(57)【要約】本発明は流体の流れを制御する方法に関する。流体（560）は、単極モータの回転可能な円板（115）の第１の表面（196）に隣接配置された第１の流体ポート（105）に伝達される。流体は、回転可能な円板の少なくとも１つの開口部（130）を介して第２の流体ポート（110）に流れることができる。円板の回転は、流体流速を変えるように選択的に制御され得る。さらに、円板は、選択された１つの開口部を第１及び第２の流体ポートの少なくとも一方に位置整合させるように回転させられ得る。他の一構成においては、開口部の形状は、円周方向に増大する径方向の幅を有する。
2008508494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単極モータの回転可能な円板の第１の表面に隣接して配置された第１の流体ポートに、流体を伝達するステップ；及び
前記回転可能な円板の少なくとも１つの開口部を介して第２の流体ポートに前記流体を流すステップ；
を有する、流体の流れを制御する方法。
【請求項２】
流体流速を変えるために前記回転可能な円板の回転を選択的に制御するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
選択的に制御する前記ステップが、複数の開口部から選択された１つを前記第１及び第２の流体ポートの少なくとも一方に位置整合させるように、前記円板を回転させることを更に有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの開口部の形状を、その径方向の幅が円周方向に増大するように選定するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記円板の回転軸に整合された磁場の存在下で、前記円板に電流を流すことによって該円板を回転させるステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
回転可能な円板を有する単極モータ；
前記回転可能な円板の第１の表面に隣接して配置された第１の流体ポート；
前記回転可能な円板の第２の表面に隣接して配置された第２の流体ポート；及び
前記回転可能な円板の少なくとも１つの開口部；
を有する流体バルブ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの開口部が、円周方向に増大する径方向の幅を有する、請求項６に記載の流体バルブ。
【請求項８】
基板がセラミック基板、液晶高分子基板、及び半導体基板から成るグループから選択されている、請求項６に記載の流体バルブ。
【請求項９】
前記回転可能な円板の回転量を制御する閉ループ制御回路を更に有する請求項６に記載の流体バルブ。
【請求項１０】
前記閉ループ制御回路が、光センサー、ホールセンサー、流量センサー、及び電流センサーから成るグループから選択された少なくとも１つのセンサーを更に有する、請求項９に記載の流体バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れを制御する方法、及びマイクロ流体制御バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体系を組み込んだ様々なデバイスの小型化により、非常に小さい部品を有する流体系の必要性が高まっている。これらのシステムは、一般に、マイクロ流体系として知られている。マイクロ流体系は、数多くの開発中の技術領域において、ますます重要な役割を果たす可能性を秘めている。例えば、近年、マイクロエンジンでの液体燃料の使用や電子システムでの流体誘電体の使用に、ますます多くの関心が集まっている。
【０００３】
マイクロ流体系がますます重要な役割を果たしそうな他の技術分野は燃料電池である。燃料電池は、イオン伝導性の電解質を介して燃料と酸化剤とを電気化学的に結合させることにより電気と熱とを発生する。一部の種類の燃料電池は反応の副産物として廃水を生成する。この廃水は、このシステムから排出されるべく、流体管理サブシステムによって反応から運び出されなければならない。
【０００４】
現在、マイクロセルと呼ばれる非常に小さい燃料電池を作り出すことに努力が払われているところである。このようなマイクロセルは、最終的には多くの携帯型電子用途での使用に適応され得ると予想されている。例えば、このようなデバイスはノート型コンピュータや携帯電話に電力供給するために使用され得るものである。これらのデバイスが実用化されるには、マイクロセルは依然として、解決される必要がある設計課題を多く抱えている。例えば、燃料電池の反応を制御し、燃料を反応要素に届け、また反応で生成される水を処理するためには、小型化された電気機械システムが開発されなければならない。この点で、燃料電池設計の革新は、マイクロエレクトロニクス及びマイクロシステム工学の分野のシリコンプロセス等の技術に眼を向け始めているところである。
