DE3783190T2 - Integriertes, elektrisch ansteuerbares, fluidisches mikrominiaturventil und druck-/durchflussregulator sowie verfahren zu dessen herstellung. - Google Patents
Integriertes, elektrisch ansteuerbares, fluidisches mikrominiaturventil und druck-/durchflussregulator sowie verfahren zu dessen herstellung.Info
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Regelung von Flüssigkeiten und Gasen, und insbesondere auf das Gebiet der integrierten mikrominiaturisierten elektronisch betriebenen Ventilen (im folgenden "Stromungsregler" genannt) bei welchen die Strömung eines Gases oder einer Flüssigkeit durch ein elektronisches Signal von einer Kontrollogik gesteuert werden kann.
- Viele industrielle Maschinen und Industrie- oder Herstellungseinrichtungen werden pneumatisch gesteuert. Pneumatische Kraft liefert sehr effiziente Maschinenbetätigung und wird oft bei Robotern in Fließbandarbeit gebraucht. Diese Maschinentypen werden oft von Rechnern oder anderen logischen Schaltkreisen gesteuert. Die logische Schaltung bestimmt die Reihenfolge der erforderlichen Ereignisse und erzeugt elektrische Signale, die diegleichen nach Plan hervorrufen. Wenn die Ereignis folge die physikale Bewegung von Maschinenteilen betrifft, welche pneumatisch angetrieben werden, braucht man dazu ein Ventil oder einen Konversionsapparat, welcher elektrische Regelungssignale von der Kontrollogik in pneumatische Regelsignale umwandeln kann, um die Maschinenteile zu treiben.
- Da solche Maschinen oft viele bewegliche Teile benötigen, welche von zahlreichen individuellen pneumatischen Leitungen gesteuert werden, findet man haufig, daß viele solcher Strömungsregler benötigt werden. In solchen Umgebungen müssen die elektronischen Strömungsregler billig, zuverlässig, leistungseffizient, klein, und bezüglich elektronischer Schnittstelle zwischen Regler und Rechner oder Steuerlogik verträglich sein.
- Bei sehr präzisen robotischen Bewegungsanwendungen oder anderen Anwendungen, für welche sehr präzise Bewegungssteuerung nötig ist, braucht man präzise Kontrolle über die Form der pneumatischen Regelungsantriebpulse. Bei anderen Anwendungen, wie zum Beispiel Gaschromatographie, muß die Form der Flüssigkeitspulse, die in die Säule eintreten, präzis gesteuert werden, um Präzisionsuntersuchungsdaten zu erzielen. Für beide dieser Anwendungsarten müssen die Strömungsregler, die für die Steuerung des Flüssigkeits- oder Gasflußes angebracht werden, Präzisionsventile sein, die wenig oder kein totes Volumen besitzen. Totes Volumen ist das unbekannte Volumen, das in einem Ventil eingekapselt wird, wenn es die Wandlung von offen bis geschlossen vollzieht. Diese eingeschlossene Flüssigkeit kann in die Strömung entrinnen, wobei eine Abweichung der Strömungspulsform von der Erwünschten verursacht wird. Zum Beispiel, wenn ein Ventil mit totem Volumen bei typischen Gaschromotographsystemen verwendet wird, können die Rander des Ausgangsströmungspulses, die in eine Trennungsäule eintreten, weder vertikal noch scharf definiert sein (in bezug auf das Volumen des Gases, das zu einem beliebigen Zeitpunkt fließt). Gleichfalls sind bei präziser robotischer Bewegung sehr scharfe Abgrenzungen der pneumatischen Pulse erwünscht, die gebraucht werden, um Roboterfinger und -arme zu treiben, und dabei eine präzise Lagekontrolle der Bewegung zu erzielen.
- Eine bekannte Methode, den Fluß einer Strömung durch elektrischen Puls zu steuern, ist der elektronische Strömungsregler, der von Steve Terry an Stanford University entwickelt wurde. Dieser Regler macht Gebrauch von einem Substrat, wie zum Beispiel Silizium, in das eine dünne Membrane eingearbeitet wird. Der Hohlraum wird dadurch geformt, daß man ein Loch fast ganzlich durch das Substrat atzt. Dies schafft eine dünne Wand an der Unterseite des Hohlraums, die als flexible Membrane gebraucht wird. An der Seite des ersten Substrats fixiert, in welchem sich die Membrane befindet, ist ein zweites Substrat, in das ein facherförmiger Hohlraum mit einem Durchgang oder einer Düse für einströmendes oder entweichendes Gas in einer Wand dieses Hohlraums eingeätzt ist. Im Verteilerhohlraum sind auch andere Öffnungen, die den Fluß in den Verteilerhohlraum hinein und aus der Düse heraus oder umgekehrt ermöglichen. Der Hohlraum im zweiten Substrat ist über der Membrane des ersten Substrats so angebracht, daß beim Biegen des ersten Substrats ein Dichtungsring an der Düse des Verteilerhohlraums berührt wird, wodurch der Strömungsfluß zwischen der Düse und den anderen zum Verteilerhohlraum führenden Öffnungen unterbrochen wird. Bleibt die Membrane des ersten Substrats flach, so wird die Düse im Verteilerhohlraum nicht geschlossen, und die Strömung kann durch die Eingabeöffnung und den Verteilerhohlraum hinein- und durch die Düse herausfließen, oder umgekehrt. Der mechanische Druck eines Kolbens verursacht das Biegen der Membrane des ersten Substrats. Dieser Kolben wird von einem Solenoid oder von einer anderen Art eines elektromagnetischen Apparats angetrieben.
- Ein Nachteil der oben beschriebenen Reglerkonfiguration besteht darin, daß das Solenoid als großer Leistungsgebraucher eine große Energiequelle beansprucht. Im übrigen ist das Solenoid oder ein anderer elektromagnetischer Apparat groß und schwer. Die Hohlräume in den ersten und zweiten Substraten könnten in viel kleineren Dimensionen gestaltet werden, wenn das Solenoid nicht so groß wäre. Da die ersten und zweiten Substrate Siliziumscheiben sind, die mit konventioneller Flächenphotolithographietechnik geätzt werden, wäre es möglich, die elektronischen Strömungsregler in viel kleineren Dimensionen zu gestalten, wenn das Solenoid kleiner wäre. Eine solche herkömmliche Technik zum Bau elektronischer Strömungsregler ist bezüglich Raumnutzen ineffizient. Da das Solenoid am ersten Substrat mechanisch befestigt ist, so daß der Kolben des Solenoids gegen die Membrane des ersten Substrats drückt, und da das Solenoid groß genug ist, um viel Scheibenraum in Anspruch zu nehmen, können im allgemeinen nur drei solcher Reglerstrukturen auf einer einzigen Siliziumscheibe angebracht werden. Es ist relativ teuer, eine solche Struktur zusammenzustellen, und die Bindung zwischen Solenoid und Glas ist schwer herstellbar. Im allgemeinen wird das Solenoid durch Schraubenbolzen und -mutter an eine dicke Pyrexglasscheibe befestigt. Diese Befestigungsmethode ist sowohl teuer zu fabrizieren als auch eine Hauptfehlerquelle. Weiterhin hat eine solche Struktur ein bewegliches Teil, das eine zusätzliche Fehlerquelle sein kann. Der hauptsächliche Schwachstelle einer solchen Struktur ist jedoch die Tatsache, daß die ganze Struktur nicht leicht mit Flächenlithographietechnik serienmäßig hergestellt werden kann, weil das Solenoid mit einer solchen Technik nicht hergestellt werden kann.
- Ein anderes herkömmliches System im Bereich des Farbstrahldruckes verwendet ein Prinzip, das in dieser Erfindung die Tendenz von Flüssigkeiten und Gasen betrifft, sich auszudehnen und bei höheren Temperaturen einen höheren Druck in einem Hohlraum erzeugen, benützt. Das betreffende System, das dieses Prinzip beinhaltet, ist das des Hewlett Packard Farbstrahldruckwerks. Diese Druckwerkkonstruktion gebraucht einen Typenträgerkopf, der einen kleinen Hohlraum hat, der in oder über einem Substrat geformt wird. Auf dem Substrat wird einen Widerstand angebracht, so daß der Hohlraum über dem Widerstand zu liegen kommt. Im Hohlraum gibt es eine kleine Farbstrahldüse, durch welche die Tinte in kleinen Tropfen ausströmen kann, wenn der Tintendruck im Hohlraum über den Luftdruck steigt. Jedesmal, wenn ein Heizpuls auf das Widerstand geschickt wird, schießt eine solche Apparatur einen Tintentropfen aus. Die Wärme des Widerstands erhöht die Temperatur der Tinte im Hohlraum und erhöht dabei den Dampfdruck, nach den Regeln der Thermodynamik. Wenn der Tintendruck im Hohlraum steigt, werden Tintentropfen aus dem Hohlraum durch die Farbstrahlmündung in der Wand des Hohlraums hinausgeschleudert. Eine solche Konstruktion ist ein Beispiel einer entfernten Anwendung eines Prinzips der Thermodynamik, von welcher diese Erfindung Gebrauch macht.
- Einige relativ große Ventile benutzen ähnliche Prinzipien, um Strömungen elektrisch zu steuern. Siehe beispielsweise FR-A- 2 520 470. Diese Regler verlassen sich auf einen dichten Hohlraum, der mit Material gefüllt wird, welches durch Widerstände und einen äußeren Strom geheizt werden kann. Die entstehende Drucksteigung im Hohlraum biegt eine Membrane oder bewegt irgendeinen anderen mechanischen Apparat, der seinerseits eine Flüssigkeit durch ein Ventil abfließen läßt. Diese Regler haben jedoch keine integrierte Struktur, welche auf Halbleitertechnik angewendet werden könnte. Es ist demzufolge schwierig, solche Regler sehr klein zu gestalten, weshalb sie auch für viele erwünschte Anwendungen nicht verwendet werden können. Soweit der Antragskandidat weiß, ist eine Anwendung des Prinzips der Ausdehnung einer Flüssigkeit in einem beschränkten Hohlraum bei steigender Temperatur weder in einem mikrominiaturisierten Regler noch in irgendeinem in Halbleitersubstraten integrierten Schaltung gebraucht worden.
- Daher ist ein Bedürfnis nach einem elektronischen Strömungsregler entstanden, der mit konventioneller Flächenlithographietechnik billig serienmäßig hergestellt werden kann, der keine großen Energiemengen in Anspruch nimmt, der klein ist und der Scheibenraum effizient ausnützt, der keine übereinander gleitenden beweglichen Teile hat, der scharfe Abschneidseigenschaften mit wenig oder keinem toten Volumen hat, und der sich mit der Gestaltung von Schnittstellung- oder Treiberschaltung mit einem elektronischen Strömungsregler auf der gleichen Siliziumscheibe verträgt.
- Die gegenwärtige Erfindung stellt einen Apparat mit den folgenden Eigenschaften zur Verfügung:
- ein erstes Halbleitersubstrat, in welchem einen Hohlraum mit einer ausreichenden Tiefe sich befindet, um mindestens eine biegsame Fläche zu erzeugen,
- ein zweites Substrat, das so am ersten Halbleitersubstrat gebunden ist, daß der Hohlraum luftdicht abgeschlossen wird,
- eine Quantität eines eingeschlossenen Materials, das unter Hitze den Luftdruck im Hohlraum erhöhen oder auf andere Art Kraft auf die biegsame Fläche ausüben kann, und
- eine im Hohlraum eingebaute Fähigkeit, die Temperatur des eingeschlossenen Materials zu ändern, um eine Drucksänderung im Hohlraum und eine Biegung der biegsamen Fläche zu verursachen.
- Um zusammenzufassen, gebraucht der elektronische Strömungsregler, der Erfindung nach, das Prinzip der Ausdehnung und Druckerhöhung eines bestimmten Gas- oder Flüssigkeitsvolumens unter erhöhter Temperatur, um eine biegsame Fläche oder dünne Membrane zu biegen, die Flächen des Hohlraums formt, welcher das Gas oder die Flüssigkeit enthält. Die Biegung der Membrane kann das Öffnen oder Verschließen eines Flußweges von einer Eingangsöffnung in einen Verteilerhohlraum und hinaus durch eine Ausgangsdüse ermöglichen, oder umgekehrt. Das Ventil kann auch linear betrieben werden, um einen Durchfluß zu erzeugen; das heißt, das Ventil kann so gesteuert werden, daß die Geschwindigkeit des Flüssigkeits- oder Gasflusses durch die Größe des Regelungssignals bestimmt wird. Die Durchbiegung der Membrane kann auch als Sensor gebraucht werden, um Temperaturänderungen oder die Größe anderer Phänomene abzumessen.
- Den Lehren der Erfindung nach kann die Struktur eines elektronischen Strömungsreglers zahlreiche Variationen haben. Die prinzipiellen Elemente aller Varianten umfassen jedoch einen in einem Substrat geformten Hohlraum, dessen Wand aus einer dünnen flexiblen Membrane besteht. Der Hohlraum enthält eine bestimmte Menge von Gas oder Flüssigkeit, und, im Falle einer Flüssigkeit, die Temperatur der Flüssigkeit im Hohlraum wird mittels irgendeiner Weise erhöht, damit der Dampfdruck steigt oder, im Falle eines Gases, eine Ausdehnung einer erhöhten Druck verursacht wird. Die Aufheizung des Materials im Hohlraum kann auf verschiedene Weise zustande gebracht werden. Eine Möglichkeit besteht im Gebrauch eines Widerstands auf einer Fläche (im Falle diffusierter Widerstände, auf einer oder mehreren Flächen) irgendwo innerhalb des Volumens des Hohlraums, welches durch elektrischen Strom die im Hohlraum eingeschlossene Flüssigkeit erwärmt. Andere möglichen Methoden Flüssigkeit im Hohlraum zu erwärmen, bestehen aus das Radiofrequenzheizen des Materials, indem man Radiofrequenzenergie von einer außerhalb des Hohlraums liegenden Quelle einstrahlt, oder das konduktive, konvektive oder strahlige Erwärmen des Materials im Hohlraum. Weiter könnten optische Wärmer gebraucht werden, um eine optisch-zu-fluidische Umwandlung zu verschaffen. Bei einer solchen Konstruktur kann Licht in den Hohlraum, dessen eine oder mehrere Seiten aus durchsichtigem Material bestehen, gestrahlt werden. Dieses Licht erwärmt entweder die Gefäßflächen (eine oder mehrere von den Flächen könnten mit einem lichtenergieabsorbierenden Material beschichtet werden) oder erwärmt das Material direkt im Hohlraum auf, wenn es sich um eine dunkle Flüssigkeit oder dunkles Gas handelt, welche oder welches das Licht genügend absorbiert. Die Lichtenergie kann entweder durch Strahlung oder mit der Hilfe eines Lichtrohrs oder faseroptischer Lichtführung übertragen werden. Eine solche optisch- zu- fluidische Umwandlung liefert zuverlässige pneumatische Steuerung in einem elektrisch verrauschten Umfeld, da elektrisches Rauschen weder von Lichtstrahlen noch von faseroptischen Lichtrohren aufgenommen werden.
- Bei anderen Ausführungen ist es möglich, die Temperatur der Flüssigkeit in der Kammer, welche die dünne Membrane als eine Wand besitzt (von nun an das Membranenkammer benannt), durch Kühlung zu verändern. Dies könnte mit Thompsen- oder Peltierkühler erreicht werden. Andere Sorten von Kühlapparaten dürften auch angewendet werden, wie zum Beispiel einfache Kühlungssysteme oder strahlige, konduktive oder konvektive Kühlapparate. Den Lehren dieser Erfindung nach wird jede Methode, die die Temperatur der Flüssigkeit in dem Hohlraum regelt und damit den Fluß eines Gases oder Flüssigkeit beeinflußt, ausreichen, um von dieser Erfindung Gebrauch zu machen.
- Obwohl die Konstruktion der Strömungsregler, welche nach den Lehren dieser Erfindung gebaut werden können, von einem Gebrauch zum anderen drastisch variieren werden, wie es von der obenerwähnten Diskussion der verschiedener Sorten der Heizkörperstrukturen ersichtlich ist, enthält eine typische Konstruktion je eine Schicht Silizium und hitzebeständiges Glas für die Membranenkammer und Heizungsstruktur. Die Membranenkammer wird in einer Siliziumsscheibe dadurch gestaltet, daß man eine Vertiefung in die Scheibe ätzt, deren Tiefe die Dicke der Membrane bestimmt. Andere signalbearbeitende Schaltelemente, wie zum Beispiel Leistungstransistoren oder Vollprozeßsteuerungssysteme mit multiplexierten Eingabe- und Ausgabemündungen, könnten vorher auf dem Rest der Scheibe durch konventionelle Bearbeitung hergestellt worden sein. Diese Schaltelemente können in Verbindung mit dem elektronischen Strömungsregler, welches von der Membranenkammer geformt wird, verwendet werden, wodurch ein Regulierungsventil oder ein Umwandler mit eigener Schnittstellenschaltung auf derselben Siliziumscheibe gelagert sein wird wie das Ventil selbst. Das gleiche gilt natürlich auch für Sensorverwendungen, bei welchen die Membranenkammer als Umwandler eingesetzt wird. Die Schaltung für die Signalbearbeitung oder andere Funktionen, die sonstwo auf der Scheibe gebaut ist, kann dann der Funktion entsprechend angewandt werden.
- Die Membranenseite des Siliziumsubstrats wird mit einer weiteren Scheibe beschichtet, in welcher sich ein Verteiler mit einer Eingabemündung und einer Düse als Ausgabemündung befindet (die Mündungen können auch vertauscht werden, so daß die Düse die Eingabemündung wird). Diese Scheibe mit den Mündungen wird so und Flußwegen orientiert, so daß die Düse und deren Dichtungsring sich innerhalb des Weges befinden, welcher von der Membrane während der Biegung gemacht wird. Die Biegung der Membrane ändert die Querschnittsfläche des Flußweges zwischen der Eingabemündung und der Ausgabemündung des Flußreglers. Wenn die Biegung groß genug ist, sitzt die Membrane vollständig auf dem Dichtungsring der Düse und schneidet den Fluß durch die Düse vollkommen ab.
- Die Erfindung kann als eine Art Umwandler (Transducer) verwendet werden. Der Begriff "Transducer", wie er in diesem Text gebraucht wird, ist ein Instrument oder Apparat, der ein Ausgabesignal produziert, das proportional der Größe einer anderen Einheit (Parameter) entspricht, welche mit dem Transducer gemessen werden will. Die Einheit, die gemessen wird, kann entweder die Temperatur der Flüssigkeit in der Kammer selbst, oder irgendeine andere Energieform sein, die die Temperatur der Flüssigkeit in der Kammer beeinflußt. Beispiele des letzteren wären, die Größe des Stromflußes durch ein Widerstand in der Kammer, die Intensität eines Lichtstrahles, und so weiter. In einem anderen Gebrauch könnte der Umwandler, nach den Lehren der Erfindung, auch Druck messen, indem der zu ermessende Druck auf die Membrane übertragen wird. Änderungen im Druck der Flüssigkeit in der Kammer, durch die Übertragung des zu messenden Druckes über die Membrane, werden, nach den Regeln der Thermodynamik, in Temperaturänderungen der Flüssigkeit in der Membranenkammer verwandelt. Diese Änderungen in der Temperatur können mit einem Thermoelement oder anderen Temperaturmeßapparaten gemessen werden, um das Eingabesignal des zu ermessenden Druckes zu charakterisieren.
- Den Lehren der Erfindung nach, kann ein Temperaturmeßgerät dadurch hergestellt werden, daß man einen elektronischen Flußregler ohne die üblichen Heizmethoden für die Flüssigkeit in der Membranenkammer fabriziert. Ein Durchflußmeter kann dann in den Flußweg gebracht werden, welchen von der Umgebungstemperatur über die Membrane so beeinflußt wir, daß die Durchflußgeschwindigkeit durch die Düse als eine Funktion der Umgebungstemperatur, welche der Flüssigkeitstemperatur in der Membranenkammer entspricht, ermessen werden kann. Das heißt, Veränderungen in der Umgebungstemperatur verursachen Temperaturänderungen der Flüssigkeit in der Membranenkammer. Diese Temperaturänderungen setzen sich in Biegungsänderungen der Membrane um und bestimmen dadurch die Durchflußgeschwindigkeit durch den Flußweg des Ventils. Diese veränderliche Durchflußgeschwindigkeit könnte über bekannte Art, wie zum Beispiel Stufenpneumatik, amplifiziert werden und direkt in einem pneumatischen oder hydraulisch getriebenen Steuersystem gebraucht werden.
- In diesem Text wird auch ein integriertes Druckregulierventil und ein integrierter Durchflußregler bekanntgegeben. Der integrierte Druckregler besteht aus zwei integrierten Ventilen, die in diesem Text beschrieben sind, welche zur Regelung des Druckes in einer Ausgabemündung dient, die zwischen den Ventilen gelagert ist. Der Ausgabedruck wird von einem kapazitiven Druckumwandler wahrgenommen, dessen eine Platte vom Kondensator auf dem Substrat befestigt ist und dessen zweite sich auf einer biegsamen Membrane befindet, welche einen Hohlraum im Substrat unter Vakuum abschließt. Druckänderungen verursachen Deformationsveränderungen der Membrane und bringen dadurch die zweite Kondensatorplatte dazu, sich der ersten anzunähern oder zu entfernen. Diese Änderungen der Kapazität werden gebraucht, um den Druck der Ausgabemündung festzustellen und wenn nötig um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersignal wird gebraucht, um Regelsignale zu erzeugen, welche die beiden Ventile steuern. Diese zwei Ventile sind mit der Ausgabemündung und dem kapazitiven Druckumwandler auf demselben Chip integriert. Ein Ventil ist an eine Hochdrucksquelle angeschlossen. Die Ausgabemündung befindet sich zwischen den beiden Ventilen und das zweite ist ein Entlüftungsventil.
- Der integrierte Mengenregler (auch Durchflußregler) verwendet nach den Lehren der Erfindung ein integriertes Ventil und einen Durchflußweg. Drei Widerstände sind im Flußweg angebracht. Der mittlere Widerstand wird durch einen elektrischen Strom auf einer konstanten erhöhten Temperatur gehalten. Die Wärme, die vom mittleren Widerstand erzeugt wird, verteilt sich gegen die zwei anderen Widerstände, welche als Temperatursensoren verwendet werden. Wegen des Materialdurchflusses im Flußweg erreicht weniger Wärme den einen Widerstand/Sensor als den anderen und verursacht dadurch eine Temperaturdifferenz. Der Betrag dieser Temperaturdifferenz ist eine Funktion der Durchflußgeschwindigkeit und wird durch die zwei Widerstände/Sensoren von einer Steuerschaltung erfaßt. Die so bestimmte Durchflußgeschwindigkeit wird mit einer erwünschten Durchflußgeschwindigkeit verglichen, und wenn eine Abweichung auftritt, wird ein Fehlersignal durch konventionelle Schaltung erzeugt. Dieses Fehlersignal steuert das Ventil, so daß die Durchflußgeschwindigkeit zur erwünschten Durchflußgeschwindigkeit korrigiert wird.
- Ein besseres Verständnis für die verschiedene Sorten von Strukturen, welche nach den Lehren der Erfindung und durch die verschiedene in diesem Text beschriebene Herstellungsmethoden gemacht werden können, kann mittels der mitgegebenen Zeichnungen gewonnen werden. Dafür folgende kurze Beschreibungen der Zeichnungen.
- Abbildung 1 ist eine Querschnittsansicht von einem elektronischen Strömungsregler dieser Erfindung.
- Abbildung 2 ist ein Schema von einer Anordnung der Anschlüsse, welche mit dem Ventil der Erfindung gebraucht werden kann.
- Abbildung 3 ist ein Schema einer anderen möglichen Anordnung der Anschlüsse, die gebraucht werden kann.
- Abbildung 4 ist ein Schema einer anderen möglichen Anordnung der Anschlüsse, die gebraucht werden kann.
- Abbildungen 5 bis 14 sind Querschnittsansichten der Scheiben 1 und 2 in verschiedenen Stadien der Fabrikation eines Verfahrens, durch welches das Ventil in Abbildung 1 hergestellt werden kann.
- Abbildung 15 ist eine Querschnittsansicht einer Polyimidmembranenventilstruktur.
- Abbildungen 16 bis 27 sind Querschnittsansichten der Scheiben, welche in verschiedenen Fabrikationsstadien nötig sind, um das Polyimidmembranenventil von Abbildung 15 zu gestalten.
- Abbildungen 28A und 28B zeigen Planansichten von zwei verschiedenen Konstruktionen des Polyimidmembranenventils von Abbildung 15. Sie veranschaulichen alternative Anordnungen der Konstruktion der Membrane in bezug auf den Durchflußquerschnitt.
- Abbildungen 29 bis 39 sind Zeichnungen von Bearbeitungsreihenfolgen, mit welchen man ein neues Polyimidmembranventil herstellt.
- Abbildungen 40 bis 48 sind Zeichnungen sequenter Stadien von einer weiteren Bearbeitungsreihenfolge, mit welcher man ein neues Polyimidmembranenventil mit einer "gebogenen" Polyimidmembrane herstellen kann.
- Abbildungen 49 bis 52 sind Zeichnungen sequenter Stadien der bevorzugten Verfahrenstechnik, durch welche Material in allen Ausführungen die den Einsatz von galvanisch plattierten und geätzten Widerstände benutzen, in Membranenhohlraum eingekapselt wird.
- Abbildung 53 veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Konstruktion eines Festkörperwärmepumpenventils.
- Abbildung 54 zeigt den Gebrauch der Erfindung für einen Mikropositionierungsapparat, wo die Bewegung der Membrane verwendet wird, einen Gegenstand zu positionieren.
- Abbildung 55 zeigt ein Schema der robotischen Konstruktion unter Einsatz von Tastsensoren mit Rückkopplung.
- Abbildungen 56 bis 64 veranschaulichen Querschnittsansichten durch die Struktur des Tastumwandlers bei verschiedenen Stadien des Herstellungsprozesses.
- Abbildung 65 zeigt eine Querschnitt des fertiggestellten Tastsenstransducers mit luftgefüllter Blase.
- Abbildung 66 zeigt ein Diagramm eines Matrixenadressensystems einer Reihe von Tastumwandlern.
- Abbildungen 67 bis 77 sind Querschnittszeichnungen der Struktur einer zweiten Verfahrenstechnik eines Tastumwandlers in verschiedenen Stadien seines Herstellungsprozesses.
- Abbildung 78 ist eine Querschnittsaufzeichnung eines Objektivs mit veränderlicher Brennweite.
- Abbildungen 79 und 80 sind Querschnittsaufzeichnungen eutektischer Bindungen zwischen Siliziumscheiben und Scheiben aus anderem Halbleitermaterial.
- Abbildung 81 zeigt eine Querschnittsansicht der vorgezogenen Konstruktion des Ventils nach den Lehren der Erfindung.
- Abbildung 82 zeigt eine Planansicht der Mesa- und Kanalstruktur, welche in der unteren Scheibe des Ventils gestaltet ist, das in Abbildung 81 gezeigt wird.
- Abbildung 83 veranschaulicht eine alternative Mesastruktur mit höherem Ruhewiderstand als die Struktur der Abbildung 82.
- Abbildung 84 zeigt eine Querschnittsansicht eines integrierten Druckregulierapparats unter Einsatz von integrierten Ventilen.
- Abbildung 85 zeigt eine Querschnittsansicht eines integrierten Strömungsregulierapparats nach den Lehren der Erfindung.
- Abbildung 86 ist eine Querschnittsansicht eines andersartigen Strömungsregulierapparats.
- Abbildung 87 veranschaulicht eine Querschnittszeichnung des Nitrid-Trägers des Widerstands welcher bei allen Konstruktionen, die in diesem Text beschrieben sind, verwendet werden kann.
- Abbildung 88 zeigt eine Planansicht der Widerstände von Abbildung 86.
- Abbildung 89 zeigt eine Querschnittsansicht einer bistabilen Konstruktion des Ventils von Abbildung 81 oder jeglicher anderen Konstruktion.
- Abbildung 90 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren bistabilen Konstruktion des Ventils von Abbildung 81 oder jeglicher anderen Konstruktion.
- Abbildung 1 veranschaulicht, nach den Lehren der Erfindung, eine Querschnittsansicht der bevorzugten Konstruktion eines elektrischen Strömungsreglers. Das Ventil besteht aus einer Membranenkammer 10, die in ein Silizium-Substrat 12 geätzt ist, das die Kristallstruktur [100] besitzt. Die grundlegende Struktur der Erfindung kann mit vielen verschiedenen Materialsorten ausgeführt werden, einschließlich elektroformiertem Stahl, Plastik und viele andere. In der bevorzugten Konstruktion der Abbildung 1 wird jedoch eine Drei- Scheiben-Kombination gebraucht, die aus einer Siliziumscheibe 12, einer zweiten Siliziumscheibe 30 und einer Pyrexglasscheibe 22 besteht. Die Glasscheibe 22 besteht aus Pyrexglas 7740. Silizium wurde für die anderen Scheiben gewählt, weil es sich sehr gut eignet als Substrat für die Gestaltung von elektronischer Schaltungstechnik für die Signalbearbeitung oder für die Zwecke der Schnittstellung. Die Signalbearbeitung oder Schnittstellenschaltung wird sich wahrscheinlich auf einem zweiten Chip befinden, welche durch bekannte hybriden Methoden verbunden werden kann. Es ist jedoch möglich, diese elektronischen Schaltungen auf der gleichen Scheibe mit dem Ventil zu bauen. Die Entscheidung, welche Methode anzuwenden, kann vom Gebraucher getroffen werden, und beruht auf anderen Kriterien als der, der Möglichkeit, die Schaltungen auf der gleichen Scheibe mit dem Ventil oder dem Umwandler zu gestalten. Die Membranenkammer 10 wird durch sechs Flächen definiert, von welchen vier Siliziumsflächen [111] sind und von welchen zwei, Flächen 14 und 16, im Querschnitt gezeigt sind. Da die Membranenkammer 10 anisotropisch mit KOH-Lösung im Silizium geätzt wird, welche die [111] Kristallorientierungsfläche nicht ätzen wird, bilden die Flächen 14 und 16 mit der Oberfläche der Membrane 18 einen Winkel von 54.73. Die zurückbleibende Siliziumdicke unter der Membranenkammer 10 ist die dünne, biegsame Membrane 18.
