der Umwandlung einer zugeführten Leistung in eine Betätigungskraft arbeiten, um ein bewegbares Bauglied zu bewegen, wobei die Umwandlung die Konservierung oder Iso­ lierung der thermischen Energie ausnutzt, die im Verlauf der Umwandlung entstehen kann. Beispiele sind Mikrobetätigungs­ glieder, die durch Kräfte betrieben werden, die in einem Prozeß einer Gas- oder Flüssigkeits-Expansion/Kontraktion, einer Gas- oder Flüssigkeits-Phasenänderung oder gemäß Ände­ rungen in bimetallischen oder Formgedächtnis-Materialien entwickelt werden. Folglich wird die vorliegende Erfindung bei einer Vielzahl von Mikrobetätigungsgliedern Verwendung finden, welche verwendet werden können, um auf der Basis ei­ ner mechanischen Vorrichtung oder eines mechanischen Sy­ stems, oder eines physikalischen Phänomens, wie z. B. des Flusses von Fluiden (einschließlich Gasen und Flüssigkei­ ten), elektrischer und elektronischer Parameter (wie z. B. der Kapazität, des Stromflusses und des Spannungspoten­ tials), akustischer und optischer Parameter (wie z. B. Re­ flexion, Absorption oder Brechung) oder einfacher Maßpara­ meter (wie z. B. Beschleunigung, Druck, Länge, Tiefe, usw.) zu arbeiten.

Wie in Fig. 1B gezeigt ist, weist ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines neuartigen Mikrobetätigungsglieds in der Form eines Mikrominiaturventils 110 ein Sitzsubstrat 112 auf, das als eine Basis wirkt. Das Sitzsubstrat 112 ist vorzugsweise ein Siliziumchip mit einer Öffnung, der unter Verwendung von Batch-Verarbeitungsschritten aus einem Wafer hergestellt wurde, wie nachfolgend bezugnehmend auf die Fig. 2A bis 5B beschrieben wird. Ein mittlerer Flußdurchgang 114 ist durch das Sitzsubstrat 112 gebildet. (Der Ausdruck "Durchgang" ist hierin verwendet, um ein feines Durchgangs­ loch in einer hergestellten Schicht zu beschreiben). Auf dem Sitzsubstrat 112 ist ein oberes Substrat 113 gehalten, das ebenfalls aus Silizium gebildet ist, welches eine feste Pe­ ripherie 116 und ein thermisch betätigtes Bauglied in der Form eines mittleren Vorsprungs 118 aufweist. Die Länge und die Breite des oberen Substrats 113 stimmen grob mit den je­ weiligen Abmessungen des Sitzsubstrats 112 überein.

Ein thermisch betriebenes Betätigungsglied ist vorzugsweise in dem oberen Substrat 113 vorgesehen, vorzugsweise in der Form einer Reihe von bimetallischen Elementen, wobei ein Ab­ schnitt des bimetallischen Elements einen höheren thermi­ schen Expansionskoeffizienten aufweist als der restliche Teil, so daß eine Temperaturänderung in dem bimetallischen Element eine Bewegung bewirkt. Die Ausdrücke "Bimetall" und "bimetallisch" sind nicht auf ihren herkömmlichen Sinn be­ grenzt; beispielsweise müssen ein oder beide Abschnitte in dem bimetallischen Element nicht tatsächlich nicht-metal­ lisch sein. Vorzugsweise ist bei dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel ein Abschnitt in dem bimetallischen Element Nickel, während der andere Abschnitt in dem bimetallischen Element Silizium ist, was ein Halbleiter ist.

Bimetallische Elemente in der Form von Beinen 120, 122 wei­ sen eine Nickelschicht auf einer Siliziumschicht auf, wobei die Dicke der Nickel- und der Silizium-Schicht vorzugsweise z. B. 30 Mikrometer sein kann. Die Beine 120 und 122 verbin­ den die feste Peripherie 116 mit dem mittleren Vorsprung 118. Eine resistive Heizvorrichtung (nicht gezeigt) ist be­ nachbart zu der oberen Oberfläche des oberen Substrats 113 in nächster Nähe zu den Beinen 120 und 122 positioniert. Wenn das obere Substrat 113 durch das Induzieren eines elek­ trischen Stroms in die resistive Heizvorrichtung erwärmt wird, bewirkt der Unterschied der thermischen Expansions­ koeffizienten des Siliziums und des Nickels, daß sich die Beine 120, 122 biegen, wodurch der Vorsprung 118 von dem Ventilsitz 128 weg angehoben wird. Wenn der Vorsprung 118 von dem Sitzsubstrat 112 räumlich entfernt ist, liefert der Flußdurchgang 114 eine Fluid-Verbindung zwischen der Veren­ gung 132 und dem umgebenden Volumen 124. Das umgebende Volu­ men 124 weist wiederum eine Fluid-Verbindung mit einer Vor­ richtung (nicht gezeigt) auf, zu der oder von der ein Fluß durch das Mikrominiaturventil 110 geregelt werden soll. Die bevorzugte Art der thermisch betriebenen Betätigung und wei­ terer Aspekte der Struktur und des Betriebs des oberen Sub­ strats 113 sind in dem U.S. Patent Nummer 5,058,856 und dem U.S. Patent Nummer 5,333,831 offenbart, deren Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme aufgenommen sind.