【０００５】
他の種類の殆どの流体系と同様に、マイクロ流体系は通常、個別部品として実装される制御バルブデバイスを組み込んでいる。しかしながら、個別部品は大きくなりがちであり、しばしば、小型化の努力を妨げている。さらに、このような制御バルブデバイスは、一般に、同時に使用しなければならない複数の可動部を有している。可動部はすり減る傾向にあるため、このようなデバイスの信頼性は一般的に可動部の数に反比例する。故に、マイクロ流体系での使用には、上述の制約を解決することが可能な内蔵制御バルブが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述の制約を解決することが可能な、マイクロ流体系で使用される内蔵制御バルブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、流体の流れを制御する方法に関する。流体は、単極モータの回転可能な円板の第１の表面に隣接配置された第１の流体ポートに伝達される。流体は、回転可能な円板の少なくとも１つの開口部を介して第２の流体ポートに流れることができる。円板の回転は、流体流速を変えるために選択的に制御され得る。さらに、円板は、選択された１つの開口部を第１及び第２の流体ポートの少なくとも一方に位置整合させるように回転させられ得る。他の一構成においては、開口部の形状は、円周方向に増大する径方向の幅を有する。
【０００８】
円板は第１の回転位置へと弾性的にバイアスを掛けられ得る。さらに、円板は当該円板の回転軸に整合された磁場の存在下で、当該円板に電流を流すことによって回転させられ得る。
【０００９】
本発明は更に単極モータを有する流体バルブに関し、この単極モータは少なくとも１つの開口部を有する回転可能な円板を具備している。開口部は、円周方向に増大する径方向の幅を有する。第１の流体ポートが前記円板の第１の表面に隣接して配置され、第２の流体ポートが前記円板の第２の表面に隣接して配置されている。
【００１０】
円板は第１の位置と、少なくとも第２の位置との間で回転運動を行うことができ、その結果、第１の位置では流体が第１の流体ポートから開口部を通って流れ、第２の位置では流体の流れが妨げられる。円板は第１の位置と第２の位置との間で連続的に変えられ得る。このマイクロ流体制御バルブは、円板の回転量を制御するための閉ループ制御回路及び少なくとも１つのセンサーを有し得る。センサーは光センサー、ホールセンサー、流量センサー、又は電流センサーとし得る。回転可能な円板に弾性的にバイアスを掛けるバイアス部材が含まれ得る。
【００１１】
円板は基板に定められた空洞内に配置される。基板は、セラミック基板、液晶高分子基板、又は半導体基板とし得る。第１の流体ポートに流体的に結合された流路もまた基板内に形作られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明はマイクロ流体制御バルブ（以下、制御バルブ）に関する。この制御バルブは、マイクロ流体系において、流体の流れをターンオン及びターンオフするだけでなく流体流速を制御するためにも使用可能である。重要なことには、この制御バルブは流体が流れる流体流路を含む基板に内蔵され得る。この制御バルブは、流体が流れ得る少なくとも１つの開口部を有する円板の回転によって、必要に応じて流体の流れを妨げる微小電気機械単極モータ（以下、単極モータ）を含むことができる。円板の回転により、流体流入口に対する開口部の配置が変えられるため、可変流体インピーダンスを実現できる。とりわけ、この円板は非常に小さくし得る。例えば、この円板は1cmより小さい、あるいは更に1mmより小さい直径を有することができる。従って、マイクロ流体系の外形は個別部品を用いた流体系と比較して小さくなる。さらに、マイクロ流体系に含まれる流体シール数が削減され、それにより、このマイクロ流体系は、比較上、より堅牢なものになる。
【００１３】
制御バルブは独立型のデバイスとしてもよいし、基板上の一層と大きいシステムに効果的に統合されてもよい。このような一層と大きいシステムには、燃料電池、マイクロモータ、及び他のＭＥＭＳ型デバイスが含まれ得る。その他の例には、ＲＦ分野の流体誘電体に基づくデバイスが含まれ得る。例えば、アンテナ素子、整合部、遅延線路、ビーム操舵素子、可調伝送線路、スタブ及びフィルタ、可変減衰器、並びに空洞構造などである。なお、本発明は如何なる特定種類のデバイスにも限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明に従った制御バルブ100を示している。制御バルブ100は様々な基板上に製造可能である。例えば、制御バルブ100は液晶高分子（ＬＣＰ）、セラミック、シリコン、ガリウム砒素、ガリウムナイトライド、ゲルマニウム又はインジウム燐から成る基板上に製造可能である。なお、本発明はそのように限定されるものではなく、微小電気機械製造プロセスに適した如何なる基板も使用され得る。