- Das Volumen der Membranenkammer 10 bleibt konstant, solange sich die Membrane 18 nicht biegt. Eine bestimmte Menge von Gas oder Flüssigkeit wird in der Membranenkammer 10 eingekapselt. Dies könnte während der Schließung der Membranenkammer vollzogen werden, indem eine Pyrexglasscheibe 22 auf der oberen Oberfläche der Scheibe angebunden wird, d. h. auf der Fläche, die die höchstpositiven Z-Koordinaten besitzt und senkrecht zur Z- Achse ist. In der vorgezogenen Konstruktion hat die Pyrexglasscheibe ein photolithographisch geätzten Widerstand 2, der dazu dient, den Inhalt der Membranenkammer 10 elektrisch zu erwärmen. Pyrexglas wurde für die Scheibe 22 gewählt, weil es lichtdurchsichtig ist und optische Kraft durch das Pyrexglas in den Membranenhohlraum 10 einstrahlen lassen könnte, und so das eingeschlossene Material auf zuwärmen vermochte. Pyrexglas bildet auch eine hermetische Dichtung mit Silizium bei relativ niederer Temperatur (300ºC). Eine solche optisch-zu-fluidische Konstruktion wird durch die Lichtröhre 19 symbolisiert, welche dazu dient, Lichtkraft in den Hohlraum 10 zu führen. Die Lichtröhre 19 kann irgend jeglicher Lichtführer sein, wie zum Beispiel Faseroptikkabel. Dies würde den Bau eines optisch-zufluidischen Ventils ermöglichen, wo der Gebrauch des Widerstandsheizkörpers 20 schwierig oder unmöglich ist.
- Überhaupt symbolisiert die Lichtröhre 19 nur eine der vielen verschiedenen Formen, die das Heizelement annehmen kann.
- Es kann zum Beispiel vorkommen, daß überhaupt kein Heizelement verwendet wird, und die Temperatur der Umgebung gebraucht wird, um die Heizung und Abkühlung des Materials in der Kammer zu erzielen. Konduktions- und Konvektionsheizung könnte auch verwendet werden, indem man die Scheibe 22 aufheizt und diese Scheibe dann die Wärme zum Hohlraum 10 leitet. Die Konduktionsheizung ergäbe sich aus direktem Kontakt der Scheibe 22 mit der Heizquelle, und die Konvektionsheizung ergäbe sich durch das Überspülen von heißem Gas oder heißer Flüssigkeit über die Scheibe 22. In letzteren Umständen sollte das Material von Scheibe 22 nach dem Kriterium ausgewählt werden, daß es Wärme gut leitet, um die Reaktion auf die Heizsignale nicht stark zu verlangsamen. In der Konstruktion, die in Abbildung 1 dargestellt ist, dient die Pyrexglasscheibe 22 als Dichtungsglied für den Membranenkammer und auch als ein Substrat, auf welchem ein Widerstandsheizkörper durch Flächenphotolithographie geformt werden kann. Kontakt zum Widerstandsheizkörper 20 kann auf verschiedenen konventionellen Weisen gemacht werden. Eine Methode besteht darin, den Kontakt durch ein Loch in dem Glas zu erzielen. Der Widerstandsheizkörper 20 ist in der vorgezogenen Konstruktion aus Aluminium, aber ein Heizkörper aus Chrom und Gold oder eine Vielzahl anderer Materialien wäre auch dazu geeignet. Bei manchen Konstruktionen wird der Widerstandsheizkörper 20 so geformt, daß ein Teil davon als Thermoelement dient. Mittels elektronischer Signalbearbeitung ermöglicht dies ein Messen der Temperatur des Widerstands.
- Bei anderen Konstruktionen kann der Temperaturwiderstandskoeffizient in Einsatz genommen werden, um die Temperatur des Widerstands zu überwachen. Das heißt, daß die Temperatur des Widerstands 20 durch Messung des elektrischen Stromflusses im Widerstand bestimmt werden kann.
- Das Material, welches für das Heizelement 20 gewählt wird, darf nicht mit dem in der Membranenkammer 10 eingekapselten Material eine Reaktion eingehen, weder bei niederer Temperatur noch bei höherer Temperatur. Bei der vorgezogenen Konstruktion wird eine dünne Schutzschicht über dem Heizelement eine Reaktion mit dem erwärmten Material verhüten (nicht gezeichnet). Diese dünne Schicht kann aus jedem Material sein, welches das Heizelement effektiv schützt, jedoch die Wärmeleitung von dem Widerstand 20 zu dem Material, das gewärmt werden soll, nicht wesentlich verlangsamt. Bei Konstruktionen, wo keine Reaktionsgefahr zwischen dem Heizelement und dem in der Membranenkammer eingeschlossenen Material besteht, kann diese Schicht ausgelassen werden. Die elektrischen Verbindungen des Widerstands können zum Rand der Außenseite der Pyrexglasscheibe geführt werden.
- Das Material, eine Flüssigkeit oder ein Gas, mit welcher die Membranenkammer 10 gefüllt wird, ist später in diesem Text mit größerer Ausführlichkeit beschrieben. Dieses Füllen kann während des Prozesses der Verbindung der Pyrexglasscheibe 22 und der Siliziumscheibe ausgeführt werden oder auch nachher, indem man eine Füllmündung in der Membranenkammer 10 gestaltet, die Kammer mit Gas oder Flüssigkeit abfüllt, und dann die Mündung verschließt. Allgemein betrachtet wird das Material, das zum Abfüllen von Membranenkammer 10 vorgezogen wird, wegen seiner Betätigungskraft gewählt, damit der Flüssigkeits- oder Gasdruck in der Membranenkammer auch bei höheren Umgebungstemperaturen, in welchen das Ventil erwartet wird zu funktionieren, nicht so hoch wird, daß die Biegung der Membrane 18 den Flüssigkeitsfluß durch den Verteiler und die Düse abschneidet. Die bevorzugte Flüssigkeit, die gewählt wird, um den Hohlraum abzufüllen, wird auch nach dem Kriterium gewählt, daß das Verhältnis: Delta- Druck/Delta-Krafteingabe möglichst hoch ist; das heißt, die gewählte Flüssigkeit wird die höchste Druckveränderung für jede Einheit der Energieeingabe erzielen. Das best geeignete Verhältnis führt zu einem minimalen Kraftverbrauch, was in manchen Konstruktionen von großer Bedeutung ist. Die Flüssigkeit muß auch chemisch inaktiv sein, damit sie nicht an chemischen Reaktionen, weder mit dem Ventilsmaterial noch mit anderen Materialien, mit welchen sie in Kontakt kommen könnte, teilnimmt. Im allgemeineren Sinne kann die Biegsamkeit der Membrane gebraucht werden, um den Querschnitt des Flüssigkeitsflußganges durch den Verteilerhohlraum und die Düse 24 zu modulieren.
- Auf der Pyrexglasscheibe 22 ist ein Widerstand 20, durch welchen ein elektrischer Strom geführt werden kann, um den Inhalt der Membranenkammer aufzuwärmen. Eine zweite Scheibe 30 mit einem Verteilerhohlraum wird mit der ersten Scheibe 12 verbunden. Der Verteiler besteht aus einer Eingabemündung (nicht gezeigt) und einer Düse 32. Um den Umfang der Düse 32 wird ein Dichtungsring 28 geformt. Wenn der Inhalt der Membranenkammer 24 geheizt wird, und die Membrane 18 sich bis zu der in Abbildung 1 in punktierten Linien angegebenen Position biegt, sitzt die Membrane 18 auf dem Dichtungsring 28, wobei pneumatischer Fluß durch die Düse 32 gänzlich abgeschnitten wird. Der Begriff pneumatischer Fluß wird hier als Gas- oder Flüssigkeitsfluß gebraucht. Wenn sich das in der Membranenkammer 10 abgeschlossene Material abkühlt, verringert sich dabei der Druck und das Volumen in der Membranenkammer 10, und bringt die Membrane 18 dazu, sich weg von dem Dichtungsring 28 um die Düse zu biegen.
- Es ist möglich, durch zu hohen Arbeitsdruck eine Gegenbiegung der Membrane 18 in die Membranenkammer 10 zu erzeugen. Dies wird als eine Überdrucksituation gekennzeichnet. Wenn dies vorfällt, kann die Membrane bei zu großer Biegung brechen. Eine Methode diese Möglichkeit dies zu verhindern besteht darin, die Tiefe des Membranhohlraums, die als > d< in Abbildung 1 angegeben wird, ausreichend klein gestaltet wird, so daß die Gegenseite 21 der Membrane bei Überdruck die Biegung der Membrane 18 begrenzt, ohne den Brechpunkt oder die Elastizitätsgrenze dieser zu überschreiten. Eine zweite Methode, die Zerstörung der Membrane 18 zu verhindern, besteht in der Füllung der Membranenkammer mit Flüssigkeit. Wegen der nichtkompressiblen Eigenschaft von Flüssigkeit steigt der Druck in der Membranenkammer sehr schnell, während sich das Volumen in der Membranenkammer durch die Gegenbiegung der Membrane 18 bei Überdruck kaum verändert. Diese Drucksteigerung verhindert die Gegenbiegung zum großen Teil und dadurch auch das Brechen des Diaphragmas.
- Die anisotropische Ätzung für die Gestaltung der Membranenkammer 10 liefert präzise Kontrolle der Größe der Membrane, welche als Dimension A in Abbildung 1 angegeben wird. Es ist wichtig, präzise Kontrolle der Dimensionen der Membranenkammer und dadurch der Lage der Wände 14 und 16 zu haben. Dies umso mehr, weil viele identische elektronische Ventile auf einer Siliziumscheibe massenhergestellt werden sollen. Auch die Dichte der Ventilstrukturen auf einer einzigen Scheibe muß so hoch wie möglich sein, um die Herstellungskosten eines Ventils so klein wie möglich zu halten. Die Dimension A wird durch die Dimension B mittels einer Oxiddecksschicht (nicht gezeigt) steuert, die als Ätzmaske gebraucht wird, um die Größe und Platzierung der Membranenkammer 10 zu definieren. Da die Dimension B relativ präzis steuert werden kann und eine anisotropische Ätzung die Flächen 14 und 16 in einem präzis bekannten Winkel bildet, ist es möglich, die Dimension A mit guter Genauigkeit zu steuern. Da der Winkel zwischen Flächen 14 und 16 und der Oberfläche von Membranenkammer 18 bekannt ist, kann die Seitenausdehnung der Membranenkammer 10 für eine bekannte Ätztiefe bestimmt werden.
- Wo hohe Packungsdichte von Ventilen auf einer Einzelscheibe kein wichtiges Kriterium ist, kann eine isotropische Ätzung gebraucht werden, um die Membranenkammer 10 zu gestalten. In diesem Verfahren wird die Seitenätzung auf der x-Achse gleichzeitig der z-Achsen-Ätzung geschehen. Die Dicke der Membrane 18 wird durch die Kontrolle der Ätzzeit und die Messung der Ätztiefe es auf der z-Achse bestimmt. Wo ein isotropisches Ätzung verwendet wird, werden die genauen Positionen der Flächen 14 und 16 auf der x-Achse wegen der relativ unbekannten Seitenätzgeschwindigkeit einer isotropischen Ätzung unbekannt bleiben. Weiter werden die Flächen 14 und 16 nicht gerade, sondern gebogen sein. Solange das Volumen der Membranenkammer 10 festgesetzt ist, sollte das Ventil, hergestellt durch ein isotropisches Verfahren, funktionieren, jedoch wird Packungsdichte in bezug auf Anzahl der Ventile pro Chip oder Scheibe nicht so hoch sein wie beim Gebrauch eines anisotropischen Ätzverfahrens.
- Da die Seitenätzgeschwindigkeit einer isotropischen Ätzung nicht voraussehbar ist, kann das Volumen der Membranenkammer 10 eines ersten Ventils auf dem Chip #1 anders sein, als das Volumen der Membranenkammer 10 eines zweiten Ventils auf dem Chip #2. Die Membranendicke kann auch variieren. Weiterhin können die Ätzeigenschaften auf der gleichen Scheibe unterschiedlich sein, so daß auch Ventile auf der gleichen Scheibe verschiedene physikale Dimensionen haben können. Da die Eigenschaften der Ventile verschiedenen sein werden, weil die Volumen der eingeschlossenen Flüssigkeit oder dem eingeschlossenem Gas in der Membranenkammer 10 unterschiedlich werden, wird es vorgezogen, ein anisotropisches Ätzung bei der Gestaltung der Membranenkammer 10 zu verwenden, um die Voraussagbarkeit der Leistungseigenschaften von Ventilen in verschiedenen Herstellungslosen zu verbessern.
- Das Substrat 12 kann aus jeglichem Material sein, das mittels Flächenphotolithographie chemisch bearbeitet werden kann. Es ist aber vorzuziehen, daß das Substrat 12 aus einem Material mit hohem Wärmeleitungskoeffizient ist. Die Reaktionszeit des elektronischen Strömungsreglers wird durch die Abkühlungsgeschwindigkeit des in der Membranenkammer 10 eingeschlossenen Materials (Flüssigkeit oder Gas) bestimmt. Ein höherer Koeffizient der Wärmeleitung für das Substrat 12 bedeutet schnelleres Abkühlen des in der Membranenkammer 10 eingeschlossen Gases oder Flüssigkeit, und dadurch schnellere Reaktionszeiten. Die Aufheizgeschwindigkeit der Flüssigkeit oder des Gases in der Membranenkammer 10 kann durch den elektrischen Strom steuert, der durch den auf der Pyrexglasscheibe 22 geformten Widerstand 20 fließt, kontrolliert werden. In der vorgezogenen Konstruktion ist die Scheibe 22 aus Pyrexglas, und der Widerstand 20 aus photolithographisch bearbeitetes Aluminium, das in Schlangenmuster geformt ist und das sich in der Membranenkammer 10 befindet. Wenn elektrischer Strom durch das ununterbrochene Aluminiummuster 20 durchgeführt wird, verursacht der Widerstand des Aluminiums I²R Wärmung des Aluminiumdrahts. Diese Wärme wird in das in der Membranenkammer 10 eingeschlossen Gas oder Flüssigkeit übertragen, und verursacht eine Temperatursteigerung. Diese Temperatursteigerung verursacht eine exponentielle Drucksteigerung des in der Membranenkammer 10 eingeschlossenen Gases. Der erhöhte Druck in der Membranenkammer 10 wirkt dem Druck des Gases in der Verteilerkammer 24 entgegen und biegt die Membrane 18 in negativer Z Richtung, der Dichtungsoberfläche eines Dichtungsringes 28, der photolithographisch in der zweiten Scheibe 30 geformt ist, entgegen.
- In der bevorzugten Konstruktion ist die zweite Scheibe 30 auch aus Silizium mit der Kristallorientierungsfläche [100], kann jedoch aus jeglichem anderen Material sein, das durch nasses oder trockenes chemisches Verfahren mittels Photolithographietechnik, die oft in der Halbleitungsindustrie verwendet wird, behandelt werden kann. Der Verteiler 24 und die Düse 32 mit dem Dichtungsring 28 werden in die zweite Siliziumscheibe 30 chemisch geätzt. Die Düse 32 wird in den Dichtungsring 28 geätzt, um einen Anteil des Gasdurchweges auf der pneumatischen Seite des Ventils von Abbildung 1 zu gestalten. Der vollständige Gasdurchgangslauf auf der pneumatischen Seite des Ventils besteht in einer Eingangs- und Ausgabemündung 34 (in Querschnittsansicht der Abbildung 1 gezeigt und in Abbildungen 2 bis 4 abgebildet), dazwischen dem Gasverteiler 24 und der Düsenöffnung 32. Der Gasdurchgangslauf führt von einer Gasquelle über die Düse 32 und den Verteiler 24 zu einem Gasabfluß, welche sich beide außerhalb des Ventils von Abbildung 1 befinden. Die dicken Linien von Abbildung 1 stellen den Umriß der Membrane 18 dar, wenn das Ventil völlig offen ist. Die punktierten Linien stellen den Umriß der Membrane 18 dar, wenn das Ventil in der vollständig geschlossener Position ist.
- Das Verhältnis zwischen der Temperatur, der Flüssigkeit und Gas in der Membranenkammer 10, und dem Druck dergleichen Flüssigkeit und Gas wird näherungsweise durch die unten angegebene Gleichung 1, von Kittel und Kroemer, ausgedruckt: "Thermal Physics", Seite 282: Ein ideales zwei Phasensystem angenommen, das eine gute Annäherung für die meisten Flüssigkeit-Gas Systeme ist, bei welchen Dissoziation vernachlässigt wird.
- (1) P(T) = PO exp (-LO/RT)
- Wo:
- P = Druck in der Membranenkammer:
- PO ist eine Konstante;
- LO die latente Wärme der Verdampfung des in der Membranenkammer 10 eingeschlossenen Materials ist; und
- R ist die Gas konstante; und
- T ist die Temperatur in Kelvingrad.
- Die Wölbung der Membrane 18 wird durch die Gleichung in Anhang A von Timoslenko et al. ausgedrückt. "Theory of Plates and Shells".
- Die Dicke der Membrane h und die Breite der Membrane A und das Modulus der Elastizität E von der Membrane sind alle natürlich, wie Gleichung 2 veranschaulicht, auf komplexer Weise verwandt. Der Gebraucher sollte die Parameter für die Dicke und Breite der Membrane festsetzen, und ein Material auswählen, das ein solcher Modulus der Elastizität hat, so daß die für die angebrachte Dichtung notwendige Maximalbiegung unter den Temperatur- und Druckumständen, welche in der Membranenkammer erwartet werden, stattfinden kann. Weiter sollte die Entfernung zwischen der Dichtungsoberfläche 26 und der Oberfläche der Membrane 18, die den meist negativen Z Koeffizient hat, diese in Gleichung 2 definierte Maximalbiegung nicht übertreffen.
- Die Pyrexglasscheibe 22 und die Siliziumscheibe 12 sind durch eine anodische Bindung zusammengebunden, durch die Schicht 36 symbolisiert ist. Andere Arten der Bindung können auch verwendet werden. Welche Art Bindung auch immer angewandt wird, muß sie sich mit den Betriebsbedingungen, in welchen das Ventil gebraucht werden wird, vertragen, und muß ausreichende Bindekraft verschaffen, um die Scheibe 22 an der Scheibe 12 bei dem höchst erwarteten Druck, des oder der in der Membranenkammer 10 eingeschlossen Gases oder Flüssigkeit zu halten. Die Bindung muß die Kammer auch hermetisch abdichten.
- Bei Konstruktionen, in welchen die Struktur von Abbildung 1 (mit jeglicher der alternativen Heizelementausstattungen) als Sensor verwendet wird, kann die Temperatur gemessen werden, indem man das Volumen des Flüssigkeitsflusses pro Zeiteinheit durch den Flüssigkeitsflußweg, der aus der Mündung 24, der Düse 32, dem Flüssigkeitsflußverteiler 24, und jeglichen Ausschlusseinrichtungen an den Mündungen besteht, mißt. Den oben angegebenen Gleichungen nach, kann die Temperatur direkt auf die Biegung der biegsamen Wand des Membranenhohlraums bezogen werden. Diese Wölbung moduliert die Querschnittsfläche des Flüssigkeitsflußweges und zeigt deswegen die Temperatur des eingeschlossenen Materials durch die Volumengeschwindigkeit des Flüssigkeitsflusses an. Wenn Wärmeleitung von der Umgebung als Heizmechanismus verwendet wird, kann die Volumengeschwindigkeit des Flüssigkeitsflusses zur umgebenden Temperatur umgerechnet werden.
- Eine andere Sensorkonstruktion, die nach der Lehre der Erfindung hergestellt werden kann, ist eine Struktur ähnlich der in Abbildung 1, außer, daß die Dichtungsoberfläche 26 von Scheibe 30 durch eine Kondensatorplatte ersetzt wird. Das heißt, die Oberfläche der biegsamen Membrane 18, die den meist negativen Z-Koeffizient hat, wird mit einem Metall oder anderem Leitermaterial auf irgendeine bekannte Weise beschichtet, zum Beispiel durch chemische Dampfsedimentablagerung; und die Schicht wird photolithographisch so geätzt, daß sie zu einem dem Gebraucher freistehenden Ausschlußplatz führt. Scheibe Nummer 2 wird dann anders bearbeitet, indem die Düsenöffnung 32 und Düsenmündung 34 nicht gestaltet werden. Anstatt dessen wird eine Vertiefung oder Hohlraum in der Oberfläche der Scheibe 30 geformt, damit sie neben oder "unterhalb" der Membrane 18 liegt, wenn die zwei Scheiben 12 und 30 zusammengebracht sind. Der "Boden", das heißt, die Oberfläche der Vertiefung, die parallel zur Membrane 18 liegt, wird dann mit einem Metall oder anderem Leitermaterial durch irgendeine bekannte Weise beschichtet, und die Schicht wird geätzt, um die zweite Kondensatorplatte und einen dem Gebraucher freistehenden Ausschlußplatz zu formen. Die Scheiben 12 und 30 werden dann hermetisch in einem Vakuum so zusammengebunden, daß die Membrane 18 mit ihrer Metallunterseite und der Metallboden der Vertiefung zwei parallele Platte bilden, und dadurch ein vakuumdielektrischer Kondensator. Eine Flüssigkeit oder jegliches anderes Material wird dann auf irgendeine Weise, die in diesem Text beschrieben ist, in die Membranenkammer 10 eingekapselt. Temperaturveränderungen des eingekapselten Materials werden dann in die Biegung der Membrane 18 und Abstandsveränderungen zwischen den zwei Leitungsplatten übertragen. Diese Abstandsveränderungen werden bei den an den zwei Metallplatten gebundenen Anschlußklemmen, als Kapazitanzveränderungen des Parallelplattenkondensators wiedergegeben. Die Temperatur kann auch so bestimmt werden.
- Die Siliziumsscheibe 12 wird durch ein neues Verfahren, welches Aluminium und einen Aluminiummigrationsinhibitor benötigt, an die Siliziumsscheibe 30 gebunden. Der erste Vorgang dieses Verfahrens, besteht darin, eine Silizium(IV)oxidschicht 38 auf der Oberfläche der Scheibe 12 zu gestalten, welche auf Scheibe 30 gebunden wird. Diese Silizium(IV)oxidschicht 38 funktioniert als Aluminiummigrationsinhibitor. Jegliches andere Material, das sich mit dem übrigen Verfahren und mit den Verhältnissen der Bearbeitung verträgt, und als Aluminiummigrationsinhibitor dient, wie zum Beispiel Wolfram, kann die Silizium(IV)oxidschicht ersetzen. Nachdem der Migrationsinhibitor geformt ist, wird eine Schicht Aluminium 40 über die Migrationsinhibitor aufgetragen. Die zwei Scheiben 12 und 30 werden dann zusammengepreßt und auf hohe Temperatur gebracht. Das Silizium von Scheiben 12 und 30 hat eine starke Affinität zu Aluminium und neigt dazu, sich zu mit ihm zu legieren. Der Migrationsinhibitor 38 hält jedoch das Aluminium davon ab, sich in die Scheibe 12 zu verteilen. Das natürlich vorkommende Aluminiumsoxid, welches sich auf der Oberfläche der Aluminiumschicht 40 formt, gegenüberliegend der Scheibe 30 (die Oberfläche der Aluminiumschicht 40, die den meist negativen Z- Koeffizient hat), ist auch ein Aluminiummigrationsinhibitor, reicht allerdings als Inhibitor nicht aus, das Aluminium in der Schicht 40 davon abzuhalten, sich in das Silizium der Scheibe 30 zu verteilen und dadurch eine Bindung herzustellen.
- Manche andere Metalle, zum Beispiel Gold, können als Ersatz für die Aluminiumschicht 40 verwendet werden, solange sie genug Siliziumsaffinität besitzen, daß sie, bei hohen Temperaturen, sich mit Silizium legieren, um die Bindung herzustellen. Edelmetalle, die diese Eigenschaften besitzen, wären bevorzugt, da Edelmetalle nicht oxidieren und es keinen Inhibitor zur Verteilung des Metalls der Schicht 40 in die Scheibe 30 gibt. Andere Metalle könnten genau so gut funktionieren, auch wenn sie Oxidschichten bilden, solange die Affinität zum Silizium größer ist, als der durch Oxid gebildeten Inhibitor.
- Andere Methoden, durch welche man die Scheiben zusammenbindet, können auch verwendet werden. Darunter zählen: Epoxie, Polyimid, Glasurmasse, durch Wärme hergestellt es Oxid, und andere Eutektiken (Legierungen).
- Ein Schlüssel 42, der in der Scheibe 30 geformt wird, paßt einem in der Scheibe 12 geformten Spalt 44, um die relativen Positionen der Scheiben 12 und 30 zu Bindezwecken zu halten.
- Abbildungen 2 bis 4 zeigen alternative Ausschlußkonstruktionen für die an dem Verteiler 24 und an der Düse 32 gekoppelten Mündungen. Abbildung 2 zeigt die Eingabesowohl wie die Ausgabemündungen, die parallel zur Z-Achse durch die Oberfläche des Chips hindurchleiten. In einer typischen 3 inch (7.68 cm) Scheibe könnten ungefähr 100 Ventile hergestellt werden, und jedes Ventil benötigt Mündungen, wie jene in Abbildungen 2-4. Jegliche der beiden Mündungen kann als die Eingabemündung oder Ausgabemündung dienen. Bei manchen Konstruktionen kann eine dritte Ventilmündung, zum Beispiel Mündung 47, verwendet werden.
- Abbildung 3A zeigt eine alternative Ausschlußkonstruktion, wo eine Mündung 46 parallel zur Z-Achse in der Mitte der Chipoberfläche liegt, wogegen die andere Mündung 48 durch zwei parallel zur Y-Achse liegenden Flächen auf der Kante des Chips 30 geformt wird. Eine dritte Ventilmündung 47 wird auch in der Konstruktion von Abbildung 3A gezeigt, kann aber auch in allen der anderen Mündungskonstruktionen verwendet werden. Der Grund einer Entluftungsmündung dient dem Zweck, frisches Gas in die Verteilerkammer 24 einzulassen, wenn da Ventil im geschlossenen Zustand ist. Das Verhältnis von der Ventilmündung zur biegsamen Membrane, zu den anderen zwei Mündungen und zur Dichtungsoberfläche ist der Darstellung der Abbildung 3B gleich. Hier wird betont, daß nur die Mündung für ein Ventil abgebildet ist. Sachkündige werden die Ausschlußkonstruktionen zu schätzen wissen, welche gemacht werden müßten, um Platz für eine große Zahl Ventile auf der gleichen Scheibe zu machen. Diese letzterwähnte Oberfläche hat eine Dimension, (auf der Z-Achse) die die Dicke des Chips repräsentiert.
- Abbildung 4 zeigt eine alternative Ausschlußkonstruktion, bei welcher die Eingabe- und Ausgabemündungen 46 und 48 beide in einer Oberfläche, die parallel zur Y-Achse des Chips 30 auf einer dessen Kanten liegt.
- Abbildung 5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht von Scheibe 1 bei einem frühen Stadium des Herstellungsverfahrens des Ventils von Abbildung 1; das heißt, während der anisotropischen Ätzung, die den Membranenhohlraum formt. Bei dieser Konstruktion wird eine Siliziumscheibe mit Kristallorientierung [100] ausgewählt. Andere Materialsorten können auch gewählt werden, solange sie chemisch geätzt werden können und gute Wärmeleitungseigenschaften besitzen. Silizium ist trotzdem vorzuziehen, da Vorgänge der chemischen Bearbeitung von Silizium gut verstanden sind, und da andere elektronische Schaltung durch normale Flächenphotolithographietechnik auf der gleichen Scheibe integriert werden kann. Diese andere Schaltung kann die Schnittstellenleitung sein, die nötig ist, um das Koppeln der Strömungsregler zur Kontrollogik zu ermöglichen. Diese Kontrollogik liefert elektronische Regellsignale, die das Öffnen und Schließen der Ventile steuern. Weiter können Drucksensoren auf dem gleichen Chip mit der Regelungsschaltung für integrierte Flußkontrollventile integriert werden, um einen integrierten Druckregulator herzustellen.