Obwohl das Mikrominiaturventil 110 gemäß der Beschreibung eine Reihe von Beinen 120 und 122 aufweist, ist die vorlie­ gende Erfindung nicht auf die Betätigung mittels sich bie­ gender Beine begrenzt. Statt dessen kann beispielsweise eine Struktur, die den mittleren Vorsprung 118 mit der festen Pe­ ripherie 116 verbindet, als ein solides kreisförmiges Dia­ phragma vorgesehen sein, das selektiv abgelenkt wird, um den Fluidfluß zwischen dem Flußdurchgang 114 und dem umgebenden Volumen 124 zu regeln.

Das Sitzsubstrat 112 weist eine ringförmige Wandstruktur 119 auf, vorzugsweise in der Form einer hohlen, abgeschnittenen Pyramide. Zu Zwecken dieser Beschreibung ist der Ausdruck "ringförmig" dazu bestimmt, polygonale, ebenso wie kreisför­ mige oder konische Formen einzuschließen. Die ringförmige Wandstruktur 119 weist eine Öffnung 127 auf, die von einem Ventilsitz 128 begrenzt ist. Die Ventilfläche 118A sitzt auf dem Ventilsitz 128, wenn der mittlere Vorsprung 118 in der geschlossenen Stellung ist. Der Ventilsitz 128 ist auf einer Sitzwand 129 gebildet, die sich von einer Verengungswand 131 erstreckt. Die ringförmige Wandstruktur 119 ist von einer Umrandung 112C umgeben, die eine Ausnehmung 130A, die in ei­ ner oberen Hauptoberfläche 130 des Sitzsubstrats 112 gebil­ det ist, definiert. Wie ausführlicher nachfolgend beschrie­ ben wird, sind die ringförmige Wandstruktur 119 und die Aus­ nehmung 130A vorzugsweise durch ein Ausrichtungs-abhängiges Ätzen des Sitzsubstrats 112 auf der oberen Hauptoberfläche 130 und der unteren Hauptoberfläche 138 gebildet. Die Breite des Ventilsitzes 128 kann variiert werden, ist jedoch aus­ reichend groß gewählt, derart, daß der Ventilsitz bei einer wiederholten Berührung zwischen dem Ventilsitz 128 und der Ventilfläche 118A nicht anfällig für ein Brechen ist.

Die spezielle Konfiguration der Ausnehmung 130A, der Veren­ gungswand 131, des Ventilsitzes 128 und der Öffnung 127 in dem Sitzsubstrat 112 bieten verbesserte pneumatische und thermische Charakteristika gegenüber dem Stand der Technik. Wie vorher bemerkt wurde, besteht ein Ziel beim Entwurf ei­ nes thermisch betätigten Ventils 110 darin, verschwendete thermische Leistung zu minimieren. Typischerweise fließt ei­ ne Leistung auf mehrere Arten von dem oberen Substrat 113: mittels einer thermischen Leitfähigkeit durch den Ventilsitz 128; mittels thermischer Leitungswege durch die Beine 120, 122; mittels einer konvektiven Erwärmung des Gases in dem umgebenden Volumen 124 und des Gases über dem oberen Sub­ strat 113; mittels einer Gasphasenleitung von der oberen Oberfläche des oberen Substrats 113; mittels einer Gaspha­ senleitung von der oberen Oberfläche des oberen Substrats 113 zu beliebigen, darüberliegenden Gehäusebauteilen; und mittels eines Gasphasen-Leitungsflusses durch das Gas in dem umgebenden Volumen 124.

Das Sitzsubstrat 112 ist folglich aufgebaut, um die Ausneh­ mung 130A aufzuweisen, um die Gasphasenleitung zwischen dem oberen Substrat 113 und dem Sitzsubstrat 112 zu verringern. Vorzugsweise ist das Sitzsubstrat 112 aufgebaut, um eine ausreichende Kombination eines Oberflächenbereichs und einer Ausnehmungstiefe 130A zu liefern, verglichen mit dem nach oben gerichteten Gesamtoberflächenbereich bzw. der Gesamt­ dicke 112D des Sitzsubstrats 112, derart, daß die Gasphasen­ leitung zwischen dem oberen Substrat 113 und dem Sitzsub­ strat 112 verglichen mit der bekannten Technik reduziert ist. Es ist ferner bevorzugt, daß die ringförmige Wandstruk­ tur 119 aufgebaut ist, um eine vertikale Höhe zu zeigen, die ausreicht, um die Gasphasenleitung zwischen dem oberen Sub­ strat 113 und dem Sitzsubstrat 112 zu verringern. Es ist ferner bevorzugt, daß die Umrandung 112C ausreichend dick gemacht ist, um eine adäquate mechanische Gesamtstärke des Sitzsubstrats 112 zu liefern, während die Tiefe der Ausneh­ mung 130A maximiert wird.