【００１５】
制御バルブ100は第１の流体流出／入口（以下、流体ポート）105と第２の流体ポート110とを有している。制御バルブ100はまた、中心部120及び径方向端部125を有する回転可能な導電性円板（以下、円板）115、又は回転部を有している。円板115には、この円板の中心部120と径方向端部125との間に配置された少なくとも１つの開口部130が設けられ得る。ここで定められるように、開口部は流体が流れる円板115内の開口である。開口部は中心部120と径方向端部125との間に定められる連続した周囲を有してもよいが、ここで用いられるように、この用語はそのように限定されない。例えば、開口部は、本明細書の意図内で、円板115を形成する材料によって部分的にのみ境界を設けられてもよい。流体の流れが所望されるとき、開口部は流体ポート110、115の少なくとも１つに位置整合、あるいは部分的に位置整合され得る。
【００１６】
図２は、破線２−２に沿ってとられた制御バルブの断面を示している。円板115の開口部130は、円板115内の開口240の連続した周囲235によって形を定められ得る。例えば、開口部130は第１端部245及び第２端部250を有する細長い形状とし得る。第２端部250は第１端部より狭くすることができる。さらに、開口部の幅255は第１端部245から第２端部250に向かって減少することができる。この構成においては、円板115を回転して開口部130の流体ポートの一方又は双方との整合を調節することによって、流体の流量調節は連続的に変えられ得る。例えば、少ない量の流量が所望される場合、円板115は開口部130の（より狭い）第２端部250が流体ポート105に位置合わせされるように向けられる。より多量の流量が所望される場合、円板115は開口部130の（より大きい）第１端部245が流体ポート105、110の一方又は双方に位置合わせされ得るように向けられる。さらに、流体の流れがないことが所望される場合、円板115の開口部を有さない部分260が流体ポート105に位置合わせされ得る。
【００１７】
図３に示されるような制御バルブ100の他の一構成においては、開口部305は円板115の周囲31における径方向の不連続部によって定められ得る（すなわち、円板115の周囲310は円板115の中心軸165から一定の半径315を有さない）。例えば、開口部305の第１端部320において、円板115は開口部305の第２端部325と比較して小さい半径を有することができる。
【００１８】
第１の位置で、流体ポート105が円板115によって妨げられないように、円板115は開口部305の第１端部320が流体ポート105の近くになるように配置され得る。この円板は、開口部305の第２端部325が流体ポート105の近くになり流体ポート105を通る流体の流れが円板115によって妨げられるように、第２の位置まで回転されることができる。円板115が第１の位置と第２の位置との間で回転されるとき、円板115の周囲320は流体ポート105上に延在して、ポートにおける流体インピーダンスを変化させることができる。円板115の最大半径315を有する部分が流体ポート105に近接する位置では、流体ポート105を通る流体の流れは停止され得る。例えば、この実施例では、流体の流れが停止されるまで流体の流れが徐々に低減されるように、円板115は時計回りに回転され得る。開口部の端部320が流体ポート105上を通って、流体ポート105間に円板の部分330を配置するように、円板115を反時計回りに回転させることにより、流体の流れはより早く停止され得る。
【００１９】
制御バルブ100の更に他の一実施形態においては、図４に示されるように、複数の開口部430が設けられ得る。この構成では、流量は連続的に変化され得るのではなく、不連続なステップで調節され得る。例えば、円板115は、所望の流量に適した大きさの開口部430が流体ポート430上に位置付けられるまで回転され得る。
【００２０】
なお、図２乃至４にて開示された実施形態は、単に例示目的で提示されたものであり、本発明はここで開示された円板及び開口部そのものに限定されるものではない。例えば、本発明に従ったまま、円板及び／又は開口部は、1つ又は複数の単極デバイスを用いる制御バルブによって流体の流れを制御するのに適した任意の形状又は構成を有するように設けられ得る。
【００２１】