- In Vorbereitung auf das Ätzen der Membranenkammer 10 ist eine Schicht von Silizium(IV)oxid 52 durch konventionelle Methoden gestaltet, wie zum Beispiel durch Wärmeoxidierung. Das Oxid 52 dient als Ätzmaske und wird daher photolithographisch so gemustert, um eine Öffnung in ihr bleibt, welche Ort und Größe des Membranenhohlraums 10 definiert. Da anisotropoisches Ätzen in der vorbezugten Konstruktion verwendet wird, wird die Dimension B dieses Loches das exakte Volumen des Membranenhohlraums definieren, da anisotropisches Ätzen die [111] Orientierungsfläche nicht wesentlich ätzt. Eine Oxidschicht 54 wird gleichzeitig mit der Gestaltung der Schicht 52 geformt.
- Nachdem die zwei Oxidschichten geformt sind, wird Scheibe 1 einer anisotropischen Ätzung unterworfen, um das von der Oxidschicht 52 gedeckten Silizium abzuätzen. Die Ätzung dient den Zweck, die Membrane 18 der Membranenkammer 10 zu gestalten, und die Ätzung muß daher so gesteuert werden, daß das Ätzen nach Erreichen der erwünschten Dicke h für die Membrane aufgehalten wird. Dies kann erzielt werden, indem man auf die Zeitdauer des Geätzes aufpaßt, und indem man eine bekannte Dicke für die Scheibe 12 und ein Geätz mit einem bekannten Ätzgeschwindigkeitsgrad in der Z-Achsenrichtung verwendet. Die Ätzung kann auch anders geregelt werden durch die Verwendung einer P+ dotierten begrabenen Schicht. Dies wird dadurch erzielt, daß P+ Fremdstoffe mit einer Dosierung von mindestens 10¹&sup9; Atome pro Quadratzentimeter und irgendeinem Energiegrad in die Oberfläche 56 der Scheibe 12 implantiert wird. Diese Implantation kann entweder vor oder nach der Gestaltung der Oxidschicht 54 ausgeführt werden, solange die Oxidschicht 54 ausreichend dünn ist. Nach der Implantation wird alles Oxid auf den Oberflächen 56 abgestreift; dann wird eine Schicht von Epitaxiesilizium auf der Oberfläche 56 in der negativen Z- Richtung angewachsen. Der Wachsgeschwindigkeitsgrad dieses Epitaxiesiliziums und die Wachsdauer sind so gesteuert, um die erwünschte Dicke der Membrane 18 zu erzielen. Die P+ Einpflanzung hält dann das Ätzen auf, damit der Ätzgeschwindigkeitsgrad sich verlangsamt oder völlig innehält, sobald das Ätzen das P+ dopierte Gebiet erreicht. Dies versichert gute Kontrolle über die Dicke h der Membrane 18. Abbildung 6 veranschaulicht Scheibe 6 in Querschnitt nach dem anisotropischen Ätzensvorgang, der den Membranenhohlraum 10 formt. Zu bemerken ist der Winkel von 54.7 Grad, den die Flächen 14 und 16 mit der x-Achse bilden. Die Flächen 14 und 16 bestimmen beide eine [111] Ebene der Scheibe 12. Dieses Kennzeichen eignet sich zu hoher Packungsdichte der Ventile in der X-Y Ebene, weil die genauen Positionen der Flächen 14 und 16 bekannt sind und durch die Lage und Größe der Mündung in der Oxidschicht 52 bestimmt werden.
- Abbildung 7 veranschaulicht Scheibe 1 in Querschnitt, nachdem eine Schicht Aluminium 56 über die Oxidschicht 54 aufgetragen und photolithographisch gemustert wurde. Das Aluminium 56 wird über die Oxidschicht 54 gestellt, um als Haftmittel zu wirken. Die Oxidschicht 54 funktioniert als Migrationsinhibitor, um das Aluminium davon abzuhalten, in die Siliziumscheibe 12 wegen der Affinität Siliziums zum Aluminium einzuwandern. Die Aluminiumschicht 56 und die Oxidschicht 54 sind bei 58 und 60 abgeätzt. Das Loch bei 58 dient, um die Unterseite der Membrane 18 bloßzulegen, während das Loch bei 60 als Schlüsselspalt dient, um eine Schlüsselprojektion einzunehmen, welche, wie unten beschrieben wird, auf Scheibe 2 geformt wird, um die zwei Scheiben im richtigen Abgleich während der Bindungsbearbeitung zu halten und um zu der Registrierung der zwei Scheiben miteinander während Vorbereitung auf die Bindung beizutragen. Wenn erwünscht, kann eine Membranenverdünnungsgeätz auch zu dieser Zeit ausgeführt werden, um die Dicke der Membrane 18 zu verringern. Dieser Vorgang kann gemacht werden, indem man eine anistropische Plasma-Ätzung mit Gebrauch von der Aluminiumschicht 56 und der Oxidschicht 54 als Ätzmaske ausführt. Die ergebene Verdünnung der Membrane 13 ist der von der punktierten Linie 59 angegebenen Darstellung der Abbildung 7 gleich.
- Bei diesem Stadium der Bearbeitung muß man mit der chemischen Bearbeitung der Verteilerkammer und der Düse und Mündungen in Scheibe 2 anfangen, da die chemische Bearbeitung der Membranenkammer im wesentlichen schon vollbracht worden ist. Abbildung 8 veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Scheibe 2, nachdem zwei Schichten von Silizium(IV)oxid 62 und 64 geformt worden sind. Es ist vorzuziehen, daß Scheibe 2 auch aus Silizium ist, das eine [100] Orientierung hat, aber andere Materialien, die chemisch geätzt und unter normaler Photolithographietechnik bearbeitet werden können, können auch angewendet werden. Wie im Falle der Scheibe 1, können andere Materialen für die Ätzmaske außer Silizium(IV)oxid gebraucht werden für die Schichten 62 und 74, solange diese Materialien fähig sind, als Ätzmasken zu dienen, die photolithographisch bestimmt werden können und die sonst mit der Bearbeitung verträglich sind. Siliziumnitrid oder Chrom unter Gold sind Beispiele von Materialien, die gebraucht werden können.
- In dieser Ätzmaskenschicht 64 wird ein Loch 65 bestimmt, das dazu dient, die exakte Größe und Lage von dem festzustellen, was nach dem Ätzen eine Mündung in Flüssigkeitsverkehr mit der Düse werden wird.
- Abbildung 9 zeigt eine Querschnittsansicht von Scheibe 2, nachdem eine anisotropisches Ätzung ausgeführt wird, um das Silizium von dem Anteil der Scheibe zu entfernen, der durch das Loch 65 bloßgestellt wird. Diese Ätzung bildet die Mündungshöhlung 68, die später einen Flüssigkeitsverkehrsweg zwischen der Düse in die Verteilerhöhlung (von welchen beiden zu dieser Zeit der Bearbeitung noch nicht gestaltet worden sind) und der Oberfläche von Scheibe 2 leisten wird. Die Größe dieser Mündung kann auch vom Entwerfer nach dem gewollten Flußgeschwindigkeitsgrad festgelegt werden.
- Abbildung 10 zeigt einen Querschnitt von Scheibe 2, nachdem die Oxidschicht 62 photolithographisch in der Gestalt einer Ätzmaske geätzt worden ist, um einen Dichtungsring und einen Schlüssel zu bestimmen. Um das Ventil gut zu verdichten ist es notwendig, der Düsenöffnung mit einem Dichtungsring zu versehen, mit welchem die Membrane 18 in Kontakt kommt, wenn sie in Richtung der Düsenöffnung gebogen wird. Demgemäß wird die Ätzmaskenschicht 62 photolithographisch bestimmt, damit sie einen kreisförmigen Ring 66 aus Oxid oder aus einem anderen Ätzmaskematerial um den Anteil der Oberfläche 68 abgibt, der geätzt wird, um eine Düsenöffnung zu formen. Da Abbildung 10 eine Querschnittsansicht ist, scheint dieser Ring 66 aus zwei Oxidklötzen zu bestehen. In Wirklichkeit ist er ein Ring, der einen kleinen Anteil der Oberfläche 68 in der Mitte eines Ringes bloßlegt, in welchem die Düsenöffnung geätzt werden soll.
- Ein Oxidklotz 72 dient, um eine Ätzmaske für einen Schlüssel zu bestimmen, der in den Spalt 60 der Scheibe 1 für Zwecke des Abgleichens hineinpaßt.
- Abbildung 11 zeigt eine Querschnittsansicht von Scheibe 2, nachdem ein Geätz auf der Oberfläche 68 ausgeführt worden ist, um den Oberflächenspiegel herabzusetzen und um Siliziumsstege unter der Dichtungsringsätzmaske 66 und der Schlüsselätzmaske 72. Bei einigen Ausführungen können die Dichtungsringsätzmaske 66 und die Schlüsselätzmaske 72 bleiben, damit die Siliziumstegen nicht gestaltet werden müssen. Bei diesen Ausführungen dient die Oxidoberfläche 70 als Dichtungsring, und die Ätzung von Abbildung 11 bleibt unnötig. Bei der vorbezugten Konstruktion wird die Dichtungsringsätzmaske 66 entfernt, um den darunterliegenden Siliziumssteg als Dichtungsring freizulassen.
- Abbildung 12 veranschaulicht eine Querschnittansicht von Scheibe 2, nachdem eine zusätzliche Oxidschicht gestaltet und gemustert worden ist, um die Oxidteile 74, 76 und 78 freizulassen. Diese Oxidteile dienen als Ätzmasken für ein Geätz, das die Verteilerhöhlung bestimmen wird. Diese Ätzung wird als angehendes anisotropisches Plasmaätzung in Abildung 12 dargestellt. Abbildung 13 veranschaulicht Scheibe 2 nach der anisotropischen Ätzung, die die Verteilerhöhlung 24 gestaltet. Zu bemerken ist, daß die gleiche Ätzung, der die Verteilerhöhlung gestaltet, auch die Düsenöffnung 32 gestaltet. Nachdem diese Ätzung ausgeführt worden ist, werden die Oxidteile 66, 72, 74, 76 und 78 entfernt, in Vorbereitung auf die Bindung von Scheibe 2 an Scheibe 1.
- Bei einigen Ausführungen kann eine isotropische Ätzung verwendet werden, solange das Seitenätzen die Breite des Dichtungsrings nicht beeinträchtigt. Eine andere Mündung in die Verteilerhöhlung 24 hinein kann gestaltet werden, indem man die Oxidteile 74 und 76 als ein den Dichtungsring umfassendes Oxidfeld formt, mit einem Durchgang zu der Scheibenseite hinaus. Dies würde eine Mündung so gestalten, wie das die Verteilerhöhlung formende Ätzung*** der gleiche Hohlraum gestaltet hat, da eine "Bahn" in der Oberfläche der Scheibe bis zur Tiefe der Verteilerhöhlung gestaltet worden wäre. Diese Bahn würde einen Durchgang zu der Seite der Scheibe formen, wenn das Mündungsschema von entweder Abbildung 3 oder 4 verwendet worden wäre. Nachdem der Bindungsvorgang von Abbildung 14 verfertigt ist, kann der Membranenhohlraum gefüllt und abgedichtet werden, um die Bearbeitung des Ventils zu vollziehen. Dies wird dadurch erzielt, daß das Heizelement auf der Oberfläche einer Pyrexglasscheibe zuerst gestaltet wird, sowie dasjenige, das in Abbildung 1 gezeigt ist, und daß die Pyrexglasscheibe an Scheibe 1 gebunden wird, nachdem das in dem Membranenhohlraum einzudichtende Material darein geführt wird. Die Methode, wodurch das Heizelement 20 auf der Oberfläche der Pyrexglasscheibe 22 gestaltet wird, kann aus dem konventionell photolithographischen Ätzen einer gesputterten oder plattierten Aluminiumfolie, die auf der Oberfläche der Pyrexglasscheibe verlagert ist, bestehen. Andere Metalle sind für den Widerstand auch zuläßlich. Eine Kombination-Schichtung aus Titan/Wolfram, Kupfer und Titan/Wolfram, kann auch verwendet werden. Aluminium ist mit den meisten Füllmethoden verträglich. Wenn andere Heiz- oder Kühlmethoden des Inhalts des Membranenhohlraums verwendet werden sollen, kann dieser Vorgang, der das Heizelement auf der Oberfläche der Pyrexglasscheibe gestaltet, ausgelassen werden.
- Es gibt zumindest zwei Methoden, den Inhalt in dem Membranenhohlraum 10 abzudichten. Die Einschleißung der Flüssigkeit oder des Gases, die oder das während der Bindung von Pyrexglasscheibe 22 an Scheibe 1 eingeschlossen werden, versorgt die beste Dichtung. Dies kann im Falle eines Gases erzielt werden durch das Binden der Pyrexglasscheibe 22 an Scheibe 1 in der Anwesenheit des zu verwendenden Gases. Für die meisten Flüssigkeiten sollte die Bindung in einem Druckgefäß ausgeführt werden. Im Falle einer Flüssigkeit kann einen bekannten Betrag in den Membranenhohlraum geführt werden, und dann wird die Pyrexglasscheibe 22 auf Scheibe 1 gestellt und darauf gebunden. Der Bindungsvorgang kann jeglicher Vorgang sein, der mit der Bearbeitung und den Materialien und den Betriebsumfelden, die in diesem Text beschrieben werden, verträglich ist. Eine Methode, die wirksam ist, besteht in anodischem Binden. Eine andere Methode besteht darin, eine Polyimidenschicht auf der oberen Oberfläche der Scheibe 12 zu formieren, und Scheibe und die Pyrexglasscheibe 22 in Kontakt miteinander zu bringen. Der Wärmebehandlungsvorgang macht dann aus der Polyimidenflüssigkeit eine Plastik, wodurch die zwei Scheiben zusammengebunden werden.
- Das Binden der Scheibe 2 an Scheibe 1 wird auf obenbeschriebener Weise unter dem Titel /Siliziumscheibe-zu- Siliziumscheibe Bindungsverfahren" vollzogen. Im Grunde genommen werden die zwei Scheiben so abgeglichen, daß der Dichtungsring 28 unter der Mitte der Membrane 18 liegt, dann untergeht die Gesamtstruktur eine Wärmebehandlung, damit das Aluminium sich in Scheibe 2 auflöst, sich aber nicht in Scheibe 1 wegen eines Migrationsinhibitors auflöst, welcher von der Oxidschicht 54 geformt wird. Die Ventilszusammenstellung ist dann vollkommen, es sei denn, die Signalbearbeitungsschaltung soll sonstwo auf Scheibe 2 gestaltet werden.
- Abbildung 15 zeigt eine alternative Konstruktion unter Einsatz einer Polyimidmembrane, zwei Pyrexglasscheiben und einer Siliziumsscheibe. Eine erste Pyrexglasscheibe 80 dient als Substrat für den Widerstand 82 und als Dichtungsglied für den Membranenhohlraum 84. Der Membranenhohlraum 84 wird durch Polyimidflächen 86 und 88, die Dichtungsscheibe 80 und eine Polyimidmembrane 90 bestimmt. Eine Eingabemündung 92 wird zwischen der Hochhitzscheibe 80 und einer zweiten Hochhitzscheibe 94 gestaltet. Diese Eingabemündung steht in Flüssigkeitsverkehr mit dem Flüssigkeitsweg 96. Ein Dichtungsklotz 98, der auf der Oberfläche der Scheibe 94 gestaltet wird und der sich im Querschnittsgebiet des Flüssigkeitsweges befindet, dient als eine Dichtungsoberfläche, auf der die Membrane 90 liegen kann, wenn sie durch steigenden Druck in der Membranenkammer 84 in die negative Z Richtung gebogen wird. Der Flüssigkeitsweg 96 führt an den Dichtungsklotz vorbei, um ein Flüssigkeitskoppeln mit der Ausgabemündung 100 herzustellen. Im Plansicht (nicht gezeigt) dürften die Scheiben 80 und 94 jegliche Gestalt haben, und der Flüssigkeitsdurchgang 96 mit Ein-und Ausgabemündungen würden einen Verbindungsgang durch die Scheiben-Kombination gestalten. Eine Siliziumsscheibe 102 leistet eine physikale Trennung der zwei Scheiben 80 und 94. Jene Scheibe hat zwei parallel liegenden Oberflächen, eine von welchen an der Scheibe 80 gebunden ist, wobei die andere an Scheibe 94 gebunden ist. Der Flüssigkeitsdurchgang 96 und die Ein- und Ausgabemündungen sind durch einen Anteil der Scheibe 102 geformt.
- Der Methode, wobei das Ventil der Abbildung 15 hergestellt wird, ist folgendes. Abbildung 16 veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Siliziumscheibe 102, nachdem drei Anfangsvorgänge ausgeführt worden sind. Beide Seiten der Scheibe 102 sollen poliert worden sein. Der erste Vorgang besteht in dem Thermalwachsen einer 5000 Angstrom Silizium(IV)oxidschicht 104 auf der Siliziumsscheibe 102. Zunächst wird eine Schicht von Siliziumnitrid mit einer Dicke von 900 Angstrom auf der Oxidschicht 104 unter Einsatz von Unterdruck-Chemical-Vapour-Deposition-Verfahren (C.V.D.Verfahren) bei 700ºC abgesetzt. Die Oxidschicht 104 auf den zwei Seiten der Scheibe 102 werden als Seiten A und B bezeichnet. Seite A wird unter Einsatz von positivem Photowiderstand und Photolithographie und einer trocknen oder nassen Ätzung gemustert und geätzt, wobei eine Maske zusammengesetzt wird, um das Oxid auf Seite A so zu lassen, wie es in Abbildung 16 gezeigt wird. Die Musterung der Oxid/Nitrid- Ätzmaske der Seite A bestimmt den Membranenhohlraum, die Ein- und Ausgabemündungen und die Membrane.
- Abbildung 17 veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Siliziumscheibe 102, nachdem eine Ätzung ausgeführt worden ist, der das gemusterte Oxid/Nitrid der Seite A als eine Ätzmaske in Einsatz nimmt. Dieses Ätzen dient den Zweck, einen Anteil des Hohlraums zu bilden, die Platzierung der Membrane zu bestimmen, und die Höhe der Ein- und Ausgangskapillaren zu bestimmen. Der Hohlraum 106 wird unter Einsatz von KOH als Ätzflüssigkeit bis auf eine Tiefe von 340 Mikrometer geätzt. Verschiedene Tiefen können angebracht werden, welche von der erwünschten Höhe der Ein- und Ausgangskapillarien oder Flußwege 96 abhängen. Das Nitrid wird nach der Ätzung von beiden Seiten der Scheibe 102 abgestreift.
- Abbildung 18 veranschaulicht eine Querschnittsansicht, nachdem Abgleichsmarkierungen auf Seite B gestellt worden sind. Die Abgleichsmarkierungen 10 und 110 auf Seite B werden in das Oxid auf Seite B unter Einsatz von negativen Widerstand und von einer zweiten Maske geätzt. Dieser Vorgang erfordert den Gebrauch eines Ultrarot-Abgleichssystemes. Das Oxid auf Seite B wird dann von der Scheibe 102 abgestreift.
- Abbildung 19 veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Scheibe 102, nachdem eine Metallschicht 102 auf der Oberfläche aufgetragen worden ist. Dieser Metallschicht dient den Zweck, als Zwischenlage zu wirken, sowie auch Unterstützung der (noch nicht gezeigten) Polyimid während seiner Gestaltung und seiner Aushärtung zu leisten. In der vorbezugten Konstruktion hat die Aluminiumschicht, wie alsbald bekannt, eine Dicke von 5 Mikrometer.
- Der nächste Vorgang besteht darin, eine Polyimidschicht von 10 Mikrometer zu drehen. Dieser Vorgang wird in Abbildung 20 dargestellt. Die Polyimidschicht 114 kann weitergedreht werden bei wiederholten Verwendungen, und wird nur auf der A Seite der Scheibe gedreht. Das Polyimid wird eine Stunde bei 90º gebacken zwischen Auflagen, wenn Mehrfachauflagen gebraucht werden. Nachdem die 10 Mikrometer Polyimid aufgelagert worden sind, wird ein Vorgang unternommen, der das Polyimid teilweise aufhärtet, wobei die Polyimidfolie 2,5 Stunden bei 130ºC gebacken wird.
- Nach der Teilaufhärtung wird, nach der Darstellung in Abbildung 21, eine Schicht des negativen Resists 116 aufgetragen, bei 90ºC gebacken und dann durch eine dritte Maske exponiert und in das Muster, das bei 116 der Abbildung 21 gezeigt wird, entwickelt. Nachdem das Resist entwickelt worden ist, wird es bei 120ºC gebacken, um es hart zu machen.
- Abbildung 22 veranschaulicht das nächste Stadium des Vorganges, nachdem das Polyimid geätzt worden ist. Nachdem das Photoresist entwickelt worden ist, (gezeigt bei 116) wird die Polyimidfolies 114 weggeätzt bei allen Punkten auf Seite A, außer denjenigen Punkten, die unter der Photoresistätzmaske 116 liegen. Diese Ätzung wird unter Einsatz von der von Hitachi handelsüblichen Ätzflüssigkeit III 15 oder 30 Minuten bei 35ºC ausgeführt. Einen Backvorgang wird dann ausgeführt, um die neubloßgestellten Anteilen der Polyimidfolie 114 teilweise auf zuhärten. Dieser Backvorgang dauert eine Stunde bei 220ºC.
- Zunächst wird die bloßgestellte Aluminiumfolie 112 unter Einsatz von Aluminiumätzflüssigkeit I (KTL part no. 70-03) oder jeglichem anderen gewöhnlichen Aluminiumätzflüssigkeit weggeätzt. Das negative Resist wird dann abgestreift unter Einsatz von dem üblichen J100 Lösungsmittel, und die Scheibe wird mit TCE gewaschen, dann nochmals mit Aceton und schließlich auch mit Methanol gewaschen. Nachher sieht die Scheibe so aus, wie sie in Abbildung 22 gezeigt wird. Zuletzt wird die Polyimidfolie 114 eine Stunde bei 350ºC aufgehärtet.
- Abbildung 23 veranschaulicht die erste Pyrexglasscheibe im Querschnitt nach den ersten zwei Bearbeitungsvorgängen. Der erste Vorgang besteht in der Ablagerung einer Schicht Aluminium, Chrom/Gold, oder Titan/Wolfram-Kupfer-Titan-Wolfram oder einer anderen annehmbaren leitfähiger Folie, aus welcher der Widerstand 82 gestaltet werden kann. In der vorbezugten Konstruktion hat die Folie eine Dicke von 0,3 Mikrometer.
- Der Widerstand 82 wird dann in einem Schlangenmuster geformt unter Einsatz einer vierten Maske, eines positiven Resists, und einer Aluminiumätzung. Zuletzt wird ein Laserstrahl verwendet, um ein Loch durch die Pyrexglasscheibe 80 in der Mitte des Widerstandsmusters zu bohren. Dieses Loch wird in Abbildung 24 bei 118 gezeigt. Nachdem das Material, das eingeschlossen werden soll, was jegliches Material sein kann, das einen Dampfdruck hat, der sich mit Temperaturwechsel ändert, in den Hohlraum 84 hineingeführt wird durch Anwendung jeglicher Methode, die in diesem Text beschrieben wird, kann das Fülloch hermetisch abgedichtet werden. Die Dichtung wird mit dem Symbol 117 verwiesen, und kann aus Epoxy, aus Superklebstoff, aus geschmolzenem Pyrexglas, aus Metall (die Seiten der Pyrexglasscheibe 80 können metallisiert werden und der Pflock 117 kann auf der metallisierten Oberfläche galvinisiert werden), oder eine andere Scheibe kann oben auf der Scheibe 80 über dem Loch angebunden werden.
- Die Herstellungsbearbeitung des Apparats kann jetzt mit der anodischen Bindung der Pyrexglasscheibe 80 auf der Siliziumscheibe 102 anfangen. Die gebundene Struktur wird in Abbildung 25 dargestellet. Die Bindung wird vollzogen, nachdem der Widerstand 82 mit und innerhalb des Membranenhohlraums 84 abgeglichen wird.
- Abbildung 26 zeigt die Kombination-Struktur, nachdem Seite B der Scheibe 102 geätzt ist. Um dies auszuführen, wird Seite B der sich daraus ergebenden Kombination-Struktur mit einer fünften Maske und mit einem negativen Resist gemustert in Vorbereitung darauf, daß das Silizium von Scheibe 102 bis zur Aluminiumschicht 112 weggeätzt wird. Die entwickelte Schicht von Photoresist, die Maske #5 in Einsatz nimmt, wird bei 122 gezeigt und befindet sich in der Mitte der biegsamen Fläche 90. Die Ätzung kann unter Einsatz einer Plasmaätzung oder einer nassen KOH oder HNA Ätzflüssigkeit ausgeführt werden. Eine Plasmaätzung ist vorzuziehen. Das Ergebnis des Ätzens ist eine Kombination aus Silizium 98, Oxid 104 und Photoresist 122. Diese Kombination-Struktur dehnt sich über die Weite der Siliziumscheibe 102 aus, obwohl die Aluminiumschicht 112 und die biegsame Fläche 90 sich nur teilweise über Scheibe 102 ausdehnen. Demzufolge unterstützt die Siliziumsscheibe 102 den Anteil des Siliziums 98, wenn die Aluminiumsschicht 112 später weggeätzt wird.
- Abbildung 27 zeigt die Kombination-Struktur, nachdem ein Teil der Aluminiumschicht 112 weggeätzt wird. In Vorbereitung auf diesen Vorgang der Bearbeitung, welcher in Abbildung 27 dargestellt wird, wird die Oxidschicht 122 unter Einsatz von einer verdünnten Lösung von 6:1 HF abgestreift. Dieser Abstreifungsvorgang kann auch ein Teil des Pyrexes der Scheibe 80 entfernen; diese Scheibe kann auch mit Photoresist geschützt werden, wenn angebracht. Der Abstreifungsvorgang kann auch ein Teil der Aluminiumschicht 112 entfernen, obwohl ein anderer Vorgang für dieses Verfahren angewendet wird, wenn das HF nicht ausreichend Aluminium entfernt.
- Es ist nötig, die Anteile der Aluminiumschicht 112, die zwischen der biegsamen Fläche 90 und dem Siliziumsklotz 98 liegen, zu entfernen, um einen Durchgang zwischen dem Siliziumsklotz 98 und der biegsamen Fläche 90 zu gestalten. Das Querschnittsgebiet dieses Durchgangs kann dann durch die Biegung der Membrane 90 geregelt werden. Die Entfernung des Aluminiums unter der Membrane 90 erlaubt auch freie Biegung in die negative Z Richtung. Diese Aluminiums-Ätzung kann auch entweder mit einer üblichen Aluminiumätzflüssigkeit, die nur das Aluminium über dem Polyimid entfernen wird, oder mit einer Lösung von HCl:HNO&sub3;:H&sub2;O im Verhältnis von 10:1:9 bei 50ºC, ausgeführt werden. Letztere Lösung ätzt bei einer Geschwindigkeit von 25-50 Mikrometer in der Minute. Wenn die letztere Lösung verwendet wird, ist Vorsicht angebracht, damit man nicht überätzt. Nach diesem Vorgang sieht Struktur so aus, wie die Darstellung in Abbildung 27.
- Schließlich veranschaulicht Abbildung 15 die zweite Pyrexglasscheibe 94, die anodisch auf der Siliziumscheibe 192 via der Oberfläche 126 des Siliziumsklotzes 98 gebunden wird. Abbildungen 28A und 28B zeigen eine maßstäblich verkleinerte Darstellung der Struktur der letzten Chipzusammenstellung, welche in Abbildung 15 veranschaulicht wird, für verschiedene Membranengrößen in bezug auf die Seitenumfänge der Bahnen. Obwohl diese Abbildungen erst ein Ventil auf der Scheibe zeigen, werden Sachkündiger es zu schätzen wissen, daß ungefähr 100 Ventile auf einer einzigen 3-inch (7.68 cm) Scheibe geformt werden können. Zu bemerken ist, daß der Siliziumklotz 98 sich von einer Seite der Bahnfläche 136, 134 bis zu der anderen 130, 132 ausdehnt. Der Durchgang zwischen der Membrane 90 und dem Siliziumsklotz 98 existiert nur unter dem Membranenhohlraum 84. Zu bemerken ist, daß die Membrane in Abbildung 28 enger ist als der Klotz 98 um die Y-Achse, wobei die Membrane breiter als der Klotz 98 ist in Abbildung 28B. Bei anderen Punkten auf dem Siliziumklotz 98 und auf den Flächen der Bahnen 96 dehnt sich die Siliziumscheibe 102 ununterbrochen gänzlich über die Oberfläche 126 des Klotzes 98 aus und leistet dadurch ausreichende machanische Unterstützung für die zweite Pyrexglasscheibe 94. Der Querschnitt der Abbildung 27 wird über die Teilabschnittslinie 27-27' in Abbildungen 28A und 28B gemacht.
- Abbildung 15 veranschaulicht auch, wie der Membranenhohlraum 84 abgefüllt wird, nachdem die zweite Pyrexglasscheibe 94 auf der Struktur gebunden wird, indem man die Kombination-Struktur in einer kochenden Lösung des Materials versenkt, mit welchem der Hohlraum gefüllt werden soll.
- Das mit Laserstrahl gebohrte Loch 118 wird dann entweder mit Superklebstoff oder mit anderem passenden Haftmittel gedichtet, oder indem man es nach der Plattierung oder Sputterierung einer Matalloberfläche auf Seite A der Pyrexglasscheibe 80 mit einem Löter zuschmelzt, um eine vernaßbare Oberfläche zu leisten. Eine alternative Methode, das Loch 118 zu dichten, besteht darin, daß man eine andere Silizium- oder Pyrexglasscheibe auf der Hochhitzscheibe 80 bindet. Polyimid oder jeglicher andere passende Haftmittel kann verwendet werden, um die Bindung und Dichtung zu vollziehen.