Die hierin gegebenen Lehren, die die ringförmige Wandstruk­ tur 119 betreffen, sind ferner auf das Minimieren der ther­ mischen Gesamtleitfähigkeit zwischen dem oberen Substrat 113 und dem Sitzsubstrat 112 gerichtet. Z.B. ist die Sitzwand 129 ausreichend dünn gemacht, ohne einen robusten mechani­ schen Betrieb zu beeinträchtigen, und der Ventilsitz 128 ist ausreichend schmal gemacht, um eine thermische Feststoffpha­ sen-Leitfähigkeit von der Ventilfläche 118A zu dem Sitzsub­ strat 112 zu minimieren. Ferner ist die Verengungswand 131 ausreichend dünn gemacht, um eine thermische Feststoffpha­ sen-Leitfähigkeit von der Sitzwand 129 zu dem Sitzsubstrat 112 zu minimieren. Folglich ist der Leistungsverbrauch, um eine gegebene Verschiebung des Vorsprungs 118 bei einer ge­ gebenen Temperatur der Beine 120, 122 zu erhalten, stark reduziert.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel umfaßt die Ausnehmung 130A einen Oberflächenbereich, der mindestens zehnmal so groß ist wie die Querschnittfläche, die von dem Ventilsitz 128 begrenzt ist; die Tiefe der Ausnehmung 130A ist im we­ sentlichen gleich der vertikalen Höhe der ringförmigen Wand­ struktur 119 gemacht. Bei einem zweiten bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel des Sitzsubstrats 112 besitzt die ringförmige Wandstruktur 119 eine vertikale Höhe, die größer ist als ein Bereich von zwei- bis fünfmal der minimalen lateralen Dicke der Verengungswand 131. Bei einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel des Sitzsubstrats 112 beträgt der Oberflä­ chenbereich der Ausnehmung 130A vorzugsweise zwischen 25 bis 95 Prozent des gesamten, nach oben gerichteten Oberflächen­ bereichs des Sitzsubstrats 113; die Tiefe der Ausnehmung 130A beträgt vorzugsweise zwischen 25 und 95 Prozent der Ge­ samtdicke 112D des Sitzsubstrats 112; die Umrandung 112C be­ sitzt eine Dicke, die aus einem Bereich von näherungsweise 5 bis 75 Prozent der Gesamtdicke 112D des Sitzsubstrats 112 ausgewählt ist.

Bei einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel des Sitz­ substrats ist die Gesamtdicke 112D kleiner als 500 Mikrome­ ter, die Umrandung 112C besitzt eine Dicke von weniger als 300 Mikrometer, die Ausnehmung 130A besitzt eine Tiefe von mehr als 200 Mikrometer, und die Flußöffnung 114 besitzt ei­ ne Querschnittfläche von weniger als 360.000 µm².

Die Herstellung des Sitzsubstrats 112 in einem Öffnungschip wird nun allgemein beschrieben, wobei die spezifischen Her­ stellungsschritte des Sitzsubstrats 112 nachfolgend bezug­ nehmend auf die Fig. 2A bis 5B beschrieben wird. Weitere Einzelheiten über die Herstellung des Betätigungsgliedsub­ strats 113 sind in dem U.S. Patent Nummer 5,058,856 offen­ bart.

Die Fig. 2A bis 5B zeigen ein erstes bevorzugtes Herstel­ lungsverfahren des Sitzsubstrats 112 der Fig. 1B. Das Her­ stellungsverfahren wird vorzugsweise in einem Batch-Modus durchgeführt, bei dem mehrere Sitzsubstrate 112 gleichzeitig in einem Siliziumwafer hergestellt werden, wobei viele Sili­ ziumwafer gleichzeitig in einer Kassette verarbeitet werden. Das Herstellungsverfahren weist mehrere Operationen auf, um Dünnfilme auf den Waferoberflächen zu maskieren und zu ät­ zen, plus drei Silizium-Ätzoperationen.

Das Herstellungsverfahren beginnt bei Fig. 2A. Ein Silizium­ wafer 260 wird sowohl auf der Oberseite als auch auf der Un­ terseite mittels einer chemischen Niederdruck-Dampfabschei­ dung (LPCVD; LPCVD = low-pressure chemical vapor deposition) mit einer ersten bzw. einer zweiten Schicht aus Siliziumni­ trid 262, 264 beschichtet. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Siliziumnitridschicht Niederbelastungsschichten, die durch Silizium-haltige Abscheidungsverfahren erhalten werden. Nachfolgend wird eine Chromschicht 266 mittels einer Sputter-Abscheidung auf der ersten Siliziumnitridschicht 262 abgeschieden.