再び図１を参照するに、円板115は、例えば基板175内に定められた空洞180の内部など、基板表面に近接して配置され得る。重要なことには、空洞180は実質的に円形、正方形、長方形、又はその他任意の所望形状である形状を有し得る。一構成において、円板115は、円板115の中心軸165周りの回転を容易にし、円板115を適切な動作位置に維持するための駆動軸（axle）170を具備し得る。とは言うものの、同様にその他の構成が設けられてもよい。例えば、他の一構成においては、空洞180は円板115を空洞180内に維持する低摩擦の周囲表面185を用いて構築され得る。更に他の一構成においては、円板115の中心軸165の位置に孔が設けられ得る。この孔は、円板115の動作位置を維持するように、例えば軸受などの円筒形の構造に適合し得る。
【００２２】
円板115と第１及び第２のポート105、110との間の封止を形成し、それにより流体を開口部130に導くために、ガスケット190、191が設けられ得る。例えば、円板115の上表面195と第２の流体ポート110との間にガスケット190が設けられ、円板115の下表面196と第１の流体ポート105との間にガスケット191が設けられ得る。制御バルブを流れる流体が誘電体である場合、この誘電体が円板115又は空洞180内に含まれる他の部品に対して腐食性でない限り、流体が封止を超えて空洞180内に漏出することは、一般に、問題とはならない。しかしながら、流体が導電性である場合には、複数のガスケットを円板115の上下両方に設け、空洞180内への流体の漏出の虞を最小化することが有利である。
【００２３】
図５は、図１の制御バルブ100の、破線５−５で取られた断面を示している。回転可能な円板115は磁場内に置かれている。磁場は磁力線505によって例示されており、典型的には円板115の表面510に垂直である。磁場を生成するために、１つ又は複数の磁石530が円板115の上方、及び／又は下方に設けられ得る。磁石530は永久磁石及び／又は電磁石を含み得る。
【００２４】
第１の接触ブラシ515は、円板の中心軸165に近接する中心部120近傍で円板115に接触することができる。第２の接触ブラシ520は、第１の接触ブラシ515から径方向に隔てられ、円板115の径方向端部125に接触することができる。第２の接触ブラシ520は径方向端部125の一部にわたって延在してもよいし、径方向端部125全体の下又は周りの周辺に延在してもよい。
【００２５】
一構成において、接触ブラシ（図示せず）が駆動軸160に接触するように設けられ得る。更なる接触ブラシも設けられ得る。例えば、接触ブラシは径方向端部125の複数箇所に接触するように、間隔を空けて円形パターンに配置され得る。同様に、接触ブラシは、複数箇所で中心部120に接触して中心部120に連続した周辺接触表面を形成するように、あるいは駆動軸160に接触するように、円板115の中心部120近傍に間隔を空けて配置され得る。
【００２６】
接触ブラシ515と520との間に電圧が印加されると、円板115に電流が流れることになり、磁力が移動電荷に作用する。そして、移動電荷が円板115に力を及ぼし、それにより円板が回転することになる。回転方向は、例えば、円板115の中心部120から径方向端部125に向かって電流が流れるのか、その逆なのかなど、円板115を流れる電流の方向に依存する。従って、導電性円板115の回転方向を変えたいときには、印加電圧の極性を変えればよい。
【００２７】
一構成において、円板115の回転量を制限するために制御ストッパが設けられ得る。例えば、円板115の中心軸165から或る半径距離の位置において、円板115に隆起部535が配置され得る。複数の隆起部540が、基板175の上部545から下に向かって延在することができる。隆起部540は中心軸165から、周囲のオフセット位置にある隆起部535とほぼ等しい半径距離に位置付けられ得る。隆起部535、540は、円板115の時計回りの最大の回転位置において隆起部535が第１の隆起部540で終端し、反時計回りの最大の回転位置において隆起部535が第２の隆起部540で終端するように、それぞれの表面に配置され得る。なお、円板115の回転を制限するために使用される方法は他に多数あり、本発明はこのように限定されるものではない。
【００２８】
一構成において、円板115は特定位置に弾性的にバイアスされ得る。例えば、円板115は時計回りの最大の回転、反時計回りの最大の回転、又はその他の任意の所望量の回転にバイアスされ得る。円板115にバイアスを掛けるため、１つ又は複数のバイアス部材565が、円板115又は駆動軸160と制御バルブ100内の他の任意の回転しない構造との間を接続し得る。例えば、バイアス部材565はバネ、ゴム部材、又は円板115にバイアスを掛けるために使用可能な他の任意のデバイスとし得る。この構成では、円板115の所望量の回転を達成するために、円板を流れる電流量、及び／又は磁場の強度が制御可能にされる。