- Die Scheibe ist dann so weit, daß es gewürfelt und mit Leitungsdraht gebunden werden kann. Die Leitungsdrähte an das Widerstand 82 können unter Einsatz einer Leitungsepoxie drahtgebunden werden, wenn Kontaktstege aus Aluminium verwendet werden. Lötmittel kann auch gebraucht werden, wenn Ausschlußplätze aus Chrom/Gold oder Titan/Wolfram-Kupfer verwendet werden.
- Abbildungen 29 bis 39 veranschaulichen eine Bearbeitungsreihenfolge für eine zweite Polyimidmembranenkonstruktion in der Form einer Reihe von Querschnittsansichten der verschiedenen Scheiben bei verschiedenen Stadien des Vorgangs. In Abbildung 29 zeigen sich die ersten zwei Vorgänge. Zuerst wird eine Schicht Silizium(IV)oxid auf den polierten Seiten A und B von der Siliziumscheibe 164 gewachsen. Diese Schichten sind bei 160 und 162 gezeigt. Das Oxid der Schicht 169 wird dann, nach der Darstellung in Abbildung 29, Seite A, gemustert, um eine Ätzmaske zu formen.
- Zunächst wird in Abbildung 30 eine Vertiefung 166 in Seite A der Scheibe 166 geätzt, indem man Oxid 160 als Ätzmaske gebraucht. Die Breite der Vertiefung 166 in der X Richtung ist arbiträr, und die Tiefe in der Z Richtung kann zwischen 20 und 100 Mikron betragen. Die Tiefe ist nicht wichtig. Seite A wird dann zurückgewonnen mit Oxid, wie die Abbildung 31 veranschaulicht, und wiedergemustert mit einer Oxideinsatzmaske 168 in der Mitte des Vertiefungsgebiets, mit bloßgelegtem Silizium auf beiden Seiten, wie Abbildung 32 verdeutlicht. Das bloßgelegte Silizium wird dann durch Diffusion eingesetzt oder dotiert, um das Leitungsgebiet 170 zu gestalten. Eine zweite Schicht von Silizium(IV)oxid 172 wird gewachsen oder aufgetragen auf Seite A, wie Abbildung 33 veranschaulicht, und nach der Darstellung der Abbildung 34 gemustert. Die nach der Musterung übrige Oxidschicht wird bei 172 dargestellt. Die Oxidschicht 172 funktioniert als Zwischenlage unter einer Schicht aus Polyimid, die später gestaltet wird. In alternativen Ausführungen ist die Zwischenlage 172 aus Photoresist.
- Zunächst wird das Oxid auf Seite B gemustert, wie Abbildung 34 verdeutlicht. Dies wird ausgeführt, um die Abgleichmarkierungen 174 und 176 zur Seite B zu übertragen, und um eine Öffnung 178 in der Oxidschicht 162 zu gestalten, durch welche das Düsenloch für den Flüssigkeitsteuerungsweg geätzt werden kann.
- Eine Schicht aus Aluminium oder aus Nickel 180 wird dann bis auf eine Dicke von 1,5 Mikrometer aufgetragen und gemustert, wie ein Blick auf Abbildung 35 verdeutlicht, um einen Leiter zu gestalten, der in elektrischem Kontakt mit dem diffundierten Widerstand und mit einem Ausschlußplatz am Rande der Scheibe 164 steht. Nachdem der Leiter 180 gestaltet worden ist, wird eine Schicht aus Polyimid aufgetragen und so bestimmt, daß sie die von Abbildung 36 bei 182 bestimmte Lage und Größe hat. Nachdem das Polyimid gemustert wird, wird es vier Stunden in einem Wärmevorgang aufgehärtet, der damit einschließt, daß die Temperatur bis 350ºC aufgebracht wird. Wenn die Zwischenlage aus Photoresist sein soll, sollte die Aufhärtung bei einer inerten Umgebung ausgeführt werden, wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon, um Oxidation und Verdampfung der Zwischenlage zu verhindern, welche die Polyimidmembrane zerstören könnten.
- Der nächste Vorgang bezieht sich auf die Ätzung eines bestimmten Musters auf eine Pyrexglasscheibe 184. Diese Scheibe 184 und die nach der Ätzung endgültige Konfiguration veranschaulichen sich in Abbildung 37. Die Ätzmaske (nicht gezeigt) bestimmt sowohl die Stellung der Membranenkammer 186, wie auch die Stellung aller Füllmündungen, die gebraucht werden, um die Kammer zu füllen (nicht gezeigt), wie auch die Stellung einer Öffnung 188 über dem Ausschlußplatz. Diese Ätzung wird unter Anwendung von 6:1 Pufferoxidätzflüssigkeit oder unverdünnter HF (Fluorwasserstoffsäure) Plasmaätzung, oder von einem anderen entsprechenden Ätzsystem ausgeführt. Die Hohlräume werden zu einer Tiefe von 40 Mikrometer geätzt.
- Nachdem die Pyrexglasscheibe 184 geätzt worden ist, wird sie mit der Siliziumscheibe 164 abgeglichen, wie ein Blick auf Abbildung 37 verdeutlicht, wonach sie anodisch an die Siliziumscheibe gebunden wird. Der anodische Bindungsvorgang formt eine hermetische Dichtung bei 188 und 190 um die Membranenkammer 186. Er besteht darin, daß man die zwei Scheiben 184 und 164 schichtenweise zusammenanordnet, und daß man einen 500 Volt Potentialunterschied über die Pyrexglas/Silizium Grenzschicht bei hoher Temperatur, etwa 300ºC, koppelt. Die oder das in der Membranenkammer 186 einzuschließende Flüssigkeit oder Gas können während des anodischen Bindungsvorganges eingekapselt werden. Bei alternativen Ausführungen kann die Membranenkammer 186 durch ein Fülloch gefüllt werden, und das Fülloch kann später abgedichtet werden, indem man entweder Bindemittel oder Lötmittel anwendet, oder indem man eine Flachplatte über das Fülloch hermetisch abdichtet.
- Nach dem anodischen Binden wird die Öffnung 178 in der Seite B Oxid 162 als Ätzmaske bei einer Ätzung gebraucht, welcher den Düsenweg 194 gestaltet, die in Abbildung 38 gezeigt wird. Diese Ätzung wird unter Einsatz von einer KOH oder EDP oder einer anderen bekannten flüssigen anisotropischen Ätzflüssigkeit ausgeführt.
- Zuletzt wird die Oxidzwischenlage weggeätzt, indem die Scheibe in 6:1 Pufferoxid Ätzflüssigkeit, unverdünnte HF oder eine andere anwendbare Ätzflüssigkeit versinkt wird. Die Ätzflüssigkeit wirkt durch den Düsenweg 194 und zerfrißt die Oxidzwischenlage, wobei die Polyimidmembrane 182 freigemacht wird, um sich entweder in die positive oder die negative z Richtung zu biegen. Ein Ultraschallbad kann das Ätzen fördern. Andere Materialien können auch als Zwischenlage dienen, wie zum Beispiel Aluminium, andere Metallien, usw., die allerdings mit verschiedenen Ätzflüssigkeiten angewendet werden müßten, die selektiv nur die Zwischenlage entfernen können, ohne das Polyimid oder das Silizium um die Zwischenlage herum anzugreifen.
- Abbildung 39 veranschaulicht die letzte Konfiguration des Ventils. Einen Vorteil der in Abbildung 39 gezeigten Konstruktion bildet den breiteren Flüssigkeitsflußweg zwischen der Oberfläche 200 der Membrane 182 und der Oberfläche 202 der Siliziumscheibe 164. Dieser Flüssigkeitsflußweg kann breiter gemacht werden, indem man Hochdruck auf die Düsenbahn 184 gibt. Dadurch wird die Membrane 200 zur Biegung in die positive Z Richtung gebracht, was zur Folge hat, daß das Querschnittsgebiet des Flußweges größer wird und daß mehr Volumen in ihr fließen kann. Polyimidmembranen sind weniger spröde und können weiter gebogen werden als Siliziummembranen, ohne zu brechen. Andere Folien dürften auch verwendet werden, unter der Voraussetzung, daß die Folie eine für die erwünschte Lebensdauer des Apparats gute Dampfbarriere leistet. Einige Ausführungen können eine beschichtete Polyamidmembrane gebrauchen, um die Dichtungsfähigkeit zu verbessern. Eine Kombination-Anordnung von Gold zwischen zwei gleichen Polyimidschichten ist zu diesem Zweck sehr geeignet. Der Ermüdungsfaktor der Membrane in bezug auf die nötige Lebensdauer des Apparats muß auch in Betracht genommen werden. Das heißt, die Membrane kann nach einer großen (oder kleinen) Anzahl der Biegungszyklen nicht leicht brechen.
- Abbildungen 40 bis 48 veranschaulichen die Vorgangsreihenfolge, wodurch eine andere Polyimidmembranenkonstruktion hergestellt wird, die eine Wellmembrane hat, das heißt, eine, die eine Stufe in sich hat. Diese Art Struktur hat den Vorteil, daß sie der Membrane ein größeres Biegungsbereich ermöglicht, ohne daß die Membrane selbst gestreckt wird. Das heißt, die Biegung faltet sich wie ein Akkordeonbalgen aus, ohne das Membranenmaterial selbst zu strecken. Ein größeres Linearitätsbereich wird also ermöglicht, und eine größere Biegung kann vorkommen, bevor die Höchstgrenze der Elastizität erreicht wird.
- Auf den Seiten A und B einer Siliziumscheibe 210 wird Folie aus Silizium(IV)oxid gewachsen, um diese Konstruktion zu gestalten. Abbildung 40 zeigt, wie die Folie auf Seite A gemustert wird, und Abbildung 41 verdeutlicht, wie in die Scheibe 210 hinein einen Graben 212 geätzt wird, dessen Umriß von der Oxidätzmaske 214 bestimmt wird. Eine Nitridschicht 216 wird dann nach der Darstellung der Abbildung 42 aufgetragen und gemustert. Eine zweite Ätzung wird dann ausgeführt, um den Graben 218 zu gestalten. Dies formt den zwei-Stufen-Graben, der in Abbildung 43 gezeigt ist.
- Das frisch bloßgelegte Silizium wird dann oxidiert, um die Silizium(IV)oxidschicht 220 zu gestalten, welche in Abbildung 44 veranschaulicht wird. Eine Schicht aus Polyimid 222 wird dann aufgetragen und teilweise aufgehärtet, wie Abbildung 45 verdeutlicht, und eine Schicht aus Photoresist 224 wird dann aufgetragen und gemustert, um die Schicht aus Polyimid 222 zu bedecken, wie Abbildung 45 zeigt. Die Polyimidschicht wird dann gemustert, indem man Ätzflüssigkeit III als Ätzflüssigkeit verwendet, während Photoresist als die Maske dient. Das Photoresist wird dann entfernt, und das Polyimid wird aufgehärtet.
- Die Seite B Oxid/Nitrid Kombination 226 wird dann wie in der Abbildung 46 geätzt, um eine Ätzmaske für den Düsenflüssigkeitsflußweg zu gestalten. Eine Pyrexglasscheibe 228, Abbildung 47, wird dann mit einer Schicht aus Aluminium oder einem anderen passenden Material für das Widerstandsheizelement bedeckt, und die Metallschicht wird in ein Widerstandsheizelement 230 gemustert, mit einem Leiter, der der Oberfläche der Pyrexglasscheibe 228 entlang läuft bis zu einem Ausschlußplatz am Rande der Pyrexglasscheibe 228. Die Pyrexglasscheibe 228 wird dann mit der Siliziumscheibe abgeglichen, wie Abbildung 47 veranschaulicht, und wird dann anodisch daran gebunden, um die Struktur, wie sie in Abbildung 47 gezeigt wird, zu gestalten. Bei der vorbezugten Konstruktion wird das in dem Membranenhohlraum zu gebrauchende Material während des anodischen Bindens eingeschlossen, oder kann auch später nach jeglicher der unten beschriebenen Methoden eingefüllt werden.
- Zuletzt wird die Oxid/Nitridätzmaske 226 gebraucht, um das Ätzen eines Düsenflüssigkeitsflußweges 234 und eine Durchführung 236 zum Kontaktsteg 238 für das Widerstandsheizelement zu führen. Ein selektives Ätzung der Oxidenschicht 220 wird dann durch den Düsenflüssigkeitsflußweg 234 ausgeführt, um die Struktur zu vollenden.
- Die folgende Einkapselungstechnik kann in Verbindung mit dem Vorgang, der in Abbildungen 15 bis 27 dargestellt wird, ausgeführt werden, kann allerdings auch anderen Ausführungen angepaßt werden. Diese Methode eignet sich am besten zu der Einkapselung einer Flüssigkeit in einem Hohlraum, die von zwei Scheiben abgegrenzt wird, eine von welchen aus Silizium und die andere von welchen aus Pyrexglas ist. Im Grunde genommen erfordert die Methode, daß die Flüssigkeit in den Hohlraum mittels eine Vakuum-/Hochdrucktechnik gezwungen wird, wonach der Hohlraum durch eine Elektroplattierensmethode abgedichtet wird.
- Folgende Abänderungen sind in bezug auf Abbildungen 15 bis 27 angebracht, um diese Methode anzuwenden. Zu der Bearbeitung der Pyrexglasscheibe #1 von Abbildung 15 werden anstelle von der Ablagerung von 0,7 Mikron Aluminium 300 Angstrom Titan/Wolfram aufgetragen, gefolgt von einer 3000 Angstrom Kupferschicht, gefolgt von einer Schicht aus Titan/Wolfram mit einer Dicke von 300 Angstrom. Die vierte Maske und positives Resist werden dann verwendet, um das Titan/Wolfram unter Einsatz von H&sub2;O&sub2;, und dann um den Kupfer in das Heizelement 82 unter Einsatz von Ferrichlorid oder verdünntem HNO&sub3; als die Ätzflüssigkeit, zu mustern. Man kann den Vorgang auslassen, in welchem ein Laserloch in der Mitte jedes Widerstandsmusters gebohrt wird, da die hier beschriebene Methode das Bedürfnis nach diesem Vorgang löscht.
- Der Vorgang, der aus dem anodischen Binden der Pyrexglasscheibe 80 zu der Siliziumscheibe 102 besteht, um eine hermetische Dichtung zu formen, wird durch das anodische Binden der Pyrexglasscheibe 80 zu der Siliziumscheibe 102 über den Leiter 242 ersetzt, damit Undichtigkeitsgänge zum Membranenhohlraum den Seiten der Leiter 242 und 243 entlang bleiben, welche in Abbildung 49 gezeigt werden. Abbildung 49 veranschaulicht in Planansicht den Widerstand 82 und zwei Ausschlußplätze 240 und 241. Abbildung 50 veranschaulicht eine Querschnittsansicht durch die Metallinie 242, die vom Widerstand 82 zu dem Ausschlußplatz 240. Zu bemerken sind die offenen Stellen 244 und 246 auf beiden Seiten des Metalleiters 242 nach dem anodischen Binden der Pyrexglasscheibe 80 an die Siliziumscheibe 102. Diese offenen Stellen verhindern eine hermetische Dichtung des in Abbildung 15 dargestellten Membranenhohlraums 84, die besser in Abbildung 51 zum Vorschein kommt, welche eine Schnittansicht der Planansicht von der Kombination-Struktur von Abbildungen 15 und 59 beträgt, die entlang der Schnittlinie 51-51ß der Abbildung 49 gemacht wird.
- Zu bemerken sind die zwei Höhlungen 246 und 248, die in der Siliziumscheibe 102 geätzt worden sind. Diese Höhlungen sind in Abbildung 15 nicht gezeigt, können jedoch gleichzeitig mit der Konstruktion des Ätzens des Membranenhohlraums gestaltet werden.
- Die in Abbildung 15 dargestellten Vorgänge, bei welchen der Membranenhohlraum 84 durch Untertauchen in kochendes Wasser abgefüllt werden und das Fülloch 118 abgedichtet wird, fallen hier aus. An ihrer Stelle wird die Scheibe angezeichnet unter Einsatz einer standarden Scheibensäge von Seite B. In Abbildung 52 zeigen sich diese Anzeichnungen bei 250 und 252. Diese Anzeichnungen werden so positioniert, daß sie die Höhlungen 246 und 248, die früher in der Siliziumscheibe 102 geätzt worden sind, bei den Positionen der Ausschlußplätze für den Widerstand 82 überkreuzen. Dies legt die Ausschlußplätze bloß, damit die elektrischen Verbindungen zum Widerstand gemacht werden können.
- Zunächst wird die Scheiben-Kombination-Struktur in eine Vakuumkammer gelagert; dann wird die Kammer evakuiert, um die Höhlungen in der Kombination-Struktur zu evakuieren. Die Kammer wird dann mit der erwünschten Flüssigkeit gefüllt, die dann anfängt, die Membranenkammer 84 durch die Undichtigkeitsgänge zu füllen. Die Geschwindigkeit des Füllens ist langsam, weil das Querschnittsgebiet der Undichtigkeitsgänge klein ist. In der vorbezugten Konstruktion wird die Kammer unter Druck gesetzt (60 p.s.i.), um die Geschwindigkeit des Füllens zu verschnellern, sowohl dieser Vorgang bei alternativen Ausführungen ausgelassen werden kann. Die Scheibenstruktur bleibt dann in dem Hohlraum, bis die Membranenkammer 84 vollkommen gefüllt ist. Dann wird die Kammer entlüftet und die Scheibenstruktur entfernt. Zuletzt werden die Ausschlußplätze 254 und 256 mit einer Kupferschicht von 25 Mikrometer plattiert, indem die Scheibenstruktur in einem Bad "high throw" Kupfersulfat oder anderer Plattierungslösung untertaucht wird, nachdem die Ausschlußplätze als Kathoden in der dadurch gestalteten Elektroplattierungszelle verbunden werden. Wegen des hohen Widerstands zum Flüssigkeitsfluß, den der Undichtigkeitsgang leistet, wird die Plattierungslösung nicht in die Membranenhohlraum einlaufen. Bei einigen Ausführungen kann die in dem Hohlraum eingekapselte Flüssigkeit mit der Elektroplattierungslösung unvermischbar gemacht werden, damit keine Vermischung vorkommt. Die Plattierungslösung wird dennoch ein wenig in den Undichtigkeitsgang einkommen, wo sie Plattierung in dem Undichtigkeitsgang verursachen wird. Solche Plattierung verstopft den Undichtigkeitsgang und macht dadurch eine hermetisch Dichtung. Die Scheibe kann dann in Chips zerschnitten werden, um die einzelnen Ventile zu trennen.
- Es folgt eine Beschreibung anderer Methoden, ein bestimmtes Volumen Material in der Membranenkammer 84 abzudichten. Ein Festkörper kann bei dem Umgebungsdruck eingekapselt werden unter Einsatz der anodischen Bindung der Pyrexglasscheibe zur Siliziumscheibe, um den Festkörper einzudichten. Später wird der Festkörper in eine Gasspezie eindiffundiert unter Anwendung einer elektro-unterstützten Diffusion, um ein Gas in der Kammer hervorzubringen. Nitriumacetat kann als Festkörper angewendet werden.
- Eine Flüssigkeit kann auch eingekapselt werden unter der Bedingung, daß sie einen hohen Kochpunkt besitzt. Glyzerol, die einen Schmelzpunkt von 300ºC besitzt, eignet sich als Flüssigkeit während des anodischen Bindevorganges sehr gut.
- Man kann bei Hochdruck eine Flüssigkeit und/oder ein Gas einkapseln. Das anodische Binden wird in einer abgedichten Kammer ausgeführt, wo Druck und Temperatur geregelt werden können. Das Material kann demzufolge bei hoher Temperatur im flüssigen Zustand bleiben. Zum Beispiel dürfte das anodische Binden bei Hochdruck, wie zum Beispiel bei 21 atü, ausgeführt werden. Dies würde der Flüssigkeit davon abhalten, entweder von dem Hohlraum oder von der Kammer während des Vorganges zu entkommen.
- Eine zweite allgemeine Möglichkeit, den Membranenhohlraum zu füllen, beruht auf den Gebrauch eines Fülloches. Bevor, nachdem oder während des Gestaltens vom Membranenhohlraum wird ein Loch geformt, das den Membranenhohlraum mit der außenstehenden Welt verbindet. Der Membranenhohlraum wird dann unter Einsatz von Vakuumtechnik gefüllt, und das Loch wird auf einer bekannten Weise abgedichtet. Wenn das Loch zum Beispiel senkrecht zur Pyrexglasscheibe steht, kann es abgedichtet werden, indem man eine Platte mit Hilfe eines Haftmittels, wie zum Beispiel Epoxy, flach gegen das Pyrexglas haftet. Der Vorteil dieser Methode liegt in der niedrigen Aufhärtungstemperatur des Haftmittels und der Leichtigkeit seiner Anwendung. Ein Problem dieser Methode ist, daß sie die Herstellung einer hermetischen Abdichtung erschweren kann.
- Eine andere Methode besteht aus der Anwendung von Lötlegierungen um das Fülloch abzudichten. Das Fülloch kann entweder mit einem Metalltropfen direkt verstopft werden, oder eine Platte kann über das Loch gelötet werden, wenn eine mit Lötmittel benetzbare Oberfläche auf der Pyrexglasscheibe in der Nähe des Füllochs geformt worden ist. Während dieses Vorgangs soll der Umgebungsdruck dem Höhlungsdruck gleich gehalten werden. Dies verhindert den Aufbau eines Druckdifferentials, das die in dem Hohlraum eingekapselte Flüssigkeit entkommen lassen könnte, wenn die Lötlegierung noch in ihrer weichen Phase ist. Eine abgedichtete Kammer mit einem geregelten Druck wird in der vorbezugten Konstruktion verwendet.
- Zuletzt kann die Wiederschmelzung von Glas angebracht werden, um das Fülloch zu füllen. In diesem Vorgang wird das Fülloch in der Pyrexglasscheibe durch Laserbohren gestaltet. Ein Laser kann dann verwendet werden, um das Pyrexglas um das Loch wiederzuschmelzen, nachdem die Flüssigkeit in den Membranenhohlraum eingeführt worden ist. Diese Methode ist bewiesen worden, wird jedoch nicht vorgezogen. Es ist wichtig, daß das Glas am Anfang eine niedrige Temperatur hat, um Wärmeleitung von dem Glas wegzufördern.
- Abbildung 53 veranschaulicht eine alternative Konstruktion, die von Festkörperwärmepumpetechnik Gebrauch macht. Eine Wärmepumpe 260, wie zum Beispiel eine Peltier Festkörperwärmepumpe, ist von vielen Herstellern handelserhältlich. Die Wärmepumpe 260 könnte auch eine konventionelle Wärmepumpe sein. Die Wärmepumpe 260 wird thermal an einen Wärmeleitungsklotz 262 gebunden, der als Dichtung für einen Membranenhohlraum 264 in einer Scheibe 266 dient. Dieser Klotz 262 erfüllt den Zweck, eine hermetische Dichtung für den Membranenhohlraum 264 zu leisten, wie auch Wärme schnell in den Membranenhohlraum 264 hinein und wieder aus ihr heraus zu leiten. Der Membranenhohlraum 264 kann in jeglichem der oben beschriebenen Vorgängen gestaltet werden, und die Scheibe 266 braucht nicht aus Silizium sein, wie sie gezeigt wird. Gleichfalls muß der Klotz nicht aus Aluminium, sondern kann auch aus einem anderen guten Leitungsmaterial sein. Der Ventilenanteil der Struktur wird von dem Klotz 268 geformt, in dem einen Flüssigkeitsdurchgang 270 und eine Dichtungsoberfläche 262 gestaltet sind. Der Betrieb des Ventils ist dergleiche, wie er für andere Ausführungen oben beschrieben ist.
- Bei alternativen Ausführungen kann die Stellung der Membrane als das erwünschte Endprodukt der Temperaturänderungen des in der Membranenkammer eingeschlossenen Materials gebraucht werden. Solche Ausführungen können für Anwendungen der Mikropositionierung, Tastsensfeedbacktransducer für ferngesteuerte Robotik, und andere Anwendungen dieser Art gebraucht werden.
- Bei einer Siliziummembranenkonstruktion mit einem Umriß von 2 Millimeter beträgt die Maßstabauslenkung der Membrane ungefähr 35 Mikron. Bei Polyimidmembranenanwendungen beträgt die Maßstabauslenkung der Membrane ungefähr 400 Mikron. Wenn man die Membrane an den zu bewegenden Gegenstand, wie zum Beispiel einen integrierten Schaltfühler, verbindet, so kann der Gegenstand entsprechend der Temperatur in dem Membranenhohlraum bewegt werden. Abbildung 54 veranschaulicht eine solche Konstruktion. Die in Abbildung 54 dargestellte Konstruktion ist nur für eine Art der Anwendungen typisch. Sie veranschaulicht jedoch den Allgemeinbegriff der Mikropositionierungsanwendungen. Der Mikropositionierungstransducer 300 von Abbildung 54 besteht aus einer Scheibe, in welcher einen Membranenhohlraum geformt worden ist. Ein Heizelement ist in diesem Membranenhohlraum zusammen mit dem Material, das den Dampfdruck in dem Hohlraum nach Temperaturänderungen in dem Hohlraum ändert, hermetisch abgedichtet. Ein Widerstandtreiber 302 bekommt Regelungseingaben vom Gebraucher und wandelt sie in Regelungssignale über die Leitungsdrähte 304 und 306, die das Heizelement dazu bringen, die Höhlungstemperatur zu ändern. Jegliche andere Methode, die in diesem Text beschrieben wird, um die Höhlungstemperatur zu regeln, kann natürlich auch angebracht werden; und Sachkundige werden die Art von Gebraucher-Interface zu schätzen wissen, die zur Umwandlung von Regelungseingaben des Gebrauchers in die entsprechenden Regelsignalle zu wandeln nötig ist, um die Höhlungstemperatur zu regeln. Der Gebraucher 308 leistet Regelungseingaben mit Hilfe eines Bildvergrößerungssystems, wodurch er auf das Werkteil 310 sieht, und sich die Stellung eines Fühlers 312 in bezug auf die erwünschte Stellung desgleichen merkt. Der Gebraucher kann also die Stellung des Fühlers, der an der Transducermembrane mechanisch gekoppelt ist, durch eine Temperaturänderung in dem Membranenhohlraum modifizieren. Bei Anwendung dieser Konstruktion kann viel Kraft auf den Gegenstand aufgelegt werden.
- Wenn Bewegungen erwünscht sind, die größer als die Höchstauslenkung der Membrane sind, können die Transducer auf einander kaskadenmäßig geschaltet werden. Bei einer solchen Konstruktion wirkt die Bewegung der Membrane des untersten Transducers in dem Stapel auf alle Transducer, die oben in dem Stapel daraufliegen, um sie auch in Bewegung zu setzen. Auf gleicher Weise setzt die Bewegung der Membrane des zweituntersten Transducers alle Transducer, die oben in dem Stapel daraufliegen, auch in Bewegung. Dieser Vorgang wiederholt sich bei allen Tranducern, welches zur Folge hat, daß die Gesamtmembranenverschiebung der Summe der Membranenverschiebungen aller Transducer in dem Stapel gleich ist.
- Die Apparate, die nach den Lehren der Erfindung in diesem Text gelehrt werden, können auch bei einer Konstruktion verwendet sein, die einem Operator Tastsensfeedback leistet. Eine solche Anwendung kann die Fernsteuerung eines Robots erfordern, das heißt, den Betrieb von Roboterhänden durch Fernschaltung unter Anwendung von einer Fernsehkamera, usw. Ein Problem mit der Fernschaltungskontrolle der Roboter entsteht aus dem Mangel an Tastsenswahrnehmung, die dem lenkenden Gebraucher den Druckwert, den der Roboter auf den gegriffenen Gegenstand ausübt, zeigen könnte. Abbildung 55 veranschaulicht, wie die Erfindung angebracht werden kann, um diesen fehlenden Wahrnehmungssinn zu leisten. In der Abbildung greift eine Roboterhand 320 eine Glühbirne oder anderen Gegenstand 322. An der Spitze jedes "Fingers" an der Roboterhand (oder zumindest an entgegengesetzten Fingern) ist eine Gruppierung von Drucktransducern 324 gebunden. Diese Drucktranducer geben Drucksignale zurück über Fernsteuerungsfrequenzband 326 zu dem fernliegenden Kontrollbedienungspult 330. Eine Fernsehkamera oder anderes abbildendes System 332 macht ein Bild des Vorgangs und gibt die Bildinformationen zurück zu dem Kontrollbedienungspult 330, damit sie auf Fernsehbildschirm 334 gezeigt werden können. Das Kontrollbedienungspult ist auch mit einer Vorrichtung ausgestattet, die es dem Gebraucher ermöglicht, Tastsensfeedback zu bekommen. In der besonderen Konstruktion, die gezeigt wird, wird die Roboterhand mittels ein Paar Hebel 336 und 338 geleitet. Diese können näher zusammen oder weiter auseinander gestellt werden, und bringen die Finger der Roboterhand dazu, daß sie sich annähern oder sich voneinander entfernen, je nach den relativen Stellungen der Hebel. Jeder Hebel hat eine Gruppierung Tastsensfeedbacktransducer, 340 und 342, mit welchen die Fingerspitzen des Gebrauchers in Kontakt kommen, wenn der Gebraucher die Hebel 336 und 338 leitet. Die Tastsensfeedbacktransducer sind so angebunden, daß die Membrane in Kontakt mit den Fingerspitzen des Gebrauchers steht. Sie sind mit den Druckfeedbacksignalen so gekoppelt, daß wenn die Temperatur innerhalb des Membranenhohlraums mit zunehmendem Druck auf die Roboterfinger der Hand 320 steigt, bewegt sich die Membrane entsprechend der Größe des Druckfeedbacksignals nach außen gegen die Fingerspitze des Gebrauchers.