Unter Verwendung eines doppelseitigen Photomasken-Ausrich­ tungsgeräts, wie z. B. dem Ausrichtungsgerät MA-25 (Karl Süss), werden gleichzeitig Photoresistmuster auf der Chrom­ schicht 266 und der zweiten Siliziumnitridschicht 264 defi­ niert. Eine mittlere Region 269 wird in dem Photoresist de­ finiert und dann unter Verwendung üblicher Plasma-Ätztech­ niken durch die zweite Siliziumnitridschicht 264 geätzt, um einen Abschnitt des Siliziumwafers 260 freizulegen, der spä­ ter geätzt wird, um einen Hohlraum 279A zu bilden. Das Pho­ toresistmuster auf der Chromschicht 266 wird unter Verwen­ dung von Naßätz-Techniken, die zur Herstellung von Chrom- Photomaskierungsmustern auf Glas bekannt sind, geätzt. Ein innerer Ring 272 definiert einen Bereich, der später der Ventilsitz 128 sein wird, und ein äußerer Ring 274 definiert den Bereich, der später die obere Oberfläche einer Schulter­ region an der Peripherie des Sitzsubstrats 112 sein wird. Zu Zwecken dieser Beschreibung sind die Ausdrücke "ringförmig" und "Ring" dazu bestimmt, polygonale, ebenso wie kreisförmi­ ge Formen einzuschließen. Speziell weist das bevorzugte Aus­ führungsbeispiel des Ventilsitzes 128 (von oben betrachtet) eine geradlinig begrenzte Form auf; jedoch sind andere For­ men durch die vorliegende Erfindung eingeschlossen.

In Fig. 2B wird bei einer ersten Silizium-Ätzoperation wäßriges Kaliumhydroxid (KOH) verwendet, um an der mittleren Region 269 in die Unterseite des Siliziumwafers 260 zu ät­ zen. Vorzugsweise ist der Siliziumwafer 260 bezüglich des Siliziumkristallgitters derart ausgerichtet, daß eine <100<-Kristallausrichtung senkrecht zu der Hauptoberfläche des Siliziumwafers 260 ist. Bei einer solchen Ausrichtung des Siliziumwafers 216 schreitet das Ätzen durch das wäßrige KOH schnell in die <100<-Richtung senkrecht zu der Wa­ feroberfläche fort, während das Ätzen entlang der <111<-Ebe­ nen, die um 54,7 Grad bezüglich der <100<-Richtung verscho­ ben ausgerichtet sind, viel langsamer fortschreitet. Folg­ lich endet das Ätzen im wesentlichen an den {111}-Kristall­ ebenen, wodurch ein Hohlraum 279A mit einer flachen Decke und mit vier geneigten Verengungswänden, die {111}-Kristall­ ebenen aufweisen, geschaffen ist. In Fig. 2B sind die erste und die zweite Verengungswand 278, 280 der vier geneigten Wände sichtbar. Sowohl die erste als auch die zweite Veren­ gungswand 278, 280 sind bezüglich der Horizontalebene des Siliziumwafers 260 mit einem Winkel von 54,7 Grad ausgerich­ tet.

Vorzugsweise sollte die Tiefe des Hohlraums 279A, der in diesem Schritt erhalten wird, größer als die Dicke der ge­ wünschten Umrandungsregion 112C sein, derart, daß das Er­ gebnis eines späteren Ätzschrittes (späterer Ätzschritte) einen Durchgang durch den Siliziumwafer 260 bildet. Ferner sollte die Größe der mittleren Region 269 vorzugsweise klein genug sein, derart, daß die Projektion der ersten und der zweiten Verengungswand 278, 280 vollständig in die Eingren­ zungen des inneren Rings 272 fällt. Obwohl der Hohlraum 279A an diesem Punkt des Herstellungsprozesses vollständig durch den Siliziumwafer 260 geätzt werden kann, um an der Sili­ ziumnitridschicht 262 anzuhalten, ist es bevorzugt, daß, um Herstellungszeit zu sparen, der Ätzprozeß gestoppt wird, wenn die Tiefe des Hohlraums 279A größer als die gewünschte Dicke der Umrandungsregion 112C ist. Wenn die Umrandungsre­ gion 112C beispielsweise 250 Mikrometer dick sein soll, kann die Tiefe des Hohlraums 279 an diesem Punkt des Herstel­ lungsprozesses zu 300 Mikrometer gemacht werden, wobei ein bequemer Rand von 50 Mikrometern geliefert wird. Ferner sollte an diesem Punkt des Herstellungsprozesses der Hohl­ raum 279A nicht vollständig zu der ersten Siliziumnitrid­ schicht 262 geätzt werden, da eine nachfolgende Photomas­ kierungsoperation durchgeführt werden muß, wobei die erste Siliziumnitridschicht 262 nicht notwendigerweise eine aus­ reichende Stärke besitzt, um die mechanische Handhabung wäh­ rend des nachfolgenden Photomaskierungsverfahrens zu über­ leben.

Als nächstes wird eine zweite Photomaskierungsoperation durchgeführt. Ein Plasmaätzen wird auf der ersten Silizium­ nitridschicht 262 durchgeführt, um eine äußere Ringregion 270 aus Siliziumnitrid und eine innere Ringregion 276 aus Siliziumnitrid zu belassen. Eine zweite Siliziumätzoperation wird in wäßrigem KOH durchgeführt, was die Merkmale, die in den Fig. 3A und 3B gezeigt sind, zur Folge hat. Die zweite Siliziumätzoperation ätzt den freiliegenden Abschnitt des Siliziumwafers 260 in einer Region, die zwischen der Ring­ region 270 und der Ringregion 276 liegt, wodurch ein ring­ förmiger Hohlraum mit einer ausgenommenen Oberfläche 282 erzeugt wird. Die zweite Siliziumätzoperation vertieft fer­ ner den Hohlraum 279A. Die zweite Siliziumätzoperation er­ zeugt eine Verengungswand 281. Bei einem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel ätzt die zweite Siliziumätzoperation 725 Mikrometer tief in die obere Oberfläche eines Siliziumwafers 260 und ätzt die Decke des Hohlraums 279A, um einen mittle­ ren Flußdurchgang 279B, der sich vollständig durch den Sili­ ziumwafer 260 erstreckt, zu erzeugen.

Wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt ist, ermöglicht die innere ringförmige Region 276 vorzugsweise ein Siliziumätzen in ei­ nem Mitteldurchgang von der Oberseite des Siliziumwafers 260. Jedoch ist ein Ring nicht strikt notwendig, und der mittlere Durchgang in der inneren ringformigen Region 276 dient als eine Herstellungsunterstützung, um Herstellungsto­ leranzen zu lockern. Toleranzen werden bei der zweiten Sili­ ziumätzoperation gelockert, da, wenn die sich nach unten be­ wegende, {100}-ausgerichtete Ätzebene die sich nach oben be­ wegende, {100}-ausgerichtete Ätzebene trifft, die ursprüng­ liche Größe der Breite der mittleren Region 269 auf eine Art und Weise reduziert werden kann, die gemäß den Kristallrich­ tungen und bekannter Grundsätze des Ausrichtungs-abhängigen Ätzens berechnet wird, reduziert werden. Ferner ist es nicht streng notwendig, während der zweiten Siliziumätzoperation einen vollständigen Durchgang durch den Siliziumwafer 260 zu bilden. Jedoch ermöglicht es die Herstellung eines vollstän­ digen Durchgangs, visuell sicherzustellen, daß das Obersei­ ten- und das Unterseiten-Markierungsmuster korrekt zueinan­ der ausgerichtet sind. Folglich liefert die zweite Silizium­ ätzoperation vorzugsweise einen mittleren Flußdurchgang 279B, der vollständig durch den Siliziumwafer 260 gebildet werden soll.

Als nächstes werden der innere Ring 272 und der äußere Ring 274 bei einer Plasma-Ätzoperation als Maskierungsregionen verwendet, die das freiliegende Siliziumnitrid in der inne­ ren Ringregion 276 und der äußeren Ringregion 270 ätzt. Eine innere ringförmige Teilregion 276A aus Siliziumnitrid, die die laterale Form des Rings 272 wiedergibt, und eine äußere ringförmige Teilregion 270A, die die laterale Form der ring­ förmigen Region 274 wiedergibt, werden gebildet. Die ring­ förmige Teilregion 276A definiert, von oben betrachtet, eine spezielle Form, die in Fig. 10 als das Merkmal 702 darge­ stellt ist und die nachfolgend erörtert wird. Siliziumregio­ nen, die nun freiliegend sind, werden in wäßrigem KOH bei einer dritten Siliziumätzoperation geätzt, wie z. B. die Aus­ nehmungsfläche 282 und die erste, die zweite, die dritte und die vierte, sich gegenüberliegende Ausnehmungswand 294A, 294B, 295A, 295B, wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist. Vorzugsweise ist das Ätzen der flachen {100}-Oberflächen in die <100<-Richtung, das bei der dritten Siliziumätzopera­ tion auftritt, geringer als das Ätzen der gleichartigen Oberflächen bei der ersten und der zweiten Ätzoperation; z. B. wird die Ausnehmungsfläche 282 während der dritten Si­ liziumätzoperation typischerweise um zusätzliche 25 Mikrome­ ter geätzt.

Wie in den Fig. 4A bis 4B gezeigt ist, hat die dritte Sili­ ziumätzoperation, die auf der oberen Hauptoberfläche statt­ findet, vier aneinander grenzende Wände mit {111}-ausgerich­ teten, inneren und äußeren, lateralen Wandoberflächen zur Folge, deren kombinierte obere Oberfläche die gleiche Form aufweist wie der Ventilsitz. In den Fig. 4A und 4B sind in einem Querschnitt die erste und die zweite geneigte, innere Sitzwand 296, 298 dargestellt. Die erste und die zweite, im wesentlichen vertikale, Wand 290 und 292 verbinden die inne­ ren Oberflächen der ersten und der zweiten geneigten inneren Sitzwand 296, 298 mit der vorher gebildeten, ersten inneren Verengungswand 278 und der vorher gebildeten, zweiten inne­ ren Wand 280. Die erste und die zweite vertikale Wand 290, 292 bestehen im wesentlichen aus {110}-ausgerichteten Kri­ stallebenen, wobei die Ätzrate in der <110<-Kristallrichtung in wäßrigem KOH typischerweise etwa 1,9mal so groß wie die vertikale Ätzrate von {100}-Ebenen in der <100<-Richtung ist. Folglich sind die erste und die zweite vertikale Wand 290 und 292 nach unten und außen verlängert, wobei sie im wesentlichen die gleiche vertikale Abmessung beibehalten, während ihre lateralen Abmessungen vergrößert sind; die horizontale obere Oberfläche der Verengungswand 281 wird ebenfalls in der <100<-Kristallrichtung abwärts geätzt. Je­ doch wird die Position und die Neigung der ersten und der zweiten, geneigten, inneren Sitzwand 296, 298 zu einem frü­ heren Zeitpunkt bei der dritten Siliziumätzoperation einge­ richtet und bleibt während des lateralen Ätzens der ersten und der zweiten vertikalen Wand 290, 292 und des vertikalen Ätzens der horizontalen oberen Oberflächen der Verengungs­ wand 281 im wesentlichen unverändert.