【００２９】
他の一構成においては、円板115にバイアスを掛けるために電流（バイアス電流）が円板115を伝導させられる。例えば、円板115を最大の時計回り又は反時計回りの回転に維持するために円板115を少量の電流が流れる。バイアス電流は円板115の回転が所望されるときには除去され得る。
【００３０】
上述のように、円板115と第１及び第２のポート105、110との間の封止を形成し、それにより流体を開口部130に導くために、ガスケット190、191が設けられ得る。さらに、円板の回転量を監視するためにセンサー550が設けられ得る。例えば、センサー550は、流体の流速を制御する閉ループ制御系に含まれ得る。このような制御系は当業者には既知である。センサーは、例えば、円板の回転量を表す円板115上のマークを読み取る光センサーとし得る。このマークは、そのときに流体ポート105と110との間に配置されている開口部130の部分の幅と関連あるものにし得る。他の一構成においては、円板115の開口部130の幅を測定するために光センサーが使用され得る。
【００３１】
センサー550はまた、そのときにポート105と110との間に配置されている開口部130の部分の幅を測定するために使用されるホール（Hall）センサーとし得る。具体的には、開口部130の広い部分を有する円板115の部分は、開口部130の狭い部分を有する円板115の部分より少ない材料を有する。ホールセンサーは、円板115のそれぞれの部分の材料の量の変化によって磁気の影響の変化を測定するために使用可能である。
【００３２】
更に他の一構成においては、センサー550は流路555内の流体560の流れを測定するために流路555に近接して配置された流量センサーとし得る。センサー550はまた、円板115を流れる電流を監視する電流センサーとすることができ、その電流から円板の回転量が決定され得る。なお、当業者には制御バルブの動作を制御するために使用可能なセンサーは、この他にも無数に知られており、故に、本発明はここで述べられた実施例に限定されるものではない。
【００３３】
図６Ａ乃至６Ｃは、セラミック基板に制御バルブを製造するために使用可能な製造プロセスを表している。とは言うものの、図６Ａ乃至６Ｃに表された構造は、例えばＬＣＰ基板などの種類の異なる基板を用いて制御バルブを製造するためにも使用され得るものである。しかしながら、当業者に知られるように、ラミネート加工及びキュア処理は基板の種類毎に異なり得る。
【００３４】
使用可能なＬＣＰ基板の１つは、ロジャース社から入手可能なR/flex（登録商標）3000シリーズのＬＣＰ回路材料である。R/flex（登録商標）3000のＬＣＰは低損失正接性及び低吸湿性を有し、安定な電気的、機械的、及び寸法的な特性を維持する。R/flex（登録商標）3000のＬＣＰは50μmの標準厚さで入手可能であるが、その他の厚さも同様に提供され得る。
【００３５】
使用可能なセラミック基板の１つは、デュポン社からの低温951同時焼成グリーンテープ（登録商標）である。951同時焼成グリーンテープ（登録商標）はAu及びAgと相性が良く、熱膨張係数（ＴＣＥ）及び相対的強弱度に関して許容可能な機械的特性を有している。114μmから254μmの範囲の厚さで入手可能である。その他の類似の系統には、W.C.Heraeus社からのCT2000、及びフェロ社からのA6S型ＬＴＣＣとして知られる材料がある。これらの材料の何れも、様々な電気特性を有する他の多様なＬＴＣＣ材料と同様に使用可能である。
【００３６】
図６Ａを参照するに、第１の基板層602が設けられる。基板層の各々で使用される基板材は、製造プロセスで使用される前に前処理される。例えば、基板がセラミックである場合、セラミック材は適当な温度で所定時間にわたってベークされ、あるいは所定時間にわたって窒素乾燥ボックス内に入れられる。一般的な前処理サイクルは160℃で20-30分、又は窒素乾燥ボックス内で24時間である。何れの前処理プロセスもセラミック基板の分野で周知である。
【００３７】
第１の基板層602が前処理されると、制御バルブを介して流体を運ぶ流路630が基板層602内に形成される。図示された構成においては、流路630は第１の基板層602の底部表面632から該基板層602の頂部表面634まで延在しているが、本発明はそのように限定されるものではない。例えば、流路630の所望の直径より厚い基板層が使用される場合、流路630は底部表面632と頂部表面634との間に格納され、望まれる場合には流路630に接触するようにビアが使用され得る。
【００３８】