- Bei anderen Ausführungen können die Hebel 336 und 342 durch einen Handschuh ersetzt werden, wo die Handschuhfinger an den Wegfühlern gekoppelt sind, die Signale leisten, welche die Lagen und Tätigkeiten der Finger steuern können. Die Fingerspitzen der Handschuhen sind auf der Innenseite an Gruppierungen von Tastsensfeedbacktransducer gekoppelt, die ihrerseits an Druckfeedbacksignale gekoppelt sind. Der Betrieb der Tastsensfeedbacktransducer ist der gleiche wie oben beschrieben in Hinweis auf die Hebel 336 und 338 bezüglich den Druck, der auf die Fingerspitzen des Gebrauchers aufgewendet wird, damit der Gebraucher ähnliche Druckwahrnehmungen erfahrt, als wenn der Gebraucher den Gegenstand mit den eigenen Fingerspitzen aufheben würde.
- Abbildungen 56 bis 64 veranschaulichen den Vorgang, wobei der Tastsensfeedbacktransducer gemacht wird. Folgendes bezieht sich auf den Vorgang für eine Siliziumscheibe, aber Sachkundige werden es zu schätzen wissen, daß auch andere Scheiben oder andere Materialien verwendet werden können.
- 1. 5000 Angstrom Oxid 352 auf einer Siliziumscheibe 354 wachsen, von welcher eine oder zwei Seiten poliert sind. 2. 900 Angstrom Si&sub3;N&sub4;356 auf beiden Seiten der Scheibe unter Einsatz eines Tiefdruck-CVD-Verfahrens bei 700ºC auftragen.
- 3. Die nichtpolierte Seite oder Seite A mit Maske 1 mustern, um der Hohlraum und Membrane zu mustern, wie in Abbildung 56 bei 350 dargestellt ist. 4. Ein Hohlraum 358 bis zu einer Tiefe von 350 Mikrometer unter Einsatz von KOH ätzen. Diese Tiefe kann variiert werden, und hangt von der erwünschten Höhe des aufgeblasenen Stellglieds ab. Nach dieser Ätzung sieht die Struktur so aus, wie sie in Abbildung 57 dargestellt ist.
- 5. Abgleichungsmarkierungen zu der Rückseite der Scheibe übertragen, und Höhlungsmuster 360 in der Schicht aus Nitrid/Oxid auf Seite B mit Maske 1 definieren. Nachdem dieser Vorgang vollzogen wird, sieht die Struktur so aus, wie sie in Abbildung 58 dargestellt ist.
- 6. Ein Zwischenlagemetall 362 in die in Seite A eingeätzten Höhlungen auftragen. Das Metall mit Hilfe von Maske 1 so mustern, daß es Metall nur in den Höhlungen gibt. Das Polyimid, das zunächst aufgetragen werden soll, wird während seiner Gestaltung und Aufhartung an diesem Zwischenlagemetall haften. Später wird diese Zwischenlage aufgelöst, um die Polyimidmembrane von dem Silizium zu befreien. Nachdem dieser Vorgang vollzogen wird, sieht die Struktur so aus, wie sie in Abbildung 59 dargestellt ist.
- 7. 10 Mikrometer Polyimid 364 auf Seite A aufdrehen. Diesen Vorgang wo nötig wiederholen. Nachdem dieser Vorgang vollzogen wird, sieht die Struktur so aus, wie sie in Abbildung 60 dargestellt ist.
- 8. Das Polyimid in einer vier-Stunden Reihenfolge aufhärten, die eine Aufsteigung bis 350º einschließt. Jeder Vorgang, der das Polyimid so aufhärtet, daß es die nötige Spannkraft hat, genügt.
- 9. Die Siliziummembrane bei 360 mit Hilfe einer isotropischen Ätzflüssigkeit wegatzen. HF, HNO&sub3;, CH&sub3;COOH oder reaktionsfähige Ionenätzung, zum Beispiel, verwenden. Nach dieser Ätzung sieht die Struktur so aus, wie sie in Abbildung 61 dargestellt ist.
- 10. Das Nitrid 356 von Seite B und das Oxid 352 von Seite B abstreifen. Dann die Metallschicht 362 von Seite B abstreifen, um die Struktur so zu lassen, wie sie in Abbildung 62 dargestellt ist.
- 11. 1 Mikrometer Aluminium oder Chrom/Gold auf eine Pyrexglasscheibe 366 auftragen.
- 12. Unter Anwendung von Maske 6, das Heizungselement 368 auf der Oberfläche der Pyrexglasscheibe durch das Ätzen der Metallschicht mit einer passenden Ätzflüssigkeit mustern.
- 13. Ein Loch 370 in der Pyrexglasscheibe, wie zum Beispiel durch Laser-Bohren, gestalten.
- 14. Die Pyrexglasscheibe 366 wird zunächst anodisch an die Siliziumscheibe 3254 gebunden, um die Struktur so zu lassen, wie sie in Abbildung 63 dargestellt ist, mit einem Membranenhohlraum bei 372.
- 15. Der Membranenhohlraum 372 wird dann abgefüllt, indem man die Scheibe in eine kochende Lösung des in dem Hohlraum einzufangenen Materials versenkt.
- 16. Der Hohlraum 372 wird dann abgedichtet, entweder indem man das Loch 370 mit Superklebstoff zuhaftet, oder indem man es nach der Metallisierung der Innenfläche von dem Loch 370 mit Lötmittel zuschmelzt, oder indem man eine andere Scheibe 374 auf die Pyrexglasscheibe 366 bindet, wie die Darstellung in Abbildung 64 verdeutlicht.
- 17. Die Leitungsdrähte anbinden, um elektrischen Kontakt mit dem Widerstandsheizungselement herzustellen. Abbildung 65 veranschaulicht das Tastsensstellglied im ausgedehnten Zustand, wo die Temperatur in dem Hohlraum 372 durch das Heizungselement genügend erhöht worden ist, um den Dampfdruck ausreichend zu erhöhen, daß er die Membrane 378 ausdehnt.
- Abbildung 66 verdeutlicht eine Zusammenstellung der Tastsensstellglieder in einer Gruppierung mit einem Reihen- und Säulenadressensystem, das für die oben erwähnten Roboteranwendungen nutzbar wäre.
- Ein anderer Vorgang, bei welchem man ein Tastsensstellglied gestaltet, wird in den Abbildungen 67-77 dargestellt. Der Vorgang ist folgender:
- 5000 Angstrom Oxid auf einer Scheibe 398 aus Silizium oder aus einem anderen Halbleiter, von welcher zwei Seiten poliert sind, wachsen;
- 900 Angstrom Nitrid unter Einsatz von Tiefdruck CVP bei 700ºC auftragen. Die vereinigten Oxid und Nitrid werden allgemein als eine einzige Schicht 400 auf Seiten A und B dargestellt;
- Seite A der Scheibe mit Maske 1 und mit einem positiven Resist mustern. Dieses Muster wird der Hohlraum bei der Stellung definieren, die bei 402 ungefähr angezeigt wird.
- Ein Hohlraum 404 in Seite A der Scheibe bis zu einer Tiefe von 350 Mikrometer mit KOH ätzen. Die Tiefe des Hohlraum 404 kann zur erwünschten Tiefe in Hinblick auf Ergebnisberücksichtigungen modifiziert werden.
- Das bloßgelegte Nitrid von Seiten A und B unter Anwendung von Plasma oder einer anderen Ätzflüssigkeit wegätzen, damit die Struktur so aussieht, wie sie in Abbildung 68 dargestellt ist;
- Ein Zwischenlagemetall 406 auf Seite A der Scheibe, einschließlich den Höhlungsflächen des Hohlraums 404, auftragen, damit die Struktur so aussieht, wie sie in Abbildung 69 dargestellt ist.
- Eine Polyimidschicht 408 von 10 Mikrometer aufdrehen, mit einer wenn angebrachten Wiederholung der Anwendung, und 1 Stunde bei 90ºC zwischen Anwendungen backen, damit Seite A bedeckt wird;
- 408 durch 2,5 Stunden Backen bei 130ºC beschichten;
- Negatives Resist auftragen und bei 900 c backen, dann mit Hilfe von Maske 1 exponieren, entwickeln und das übrige Resist dadurch formfestigen, daß es ausreichend lange bei 1200 c gebacken wird, damit eine Maske bleibt, wie in Abbildung 71 dargestellt ist;
- Die Polyimidfolie 408 mit Ätzflüssigkeit III 15 bis 30 Minuten bei 35ºC ätzen;
- Die Polyimidfolie durch 1 Stunde Backen bei 220ºC teilweise aufhärten;
- Das bloßgestelle Aluminium mit Aluminiumätzflüssigkeit I wegätzen;
- Das bloßgelegte Oxid unter Anwendung von 6:1 HF wegätzen, damit die Struktur so aussieht, wie sie in Abbildung 72 dargestellt ist;
- Das negative Resist unter Einsatz von J100 abstreifen und die Struktur mit TCE, Aceton und Methanol reinigen.
- Polyimid 1 Stunde bei 350ºC aufhärten;
- Auf die Pyrexglasscheibe 410 3500 Angstrom Aluminium, Chrom/Gold oder Titan/Wolfram-Kupfer-Titan/Wolfram zunächst auftragen. Das gewählte Metall, das gebraucht werden soll, hängt von der Methode ab, bei welcher die Flüssigkeit in der Membranenkammer abgedichtet werden soll. Jegliche der Methoden, die in diesem Text beschrieben werden, kann für diesen Abdichtungsvorgang angewendet werden;
- Mit Hilfe von Maske 3, ein Widerstandsheizungselement 412 in der Metallschicht mustern, damit die Struktur bleibt, wie in Abbildung 73 dargestellt;
- Ein Loch 414 in der Pyrexglasscheibe in der Mitte des Widerstandsheizungsmusters gestalten, wie zum Beispiel durch Laser-Bohren, damit die Struktur so aussieht, wie sie in Abbildung 74 dargestellt ist.
- Die Siliziumscheibe zur Pyrexglasscheibe anodisch binden, damit das Widerstandsheizungsmuster und das Loch in der Pyrexglasscheibe in dem Hohlraum 404 eingekapselt sind, um die Polyimidmembrane in dem Hohlraum abzudichten. Jegliche der anderswo in diesem Text beschriebenen Methoden, bei welchen die Pyrexglasscheibe zur Halbleiterscheibe gebunden werden, können auch angewendet werden;
- 10 Mikrometer der Seite B der Halbleiterscheibe tiefer als die Aluminiumschicht mit HNA ätzen (HC1: HNO&sub3;: CH&sub3;COOH 10:1:9 ätzt 25 bis 50 Mikrometer in der Minute). Ein Ätzplasma kann auch verwendet werden. Danach sieht die Struktur so aus, wie sie in Abbildung 76 dargestellt ist;
- Das Zwischenlagemetall 406 entweder mit Aluminiumätzflüssigkeit (welche nur das über der Membrane liegende Metall entfernt) oder mit HNA ätzen. Wenn die Ätzung mit HNA ausgeführt wird, ist Vorsicht angebracht, daß man nicht überätzt. Sonst sind eine zusätzliche Maske und eine KOH Ätzung angebracht. Danach sieht die Struktur so aus, wie die Darstellung in Abbildung 77;
- Der Membranenhohlraum 404 durch Versenkung der Struktur in eine kochende Lösung des in dem Hohlraum einzufangenen Materials füllen;
- Das Loch 414 abdichten, entweder indem es mit Superklebstoff zugehaftet wird, oder indem es nach der Metallisierung der Flächen vom Loch 414 mit Lötmittel zugeschmelzt wird, oder durch jegliche andere Methode, wie zum Beispiel dadurch, daß man eine andere Scheibe über das Loch in der Pyrexglasscheibe anodisch bindet unter Einsatz von Polyimid oder Photoresist als eine "O" Dichtungsring um das Loch herum. Eine Elektroplattierungsmethode wäre auch möglich. Klebstoff wird in Abbildung 77 dargestellt. Leitungsdrähte auf Ausschlußplätze, die mit dem Widerstandsheizungselement in Verbindung stehen, anbinden unter Anwendung von Lötmittel oder leitendem Epoxy oder von jeglicher anderen bekannten Methode der Leitungsdrahtbindung, die sich mit der Art der Metallfolie, die für die Ausschlußplätze verwendet wird, verträgt. Hiermit ist die Struktur vollendet.
- Der Gebrauch des Apparats ist derjenige, der in diesem Text auch für andere Ausführungen angegeben wird.
- Beide der oben beschriebenen Tastsensstellglieds können auf jegliche in diesem Text beschriebene Weise, wobei die Temperatur des in dem Membranenhohlraum eingeschlossenen Materials geändert wird, hergestellt werden. Es kann auch jegliche Methode, der Hohlraum und das Loch für Flüssigkeitszugang zum Hohlraum abzudichten, angewendet werden, unter der Bedingung, daß sie sich mit den anderen Entscheidungen für die Herstellung des Tastsensstellglieds verträgt.
- Das Reihen- und Säulenadressenschema für die Gruppierung von Tastsensstellglieder kann auch mit einem Zweischichtenmetallisierungsschema durchgeführt werden. Solche mehrschichtliche Metallisierungsschemen sind im Bereich der Halbleiterherstellung bekannt.
- Zuletzt ist das mit Laser gebohrte Loch für Flüssigkeitszugang zum Membranenhohlraum nicht die einzige Methode, wobei der Hohlraum gefüllt werden kann. Jegliche der sonstwo in diesem Text beschriebenen Methoden, die einen Flüssigkeitszugang zu dem Hohlraum leisten und ihn dann abdichten, würden auch genügen.
- Abbildung 78 veranschaulicht eine Querschnittansichtsaufzeichnung von einem Objektiv mit veränderlicher Brennweite. Für diese Konstruktion der Erfindung hat die Pyrexglasscheibe 420 ein Widerstandsheizungsmuster, das auf einer Seite in Abstand gehalten wird, damit es nicht im optischen Gang steht. Der optische Gang geht durch die Pyrexglasscheibe 420 und durch das in dem Membranenhohlraum 422 eingeschlossene Material (das Material soll offensichtlich fähig sein, Licht durchzulassen) und dann durch die Membrane 424 durchfahren. Die Membrane 424 der Konstruktion von Abbildung 78 ist aus Siliziumnitrid, doch wäre jedes andere durchsichtige oder lichtdurchlässige Material auch dazu geeignet. Der Lichtdurchlassungswirkungsgrad der Membrane muß natürlich zu diesem Zwecke ausreichen. Das Pyrexglas, das in dem Membranenhohlraum 422 eingeschlossene Material, und das Material, aus welchem die Membrane 424 gemacht ist, haben alle Refraktionsvergleichzahlen, und verursachen verschiedene Biegungsgraden bei der Interface mit Materialien, die andere Refraktionsvergleichzahlen haben. Jedes Material verursacht also etwas Biegung. Die Brennweite des Objektivs kann also geändert werden, indem man die Rundung des Objektivs ändert, indem man die Rundung der Siliziumnitridmembrane 424 dadurch ändert, daß man die Temperatur des in dem Membranenhohlraum 422 eingeschlossenen Materials erhöht oder herabsetzt. Abbildung 78 veranschaulicht zwei verschiedene Brennweiten für das Objektiv. Die erste Brennweite in Vollinienstrahlen stellt die Brennweite dar, wenn die Membrane 424 die mit den Vollinien angedeutete Form hat. Die zweite Brennweite, die mit punktierten Linienstrahlen angedeutet wird, stellt die Brennweite dar, die sich aus der mit punktierten Linien angedeuteten Membranenform ergibt.
- Das in Abbildung 78 dargestellte Objektiv kann mit dem in diesem Text beschriebenen Vorgang gemacht werden, außer, daß das Mittel, wobei der Hohlraum gewärmt wird, nicht in den optischen Gang gestellt werden kann und außer daß der Flüssigkeitsverkehrsweg in den Hohlraum, die mit der punktierten Linie 426 angegeben wird, den optischen Gang nicht stören soll. Die Membrane kann auch durch Silziumnitrid oder ein anderes durchsichtiges Material ersetzt werden. Eine Siliziumnitridfolie, die eine Dicke von 1,5 Mikrometer hat, wäre also für viele Anwendungen geeignet. Das Objektiv mit veränderlicher Brennweite kann auch als einen Modulator für Lichtinjektion in einen Lichtführer gebraucht werden. Abbildung 78 stellt einen faseroptischen Lichtführer 426, der entlang der Achse des Lichtganges positioniert wird, dar. Faseroptische Lichtführer haben Öffnungswinkel für einkommendes Licht, das eingeschlossen werden soll. Das heißt, daß wenn ein Lichtstrahl ;nicht innerhalb des Öffnungswinkels in das Faserende einkommt, bilden der Strahl und die Faserumhüllung einen Winkel, der den Grenzwinkel des Fasers übertrifft, und der Strahl wird nicht in den Faserkern zurückrefraktiert werden. Ein solcher Lichtstrahl läuft durch die Umhüllung durch und zerstört dabei die Fähigkeit des Lichtführers, den Strahl zu führen. Zwei Lichtstrahlen 428 und 430 werden gezeigt, die innerhalb des Öffnungswinkels (nicht gezeigt) in den Faser einkommen, und die dann bei der Zurückrefraktion in den Faserkern bei dem Kern/Umhüllungsinterface bei 432 und 434, je nach dem, dargestellt werden. Zwei Strahlen 436 und 438 werden mit punktierten Linien dargestellt, die nicht vom Faser eingeschlossen werden, weil sie sich nicht innerhalb des Öffnungswinkels des Fasers befinden. Die Winkel dieser Strahlen 436 und 438 werden von dem Objektiv mit veränderlicher Brennweite bestimmt, welches den Refraktionswinkel der Strahlen ändert, wenn sie durch das Objektiv laufen. Selbst wenn das Objektiv in der mit punktierten Linien angegebenen Zusammenstellung steht, können einige Lichtstrahlen bei einem Winkel innerhalb des Öffnungswinkels des fasenoptischen Lichtführers refraktiert werden. Ein Bruchteil des Lichtes wird also in den Faser hineingehen und eingeschlossen werden. Bei einigen Brennweiten ist es möglich, daß kein Lichtstrahl einen Winkel innerhalb des Öffnungswinkels des Fasers haben wird. Das Objektiv mit veränderlicher Brennweite kann also verwendet werden, um den Lichtbetrag, der in den faseroptischen Lichtführer hineinkommt, einfach dadurch zu modulieren, indem die Temperatur des in dem Membranenhohlraum 422 eingeschlossenen Materials geändert wird. Von einem solchen Apparat können faseroptische Kommunikationsnetzwerke und optische Rechner Gebrauch machen.
- Das Objektiv der Abbildung 78 kann entweder alleinstehend oder in einer Gruppierung verwendet werden. Eine Gruppierung solcher Objektive könnte bei einer parallelen Bearbeitungsanwendung gebraucht werden, wo das Objektiv eingesetzt werden könnte, um einen programmierbaren optischen Filter zu implementieren.
- Eine andere Anwendung der Struktur der Abbildung 78 wäre, sie als Sensor zu gebrauchen. Der Druck des Materials in dem Hohlraum, der eine Funktion der Außentemperatur beträgt, würde den Lichtbetrag, der in den faseroptischen Lichtführer hineinkommt, regeln. Diese Anwendung könnte entweder als einen Druckmeßgeber mit hohen Widerstandsfähigkeitgen gegen Hochtemperaturen oder als Temperaturmeßgeber gebraucht werden. Der Gebrauch der Struktur als Temperaturmeßgeber würde voraussetzen, daß der Umgebungsdruck und die Druck/Temperatureigenschaften des eingeschlossenen Materials bekannt sind.
- Eine andere äquivalente Struktur für den Sensor würde darin bestehen, daß Licht durch die Membrane einkommt, und dann von der Oberfläche 440 der Pyrexglasscheibe reflektiert sein, die mit einer reflektiven Umhüllung aus Metall beschichtet wird, und daß es dann wieder durch die Membrane hinausläuft. Bei einer solchen Zusammenstellung funktioniert die Struktur als eine bikonvexe Linse. Als die Temperatur steigt, verringert sich, während der Höhlungdruck steigt und das Objektiv mehr konvex wird, die Brennweite. Eine Veränderung der Brennweite würde den Lichtbetrag, der in den Faser gekoppelt ist, ändern, und diese Veränderung könnte als Größenordnungswechsel eines Ausgangssignales von einem Lichtmeßgeber gemessen werden.
- Die Veränderung der Brennweite könnte auch auf andere Weisen wahrgenommen werden, wie zum Beispiel indem man verschiedene Lichtfrequenzen mit unterschiedlichen Refraktionsvergleichzahlen in Einsatz nimmt und indem man Interferenzmeßverfahren anwendet.
- Es ist möglich, eine Variante des oben beschriebenen siliziumscheibe-zu-Siliziumscheibe eutektischen Bindeverfahrens anzuwenden, um Scheiben von einer Halbleiterart an Scheiben einer anderen Halbleiterart zu binden. Siliziumscheiben mit guten Eigenschaften der Signalbearbeitungschaltung können zum Beispiel an Germaniumscheiben mit guten optoelektronischen Eigenschaften gebunden werden, um neue Sensoren herzustellen, oder um als Faseroptik-zuelektronischer-Schaltung Interfaces zu funktionieren. silizium-basierte Schaltung könnte weiter mit Galliumarsenid-basierter Schaltung oder mit Galliumarsenidbasierten Halbleiterlasern integriert werden.
- Der eutektische Bindevorgang wird in Hinblick auf Abbildungen 79 und 80 erklärt, welche Abbildungen zwei verschiedene Endstrukturen darstellen, nachdem der Bindevorgang auf beiden ausgeführt worden ist. Der Vorgang beträgt folgendes:
- 1. Die Nichtsiliziumscheibe 498 mit einer Diffusionsbarrierematerial 500 umhüllen, unter Einsatz von jeglichem bekannten wirksamen Vorgang, der sich zu diesem Zweck für diese bestimmte Halbleiterart, die gewählt worden ist, eignet. Einige Beispiele von Vorgängen, die sich hierzu eignen, sind Aufdrehen, Tiefdruck C.V.P. oder Sputtertechnik. Silizium(IV)oxid oder Keramik können als Diffusionsschranke verwendet werden, und Wolfram oder andere Materialien dürften sich auch dazu eignen.
- 2. Eine Schicht Aluminium oder ein anderes Metall 502, zu welchem Silizium eine hohe Affinität hat, oben auf die Diffusionsbarriere auftragen.
- 3. Das Oxid in den zu bindenden Gebieten von der Siliziumscheibe 502 abstreifen. Alle Vorgangstadien, um Schaltung auf der Siliziumscheibe zu gestalten, werden bis zu diesem Zeitpunkt des Vorganges ausgeführt worden sein, und die Schaltungsschichten werden passiviert sein. Mesas können in das Silizium bei den Stellen, wo die Germanium- oder Galliumarsenidscheibe an das Silizium gebunden werden soll, geätzt werden.
- 4. Die zwei Scheiben mit Klammern festbinden und sie bis zu knapp mehr als der eutektischen Temperatur für Silizium- Aluminium wärmen.
- Weitere Bearbeitungsvorgänge können chemisches Wegätzen eines Teils der Germaniumscheibe und weitere Metallisationsvorgänge einschließen, welche Metallinien etablieren, um die obersten Teile der zwei verschiedenen Scheiben zu verbinden.
- Abbildung 81 veranschaulicht ein Querschnittsdiagramm des Endbaus der vorbezugten Konstruktion eines Ventils nach den Lehren der Erfindung. Bei dieser Konstruktion werden zwei Pyrexglasscheiben 600 und 602 anodisch an eine Siliziumscheibe 604 gebunden. Die Siliziumscheibe 604 hat einen Hohlraum 606 in sich geäzt. Eine Fläche 608 des Hohlraums ist ein biegsames Diaphragma und hat in der vorbezugten Konstruktion eine Dicke von ungefähr 35 Mikron. Der Hohlraum 606 ist in der Vorzugskonstruktion ungefähr 50% mit einer Flüssigkeit gefüllt, die einen hohen Kochpunkt im Verhältnis zu der umgebenden Temperatur hat. Die Flüssigkeit in dem Hohlraum wird typisch Halogenmethan oder Halogenethan oder anderes Fluorcarbon in der vorbezugten Konstruktion sein. In der vorbezugten Konstruktion wird der Hohlraum mit Freon FC 71 gefüllt. Um die Geschwindigkeit des Schließens des Ventils zu optimieren, sollte der Hohlraum mit so wenig Flüssigkeit wie möglich gefüllt werden, damit der Materialbetrag so klein wie möglich ist, der zu seinem Kochpunkt aufgeheizt werden muß, um das Ventil zum Schließen zu bringen. Wenn man extrem hohe Drucke voraussieht, sollte der Hohlraum voll sein, damit die Membrane davon abgehalten wird, zu weit gegen den Hohlraum zu biegen, was einen Membranenbruch verursachen könnte.
- Die Pyrexglasscheibe 602 hat ein Widerstandsmuster 610 auf der Oberfläche 644 der Pyrexglasscheibe aufgetragen, die an der Siliziumscheibe 604 gebunden ist. Das Widerstandsmuster 610 wird auf den Anteil der Fläche 644 der Pyrexglasscheibe 602 beschränkt, der sich innerhalb den Umkreis des Hohlraums 606 befindet, außer Leitungszuführungen (nicht gezeigt), die zu den Ausschlußplätzen an der Peripherie des Apparats führen. Typisch wird das Widerstandsmuster 610 aus einem Metall formiert, das auf die Fläche 644 gesputtert wird. Diese Schicht (nicht gezeigt) wird photolithographisch geäzt, um das Widerstandsmuster zu definieren. Typisch wird das Material des Widerstandes aus Aluminium, Titan, Wolfram, Nichrom, Gold oder anderen Materialien sein. Das Metall oder anderes Material, das verwendet wird, soll ausreichenden Widerstand besitzen, damit genug Wärme hergestellt werden kann, wenn Strom durch das Widerstandsmuster geführt wird, um die eingeschlossene Flüssigkeit zu ihrem Kochpunkt zu bringen. Das Kochen der Flüssigkeit in dem Hohlraum 606 erhöht den Dampfdruck in dem Hohlraum 606, und verursacht dabei eine Deformierung der Diaphragmafläche 608 in die negative y Richtung.
- Das Widerstandsmuster 610 wird typisch schlangenhaft gestaltet und besitzt Zuführungen, die einen Gang über die Fläche 644 der Pyrexglasscheibe 602 zu Ausschlußplätzen (nicht gezeigt) führt, die sich an der Peripherie des Chips befinden (von hier aus deutet "Chip" auf die Kombination-Struktur, die in Abbildung 81 gezeigt ist). Diese Bindegänge sollen von ausreichender Größe sein, damit elektrischer Kontakt zu der äußeren Welt über elektrische Drähte entstehen kann, so daß Strom durch das Widerstandsmuster 610 getrieben werden kann.
- Ein kleines Füllloch 612 ist auch in der Pyrexglasscheibe 602 gestaltet. Dieses Loch ist typisch durch Lichtstrahl gebohrt und dient, um die Flüssigkeit in den Hohlraum 606 von manchen Konstruktionen einzulassen. Nachdem der erwünschte Flüssigkeitsbetrag in den Hohlraum eingeführt worden ist, wird das Loch 612 mit einer Pflocke 614 abgedichtet. In der vorbezugten Konstruktion ist diese Pflocke aus Epoxie. Da das Loch 612 jedoch sehr klein ist, können andere Materialien verwendet werden, um das Loch gleich günstig zu stopfen.
- Die Pyrexglasscheibe 600 hat eine Eingabe 616 und eine Ausgabe 618 in sich geäzt. Eine Mesa 620 bleibt außerhalb der Oberfläche der Pyrexglasscheibe 600, dem Diaphragma 608 gegenüberstehend, um einen Ventilensitz zu leisten. Das Oberteil dieser Mesa wird mit einer dünnen Chromschicht 633 bedeckt. Diese Chromschicht dient den Zweck, die Mesa 620 davon abzuhalten, sich an das Diaphragma 608 zu binden, während des Bindens der Pyrexglasscheibe 600 an die Siliziumscheibe 604 während des Ventilenstrukturzusammenbaus. Die genaue Zusammenstellung einer Konstruktion der Mesa 620 ist in Abbildung 82 gezeigt.
- Abbildung 82 ist eine Oberansicht des Anteils der Oberfläche 624 der Pyrexglasscheibe 600 direkt unter dem Diaphragma 608. In Abbildung 82 werden die Strukturen, die in Abbildung 81 in Querschnittansicht gezeigt werden, mit den gleichen Positionsnummern angegeben, damit sie im Planansicht leicht zu erkennen sind. Die Eingabe 616 wird als das schraffierte Gebiet mit drei herausragenden Bahnfingern 628, 630 und 632 gezeichnet. Im Grunde genommen bestehen diese herausragenden Finger 628, 630 und 632 aus Gruben, die in der Mesa 620 gestaltet werden, wodurch die Flüssigkeit, die in die Eingabemündung bei 616 fließt, unter das Diaphragma 608 penetrieren kann.