Wie in Fig. 5A gezeigt ist, wird nach der dritten Silizium­ ätzoperation die zweite Siliziumnitridschicht 264 mittels Plasma-Ätzens von der Unterseite des Siliziumwafers 260 ent­ fernt. Als nächstes wird die obere Oberfläche des Silizium­ wafers 260 einem Plasma-Ätzen unterworfen, um jeden Ab­ schnitt der inneren ringförmigen Teilregion 276A unter dem inneren Ring 272, der durch Unterschneiden der inneren ring­ förmigen Teilregion 276A während der dritten Siliziumätz­ operation freigelegt wurde, zu ätzen. Die laterale Größe des verbleibenden Abschnitts der inneren ringförmigen Teilregion 276A wird im wesentlichen gleich der Größe der zweiten und der gegenüberliegenden vierten Ausnehmungswand 294B, 295B. Folglich wird eine Selbstausrichtungs-Charakteristik zwi­ schen den geätzten Siliziummerkmalen an der Oberseite der ersten und der zweiten geneigten, inneren Sitzwand 296, 298 und den Kanten der inneren ringförmigen Teilregion 276A er­ halten, wodurch die Kanten der inneren ringförmigen Teilre­ gion 276A lateral mit einer Unter-Mikrometer-Genauigkeit mit den Kanten der oberen Oberflächen der ersten und der zweiten geneigten, inneren Sitzwand 296, 298 übereinstimmen.

Als ein abschließender Schritt bei dem Batch-Herstellungs­ verfahren wird ein chemisches Naßätzen verwendet, um alle verbleibenden Chromregionen von dem Siliziumwafer 260 zu entfernen. Das Ergebnis ist ein Siliziumwafer 260, der eine Mehrzahl von einzelnen Ventil-Öffnungen und -Sitzen auf­ weist. Der Siliziumwafer 260 kann dann in einem Chip-Schnei­ de-Schritt unter Verwendung einer herkömmlichen, schnellen Chip-Schneide-Säge in einzelne Öffnungschips unterteilt wer­ den. Der abschließende Chip-Schneide-Schritt kann Staub er­ zeugen, der später den Betrieb der Öffnungschips negativ be­ einflussen kann. Folglich kann in Fällen, in denen bestimmte Betrachtungen ein modifiziertes Herstellungsverfahren recht­ fertigen, der Chip-Schneide-Schritt vor der dritten Sili­ ziumätzoperation durchgeführt werden, wobei die einzelnen Siliziumchips, die nach dem Chip-Schneiden erhalten werden, danach dem dritten Siliziumätzen, den zwei Plasma-Ätzungen und dem Chrom-Ätzen ausgesetzt werden können, wie hierin oben beschrieben wurde, mit der Ausnahme, daß die einzelnen Chips in Vorrichtungen plaziert werden, die eine derartige individuelle Handhabung erleichtern. Das modifizierte Her­ stellungsverfahren kann in einigen Fällen vorteilhaft sein, da die dritte Siliziumätzoperation dazu tendiert, jeden mi­ kroskopischen Siliziumstaub, der nach dem Silizium-Schnei­ de-Schritt auf den Öffnungschips verbleibt, aufzulösen.

Die Fig. 6A bis 6B sind perspektivische Schnittansichten des Öffnungsbereichs des fertigen Sitzsubstrats 112 in einem einzelnen Öffnungschip.

Die Fig. 7A und 7B, 8A und 8B, 9A und 9B zeigen jeweils ein zweites, ein drittes und ein viertes bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel des Sitzsubstrats, das gemäß den vorher ge­ nannten Schritten hergestellt ist, jedoch mit kleinen Modi­ fikationen, wie nachfolgend erläutert wird.

Gemäß den Fig. 7A und 7B weist ein zweites Sitzsubstrat 412 einen zweiten mittleren Flußdurchgang 414, einen zweiten Ventilsitz 428, eine zweite Sitzwand 429 und eine zweite Verengungswand 431 auf. Dieses Ausführungsbeispiel wird er­ halten, indem die oben beschriebene, erste Siliziumätzope­ ration gesteuert wird, um eine Tiefe, die gleich der Dicke ist, die für den Abschnitt des Sitzsubstrats 412 gewünscht ist, der die zweite Verengungswand 431 umgibt, von der Un­ terseite zu ätzen. Danach wird während der dritten Silizium­ ätzoperation das Ätzen gestoppt, wenn sich der zweite mitt­ lere Flußdurchgang 414 vollständig durch den Wafer er­ streckt. Ein Überätzen hätte ein laterales Unterschneiden oder Zerstören des zweiten Ventilsitzes 428 zur Folge.