基板層を貫通して導電性を提供するために、導電性ビア636が第１の基板層602に形成される。基板に導電性ビアを形成することには、多くの技術が利用可能である。例えば、ビアは基板への機械的な孔開け、又は孔のレーザカットによって形成され得る。そして、この孔は、例えば従来からの厚膜スクリーンプリンタ、又は押し出しビアフィラーによって、導電体で充たされる。ビアの充填を支援するため、多孔質の石材を介して第１の基板層602に真空が適用される。第１の基板層602に導電性ビア636が形成されると、この導電体はボックスオーブン内にて適当な温度で適当な時間にわたって乾燥される。例えば、一般的な乾燥プロセスは、導電体を具備するセラミック基板を160℃で５分間ベークすることである。
【００３９】
ビア内の導電性フィラーが乾燥された後、第１の導電性回路配線638及び第２の導電性回路配線640が設けられる。回路配線638、640は第１の基板層602に、例えば標準乳剤厚膜スクリーン等の従来からの厚膜スクリーンプリンタを用いて堆積される。一構成において、回路配線638、640は第１の基板層602の反対側に堆積され、第１の回路配線638は導電性ビア636に電気的に接触する。第２の回路配線640は導電性ビアの周りに同心で延在する。とは言うものの、当業者に知られるように、無数の他の回路配置が設けられ得る。ビア充填プロセスと同様に、回路配線が第１の基板層602に設けられると、これらの回路配線はボックスオーブン内にて適当な温度で適当な時間にわたって乾燥される。
【００４０】
適当な前処理と回路配線及び／又はビアフィラーの乾燥との後、続く基板層が第１の基板層602に積層される。具体的には、第２の基板層604が第１の基板層602に積層される。第２の基板層は第１の基板層602の頂部の回路配線を絶縁する。第２の基板層はまたビア642、644を有し、これらのビアは、それぞれ、軸接触ブラシ646及び少なくとも１つの径方向の接触ブラシ648を形成するように材料で充たされる。これらのビアは、接触ブラシがそれぞれの回路配線638、640と電気的に接続されるように配置される。一構成において、複数の径方向接触ブラシ648、又は連続的な径方向端部接触ブラシが同心に、且つ軸接触ブラシ646から一様な半径位置に配置され、導電体とブラシとの間の正味の接触抵抗を低減する。
【００４１】
接触ブラシは、例えば導電性エポキシ、導電性高分子、カーボンナノ複合体又は導電性液体などの、接触ブラシでの使用に適した如何なる導電性材料をも含み得る。接触ブラシがカーボンナノ複合体などの固体材料である場合、接触ブラシは第２の基板層604内のビアに、従来からの厚膜スクリーンプリンタを用いてスクリーン印刷され得る。接触ブラシとして導電性液体が使用される場合、磁場がビア642、644内の導電性液体を包含するように、強磁性が導電性液体に組み込まれ得る。一構成において、軸接触ブラシ646はビア642の一部のみを充たし、このビアの頂部表面は第２の基板層604の上表面より下に置かれている。従って、ビア642はまた軸受としても機能する。第２の基板層604はまた、第２の基板層604の下表面652から上表面654に延在する流路650を含んでいる。流路650は流路630の一部と位置整合しており、その結果、流体は流路630と650との間を流れることができる。
【００４２】
第３の基板層606が第２の基板層604上に積層される。第３の基板層606は、ビア644の外側の半径（各ビアの、ビア642から最も離れた部分）に整合された径方向端部658を有する開口656を組み込んでいる。第４の基板層608が第１の基板層602の下に積層され、第１の基板層602の下表面632の回路配線を絶縁する。さらに、第５の基板層610が第４の基板層608の下に積層される。第５の基板層610はまた外側半径662を有する開口660を含んでいる。
【００４３】
第６の基板層614は該第６の基板層614の下表面666から上表面668に延在する流路664を含んでいる。さらに、第７の基板層616は該第７の基板層616の下表面672から上表面674に延在する流路670を含んでいる。流路670は流路664の一部と位置整合しており、その結果、流体は流路664と670との間を流れることができる。最終的に、第８の基板層618が設けられる。
【００４４】
ある場合には、基板層602、604、606、608、610、614、616、618の１つ又は複数の少なくとも一方の面に導電性の接地面（図示せず）を含むことも望ましい。例えば、ある基板層の表面にＲＦ回路が形成される場合、接地面が使用される。導電性の接地面はまた、ＲＦへの露出から部品を遮蔽するためや、その他広範な目的のためにも使用され得る。導電性金属の接地面が、基板と相性の良い導電性金属から形成され得る。なお、当業者に認識されるように、この接地面は本発明の目的では不要である。
【００４５】