- Auf gleiche Weise besteht die Ausgabemündung, die bei 618 gezeigt ist, aus einer Reihe von zwei Gruben 624 und 636. Diese zwei Gruben penetrieren unter das Diaphagma 608 und werden durch die Schlangenform der Mesa 620 von den Gruben 628, 630 und 632 getrennt. Der Anteil der Mesa, der mit Chrom bedeckt wird, hat Positionsnummer 620/622. Der Anteil der Mesa, der nicht mit Chrom bedeckt ist, ist mit Positionsnummer 620 markiert. Die drei Gruben 628, 630 und 632 sind mit den zwei Gruben 624 und 626 interdigitiert. Abbildung 82 ist nicht maßstabsgetreu gezeigt, und die Gruben 624 und 626 können breiter sein. Weiter kann der Grad Überlappung zwischen den Gruben 628, 630 und 632 entweder kleiner oder größer sein, als in Abbildung 82 gezeichnet ist. Alle Anteile von Abbildung 82, die nicht mit den langen ununterbrochenen schrägen Linien schraffiert sind, die die Grubenflächen darstellen, d. h. die Wände 636 und 634, liegen in einer Fläche, die parallel zur x-z Fläche und bei einer y Koordinate ist, die im wesentlichen auf gleichem Potential mit dem Oberteil der Chromschicht 622 liegt. Die Anteile der Pyrexglasmesa, die in Abbildung 82 als 620 markiert sind, und die Anteile der Oberfläche der Pyrexglasscheibe 600, die als 634 und 636 markiert sind, sind anodisch an der Unterseite der Siliziumscheibe 604 gebunden.
- Der Vorgang des anodischen Bindens ist dem Sachkündigen bekannt. Um diese Beschreibung zu vervollständigen: der Vorgang besteht darin, daß man die Flächen der Pyrexglas- und Siliziumscheiben, die gebunden werden sollen, aneinander stellt und beide Seiten der Verbindung, die daraus entsteht, an Elektroden bindet. Eine hohe Spannung wird dann auf diese beiden Elektroden aufgelegt, und Strom wird durch die Verbindung bei einer Temperatur von ungefähr 500ºC geführt, wodurch die zwei Scheiben aneinandergebunden werden.
- In Hinweis nochmal auf Abbildung 81 wird den Zweck von verschiedenen Elementen der dort gezeigten Ventilenstruktur, wie auch von verschiedener alternativen Strukturen, jetzt beschrieben. Die Mehrzahl der Vermerke, die in den folgenden Paragraphen gemacht werden, wenden sich auf die Ventilenstrukturen von Abbildung 1 und Abbildung 15 und auf die anderen Ventilenstrukturen, die in diesem Text beschrieben werden. Viele der Vermerke wenden sich auf die anderen Strukturen, die in diesem Text beschrieben werden. Die spezifische Anwendbarkeit auf andere als in Abbildungen 1,15, und 81 gezeigte Strukturen wird momentan nicht angegeben.
- Die oberste Pyrexplatte 602 dient den primären Zweck, die Flüssigkeit in dem Hohlraum 606 einzudichten. Dementsprechend kann die oberste Platte 602 in manchen Ausführungen an die Siliziumscheibe 604 gedichtet werden, nachdem die erwünschte Flüssigkeit in den Hohlraum 606 gestellt worden ist. Das heißt, der Hohlraum 606 wird mit Flüssigkeit gefüllt, dann wird die Pyrexglasscheibe 602 auf die Siliziumscheibe 604 gestellt und korrekt abgeglichen. Danach werden die Pyrexglasscheibe 602 und die Siliziumscheibe 604 entweder anodisch oder auf andere Weise zusammengebunden. In einer solchen Konstruktion ist das Loch 612 nicht nötig.
- In der vorbezugten Konstruktion wird die Pyrexglasscheibe 602 an die Siliziumscheibe 604 gebunden, bevor der Hohlraum 606 mit Flüssigkeit gefüllt wird. Danach wird das Loch 612 in der Pyrexglasscheibe 602 durch Lichtstrahlbohren, chemisches Bohren, Ultraschallbohren oder durch andere Mittel gebohrt. Es ist auch möglich, die Löcher mechanisch zu bohren oder sie in Formen zu gießen während das Pyrexglas geformt wird und noch bevor die Pyrexglasscheibe an das Silizium gebunden wird. Der Hohlraum 606 beträgt typisch eine Breite von 2000 Mikron in der x Richtung, also muß das Loch 612 ziemlich klein sein. Es wird daher eine Methode, ein so kleines Loch zu bohren, benötigt. Jegliche konventionelle Methode, ein so kleines Loch zu bohren, wird ausreichen, um die Erfindung anzuwenden.
- Die oberste Pyrexglasscheibe 602 dient auch als Unterstützung für das Heizungs-Widerstand 610 und die damit verwandten Leitungszuführungen und Ausschlußplätzen, die elektrisch an das Widerstandsmuster gekoppelt sind. Die oberste Scheibe 602 dient auch als der Hauptgang der Wärmeleitung zwischen der Hohlraum 606 und einer Wärmesenke, die an der obersten Scheibe 602 gekoppelt sein mögen. Gute Leitungseigenschaften sind daher für die oberste Scheibe 602 vorzuziehen. Es ist möglich, Nickel für die Scheiben 602, 604 und 600 zu verwenden, und möglicherweise auch von anderen metallernen Materialien Gebrauch zu machen. In einer solchen Konstruktion muß das Widerstandsmuster 610, wenn gebraucht, auf einer Isolierungsschicht geformt sein, die auf der Unterfläche 644 der Scheibe 602 aufgetragen wird. Bei anderen Ausführungen wird optische Transduktion gebraucht, um die Flüssigkeit in der Hohlraum 606 zu wärmen. Bei diesen Ausführungen wird Strahlenergie in Lichtform, Infrarot oder anderen Wellenlängen durch die oberste Scheibe 602 in den Hohlraum 606 gestrahlt, um die sich darin aufhaltende Flüssigkeit zu wärmen. Bei solchen Ausführungen gibt es kein Widerstandsmuster 610, und die oberste Scheibe 602 muß der angewendeten Strahlwellenlänge transparent sein. Bei diesen Ausführungen wird Pyrexglas für die oberste Scheibe 602 vorgezogen. Andere Gläser oder Silizium dürften jedoch für die Scheibe 602 verwendet werden. Pyrexglas wird für die oberste Scheibe 602 in Widerstandskonstruktionen wegen der Leichtigkeit, Pyrexglas an Silizium zu binden, vorgezogen.
- Eine Siliziumoberscheibe 602 würde bessere Wärmeleitungseigenschaften besitzen als Pyrexglas, aber eine Silizium-an-Silizium Bindung ist schwieriger herzustellen. Andere mögliche Materialien für die oberste Scheibe 602 sind Keramik, Aluminium, Kupfer oder Plastik. Wenn eine Metallscheibe 602 verwendet werden soll, ist Polyimid das vorzügliche Isolierungsmaterial zwischen der Metallscheibe und dem Widerstandsmuster 610. Andere Isolierungsmaterialien können verwendet werden, um das Widerstandsmuster 610 von der Metallscheibe zu isolieren, wie zum Beispiel Nitrid; doch muß man aufpassen, die Beiwerte der thermalischen Wärmeausdehnung zwischen der Art von Material des Widerstandsmusters, der Isolierungsschicht, und der obersten Scheibe 602 korrekt abzugleichen, damit Stresse von Differenzen in der Geschwindigkeit der thermalen Wärmeausdehnung weder Risse noch anderes Versagen in der Isolierungsschicht, dem Widerstandsmaterial oder dem Pyrexglas verursachen, welche den Betrieb des Apparats beeinträchtigen könnten. Polyimid ist wegen seiner Biegsamkeit und Fähigkeit, solchen Streß abzulassen, für das Isolierungsmaterial vorzuziehen.
- Das Material, das für die oberste Scheibe 602 gebraucht wird, sollte stabil sein und sich weder von der umgebenden Atmosphäre noch von Kontakt mit der Flüssigkeit in dem Hohlraum 606 anfressen lassen. Weiter sollte das Material von Scheibe 602 den Betriebstemperaturumständen gewachsen sein, die von der Ventilenstruktur erlebt wird. Die Flüssigkeit in dem Hohlraum 606 wird typisch bei "System power-up" bis zu einer Temperatur knapp unter dem Kochpunkt geheizt. Bei dieser Temperatur reicht der Dampfdruck in dem Hohlraum nicht aus, um die Kräfte zu überwinden, welche auf das Diaphragma 608 auswirken, um es in die positive y Richtung zu zwingen. Diese Kräfte werden von dem Druck in der Eingabemündung 616 verursacht, und werden das Ventil dazu bringen, offen zu bleiben. Wenn das Ventil geschlossen sein soll, wird ausreichender Strom durch das Widerstandsmuster 610 getrieben, um die Betriebstemperatur der Flüssigkeit in dem Hohlraum 606 zu einer Temperatur über dem Kochpunkt zu treiben. Dies erhöht den Dampfdruck ausreichend, um Kräfte zu erzeugen, die auf das Diaphragma 608 wirken, und die dazu neigen, das Diaphragma nach unten in die negative y Richtung zu zwingen. Wenn diese Kraft ausreicht, um die Kräfte zu überwinden, die auf das Diaphragma wirken, um es in die positive y Richtung zu zwingen, wird Diaphragma 608 mit der Chromschicht 622 oberhalb auf der Mesa 620 in Kontakt kommen. Dies formt eine Dichtung und schließt das Ventil.
- Das Material der obersten Scheibe 602 sollte sich schließlich mit der Widerstandslithographie und dem Platzierungsverfahren vertragen, um der Widerstand 610 zu gestalten, und sollte Zuführungsbinden an die Ausschlußplätzen erlauben.
- Es gibt viele Möglichkeiten für das Widerstandsmuster 610. Die einfachste Möglichkeit ist es, das Widerstandsmuster auf der Oberflache von der Pyrexglasscheibe 602 zu formieren. Eine alternative Struktur besteht aus der Formierung des Widerstandsmusters oberhalb auf der Schlangenmesa aus Isolierungsmaterial, und dann Löcher in die Mesa unterhalb des Widerstandsmuster zu ätzen, damit die Widerstandsmaterialien eine Autobrückenartige Struktur formieren, die von der obersten Scheibe 602 und von gelegentlichen Stützen aus Isolierungsmaterial unterstützt wird. Diese suspendierte Widerstandsstruktur hat bessere Eigenschaften für Wärmeleitung in die Flüssigkeit. Noch eine andere alternative Struktur, die unten ausführlicher beschrieben wird, ist eine Freiträger- Zusammenstellung.
- ES wird für das Material des Widerstandsmusters erfordert, daß es bei der Anwesenheit von Flüssigkeit in dem Hohlraum 606 stabil bleibt, damit es weder angefressen wird, noch mit der Flüssigkeit weder in Ruhestand noch während des Betriebs eine Reaktion eingeht. Weiter muß das Widerstandsmaterial den hohen Temperaturen, die es während des Betriebs in dem Hohlraum 606 geben wird, gewachsen sein. Das Widerstandsmuster kann auch beschichtet werden, um es von der Flüssigkeit, der obersten Scheibe 602 und der mittlerer Scheibe 604 zu schützen.
- Die Siliziumscheibe 604 könnte aus jeglichem anderen Material sein, das die folgenden Erforderungen erfüllt. Erstens muß das Material der Mikroherstellung fähig sein, damit Photolithographie von 5 Mikron dicker Designrichtmaße für Tiefe und 20 Mikron Lateraldesignrichtmasse ausgeführt werden können. Weiter muß das Material ausreichende Biegsamkeit und Elastizität besitzen, um das Diaphragma 608 wiederholt biegen zu lassen, ohne Ermüdungsversagen zu verursachen. Weiter muß das Material dauerhaft und ein guter Wärmeleiter sein. Es ist wichtig, daß das Material der Scheibe 604 fähig ist, Entrinnen der Flüssigkeits- oder Gasphase des Materials von dem Hohlraum 606 zu der Umgebung hindurch zu verhindern, und es soll auch der Anfressung durch dieses Material nicht erliegen. Das Material der Scheibe 604 sollte auch die Fähigkeit besitzen, sich mechanisch gut mit den für die Scheiben 602 und 600 ausgewählten Materialien binden zu lassen. Die Scheibe 604 sollte auch fähig sein, der Hohlraum 606 in sich gestalten zu lassen, und sollte einer Polierung fähig sein sowohl nachher glatt zu bleiben. Das Material der Scheibe 604 sollte schließlich keiner Anfressung oder anderen Schaden erliegen, weder von der umgebenden Atmosphärentemperaturen, bei denen das Ventil betrieben wird, noch durch Kontakt mit dem in die Eingabe 616 gesteuerten Material.
- Die Dimensionen des Hohlraums 606 und die Dicke der Membrane 608 haben Einfluß auf die Betriebseigenschaften des Ventils. Ein kleinerer Hohlraum 606 bedeutet, daß es weniger Material in dem Hohlraum gibt, das aufgeheizt werden kann. Dies ergibt eine kürzere Ventilenschlußzeit von dem Zeitpunkt an, wenn der Strom zuerst aufgelegt oder erhöht wird, um die Temperatur in dem Hohlraum bis über den Kochpunkt zu steigern. Eine Membrane 608, die dicker ist, ergibt einen höheren nötigen Druck in der Eingabemündung 616, um das Ventil zu öffnen, indem das Diaphragma in die postive y Richtung gezwungen wird. Der hohe Druck muß gleichfalls innerhalb des Hohlraums entwickelt werden, um das Diaphragma 608 in die negative y Richtung zum Schließen des Ventils zu zwingen. Die Güteziffer für den Betrieb der Ventilenstrukturen und anderer in diesem Text beschriebenen Strukturen ist der Abstand der Veränderung des Druckes in dem Hohlraum im Verhältnis zu der Änderung der Energieeingabe in die Höhlungsflüssigkeit für Heizungszwecke. Diese Güteziffer ist umgekehrt proportional zum Volumen der Hohlraum 606. Die Membrane 608 sollte jedoch so breit wie möglich sein, das heißt, die Dimension A in Abbildung 81 sollte so groß wie möglich sein, um maximale Biegsamkeit zu erzielen. Die Dimension A beträgt typisch 2000 Mikron. In der vorbezugten Konstruktion hat die Dimension B, die die Tiefe des Hohlraums definiert, 350 Mikron, und die Dimension C, die die Dicke der Scheibe 604 definiert, beträgt 385 Mikron. Da die Membrane 608 so breit wie möglich sein soll, wird das Höhlungsvolumen prinzipiell verringert durch eine Verringerung der Dimension B mit einer entsprechenden Verringerung der Dimension C, um eine Diaphragmadicke von ungefähr 30-35 Mikron zu erhalten.
- Es wird vorgezogen, daß ein Material für die Scheibe 604 ausgewählt wird, das eine Polierung der Unterfläche 638 des Diaphragmas ermöglicht, um eine gute Dichtung mit der oberen Fläche der Mesa 620 zu formieren. Die Flache 638 kann auch mit Polyimid oder mit einem anderen biegsamen Material beschichtet werden, wenn die Scheibe 604 für gute Dichtungseigenschaften nicht adäquat poliert werden kann. Die anderen obenangegebenen Erforderungen für die Scheibe 604 müssen jedoch erfüllt werden, insbesondere die Fähigkeiten der Scheibe 604, Wärme von der Hohlraum 606 leicht abzuleiten und auch stark zu sein gegen Ermüdung und Scheitern des Diaphragmas bei wiederholter Biegung.
- Die Bindung zwischen der Siliziumscheibe 604 und der Pyrexglasscheibe 602 muß die Fähigkeit haben, eine hermetische Dichtung zu leisten, damit Material in dem Hohlraum 606 nicht entrinnen kann. Weiter kann die Bindung keiner Anfressung anfällig sein, weder durch den Kontakt zur Flüssigkeit in dem Hohlraum 606, noch durch den Kontakt zu den umgebenden Chemikalien, noch durch den Kontakt zu den Packmaterialien, die dem Chip umgeben. Diese Bindung muß auch fähig sein, eine Durchgabe der Widerstandzuführungen von dem Widerstandsmuster 610 zu den Ausschlußplätzen zu erlauben, ohne die Widerstandzuführungen zusammenkurzzuschließen. Die Bindung muß als letztes stabil durch den Betriebstemperaturbereich hindurch bleiben. Typische Betriebstemperaturen können im Bereich von 200ºC bis 300ºC sein, und könnten in manchen Ausführungen so hoch wie 700ºC erreichen. Anodische Bindungen werden diese Temperaturen leicht ohne Degradation widerstehen.
- Es wird für die Scheibe 600 erfordert, daß sie gute Thermalleitung leistet, um die Abkühlung des Materials in dem Hohlraum 606 zu fördern. Scheibe 600 muß sich auch mit den Vorgängen vertragen, die die kleinen Bahnen maschinell bearbeiten, welche Eingabemündungen 616 und 618 betragen, und welche die Schlangenmesa 620 definieren. Die Scheibe 600 muß auch einer solchen Polierung fähig sein, daß die Oberfläche der Mesa 620 für guten Dichtungskontakt geglättet werden kann. Die Scheibe kann auf alternative Weise fähig sein, mit Polyimid oder mit einem anderen biegsamen Material beschichtet werden, das für den Mangel an einer glatten Oberfläche auf der Mesa 620 kompensieren kann, um gute Dichtungseigenschaften zu leisten. Weiter kann das Material weder von Gas noch von Flüssigkeit angefressen werden, das oder die durch die Eingabe- oder Ausgaben 616 und 618, je nach dem, fließt. Das ausgewählte Material muß schließlich dazu fähig sein, an jegliches für die Scheibe 604 ausgewählte Material mit einer Bindung angebunden können, die die Betriebstemperaturen widerstehen kann und die weder von dem in den Bahnen 616 und 618 fließenden Material angefressen wird, noch chemisch damit reagieren wird.
- Es ist wichtig, das Material für alle drei Scheiben 602, 604 und 600 nach den Kriterien auszuwählen, daß die Beiwerte der thermischen Wärmeausdehnung ausreichend abgeglichen sind, um übermäßigem Thermalstreßaufbau auszuweichen. Das heißt, daß sich die drei Scheiben, wenn die Struktur der Abbildung 1 durch das ganze Betriebstemperaturbereich hindurch aufgeheizt und abgekühlt wird und wenn die Beiwerte nicht ausreichend abgeglichen sind, bei verschiedenen Geschwindigkeitsgraden ausdehnen oder zusammenziehen dürften; dies würde den Aufbau mechanischer Belastungen innerhalb der Struktur verursachen. Die Beiwerte der thermischen Wärmeausdehnung müssen ausreichend abgeglichen sein, so daß diese mechanischen Belastungen sich nicht bis zu dem Punkt entwickeln, wo sie der Struktur Risse oder andere Schaden verursachen, die den Betrieb beeinträchtigen würden.
- Die Membrane 608 kann mit einem biegsamen Material beschichtet werden, um ihre Dichtungsfähigkeit zu erhöhen, oder um die Wirkungen der chemischen Anfressung oder Angriff von Materialien entweder in den Kammern 606 oder in der Eingabemündung 616 zu verringern. Eine Beschichtung kann auch verwendet werden, die die Widerstandsfähigkeit der Membrane 608 erhöht. Die Membrane 608 muß biegsam genug sein, um Fluß von der Eingabe 616 zur Ausgabe 618 bei einem wesentlichen Druck zu erlauben, wenn der Widerstand 610 nicht erregt ist, um die Membrane 608 in ein Dichtungsverhältnis mit der Mesa 620 zu zwingen. Für einen korrekten Betrieb des Ventils kann die Membrane nicht an der Mesa 620 kleben.
- Die Mesa 620 und die Eingaben und Ausgaben 616 und 618 leisten zwei komplementäre Funktionen. Erst leistet die Mesa 620 eine Dichtungsoberfläche, die nicht sehr weit von der Membrane 608 ist, damit die Membrane sich weit genug biegen kann, um die Dichtung zu verursachen. Die Wege 616 und 618 dienen, wenn sie sehr tief sind, um den Flußwiderstand wesentlich zu verringern. Abbildung 82 veranschaulicht die Zusammenstellung der Bahnen und der Schlangenmesa 620/622. Diese Schlangenzusammenstellung stellt einen sehr niedrigen "on" Widerstand her. Der Grund dafür ist, daß die Interdigitation von der Mesa mit sehr tiefen fingerartigen Bahnen mehr Querschnittsfeld über dem Mesagrenzschicht leistet, durch welches das Gas oder die Flüssigkeit von der Eingabe 616 zur Ausgabe 618 fließen kann. Das heißt, das Gas oder die Flüssigkeit in der Eingabe 616 fließt über die Mesagrenzschichten den Weg der krummen Pfeiler entlang, die in Abbildung 82 gezeigt sind. Zu bemerken ist es, daß es mehrfache Wege gibt und daß das Querschnittsfeld zwischen dem Oberteil der Mesa und dem Unterteil der Membrane 608 (nicht gezeigt) daher größer ist, als es in dem Fall wäre, wenn die Mesa nicht so lang wäre, wie sie in Abbildung 82 gezeigt ist. Eine alternative Mesastruktur, in der die Mesa kürzer ist, ist in Abbildung 83 gezeigt. Wegen der Länge der Mesa in der Konstruktion von Abbildung 82 ist der "off" Flußwiderstand nicht so groß in der Konstruktion von Abbildung 82, als er in der Konstruktion von Abbildung 83 ist. Abbildung 83 zeigt eine Nichtschlangenmesa 640, die sich quer über der Breite der Eingabe 616 befindet. Die Mesazusammenstellung der Abbildung 83 bietet einen viel größeren "off" Flußwiderstand, doch hat sie zur Folge auch einen höheren /on" Flußwiderstand. Allgemein betrachtet, wenn hohen "off" Widerstand gebraucht ist, sollte die Rippenlänge der Mesa 620/622 in der z Richtung kurz sein und die Breite breit in der x Richtung.
- Um Flußwiderstand zu minimieren, sollten die Eingabe 616 und die Ausgabe 618 sehr tief sein. Das heißt, daß die Dimension D in Abbildung 81 tief genug sein sollte, um einen annehmbar niedrigen Grad von Flußwiderstand zu leisten.
- Die Eingabe und Ausgabe können jegliche Richtung entlang der x-z Fläche oder jeglicher dazu parallelen Fläche entlang fortlaufen, und können bei jeglichem Punkt dem Umfang der Chip entlang auslaufen. Die Eingaben und Ausgaben können weiter auch so gestaltet werden, daß sie in der y Richtung laufen, um von entweder der obersten Fläche 642 oder der Unterfläche 644 der Chip auszulaufen, jedoch in der x-z Fläche unter dem Diaphragma seitwärts laufen.
- Es wird von Hohlraum 606 erfordert, daß er hermetisch von den umgebenen Zuständen abgedichtet ist, damit die darinbestehende Flüssigkeit nicht zur umgebenden Atmosphäre entrinnt.
- Das Material in dem Hohlraum 606 kann solide sein, aus Gas oder Flüssigkeit, oder aus jeglicher davon abgeleiteten Kombination, solange es unter Erwärmung den Dampfdruck erhöhen kann. Für den besten Betrieb wird eine Flüssigkeit vorgezogen, die einen Kochpunkt gut über der durchschnittlichen Umgebungstemperatur hat. Vorzüglich sollte der Hohlraum 606 50% mit Flüssigkeit und 50% mit Gas gefüllt werden. Dies ermöglicht dem Dampfdruck, sich ohne wesentliche hydrostatische Veränderungen zu ändern. Weiter kann das Material in der Hohlraum 606 keine Reaktion mit den Seitenflächen des Hohlraums 606, noch mit dem Widerstand 610, noch mit dem Material der Scheibe 602, noch mit der Bindung zwischen der Scheibe 602 und der Scheibe 604 eingehen. Das Material in dem Hohlraum 606 kann sich auch nicht bei normalem Betrieb zersetzen. Für den besten Betrieb muß dieses Material ein hohes Verhältnis der Änderung in Dampfdruck pro Einheitsänderung in der Energie, die in das Material für Heizzwecke eingegeben wird. Es ist wichtig, sowohl die Zersetzungstemperatur des ausgewählten Materials zu kennen, das den Hohlraum 606 füllen wird, wie auch die Betriebstemperaturen, die der Apparat erlebt. Eine Zersetzung des Materials könnte zu einer gefährlichen Unstabilität führen.
- Es wird für die Füllmündung 612 erfordert, daß sie ein kleines Loch sei, das der Hohlraum 606 an die umgebende Atmosphäre bindet. Dieses Loch kann im allgemeinen der y Achse folgen, wie in Abbildung 81 gezeigt wird, oder es kann eine Grube sein, die in der Oberfläche 644 der Scheibe 602 geätzt ist, die zu einer Mündung 646 am Umriß des Chips führt. In der Grubenkonstruktion kann die Grube geäzt werden durch konventionelle Photolithographie und Ätzvorgänge. Die Füllmündung 646 sollte so klein wie möglich sein, um totes Volumen zu minimieren. Mehrfachstrukture der Querschnittsansicht von Abbildung 81 werden typisch auf einer Scheibe hergestellt, die aus einer Kombination von Scheiben 600, 602 und 604 besteht. Alle Füllmündungen 646 können dann simultan geformt werden, oder sie können auch in Reihenfolge geformt werden. Die Methode der Füllmündungsherstellung sollte das Widerstandsmuster 610 nicht zerstören.
- Das Dichtungsmaterial 614 dient, um das Fülloch 612 hermetisch zu dichten, nachdem der Hohlraum 606 mit dem in sie gestellten Material abgefüllt ist. Die Methoden, Material in den Hohlraum zu stellen, werden demnächst beschrieben. Das Material für die Pflocke 614 kann weder mit Flüssigkeit noch mit einem anderen Material eine Reaktion eingehen, weder während der Aufhärtung der Dichtungspflocke 614 noch während des Betriebes der Ventilenstruktur. Es ist vorzuziehen, daß das Dichtungspflockemmaterial einen hohen Wärmeleitungsbeiwert hat, und daß es thermisch stabil bei den zu erwartenden Betriebstemperaturen ist. Alternative Methoden, die Füllmündung 612 zu dichten, sind durch Lichtstrahlwiederschmelzung, wobei einen Anteil des Glases in Scheibe 602, welcher der Füllmündung 612 umgibt, geschmelzt wird, um das Loch einzufüllen. In der vorbezugten Konstruktion wird eine Epoxiepflocke gebraucht. Eine andere mögliche Alternative ist es, die Seitenflächen der Füllmündung 612 auf konventioneller Weise zu metallisieren, und danach Lötmittel in das Loch 612 zu schmelzen oder einen Elektroplattierungsvorgang durchzuführen.
- Da der Bauvorgang des Ventils in Abbildung 81 dem Bauvorgang von den Ventilen in Abbildungen 1 und 15 ähnelt, wird keine Sonderreihenfolge von Bearbeitungsabbildungen in diesem Text gezeigt. Es folgt jedoch eine Diskussion des Vorganges, wobei die Ventilenstruktur für Abbildung 81 gemacht wird. Einzelne Bearbeitungsvorgänge, die am besten mit der Hilfe einer Abbildung besprochen werden können, werden mit ihren entsprechenden Abbildungen dargestellt.
- Der erste Vorgang von dem Verfahren, wobei die Struktur von Abbildung 1 gemacht wird, besteht darin, eine Siliziumscheibe mit einer Dicke von ungefähr 380 Mikron aufzunehmen und sie mit Silizium(IV)oxid auf allen Flächen zu einer Dicke von ungefähr 1,2 Mikron zu oxidisieren. Das Oxid wird zunächst an dem Ort abgeäzt, wo der Hohlraum 606 (oder Höhlungen bei denen Mehrfach-Ventile auf einer Scheibe gestaltet werden sollen) gestaltet werden soll. Der Hohlraum wird dann durch eine nasse Ätzung mit KOH bei 80ºC mit einer Lösung von 30% nach Gewicht geformt. Diese KOH Ätzung ätzt bei einer Geschwindigkeit von 1,2 Mikron pro Minute. Die Ätzung wird zeitlich abgemessen, damit die erwünschte Dicke der Membrane 608 erzielt wird.
- Nachdem der Hohlraum 606 gestaltet ist, wird das übrigbleibende Silizium(ZV)oxid von der Oberfläche der Siliziumscheibe 604 abgestreift. Das Widerstandsmuster 610 wird danach geformt. Dies wird typisch erzielt durch Sputtertechnik oder durch die Verdünstung von Nichrom, Aluminium, oder eine Mischung aus Titan, Wolfram und Kupfer, auf die Oberfläche 644. Andere Materialien können auch verwendet werden. Standarde Photolithographie wird dann gebraucht, um ein Schlangenwiderstandsmuster zu definieren, wobei die Kontaktstege und die Zuführungen von den Kontaktstegen zu dem Widerstand eingeschlossen werden. Nachdem diese Strukture photolithographisch mit Resist definiert werden, wird einen Ätzung unternommen, um die Metallschicht so geätzt wird, daß das Widerstandsmuster 610 bleibt. Danach wird das übrige Photoresist entfernt.