In den Fig. 8A bis 8B ist ein drittes Sitzsubstrat 512 ge­ zeigt, das einen dritten mittleren Flußdurchgang 514, einen dritten Ventilsitz 528, eine dritte Sitzwand 529 und eine dritte Verengungswand 531 aufweist, gezeigt. Dieses Ausfüh­ rungsbeispiel wird unter Verwendung der ersten und der zwei­ ten Siliziumätzoperation erreicht, und kann einfacher durch­ zuführen sein.

In den Fig. 9A bis 9B ist ein viertes Sitzsubstrat 612 ge­ zeigt, das einen vierten mittleren Flußdurchgang 614, einen vierten Ventilsitz 628, eine vierte Sitzwand 629 und eine vierte Verengungswand 631 aufweist. Dieses Ausführungsbei­ spiel ist konzeptionell ähnlich den Ausführungsbeispielen, die in den Fig. 8A und 8B gezeigt sind, mit der Ausnahme, daß erweiterte Kontaktabschnitte 618A, 618B der unteren Oberfläche eines mittleren Vorsprungs 618 hinzugefügt wur­ den.

Fig. 10 zeigt eine Sitz-Ätzmaske 702, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, um das Ätzen der verschiedenen Ventilsitze, die hierin beschrieben sind, zu steuern. Die Sitz-Ätzmaske 702 ist dem Öffnungsbereich des Sitzsubstrats 112 überlagert, um ihre relative Ausrichtung darzustellen. Die Maske besteht aus einem geradlinig be­ grenzten Rahmen mit Hauptmerkmalen, die entlang der <110<- Richtungen auf der ebenen {100}-Oberfläche des Siliziumwa­ fers 260 ausgerichtet sind, und mit diagonalen Vorsprüngen an seinen Ecken, die in den <100<-Richtungen auf der ebenen {100}-Oberfläche ausgerichtet sind. Der Zweck der diago­ nalen Vorsprünge besteht darin, sicherzustellen, daß sich die {111}-Ebenen, die nachfolgend an den äußeren Kanten des Rahmens gebildet werden, an scharfen Ecken treffen, ohne un­ ter die geradlinig begrenzten Haupteigenschaften zu schnei­ den, um verbesserte Eckenformen zu erhalten.

Fig. 11 zeigt eine photolithographische Ecken-Kompensations­ maske 802, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, um das Ätzen der Ventilsitzträgerstruktur, die hierin beschrieben ist, zu steuern. Der Zweck dieser Ecken-Kompensationsmaske besteht darin, sicherzustellen, daß die sehr tief geätzten {111}-Ebenen, die die äußere Oberflä­ che der ringförmigen Wandstruktur 119 bilden, geeignete Ecken bilden. Weitere Einzelheiten des Ätzens konvexer Ecken in {100}-Silizium in wäßrigem KOH sind von Mayer u. a. in "Fabrication of Non-Underetched Convex Corners in Anisotro­ pic Etching of (100)-Silicon in Aqueous KOH with Respect To Novel Micromechanic Elements", J. Electrochem. Soc., Bd. 137, Nr. 12, Seiten 3947-3951, beschrieben.

Modifikationen der Struktur der offenbarten Ausführungsbei­ spiele können durch die Verwendung verschiedener Muster der ätz-resistenter Beschichtungen bewirkt werden. Außerdem kön­ nen alternative Beschichtungen, wie z. B. Siliziumdioxid oder Polyimid verwendet werden, um auf der Oberfläche der ferti­ gen Struktur abgeschieden oder aufgewachsen zu werden. Ob­ wohl gemäß der Beschreibung der offenbarten Ausführungsbei­ spiele der vorliegenden Erfindung dieselben aus einem Sili­ ziumsubstrat hergestellt wurden, können ferner andere Mate­ rialien, wie z. B. Metall, Glas, Keramik oder Polymere, und andere Halbleiter- oder Kristall-Substrate, wie z. B. Gal­ liumarsenid, verwendet werden. Beispielsweise können die Strukturen, die hierin beschrieben sind, gemäß einer oder mehrerer der folgenden Alternativen hergestellt werden: Borsilikat-Glas kann unter Verwendung einer Ultraschallbear­ beitung hergestellt werden; photoempfindliches Glas kann durch Lithographie gebildet werden; ein keramisches Material kann ultraschallmäßig bearbeitet werden oder kann gegossen und gebrannt werden; ein Metall oder bearbeitbare Keramik können durch eine herkömmliche Bearbeitung gebildet werden; oder ein Polymer kann bearbeitet, gegossen oder spritzge­ gossen werden.

Claims (21)

1. Mikrominiatur-Bauelement (110) zum Steuern des Flusses eines Fluids mit folgenden Merkmalen:
einem Sitzsubstrat (112) mit folgenden Merkmalen:

• a. einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Hauptoberfläche (130, 138) und einem Flußdurchgang (114), der sich von der ersten Hauptoberfläche (130) zu der zweiten Hauptoberfläche (138) er­ streckt,
• b. einer einstückig ausgebildeten, ringförmigen Wand­ struktur (119), die sich von der ersten Hauptober­ fläche (130) erstreckt, wobei die ringförmige Wand­ struktur (119) den Flußdurchgang (114) umgibt und einen Ventilsitz (128) einschließt,
• c. einer Ausnehmung (130A), die benachbart zu der ein­ stückig ausgebildeten, ringförmigen Wandstruktur (119) in einer Umrandung (112C) in der ersten Hauptoberfläche (130) positioniert ist;

und
einem oberen Substrat (113), das benachbart zu dem Sitzsubstrat (112) positioniert ist und eine Ventilflä­ che (118A) aufweist, die in einer bezüglich des Ventil­ sitzes (128) geschlossenen Stellung, um einen Fluidfluß durch den Flußdurchgang (114) zu blockieren, und in einer bezüglich des Ventilsitzes (128) offenen Stel­ lung, um einen Fluidfluß durch den Flußdurchgang (114) zu ermöglichen, positionierbar ist;
wobei die Ausnehmung (130A) eine ausreichende Kombina­ tion von Oberflächenbereich und Tiefe aufweist, vergli­ chen mit dem nach oben gerichteten Gesamtoberflächenbe­ reich bzw. der Gesamtdicke (112D) des Sitzsubstrats (112), derart, daß eine Gasphasenleitung zwischen dem oberen Substrat (113) und dem Sitzsubstrat (112) redu­ ziert ist.

2. Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem die Umrandung (112C) ausreichend dick ist, um eine adäquate mechani­ sche Gesamtstärke in dem Sitzsubstrat (112) zu liefern, während die Ausnehmungstiefe (130A) maximiert ist.

3. Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die ring­ förmige Wandstruktur (119) eine vertikale Höhe auf­ weist, die ausreicht, um die Gasphasenleitung zwischen dem oberen Substrat (113) und dem Sitzsubstrat (112) zu verringern.

4. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die ringförmige Wandstruktur (119) ferner eine Veren­ gungswand (131) aufweist, und bei dem die Verengungs­ wand (131) ausreichend dünn ist, um eine thermische Feststoffphasen-Leitfähigkeit von der Ventilfläche (118A) zu dem Sitzsubstrat (112) zu minimieren.

5. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die ringförmige Wandstruktur (119) ferner einen Ven­ tilsitz (128) aufweist, der von einer Sitzwand (129) getragen wird, und bei dem die Ausnehmung (118A) einen Oberflächenbereich umgibt, der mindestens zehnmal so groß wie die Querschnittfläche, die von dem Ventilsitz (128) begrenzt ist, ist.

6. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Tiefe der Ausnehmung (130A) im wesentlichen gleich der vertikalen Höhe der ringförmigen Wandstruktur (119) ist.

7. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Oberflächenbereich der Ausnehmung (130A) zwischen 25 und 95 Prozent des gesamten, nach oben gerichteten Oberflächenbereichs des Sitzsubstrats (112) ist.

8. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Tiefe der Ausnehmung (130A) zwischen 25 und 95 Pro­ zent der Gesamtdicke (112D) des Sitzsubstrats (112) be­ trägt.

9. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Umrandung (112C) eine Dicke aufweist, die aus einem Bereich von näherungsweise 5 bis 75 Prozent der Gesamt­ dicke (112D) des Sitzsubstrats (112) ausgewählt ist.

10. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Gesamtdicke (112D) des Sitzsubstrats (112) größer als 500 Mikrometer ist, und bei dem die Umrandung (112C) eine Dicke von weniger als 300 Mikrometern auf­ weist.

11. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Ausnehmung (130A) eine Tiefe aufweist, die größer als 200 Mikrometer ist.

12. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die ringförmige Wandstruktur (119) ferner eine Veren­ gungswand 131 aufweist, wobei die ringförmige Wand­ struktur (119) eine vertikale Höhe aufweist, die größer als ein Bereich von zweimal bis fünfmal die minimale laterale Dicke der Verengungswand (131) ist.

13. Bauelement gemäß Anspruch 1 bis 12, bei dem der Fluß­ durchgang (114) mittig in der ringförmigen Wandstruktur (119) positioniert ist, und bei dem der Flußdurchgang (114) querschnittmäßig mit zunehmendem Abstand von dem Ventilsitz (128) zunimmt.

14. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das Sitzsubstrat (112) aus einem Halbleitermaterial be­ steht.

15. Bauelement gemäß Anspruch 14, bei dem die ringförmige Wandstruktur (119) durch {111}-ausgerichtete Kristall­ ebenen definiert ist.

16. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das Sitzsubstrat (112) aus einem Material besteht, das aus der folgenden Gruppe von Materialien ausgewählt ist: Metall, Glas, Keramik und Polymere.

17. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die ringförmige Wandstruktur (119) eine abgeschnittene Pyramidenstruktur definiert.

18. Bauelement gemäß Anspruch 17, bei dem der Flußdurchgang (114) durch eine vierseitige Verengungswand (131) de­ finiert ist.

19. Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem das obere Substrat (113) ferner ein thermisches Betä­ tigungsglied (120, 122) aufweist, das betätigbar ist, um die Ventilfläche (118A) entweder in der offenen oder in der geschlossenen Stellung zu positionieren.

20. Bauelement gemäß Anspruch 19, bei dem das thermische Betätigungsglied (120, 122) ferner eine erste und eine zweite Materialschicht aufweist, die jeweils unter­ schiedliche thermische Expansionskoeffizienten aufwei­ sen.