図６Ｂを参照するに、最初の５層である602、604、606、608、610は積層されて、底部基板構造686を形成するとともに流路690を形作っている。基板層614、616、618は積層されて、頂部基板構造688を形成するとともに流路692を形作っている。重要なことには、ここで提示された層体系は単に例示である。より多数又は少数の基板層が用いられてもよい。
【００４６】
基板構造686、688を形成するように基板層が積層されると、各基板構造686、688が多様なラミネーション法によってラミネート加工される。１つの方法では、基板層は積層され、加熱された圧盤を用いて油圧で押し当てられる。例えば、一軸ラミネーション法は70℃に加熱された圧盤を用いて3000psiで10分間、基板層を一緒に押し当てる。最初の５分経過後に基板層は165°回転させられる。等方（isotatic）ラミネーション法では、基板層はプラスチックバッグ内に真空封止された後、温水を用いて押し当てられる。この場合の時間、温度、及び圧力は一軸ラミネーション法で使用されるのと同一とし得るが、５分後の回転は不要である。ラミネーション加工されると、構造686、688は平坦なタイル上の窯の内部で焼成される。例えば、基板層は200℃から500℃の間で１時間ベークされ、850℃と875℃との間のピーク温度が15分より長く加えられる。焼成プロセスの後、基板層に焼成後処理が施される。
【００４７】
図６Ｃを参照するに、空洞180内に円板115が設置される。円板115は、例えばアルミニウム、銅、黄銅、銀、金、鋼鉄、ステンレス鋼、又は他の任意の硬い導電性材料などの、導電体を有し得る。他の一構成においては、円板115は複数の材料、例えば、セラミック等の硬い材料にラミネート加工された半硬質の導電体、を有し得る。円板115は、下表面196に軸方向に配置された中心コンタクト676、及び同じく下表面196に配置された少なくとも１つの径方向のコンタクト678を有している。一構成において、径方向のコンタクト678は円板115の下側周辺領域680の周りに延在している。円板115は第２の基板層604の上に配置され、その結果、中心コンタクト676は軸接触ブラシ646と電気的に接触し、径方向コンタクト678は径方向端部の接触ブラシ648と電気的に接触している。従って、接触ブラシ646、648間に電圧が印加されると、電流は中心部120と径方向端部125との間を流れることができる。ビア642の径方向の壁682は円板115の中心コンタクト676に対する軸受面として機能し得る。他の例では、径方向の壁682と中心コンタクト676との間に軸受（図示せず）が組み込まれる。軸受は、例えば、電磁ベアリング又は静電ベアリングとし得る。
【００４８】
上述のように、円板115の動作を制御する制御回路で使用するためにセンサー684が設けられ得る。センサー684は、使用されるセンサーの種類に応じて、構造686、688、又は流路690、692の何れか、に取り付けられ得る。当業者に知られるように、センサーのデータを伝播するために、必要に応じて、回路配線が設けられる。
【００４９】
１つ又は複数の磁石が円板115の上、及び／又は下に固定され、円板115の回転軸に整合された磁場を供給する。例えば、磁石530が、円板115の下表面196から間隔を空けて配置されるように、例えば開口660内など、基板構造686の底部に取り付けられる。とは言うものの、本発明はこの点に限定されるものではない。例えば、磁石530はまた円板115の上表面195から間隔を空けて配置されてもよい。磁石530は、例えば磁石材料から形成された磁石などの永久磁石とし得る。例えば、磁石530はフェライト、ネオジム、アルニコ、セラミック、及び／又は磁場を発生するために使用可能な他の如何なる材料からも作成され得る。
【００５０】
磁石530はまた、例えば電磁石などの非永久磁石としてもよい。他の一構成においては、この磁石は１つ又は複数の永久磁石と１つ又は複数の非永久磁石との組み合わせ、例えば、１つ又は複数の磁石材料層に隣接する電磁石とし得る。上述のように、電磁石によって発生される磁場の強度は、この電磁石の導体を流れる電流を変化させることによって変えられることができ、このことは円板115の回転量を制御する更なる手段をもたらすものである。
【００５１】
他の典型的な一実施形態においては、制御バルブ100は、例えばポリシリコン微細加工プロセスを用いてシリコン基板などの半導体基板に製造される。ポリシリコンの微細加工はマイクロマシニング分野において周知である。このようなプロセスの１つがDavid  A.  Koester等の「MUMPs  Design  Handbook（Rev.7.0、2001年）」にて開示されている。典型的なポリシリコン微細加工プロセスが図７Ａ乃至７Ｈに示されている。しかしながら、本発明はここで開示されるプロセスに限定されるものではなく、他の半導体微細加工プロセスも使用可能である。