- Die Bearbeitung stellt sich dann auf die Pyrexglasscheibe 600 um. Der erste Vorgang besteht aus der Platzierung einer Chromschicht auf die ganze Fläche 624 der Scheibe 600. Das Chrom wird eigentlich noch vor dem Ätzen der Eingaben und Ausgaben, je nach dem, auf die Fläche 624 gestellt. Daher wird kein Chrom den Boden der Bahnen 616 und 618 decken. Diese Chromschicht kann entweder durch Sputtertechnik oder Verdünstung verlagert werden.
- Photolithographie wird zunächst durchgeführt, um die Bahnen der Eingabemündung 616 und die Ausgabemündung 618 und die Schlangenmesa 620/622 zu definieren. Hinsichtlich Abbildung 82 wird diese Photolithographie im Grunde sowohl alle Flächen der Hochhitzscheibe 600 abdecken, die 620 oder 620/622 markiert sind, wie auch die Flächen, die 634 und 636 markiert sind. Dies läßt nur die Oberfläche der Hochhitzscheibe 600 bloßgestellt, die geäzt werden soll, um die Eingabe- und Ausgabemündungen 616 und 618 zu gestalten. Eine Ätzung, der unverdünnten HF und HNO&sub3; in Einsatz nimmt, wird dann ausgeführt, um die Bahnen 616 und 618 zu ätzen, wobei die Mesa 620/622 in dem Gebiet, das mit der Diaphragma gekoppelt werden soll, stehen bleibt.
- Es wäre von Vorteil, die Bahnen 616 und 618 in der Pyrexglasscheibe 600 durch anisotropische Ätzung zu formen. Eine anisotropische Ätzung für Pyrexglas existiert jedoch nicht, der die gleichen Eigenschaften hat, wie anisotropische Ätzungen für Silizium. Wenn aber für Scheibe 600 Silizium gewählt wird, ist eine anisotropische Ätzung vorzuziehen, um die Bahnen 616 und 618 zu formen, da eine solche Ätzung vertikale Seitenflächen hinterläßt, was zur Folge hat, daß das Längenverhältnis wesentlich verbessert und den "on" Flußwiderstand abbaut. Andere Möglichkeiten für eine Pyrexätzung betragen Sandstrahlen oder KOH Ätzung.
- Das übrigbleibende Photoresist wird zunächst entfernt, und einen neuen Abdeckungsvorgang wird ausgeführt, um Photoresist über die Fläche, die als 620/622 mit dem gefleckten Muster in Abbildung 82 markiert ist, zu verteilen. Auf gerade dieser Fläche muß das Chrom oben auf der Mesa 620 gelassen werden, um eine Bindung zwischen der Mesaoberfläche und der Unterfläche 638 des Diaphragmas 608 entgegenzuwirken. Nachdem das Photoresist entwickelt worden ist, wird ein Chromätzvorgang unternommen, um alles Chrom von den Flächen oberhalb der Mesa abzuätzen, welche mit Photoresist nicht gedeckt sind, und um das Chrom von den Flächen 634 und 636 in Abbildung 82 zu entfernen. Andere Möglichkeiten bestehen aus dem Entfernen des Chroms von dem Pyrexglas und dem Abblagern von Polyimid auf die Unterfläche 638 von der Siliziumscheibe 604 in einem viereckigen oder quadratformigen Muster, der die Fläche einbeschließt, wo die Mesa mit dem Diaphragma 608 in Kontakt kommen wird, sobald das Ventil geschlossen ist.
- Die Pyrexglasscheibe 600 ist jetzt bereit, mit der Siliziumscheibe 604 zu binden. In der vorbezugten Konstruktion wird dies anodisch dadurch erzielt, indem man die Scheiben 602 und 600 abgleicht und die Temperatur auf 350ºC dreißig Minuten lang erhöht, während eine Spannung von 800V aufgelegt wird, so daß Strom zwischen der Scheibe 604 und der Scheibe 600 fließt.
- Die Pyrexglasscheibe 602 kann zunächst an die Scheibe 604 gebunden werden, nachdem das Widerstandsmuster 610 korrekt abgeglichen worden ist, so daß sie in dem Hohlraum 606 einbeschlossen wird. Diese Bindung wird auch in der vorbezugten Konstruktion anodisch ausgeführt. Bei manchen Ausführungen wird der Hohlraum 606 noch vor der Herstellung der Bindung zwischen Scheibe 602 und 604 mit der Flüssigkeit gefüllt, die in sie eingeschlossen werden soll. In der vorbezugten Konstruktion wird die Scheibe 602 an der Scheibe 604 anodisch gebunden, wobei die Hohlraum 606 leer bleibt. Bei diesen Ausführungen ist der nächste Vorgang das Laserbohren des Füllochs 612 mit einem CO&sub2; Laser, der bei 20 Wattstromstufe pulsiert, oder bei einer ausreichenden Stufe, um das Pyrexglas von Scheibe 602 gänzlich bis zum Hohlraum 606 durch zu verdunsten. Obwohl es möglich ist, das Fülloch 612 chemisch zu bohren, ist es sehr schwer, dies zu erzielen und dabei den Umriß des Füllochs klein zu halten. Das stammt daher, daß der vertikale Ätzgeschwindigkeitsgrad entlang der y-Achse mit einem horizontalen Ätzgeschwindigkeitsgrad entlang den x- und z-Achsen gekoppelt ist. Da es nötig ist, durch 385 Mikron Pyrexglas zu ätzen, kann das Loch sehr groß werden in bezug auf den Umriß der x-z Ebene. Mechanisches Bohren des Füllochs 612 neigt auch dazu, ein größeres Loch herzustellen, als erwünscht ist.
- Die Flüssigkeit kommt zunächst in den Hohlraum 606. Die Vorzugsmethode, wobei man Letzteres erzielt, besteht darin, die ganze in Abbildung 81 abgebildete Struktur in eine Kammer zu verlagern, und das ganze System zu evakuieren. Diese Methode läßt Kammer 606 im evakuierten Zustand. Nachdem das System bis zur erwünschten Vakuumstufe hinuntergepumpt wird, wird die Vakuumpumpe abgestellt und die erwünschte Flüssigkeit, die in Kammer 606 verlagert werden soll, in das Druckgefäß eingegossen, bis sie die ganze Struktur deckt, die in Abbildung 81 gezeigt ist. Das System wird dann zur Atmosphäre ventiliert und bis zu einem positiven Druck von 50 psi unter Druck gesetzt. Dies zwingt die Flüssigkeit durch das Fülloch 612 und in den Hohlraum 606. Der Hohlraum 606 bleibt danach komplett voll. Etwas Flüssigkeit kann von dem Hohlraum 606 entfernt werden bei Ausführungen, wo dies sich als nötig erweist, indem die ganze Struktur zu einer vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer aufgeheizt wird. Diese Zeitdauer und Temperatur und die Druckstufe, bei der dieser Vorgang ausgeführt wird, sollten experimentell festgestellt werden. Die entstehende Zeitdauer basiert sich auf die Art von Flüssigkeit in dem Hohlraum 606, auf den Umriß des Füllochs 612, und auf den Betrag der Flüssigkeit, welche in Hohlraum 606 hinterbleiben soll, nachdem der Verdünstungsvorgang vollbracht ist. Bei vielen Anwendungen kann der Hohlraum 606 gänzlich voller Flüssigkeit gelassen werden. Bei diesen Ausführungen fällt der Vorgang, ein Teil der Flüssigkeit vor dem Abdichten von Füllmündung 612 aus dem Hohlraum 606 zu evakuieren, aus.
- Eine andere Methode, wobei man versichern kann, daß der Hohlraum 606 nur bis zu dem erwünschten Grad aufgefüllt wird, besteht darin, hohle oder solide Leichtbälle, wie zum Beispiel aus Styropor, oder metallerne Kugellager in den Hohlraum 606 zu verlagern, bevor die Scheibe 602 an den Hohlraum 604 gebunden wird. Die Zahl und Größe der Bälle, die in dem Hohlraum 606 verlagert werden sollen, wird so kalkuliert, daß der Hohlraum den erwünschten Flüssigkeitsbetrag erhält, nachdem der Hohlraum evakuiert und die Flüssigkeit in sie hinein durch die Füllmündung 612 gezwungen wird.
- Die Füllmündung 612 wird zuletzt mit einer Pflocke aus Epoxie 614 abgedichtet.
- Abbildung 84 veranschaulicht in Querschnittsansicht ein Diagramm eines integrierten Druckregulierapparats, welcher ein Ventil verwendet, das aus der Zusammenstellung, die in Abbildung 81 abgebildet ist, besteht. Dieser Druckregulierapparat dient den Zweck, den Druck in der Ausgabemündung 648 zu regulieren, um diesen Druck bei einem von dem Gebraucher festgestellten Grad zu erhalten. Druck in der Ausgabemündung 648 wird durch den Betrieb zweier als "Ventil 1" und "Ventil 2" angegebenen Ventile aufgehalten. Ventil 1 hat eine Eingabemündung 650, die an einer Hochdruckquelle (nicht gezeigt) gekoppelt ist. Diese Hochdruckquelle ist an der Ausgabemündung 648 über einer Bahn 652 gekoppelt, welche sich auf der anderen Seite der Mesa der Ventil 1 von der Eingangsweg 650 befindet, bei 654 gezeigt. Ventil 2 ist von der Ausgabemündung 648 über einer Bahn 656 zu einem Tiefdruckausflußweg 658 auf der anderen Seite der Mesa 660 von Ventil 2 gekoppelt.
- Druck in der Ausgabemündung 648 wird durch das Öffnen und Schließen von Ventil 1 und 2 gemäß des Koppelns der Ausgabemündung mit entweder der Hochdrucksquelle oder dem Tiefdrucksausfluß, um Druckänderungen in der Ausgabemündung 648 auszubessern. Wenn der Druck in der Ausgabemündung zu tief sinkt, wird Energie in den Hohlraum von Ventil 2 eingegeben, um Ventil 2 zum Öffnen zu bringen. Dies koppelt die Hochdruckquelle zur Ausgabemündung 648 über die Bahnen 650 und 652. Wenn der Druck in der Ausgabemündung 648 zu hoch steigt, wird Ventil 1 dadurch geöffnet, indem Energie in ihren Hohlraum eingegeben wird, damit die Tiefdruckausflußsenke (nicht abgebildet) mit der Ausgabemündung 648 über Bahnen 658 und 656 gekoppelt wird.
- Druck in der Ausgabemündung 648 wird durch einen kapazitiven Drucksensor 662 wahrgenommen. Dieser kapazitiver Drucksensor besteht aus einem evakuierten Hohlraum 664 und zwei Leitungsfolien, welche, jeweilig bei 666 und 668 gezeigt, durch das Vakuum des Hohlraums getrennt sind. Der Hohlraum 664 wird zwischen der Unterfläche 670 einer Pyrexglasscheibe 672, welche als die Oberscheibe der Ventile 1 und 2 dient, und einem in der Siliziumscheibe 676 geformten Diaphragma 674 gestaltet, welche die Mittelscheibe der zwei integrierten Ventile umfaßt. Das Diaphragma 674 wird durch das Ätzen der Oberfläche 678 der Siliziumscheibe geformt, um die Oberflächenvertiefung zu gestalten, welche der Hohlraum 664 werden wird; und dann wird die Oberfläche 680 der Siliziumscheibe 676 in die entgegengesetzte Richtung geätzt, richtungs Oberfläche 678, bis der Hohlraum 682 gestaltet wird. Der Hohlraum 682 wird von den Hohlraum 664 durch das Diaphragma 674 getrennt. Da das Diaphragma ungefähr 30 Mikron dick ist, wird sich dieses Diaphragma entsprechend des Druckdifferentials zwischen dem Hohlraum 682 und dem Hohlraum 664 biegen. Da der Hohlraum 682 im Flüssigkeitsverkehr mit der Ausgabemündung 648 steht, wird sich das Diaphragma 676 entsprechend Druckänderungen in der Ausgabemündung 648 biegen. Dies bringt die Leitungsplatten 666 und 668, den Druckänderungen nach, entweder näher zusammen oder weiter auseinander zu rücken. Die Bewegung zwischen den Leitungsplatten ändert die Kapazitanz, und diese Änderungen können von außerhalbstehenden Schaltungen (nicht gezeigt) wahrgenommen werden.
- Jegliche konventionelle außerhalbstehende Schaltung (nicht gezeigt) kann verwendet werden. Diese Schaltungen wären typisch an den Platten 666 und 668 des Kondensators gebunden und würden die Kapazitanzänderungen wahrnehmen. Diese Änderungen würden zu dem in der Ausgabemündung 648 existierenden Druck geordnet. Dieser abgeleitete Druck wäre mit einem von dem Gebraucher eingegebenen Druck verglichen, um ein Fehlersignal (nicht gezeigt) herzustellen. Ventilensteuerschaltung würde dieses Fehlersignal bekommen und demgemäß die Widerstände oder andere Energiequellen, die an Ventile 1 und 2 gekoppelt sind, zu einem Öffnen des entsprechenden Ventils zwingen, damit der Druck in der Ausgabemündung 648 dem erwünschten Druck näherkommt.
- Die Schaltungen, die Ventile 1 und 2 steuern und die den Druck in der Ausgabemündung 648 wahrnehmen, sind für die Erfindung nicht unbedingt notwendig, und jegliche konventionelle Schaltung, die diese Aufgabe erfüllen könnte, wäre genügend, um diese Erfindung anzuwenden. Die Ausgabemündung 648 wird durch das Laserbohren eines großen Lochs in der untersten Pyrexglasscheibe 684 geformt, die die Zwecke der Pyrexglasscheibe 600 von Abbildung 81 für sowohl Ventil 1 wie auch Ventil 2 erfüllt.
- Abbildung 85 veranschaulicht in Querschnittansicht das Diagramm eines integrierten Flußregulierapparats. In dieser Struktur umfassen eine obere Pyrexglasscheibe 686 und eine untere Pyrexglasscheibe 690 zwischen sich in Kombinations- Struktur eine Siliziumscheibe 690. In dieser Drei-Scheiben- Kombination ist ein Strömungsregler, genannt Ventil #1, geformt, das die gleiche Struktur hat und auf gleicher Weise hergestellt wird wie das Ventil, das in Abbildung 81 gezeigt ist. Dieses Ventil steuert die Flußmenge zwischen einer Eingabemündung 692 und einer Ausgabemündung 694. Die Eingabemündung 692 ist an einem Strom fließenden Materials gekoppelt, für den der Flußgeschwindigkeitsgrad gemäß eines vom Gebraucher stammenden Regelungssignals gesteuert wird. Die Ausgabemündung 694 ist an einem Flußweg 698 gekoppelt, die einen Flußgeschwindigkeitsmeßapparat beinhaltet. Auf der Unterseitenfläche 695 von der obersten Pyrexglasscheibe 686 gibt es drei geformte Widerstandsmuster, die als Flußsensor dienen. Diese Widerstandsmuster sind als Widerstände 1, 2, und 3 markiert.
- Widerstand 2 wird bei konstantem Stromgrad getrieben, um den Widerstand bei konstanter Temperatur aufzuhalten.
- Widerstände 1 und 3 sind nicht aktiv durch Strom getrieben. Diese Widerstände werden statt dessen gebraucht, um die Temperaturdifferential zwischen der Temperatur bei Widerstand 1 und der Temperatur bei Widerstand 3 wahrzunehmen.
- Dieses Temperaturdifferential ändert sich mit dem Flußgeschwindigkeitsgrad auf folgender Weise. Da der Widerstand 2 heißer ist als Widerstände 1 und 3, gibt es eine Temperaturdifferential. Dies verursacht Wärmeleitung weg von dem Widerstand 2 und in die Richtung von Widerständen 1 und 3. Wenn es keinen Fluß im Flußweg 698 gäbe, würden beide Widerstände 1 und 3 schließlich die gleiche Temperatur erreichen. R-Gleider 1 und 3 sind aus einem Material gemacht, das den Widerstand gemäß der Temperatur ändert. Die Temperaturen von Widerständen 1 und 3 können also gemessen werden, in dem man den Widerstand durch sie abmißt. Wenn Material von links nach rechts im Flußweg 698 fließt, wird die Wärmeleitung des Materials, das vom Widerstand 2 in Richtung Widerstand 1 im Flußweg 698 fließt, gehindert, wogegen die Wärmeleitung des Materials, das in Richtung Widerstand 3 von dem Widerstand 2 im Flußweg 698 fließt, erhöht wird. Widerstand 1 wird daher kühler sein als R-GLied 3. Die Temperaturdifferential zwischen Widerstand 1 und Widerstand 3 kann daher zur Flußgeschwindigkeit des im Flußweg fließenden Materials zugeordnet werden.
- Außerhalbstehende Schaltungen (nicht gezeigt) aus konventionellem Design nehmen den Widerstandsfähigkeit von Widerständen 1 und 32 wahr und wandeln diese Information in die Temperaturdifferential um, die zwischen diesen beiden Widerständen entsteht. Jegliche konventionelle Schaltung, die diese Aufgabe erfüllen kann, ist genügend für den Zweck, diese Erfindung anzuwenden. Diese Temperaturdifferential wird dann zu einem Flußgeschwindigkeitsgrad des im Flußweg fließenden Materials zugeordnet, in Übereinstimmung mit einer Tabelle, die die Werte bewahrt, die experimentell festgestellt werden für die besondere Art des im Flußweg fließenden Materials. Der auf dieser Weise festgestellte Flußgeschwindigkeit kann dann mit der erwünschten Flußgeschwindigkeit verglichen werden, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Dieser Fehlersignal wird dann in eine Ventilensteuerschaltung von konventionellem Design eingespeichert, die das Fehlersignal in eine Veränderung der Kraftstufe umwandelt, für die Kraft, die in das Material eingegeben wird, das in den Hohlraum von Ventil 1 eingekapselt ist. Wenn die Flußgeschwindigkeit im Flußweg 698 zu hoch ist, wird mehr Energie in das im Hohlraum von Ventil 1 eingeschlossene Material eingegeben. Dies erhöht den Dampfdruck im Hohlraum und bringt das Diaphragma vom Ventil in die negative y-Richtung zum Biegen. Dies verringert die Lücke zwischen dem Diaphragma und der Mesa, wodurch der Flußgeschwindigkeitsgrad zwischen der Bahn 692 und der Bahn 694 abgeschnitten und den Fluß in der Bahn 698 verringert wird. Wenn die Flußgeschwindigkeit zu niedrig ist, wird weniger Energie zu dem in Ventil 1 eingeschlossenen Material eingeführt, was erlaubt, daß das Diaphragma sich in die positive y-Richtung bewegen. Dies verschnellert auch die Strömung im Flußweg.
- Abbildung 86 veranschaulicht eine andere Konstruktion des integrierten Flußsteuerapparats. Diese Konstruktion wirkt nach demselben Prinzip, das in Abbildung 85 gebraucht wird. Der prinzipielle Strukturunterschied von der Konstruktion in Abbildung 85 besteht darin, daß jeder der Widerstände 1, 2 und 3 im Flußweg 698 durch einen Nitridträger suspendiert wird, der an den Grenzen des Flußweges 698 von der obersten Scheibe 713 und der mittleren Scheibe 705 unterstützt ist. Dies reduziert die direkte Wärmeleitung zwischen Widerstand 2 und Widerständen 1 und 3. Der Grund dafür ist, daß die Widerstände das Material, das im Flußweg fließt, den Widerstand ganz umgeben. Ein höherer Prozentsatz der Wärme fließt daher durch das fließende Material und weniger Wärme fließt durch die Widerstandsunterstützungsstruktur.
- Die suspendierten Widerstände von Abbildung 86 können für die Heizelemente von jeglicher der Ventilen oder anderer Strukturen, die in diesem Text beschrieben sind, verwendet werden. Die Methode, wobei man diese suspendierten Widerstansstrukture macht, ist die folgende. Abbildung 87 zeigt eine Querschnittsansicht die senkrecht zur x-Achse der Flußhöhlung 698 des Flußregulierapparats der Abbildung 86 gemacht ist, bei einem frühen Stadion von dem Bau des suspendierten Widerstandes. Abbildung 88 zeigt den Nitridträger 711, der die Widerstände 1,2, und 3 in Planansicht umfaßt, und zeigt die Lager der Querschnittsansichten von Abbildungen 86 und 87. Abbildung 87 zeigt nur der Widerstand 1 während einer Bauphase mit dem Widerstand in zwei Schichten von Nitrid mit der Bezeichnung 700 und 702 umhüllt, nachdem der Flußweg 698 geätzt worden ist. Die Methode von Abbildung 87 ist gleich anwendbar für die Zusammensetzung der Widerstandsheizelemente bei jeglicher der in diesem Text beschriebenen Ausführungen.
- Das in Abbildung 87 gezeigte Stadion wird dadurch erreicht, indem man eine erste Schicht von Nitrid 700 auf die oberste Siliziumscheibe 713 verlagert, bevor die Grube 698 (oder den Hohlraum 606 mit eingeschlossener Flüssigkeit) geformt wird. Die Dicke der Schicht 700 soll der Dimension A in Abbildung 86 gleich sein.
- Nachdem die Nitridschicht 700 verlagert wird, wird sie mit einer Schicht 707 aus Metall oder anderem Widerstandsmaterial, von der Art, von der das Widerstandsmuster gemacht werden soll, beschichtet. Danach wird konventionelle Photolithographie ausgeführt, um eine Photoresistschicht zu formieren, welche diejenigen Gebiete des Widerstandsmaterial schützt, die nach dem Ätzen bleiben sollen, um das Widerstandsmuster zu gestalten. Abbildung 88 zeigt ein Schlangenwiderstandsmuster in Planansicht für Widerstände 1, 2 und 3. Das Photoresistmuster sollte das Metall schützen, um das Muster von Abbildung 88 nach dem Ätzen zu formieren. Abbildung 87 zeigt das Schlangenwiderstandsmuster von Abbildung 88 in Querschnitt der Feldlinie 87-87' in Abbildung 88 entlang.
- Nach der Formierung des Widerstandsmusters wird eine zweite Nitridschicht 702 auf die erste Nitridschicht 700 und auf das Widerstandsmuster verlagert, damit das Widerstandsmuster vollkommen umhüllt ist. Dann wird eine Photoresistschicht 708 verlagert, um einen Anteil der beiden Nitridschichten zu decken, wo die Trägerstützen des Widerstandsmuster gestaltet werden sollen. Die Photoresistschicht 708 wird auch so entwickelt, daß die Nitridpositionen, wo Löcher 701 und 703 durch das Nitrid zu gestalten sind, exponiert werden. Die Löcher 701 und 703 sind dort über dem Nitridträger verteilt, wo es kein Widerstandsmaterial gibt, und sie erlauben, daß die Grube 698 durch Ätzen in dem Flußregulierapparat (oder den Hohlraum jeglicher der anderen in diesem Text beschriebenen Ausführungen) gestaltet werden kann. Abbildung 88 zeichnet die Löcher, die bei 45º zur [100] Achse abgeglichen werden sollen, und zeichnet nur eine typische Gruppierung von den obenerwähnten Löchern. Die ganze Struktur untergeht danach eine Nitridätzbearbeitung, die sämtliches Nitrid, das nicht von der Photoresistschicht 708 gedeckt ist, wegätzt, um die Löcher 701 und 703 in dem Nitridträger 711 zu hinterlassen. Der ganzen Struktur untergeht eine andere KOH Ätzung, um die Grube 698 (oder den Hohlraum für die eingeschlossenen Flüssigkeit in Ventilskonstruktionen) zu gestalten, indem man das Silizium der obersten Scheibe 713 durch die Löcher 701 und 703 ätzt. Dies läßt jeden Widerstand, wie in Abbildung 88 gezeigt ist, in einem Nitridträger verhüllt. Dieser Träger ist über dem Flußweg 698 (oder über den Hohlraum mit der eingekapselten Flüssigkeit) suspendiert. Jeder Träger wird von zwei Stützpunkten unterstützt, die bei 712 und 714 gezeigt und sind und die an der obersten Scheibe 713 bei der Überkreuzung mit der mittleren Scheibe 705 angebunden sind.
- Diese Stützpunkte 712 und 714 sind wesentlich aus dem Widerstandsmaterial der Träger, das in Nitridschichten 700 und 702 umhüllt ist und das zwischen der obersten Scheibe 713 und der mittleren Scheibe 705 in Kombination-Schichtung steht. Die Anteile 720 und 722 von jedem Widerstandsmuster wird dann zu den Ausschlußplätzen ausgedehnt, wobei Bindung zu dem Widerstandsmuster hergestellt wird.
- Abbildung 89 veranschaulicht eine Ventilenstruktur mit einem Diaphragma, das aus zwei Materialien besteht, die das Diaphgragma bistabil mit Hysterese macht. Der einzige Unterschied in Abbildung 89 von dem in Abbildung 81 gezeigten Ventil ist eine zusätzliche Schicht 730 eines Materials, das zum Diaphragma 608 beigefügt wird, um ihm eine bistabile Eigenschaft zu verleihen. Alle anderen Elemente der Struktur sind die gleichen und sind ähnliche Positionsnummer, wie die in der Konstruktion von Abbildung 81, zugeschrieben. In der Konstruktion von Abbildung 89 ist eine Chromzusatzschicht 730 der inneren (in dem Hohlraum 606) Fläche S1 von dem Diaphragma 608 zugefügt worden. Diese Chromschicht 730 ist in Spannung, welches verursacht, daß das Diaphragma 608 in den ersten seiner zwei bistabilen Zustände biegt. Dieser erste Zustand ist eine Deformation der Membrane 608 in den Hohlraum 606 (das Zentrum der Membrane wird in die positive y Richtung gegen die Scheibe 602 gezogen). Dies bringt das Ventil dazu, auch wenn Nulldruck auf die Eingabemündung 616 aufgebracht wird, offen zu sein. Jeder Druck, der auf die Eingabemündung aufgebracht wird, öffnet das Ventil noch weiter. Um das Ventil zu schließen, muß ausreichende Wärme an der eingekapselten Flüssigkeit in dem Hohlraum 606 gekoppelt werden, um den Dampfdruck genug zu erhöhen, daß die Kräfte der Chromschicht 730 und jegliche andere von der Aufwendung von Druck auf die Eingabemündung stammenden Kräfte überwunden werden, damit das Diaphragma 608 in die negative y Richtung so deformiert wird, daß es mit dem Ventilsitz 620/622 in Dichtungskontakt kommt.
- Die in Abbildung 89 gezeigte Struktur hat eine schnellere Öffnungszeit als das Ventil von Abbildung 81 oder als andere in diesem Text beschriebenen Ventile. Das Ventil öffnet sich, wenn die Flüssigkeit in dem Hohlraum 606 erlaubt wird, ausreichend abzukühlen, damit der Dampfdruck in dem Hohlraum unter den Spiegel fällt, der zum Überwinden der Kräfte nötig ist, die sowohl von der Chromschicht 730 wie auch von dem Druck, der auf die Eingabemündung 616 aufgelegt wird, stammen. Wenn dies vorkommt, schnappt das Diaphragma in den ersten bistabilen Zustand, wobei das Diaphragma nicht länger in Dichtungskontakt mit dem Mesaventilsitz 620/622 steht.
- Abbildung 90 veranschaulicht eine andere Konstruktion einer bistabilen Ventilzusammenstellung. Die Struktur der Abbildung 90 ist die gleiche wie die Struktur von Abbildung 81 mit ähnlichen Elementen aufgezeigt durch die gleichen Positionsnummern, außer, daß eine Zusatzschicht 732 von Material zu der Unterfläche S2 von Diaphragma 608 zugefügt wird, um ihm eine bistabile Eigenschaft zu verleihen, die aus dem Besitz zweier stabilen Deformationspositionen besteht, gegen die es vorgespannt ist. In der Konstruktion wird Polyimid anstatt Chrom für die Schicht 732 verwendet, da Polyimid eine bessere Dichtungseigenschaft besitzt, wenn es mit dem Ventilsitz 620/622 in Kontakt gebracht wird. Die Polyimidschicht 732 ist in Spannung wenn sie auf die Oberfläche aufgelegt wird. Dies neigt dazu, das Diaphragma sowohl in die negative y Richtung zu deformieren wie auch zu einem bistabilen Zustand zu bringen, der die Fläche S2 auf den Ventilsitz zu ruhen bringt. Der andere bistabile Zustand besteht aus einer Diaphragmadeformierung in die positive y Richtung.
- Das Ventil von Abbildung 90 bleibt geschlossen, wenn unausreichenden Druck auf die Eingabemündung 616 aufgelegt wird, um das Diaphragma in den zweiten bistabilen Zustand zu deformieren, mit dem Diaphragma in der positiven y Richtung deformiert. Das Ventil bleibt auch zu, wenn normaler Betriebsdruck auf die Eingabemündung 616 aufgewendet wird und wenn ausreichende Wärme auf die Flüssigkeit in Hohlraum 606 aufgewendet wird, um den Dampfdruck dazu zu bringen, die Restkraft zu überwinden, welche bleibt, nachdem die von der Polyimidschicht verursachte Vorspannkraft substrahiert wird von der Kraft, welche resultiert, wenn Druck auf die Eingabemündung aufgewendet wird. Das Ventil wird offen sein, wenn ausreichender Druck auf die Eingabemündung aufgewendet wird, um die Vorspannkraft zu überwinden, die von der Polyimidschicht verursacht wird, und wenn der Hohlraum bei normaler Betriebstemperatur unter dem Kochpunkt der Flüssigkeit ist. Wenn Wärme zum Hohlraum gekoppelt wird, was die Flüssigkeit zu einer Temperatur über den Kochpunkt erhöht, und der Dampfdruck zu einem ausreichend hohen Grad steigt, schnappt das Diaphragma in den ersten bistabilen Zustand zu.
Claims (36)
1. Vorrichtung, umfassend ein erstes Halbleitersubstrat (12)
mit einer Ausnehmung (10), die darin tief genug
ausgebildet ist, um zumindest eine biegsame Wand (18) zu
bilden,
ein zweites Substrat (22), welches mit dem ersten
Halbleitersubstrat (12) verbunden ist, um die Ausnehmung
(10) in einen hermetisch abgedichteten Behälter
umzuwandeln,
eine Menge eines Materials, die in der Ausnehmung
eingeschlossen ist, wobei das Material den Druck in der
Ausnehmung erhöhen oder ansonsten bei Erwärmung eine
Kraft auf die biegsame Wand ausüben kann, und
Vorrichtungen, die innerhalb der Ausnehmung zur
Änderung der Temperatur des darin eingeschlossenen
Materials integriert vorgesehen sind, um Druckänderungen
innerhalb der Ausnehmung (10) und eine Ablenkung der
biegsamen Wand (18) zu bewirken.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend ein
drittes Substrat (30), das in der Nähe der biegsamen Wand
(18) befestigt ist und das in sich integriert eine
Vorrichtung zur Verwendung der Ablenkung der biegsamen
Wand für sinnvolle Aufgaben aufweist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei Einsatz als
integriertes fluidisches Mikro-Miniatur-Ventil, weiterhin
umfassend eine Flüssigkeitsstrombahn, die in dem dritten
Substrat (30) integriert ist, wobei die Bahn eine Öffnung
aufweist, durch die eine zu steuernde Flüssigkeit strömen
muß, wobei die Öffnung durch einen Raum zwischen der
biegsamen Wand (18) und einer abdichtenden Oberfläche
(26) festgelegt ist, die auf dem dritten Substrat (30)
integriert ist, wobei die biegsame Wand (18) mit der
abdichtenden Oberfläche (26) zur Steuerung des
Flüssigkeitsstroms zusammenwirkt.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, worin die
Vorrichtungen zur Änderung der Temperatur des
eingeschlossenen Materials ein Widerstandselement (20)
umfassen, das auf der Oberfläche des zweiten Substrats
(22) ausgebildet ist, wobei Leiter von dem Widerstand
(20) wegführen, um anderswo auf der Oberfläche des
zweiten Halbleitersubstrates (22) Anschlußflächen
("Pads") zu berühren, und wobei die Anschlußflächen und
Leiter so ausgelegt sind, daß sie den Fluß elektrischen
Stromes durch den Widerstand (20) ermöglichen.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, worin die
Vorrichtungen zur Änderung der Temperatur des
eingeschlossenen Materials einen Lichtleiter umfassen,
der zur Leitung von Lichtenergie in die in der Ausnehmung
(10) enthaltene Materialmenge geeignet ist.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, worin die
Vorrichtungen zur Änderung der Temperatur des
eingeschlossenen Materials Vorrichtungen zur Hin- und
Herleitung von Wärme zwischen der Umgebung und dem
Material umfassen.
7. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche,
worin der hermetisch abgedichtete Behälter eine Wand
umfaßt, die von der Oberfläche (21) des zweiten
Substrates (22) definiert wird, sowie einen Graben (10),
der in das erste Halbleitersubstrat (12) geätzt ist, um
eine dünne biegsame Wand (18) und eine Vielzahl von
anderen Wänden zu erhalten.
8. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche,
worin die biegsame Wand (18) aus einem Polyimid besteht.
9. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche,
worin die biegsame Wand eine Faltung aufweist, so daß
sich die biegsame Wand durch Entfaltung biegen kann,
bevor die Dehnung des Materials der biegsamen Wand
beginnt.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, worin das erste
Halbleitersubstrat eine Silizium-Wafer mit einer ä100)
Kristallausrichtung umfaßt, und der Graben (10) in die
Silizium-Wafer (12) bis zu einer gewissen Tiefe eingeätzt
wird, so daß er weit genug durch die Dicke der Wafer
verläuft, um eine Siliziummembran (18) am Grund des
Grabens zu hinterlassen, und das zweite Substrat (22)
eine Pyrex-Wafer umfaßt, welche über der Öffnung des
Grabens (10) hermetisch abgedichtet ist.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, worin der
hermetisch abgedichtete Behälter eine Wand (21) umfaßt,
die von dem zweiten Substrat (22) definiert ist, und
einen Graben (10), welcher in das erste
Halbleitersubstrat (12) eingeätzt ist, um eine dünne biegsame Wand
(18) und eine Vielzahl anderer Wände zu ergeben;
das erste Halbleitersubstrat (12) eine Silizium-
Wafer umfaßt; und
das zweite Substrat (22) eine Pyrex-Wafer umfaßt,
auf der ein Widerstandsmuster (20) ausgebildet ist,
welches so angeordnet ist, daß sich bei Verbindung der
Pyrex-Wafer (22) und der Silizium-Wafer (12) das
Widerstandsmuster (20) in dem Graben (10) befindet.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, worin
das erste Substrat (12) eine Silizium-Wafer umfaßt;
die Ausnehmung in dem ersten Substrat einen Graben
mit Wänden (14, 16) umfaßt, welche in einem vorbestimmten
Winkel geneigt sind und eine vorbestimmte Tiefe bezüglich
der Dicke der Wafer aufweisen, um die biegsame Wand (18)
der Ausnehmung (10) zu bilden;
das zweite Substrat (22) eine Wafer umfaßt, die ein
Widerstandsmuster (20) aufweist, welches in eine
leitende Schicht auf seiner Stirnfläche eingeätzt ist und
Leiter hat, die quer über die Fläche des zweiten
Substrates verlaufen, das mit dem Widerstandsmuster (20)
elektrisch verbunden ist, und von dem Widerstandsmuster
(20) zu elektrisch leitenden Verbindungsflächen
verlaufen, so daß eine externe Stromquelle Strom durch
das Widerstandsmuster (20) leiten und Wärme in Inneren
der Ausnehmung (10) erzeugen kann;
das zweite Substrat (22) an dem ersten Substrat (12)
befestigt ist, so daß das Widerstandsmuster (20)
innerhalb der Abgrenzungen der Ausnehmung (10) enthalten
ist, und derart, daß eine im wesentlichen hermetische
Abdichtung um die Ausnehmung (10), mit der Ausnahme von
Kriechstrecken an den Rändern der Leiter, die zu den
Verbindungsflächen verlaufen, herum gebildet wird;
die Menge an Material, die in der Ausnehmung (10)
eingeschlossen ist, eine Substanz umfaßt, welche einen
Dampfdruck hat, der mit der Temperatur schwankt, so daß
bei Erwärmung oder Abkühlung des Materials die sich
ergebenden Druckveränderungen eine Ablenkung der
biegsamen Wand (18) verursachen, und weiterhin umfassend
eine metallische Auflage auf den Verbindungsflächen
und den Leitern, wobei diese metallische Auflage die
Kriechstrecken in die Ausnehmung (10) ausfüllt und die
Ausnehmung (10) hermetisch abdichtet.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, worin der
hermetisch abgedichtete Behälter (84) von der Oberfläche
des zweiten Substrates (80), welches mit dem ersten
Substrat (102) verbunden ist, den Seiten (86, 88) eines
Loches durch das erste Halbleitersubstrat (102), und
einer biegsamen Membran (90), die auf das erste
Halbleitersubstrat (102) abgedichtet ist und von diesem
gestützt wird, vorgegeben wird.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, worin
das zweite Substrat (80) eine Pyrex-Wafer umfaßt,
auf deren einer Oberfläche ein Widerstandsmuster (82)
eingeätzt ist;
das erste Halbleitersubstrat (102) eine Silizium-
Wafer umfaßt, die erste und zweite parallele Oberflächen
sowie ein Loch durch die Wafer von der ersten bis zur
zweiten Oberfläche aufweist, wobei die Öffnung des Loches
auf der ersten Fläche so dimensioniert ist, daß es das
Widerstandsmuster (82) umgibt, so daß bei Verbindung des
ersten Substrates mit der Pyrex-Wafer (80) das
Widerstandsmuster (82) und die Pyrex-Wafer (80) das Loch
abdecken, und wobei die Öffnung des Loches an der zweiten
Oberfläche einen Abdichtungsblock aus Silizium (98) hat,
welcher sich über dieser zweiten Öffnung befindet, auf
gegenüberliegenden Seiten dieser Öffnung verbunden und
derart geformt und ausgerichtet ist, daß er eine Brücke
über der Öffnung bildet, wobei der Abdichtungsblock (98)
weiterhin so geformt ist, daß er eine im wesentlichen
flache Abdichtungsfläche bildet; und die Vorrichtung
weiterhin folgendes umfaßt:
eine Schicht aus Abstandsmaterial (87), welche an
einem Abschnitt der Wände des Loches befestigt ist;
eine biegsame Polyimidmembran (90), welche mit dem
Abstandsmaterial (87) und der Pyrex-Wafer verbunden ist;
die hermetisch abgedichtete Kammer (84) von der
Polyimidmembran (90) und der Pyrex-Wafer (80) sowie dem
Widerstandsmuster (82) darauf definiert wird, wobei die
Polyimidmembran (90) in ihrem ungebogenen Zustand eine
äußere Oberfläche aufweist, die am weitesten von der
ersten Oberfläche der Silizium-Wafer (102) entfernt ist
und welche von der Abdichtungsfläche des
Abdichtungsblockes (98) beabstandet ist, um eine
Flüssigkeitsdurchlaßöffnung zwischen der
Abdichtungsoberfläche und der Polyimidmembran (90) zu
bilden;
ein drittes Substrat (94), welches mit der zweiten
Oberfläche des ersten Halbleitersubstrats (102) und mit
dem Abdichtungsblock (98) verbunden ist, um einen
Flüssigkeitsdurchlaß zu bilden, der eine Eingangsöffnung
(92) und eine Ausgangsöffnung (100) hat, und einen
Flüssigkeitsstromweg, der jedweden Flüssigkeitsstrom
durch die von der Polyimidmembran (90) und dem
Abdichtungsblock (98) gebildete Öffnung leitet;
wobei das dritte Substrat (94) eine Pyrex-Wafer ist;
und
die feste Menge eines Materials mit einem
Dampfdruck, der mit Temperaturänderung schwankt, in der
von der Polyimidmembran (90) und dem zweiten Substrat
(80) gebildeten Kammer (84) eingekapselt ist.
15. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, worin
das dritte Substrat (600) erste und zweite parallele
Seiten hat;
der Flüssigkeitsstromweg ein Eingangskanal (616) und
ein Ausgangskanal (618) ist, welche auf der ersten Seite
des dritten Substrates eingeätzt sind, wobei der
Eingangs- und der Ausgangskanal von einem Ventilsitz
(620) in Form einer Wand getrennt sind, welche den
Eingangskanal von dem Ausgangskanal trennt;
die Abdichtungsfläche (622), die Teil des
Ventilsitzes ist, mit der biegsamen Wand zusammenwirkt,
um die Flüssigkeit (selektiv) durchzulassen;
und
die erste Seite des dritten Substrates mit dem
ersten Substrat (604) an im wesentlichen allen Punkten
verbunden ist, außer einem bevorstimmten Bereich, der die
Fläche umgibt, wo die biegsame Wand auf den Ventilsitz
auftrifft.
16. Vorrichtung gemaß Anspruch 15, worin der Eingangskanal
(616) und der Ausgangskanal (618) jeweils eine Vielzahl
von herausragenden Fingern aufweisen, die so ineinander
greifen, daß der Ventilsitz die Form eines schlängelnden
Tafelberges (620/622) annimmt, welcher die Finger des
Eingangskanals von den Fingern des Ausgangskanals trennt.
17. Vorrichtung gemaß Anspruch 15 oder 16, worin die
Vorrichtungen zum Ändern der Temperatur des
eingeschlossenen Materials ein Widerstandsmuster (610)
umfassen, welches auf der Oberfläche des zweiten
Substrates ausgebildet ist.
18. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, 16 oder 17, worin die
Oberfläche des Ventilsitzes (620), die die biegsame Wand
(608) berührt, mit einer Chromschicht überzogen ist.
19. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, 16 oder 17, worin die
Oberfläche der biegsamen Wand (608), die den Ventilsitz
(620) berührt, mit Polyimid überzogen ist.
20. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, 16 oder 17, worin:
das erste (604) und das dritte Substrat (600)
anodisch miteinander verbunden sind; und
die Oberfläche des Ventilsitzes (620), die die
biegsame Wand (608) berührt, mit einem Material überzogen
ist, welches eine anodische Verbindung zwischen der
biegsamen Wand (608) und dem Ventilsitz (620) verhindert.
21. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß einem
der voranstehenden Ansprüche, folgende Schritte
umfassend:
Ausbildung einer Ausnehmung (404) in einem ersten
Halbleitersubstrat (398), welches erste und zweite, im
wesentlichen parallele Seiten hat, wobei die Ausnehmung
(404) eine Öffnung auf der ersten Seite des ersten
Substrates aufweist und zumindest eine biegsame Wand;
Integrierung einer Heizvorrichtung (412) in einer
ersten Oberfläche eines zweiten Substrates (410); und
Einkapseln eines Materials in der Ausnehmung (404),
welches einen Dampfdruck hat, der mit der Temperatur
schwankt, wobei die Einkapselung dadurch vollzogen wird,
daß die erste Oberfläche des zweiten Substrates (410) mit
der ersten Seite des ersten Substrates (398) verbunden
wird, so daß die Öffnung der Ausnehmung abgedichtet wird
und die Heizvorrichtung (412) sich innerhalb der
Ausnehmung (404) befindet.
22. Verfahren gemäß Anspruch 21, den weiteren folgenden
Schritt umfassend:
Ausbildung einer Flüssigkeitsstrombahn und eines
Abdichtungsblockes in einem dritten Substrat und
Verbinden des dritten Substrates mit dem ersten Substrat,
so daß bei Nicht-Biegung der biegsamen Wand Raum zwischen
der biegsamen Wand und dem Abdichtungsblock entsteht,
welcher eine Öffnung bildet, durch die die gesamte
(selektiv) durchzulassende Flüssigkeit strömen muß und so
daß bei Biegung der biegsamen Wand diese die Öffnung
schließen und die Flüssigkeit durchlassen kann.
23. Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, worin der Schritt
der Bildung einer Ausnehmung in dem ersten Substrat (12)
den Schritt der Ätzung eines Grabens (10) in der ersten
Seite des ersten Halbleitersubstrats auf eine solche
Tiefe umfaßt, daß eine biegsame Wand (18) übrigbleibt,
die von dem Grund des Grabens und der zweiten Seite des
ersten Substrates gebildet wird.
24. Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, worin der Schritt
der Bildung einer Ausnehmung in dem ersten Substrat
folgende Schritte umfaßt:
Ätzen eines Grabens (106; 404) in der ersten Seite
des ersten Halbleiters (102; 398);
Einbringung einer Schicht aus Abstandsmaterial (220;
406) in dem Graben;
Aufbringung einer Schicht aus Polyimid (222; 408)
über der Abstandsschicht;
Wegätzen des Polyimids, das sich auf der Oberfläche
des ersten Substrates außerhalb des Perimeters des
Grabens befindet;
Ätzen der zweiten Seite des ersten Substrates (102;
404) bis zumindest ein Abschnitt der Abstandsschicht
(112; 406) freiliegt; und
Wegätzen zumindest eines Teils der Abstandsschicht,
um eine Polyimidmembran zu bilden, wobei die
Polyimidmembran die biegsame Wand der Ausnehmung (84)
darstellt.
25. Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, worin der Schritt
der Bildung einer Ausnehmung in dem ersten Substrat den
folgenden Schritt umfaßt:
Ätzen eines Grabens (218) in die erste Seite des
ersten Halbleiters, wobei dieser Graben zumindest eine
Treppenstufe oder Diskontinuität in seinen Seitenwänden
aufweist;
Einbringung einer Schicht aus Abstandsmaterial (220)
in den Graben;
Aufbringung einer Schicht aus Polyimid (222) über
der Abstandsschicht;
Wegätzen des auf der Oberfläche des Substrates,
außerhalb des Perimeters des Grabens liegenden Polyimids;
Ätzen der zweiten Seite des Substrates, bis
zumindest ein Abschnitt der Abstandsschicht (220) freiliegt;
und
Wegätzen einer ausreichenden Menge der
Abstandsschicht, um eine Polyimidmembran zu bilden, die eine
Faltung aufweist, wobei diese Faltung von der Stufe oder
Diskontinuität in den Seitenwänden des Grabens gebildet
wird, und wobei die Polyimidmembran die biegsame Wand der
Ausnehmung bildet.
26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, worin der
Schritt der Integration einer Heizvorrichtung in dem
zweiten Substrat den Schritt des Ätzens eines
Widerstandsmusters (20) in ein leitendes Material umfaßt,
welches auf der ersten Oberfläche des zweiten Substrates
(22) aufgebracht ist, wobei das Muster klein genug ist,
um in die Öffnung der Ausnehmung (10) in dem ersten
Substrat (12) zu passen und Metalleitungen aufweist, die
von dem Widerstandsmuster (20) zu Verbindungsflächen
verlaufen, wobei die Metalleitungen und Verbindungsfläche
elektrisch mit dem Widerstandsmuster (20) verbunden und
so angeordnet sind, daß der Benutzer elektrischen Strom
durch das Widerstandsmuster schicken kann.
27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 26, worin der
Schritt der Einkapselung des Materials und Verbindens des
ersten und des zweiten Substrates folgende Schritte
umfaßt:
Aufsetzen des ersten (12) und zweiten Substrates
(22) in Anwesenheit des einzukapselnden Materials, wobei
das Material ggf. unter Druck steht, so daß das
einzukapselnde Material die Ausnehmung (10) ausfüllt; und
anodische Verbindung des zweiten Substrates (22) mit
dem ersten (10), so daß das Material in der Ausnehmung
(10) eingeschlossen ist, wobei die Öffnung der Ausnehmung
von dem zweiten Substrat hermetisch abgedichtet ist, und
die Heizvorrichtung (20) innerhalb der Ausnehmung
angeordnet ist.
28. Verfahren gemäß Anspruch 26, worin der Schritt der
Einkapselung des Materials folgende Schritte umfaßt:
in Anwesenheit von Vakuum, Verbinden des zweiten
Substrates (22) mit dem ersten (12), so daß das
Widerstandsmuster (20) im wesentlichen innerhalb der
Öffnung der Ausnehmung (10) angeordnet ist, wobei die
Verbindung im wesentlichen eine vollständige Abdichtung
bildet, mit Ausnahme von Kriechstrecken in die Ausnehmung
an den Seiten der Metalleitungen;
Eintauchen der Struktur in eine Kammer, die ein
einzukapselndes flüssiges Material enthält und ggf.
Unterdrucksetzen der Kammer, um die Füllgeschwindigkeit
der Ausnehmung durch die Kriechstrecken zu erhöhen; und
nachdem die Ausnehmung in einem von dem Benutzer
festgelegten Maße gefüllt ist, Befestigung der
Verbindungsflächen und Metalleitungen als Kathode in
einem galvanischen System, einschließlich eines Bades aus
Galvanisierlösungsmittel, und Aufbringen einer
ausreichenden Menge Metalls auf die Verbindungsflächen
und Metalleitungen, um die Kriechstrecken zu verstopfen
und die Ausnehmung hermetisch abzudichten.
29. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 26, worin der
Schritt der Einkapselung des Materials folgende Schritte
umfaßt:
Verbinden des zweiten Substrats (80) mit dem ersten
Substrat, so daß die Heizvorrichtung (82) sich im Inneren
der Ausnehmung (84) befindet und die Ausnehmung
hermetisch abgedichtet ist;
Ausbilden eines Fülloches (118) durch das zweite
Substrat (80), um einen Flüssigkeitszutritt in die
Ausnehmung (84) zu ermöglichen;
Füllen der Ausnehmung (84) mit einer vom Benutzer
festgelegten Menge des einzukapselnden Materials; und
Abdichten des Fülloches (118).
30. Verfahren gemäß Anspruch 29, worin das Fülloch (118)
lasergebohrt ist und der Schritt des Füllens der
Ausnehmung das Einsetzen der zwei Substrate mit dem
offenen Fülloch in eine Kammer einschließt, welche die
einzukapselnde Flüssigkeit oder Gas enthält, sowie ggf.
das Unterdrucksetzen der Kammer, um die
Füllgeschwindigkeit zu erhöhen.
31. Verfahren gemäß Anspruch 22 oder einem der Ansprüche 23
bis 30, soweit rückbezogen auf Anspruch 22, worin der
Schritt der Ausbildung des Flüssigkeitsstromweges und
Verbinden des ersten und des dritten Substrates folgende
Schritte umfaßt:
Verwenden eines Halbleitersubstrates mit einer
ersten und zweiten, im wesentlichen parallelen Seite für
das dritte Substrat (100);
Ätzen eines Düsengrabens (68) in einer ersten Seite
des dritten Halbleitersubstrates (100);
Abmaskierung eines Abschnittes der
Abdichtungsoberfläche der zweiten Seite des dritten
Substrates (100) und Ätzen der Rückseite der zweiten
Oberfläche, so daß nach Entfernen der Maske die
Abdichtungsoberfläche als Tafelberg (28) aus der zweiten
Seite hervortritt, wobei die Abdichtungsfläche so geformt
und angeordnet ist, daß sie eine geätzte rückseitige
Öffnung darin aufweist und innerhalb des Perimeters des
Düsengrabens (68) angeordnet ist, wenn der Perimeter auf
die zweite Seite des dritten Substrates projiziert wird;
Abmaskierung eines mehrfachen Grabenabschnittes der
zweiten Seite des dritten Substrates, ohne die Maske der
Abdichtungsoberfläche zu entfernen, und Ätzen der zweiten
Seite der Rückseite des dritten Substrates auf
ausreichende Weise, um einen Graben (24) in der zweiten
Seite um die Abdichtungsoberfläche herum zu bilden, wobei
die Ätzung auch tief genug ist, um vollständig durch die
zweite Wafer innerhalb der Öffnung in der
Abdichtungsoberfläche zu dem Düsengraben zu verlaufen, um
eine Düsenöffnung in der Abdichtungsoberfläche zu
schaffen;
Entfernen des ganzen Maskenmaterials und Oxids von
der zweiten Seite des dritten Substrats; und
Verbinden der zweiten Seite des dritten Substrates
mit der ersten Wafer, so daß die Abdichtungsoberfläche
und Düsenöffnung so angeordnet sind, daß wenn die
biegsame Wand (18) weit genug in Richtung auf das dritte
Substrat gebogen wurde, diese biegsame Wand auf der
Abdichtungsoberfläche aufliegen und den Fluß jedweden
durch die Düsenöffnung fließenden Materials unterbrechen
würde.
32. Verfahren gemäß Anspruch 31, worin der Schritt der
Verbindung des dritten Substrates mit dem ersten folgende
Schritte umfaßt:
Ausbildung einer Schicht (54) aus Material auf der
zweiten Seite des ersten Substrates, welche in der Lage
ist, die Abwanderung eines ausgewählten Metalles mit der
Tendenz, in den Halbleiter des dritten Substrates
abzuwandern, zu blockieren;
Ausbildung einer Schicht (56) des ausgewählten
Metalles mit der Neigung, in den Halbleiter auf der
Abwanderungsblockierungsschicht zu diffundieren; und
Zusammenfügen der zweiten Seiten des ersten und
dritten Substrates und Erhitzen der Struktur auf eine
ausreichend hohe Temperatur für eine ausreichend lange
Zeitdauer, um eine ausreichend weite Diffusion der
Metallschicht (56) in das dritte Substrat (100) zu
bewirken, um eine Bindung zu schaffen.
33. Verfahren gemäß Anspruch 32, worin:
der Schritt der Bildung einer Blockierungsschicht
(54) auf dem ersten Substrat (12) weiterhin dadurch
gekennzeichnet ist, daß eine Schicht aus Oxid, Wolfram,
Titan oder einer anderen Diffusionsschranke auf der
zweiten Seite eines ersten Substrates aus Silizium,
Germanium oder Galliumarsenid oder einem anderen
Halbleitermaterial ausgebildet wird; und
der Schritt der Ausbildung einer Schicht (56) mit
der Neigung, in einen Halbleiter zu diffundieren,
weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß eine
Aluminiumschicht über der Blockierungsschicht aufgebracht
wird.
34. Verfahren gemäß Anspruch 21, worin
der Schritt der Bildung einer Ausnehmung durch Ätzen
eines Grabens (106) in einer ersten Seite des ersten
Substrates (102) mit ersten und zweiten parallelen Seiten
vollzogen wird; und weiterhin folgende Schritte umfaßt:
Aufbringung einer Abstandsschicht (112) auf der
ersten Seite;
Aufbringung einer Polyimidschicht (114) auf der
Abstandsschicht;
Bildung einer Maske aus Photoresistlack (116)1 die
das Polyimid in dem Graben abdeckt;
Wegätzen des gesamten Polyimids außer dem von der
Maske bedeckten;
Abmaskieren eines Abdichtungsblockes (98) auf der
zweiten Oberfläche der ersten Wafer, wobei dieser Block
die Breite des Grabens in der ersten Wafer überbrückt;
Wegätzen des Siliziums auf der zweiten Oberfläche,
außer dem von der Maske bedeckten, bis die
Abstandsschicht (112) freiliegt;
Wegätzen eines Teils der Abstandsschicht, wodurch
ein offener Raum zwischen dem Abdichtungsblock (98) und
dem Polyimid (90) entsteht; und
Entfernen des gesamten Maskenmaterials;
wobei die Integration einer Wärmequelle in dem
zweiten Substrat durch Ätzen eines Widerstandsmusters
(82) in ein leitendes Material, das auf der ersten
Oberfläche des zweiten Substrats (80) aufgebracht ist,
vollzogen wird, wobei das Muster klein genug ist, um in
die Öffnung der Ausnehmung (84) in dem ersten Substrat
(102) zu passen und Metalleitungen (242/243) hat, die von
dem Widerstandsmuster zu Verbindungsflächen (240/241)
verlaufen, wobei die Metalleitungen und die
Verbindungsfläche elektrisch mit dem Widerstandsmuster
(82) verbunden sind und so angeordnet, daß der Benutzer
elektrischen Strom durch das Widerstandsmuster schicken
kann; und
Verbinden einer dritten Wafer (94) mit dem
Abdichtungsblock (98), um den Flüssigkeitsdurchlaß zu
bilden, der jedwede durch den Durchlaß strömende
Flüssigkeit dazu zwingt, durch eine Öffnung zu fließen,
die in dem Raum zwischen dem Abdichtungsblock (98) und
dem Polyimid (90) enthalten ist.
35. Verfahren gemäß Anspruch 34, worin der Schritt der
Einkapselung des Materials in der Ausnehmung folgende
Schritte umfaßt:
in Anwesenheit eines Vakuums, Verbinden des zweiten
Substrates (80) mit dem ersten (102), so daß das
Widerstandsmuster (82) im wesentlichen innerhalb der
Öffnung der Ausnehmung (84) liegt, wobei die Verbindung
im wesentlichen eine vollständige Abdichtung bildet, mit
Ausnahme von Kriechstrecken in der Ausnehmung an den
Seiten der Metalleitungen (243/242);
Eintauchen der Struktur in eine Kammer, die ein
einzukapselndes flüssiges Material enthält, und ggf.
Unterdrucksetzen der Kammer, um die Füllgeschwindigkeit
der Ausnehmung durch die Kriechstrecken zu erhöhen; und
nachdem die Ausnehmung auf ein von dem Benutzer
vorgegebenes Maß gefüllt wurde, Befestigung der
Verbindungsflächen (240/241) und Metalleitungen (242/243)
als Kathode in einem galvanischen System, einschließlich
eines Bades eines Galvanisierlösungsmittels, und
Aufbringen einer ausreichenden Menge Metall auf den
Verbindungsflächen und Metalleitungen, um die
Kriechstrecken zu verstopfen und die Ausnehmung
hermetisch abzudichten.
36. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei Verwendung zur
Herstellung eines Wandlers mit taktiler Rückkopplung oder
eines Stellgliedes zur Mikropositionierung und weiterhin
folgende Schritte umfassend:
Ätzen eines Grabens (358) in der zweiten Seite des
ersten Halbleiters (354), Aufbringen einer Schicht aus
Abstandsmaterial (362) in den Graben, Aufbringen einer
Schicht aus Polyimid (364) über der Abstandsschicht;
wobei der Schritt der Bildung einer Ausnehmung (372)
durch Ätzen der ersten Seite des ersten Substrates, bis
zumindest ein Teil der Abstandsschicht (362) freiliegt,
vollzogen wird, und Wegätzen zumindest eines Teils der
Abstandsschicht zur Bildung einer Polyimidmembran, wobei
die Polyimidmembran die biegsame Wand der Ausnehmung
darstellt; und
der Schritt des Einkapselns des Materials in der
Ausnehmung durch Befestigung des zweiten Substrates (366)
an der ersten Seite des ersten Halbleitersubstrates (354)
vollzogen wird, um die Ausnehmung zwischen dem zweiten
Substrat (366) und dem Polyimid abzudichten, Füllen der
Ausnehmung mit einem Material mit einem Dampfdruck, der
mit Temperaturänderungen schwankt, durch einen
Flüssigkeitsverbindungsweg (370) zu der Kammer und
Abdichten des Flüssigkeitsverbindungsweges.
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