【００５２】
図７Ａを参照するに、第１のシリコン基板層（以下、第１シリコン層）702が設けられて、制御バルブ構造700の形成が開始される。第１シリコン層702は、例えばＩＣ製造で一般的に使用されるシリコンウェハである。ある場合には、第１シリコン層702は電気的絶縁性を有することが望ましい。従って、第１シリコン層702はドーピングしないか、軽くドーピングするのみかで形成され得る。
【００５３】
ポリシリコンの第１の構造層（以下、ポリ１層）704が、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）を用いて第１シリコン層702上に堆積される。そして、ポリ１層704は第１のチャネル部706を形成するようにエッチングされる。他の一構成においては、第１のチャネル部706の領域はポリ１層704を設けることに先立ってマスクされ、それによって、この第１のチャネル部706の領域への堆積が回避される。
【００５４】
第１のチャネル部706が形成された後、この部分は例えば二酸化シリコン（SiO2）又はリンシリケートガラス（PSG）等の犠牲部材707で充填される。後述するように、この犠牲部材はプロセスの最後に除去可能である。この犠牲部材はＬＰＣＶＤによって堆積され、回路にアニールされ得る。例えば、犠牲部材にPSGが使用される場合、この犠牲部材はアルゴン内で1150℃でアニールされる。そして、この犠牲部材は平坦化エッチバック処理を用いてチャネル706内に平坦化され、その上に第２のポリシリコン層（以下、ポリ２層）710を堆積可能な平坦な底面708が形成される。
【００５５】
ポリシリコンの第２の構造層（ポリ２層）710が、ＬＰＣＶＤを用いてポリ１層704上に堆積される。そして、ポリ２層710は第２のチャネル部712を形成するようにエッチングされる。他の例においては、第２のチャネルの領域712はポリ２層710を設けることに先立ってマスクされ、それによって、この第２のチャネル部712への堆積が回避される。第２のチャネル部712は犠牲部材713で充填される。この場合も、この犠牲部材はプロセスの最後に除去可能である。
【００５６】
例えばドーピングされたポリシリコン又はアルミニウムの層といった導電層がポリ２層710上に堆積される。この導電層の堆積後、既知のリソグラフィ及びエッチング技術を用いて導電性の回路配線714が定められる。回路配線が形成された後、例えば窒化シリコン（SiN）等の電気的絶縁層716がポリ２層710と回路配線714との上方に堆積される。絶縁層の堆積には、例えば、ジクロロシラン（SiH2Cl2）とアンモニア（NH3）との反応を含むＬＰＣＶＤが使用され得る。SiN層の典型的な厚さは約600nmであるが、他の厚さが用いられてもよい。
【００５７】
そして、絶縁層716を貫通して第３のチャネル部718、内側ビア720、及び外側ビア722が形成される。第３のチャネル部718の周りの電気的絶縁層716の表面にガスケット724が形成される。ガスケット724は、例えばベンゾシクロブテンに基づく高分子、ポリイミド、又はSU-8等の、感光性高分子を用いて形成され得る。このような高分子は商業的に入手可能である。例えば、SU-8はマイクロケム社から商業的に入手可能である。この高分子は薄膜堆積法を用いて堆積され、フォトリソグラフィを用いて成形され得る。このようなプロセスは当業者に既知である。
【００５８】
内側ビア720及び外側ビア722は導電性材料（例えば、アルミニウム）で充填され、所望の位置で回路配線714と電気的に接触する。そして、内側ビア720上に軸接触ブラシ726が堆積され、外側ビア722上に径方向端部接触ブラシ728が堆積され、その結果、接触ブラシ726及び728は、それぞれのビア720及び722と関連する回路配線714とに電気的に接続される。２つの軸接触ブラシ726及び２つの径方向端部接触ブラシ728が図示されているが、更なる軸接触ブラシ及び径方向端部接触ブラシが設けられてもよい。さらに、接触ブラシは接触ブラシでの使用に適した如何なる導電体、例えば、当業者に広く知られたサーモスプレー法を用いて塗布可能なカーボンナノ複合体を含んでもよい。他の一構成においては、接触ブラシは導電性液体とし得る。
【００５９】
ポリシリコンの第３の構造層（以下、ポリ３層）730が、ＬＰＣＶＤを用いて絶縁層716上に堆積される。そして、ポリ３層730は、ガスケット724及び接触ブラシ726及び728を露出させる径方向の開口732を形成するようにエッチングされる。他の一構成においては、開口732の領域はポリ３層730を設けることに先立ってマスクされ、それによって、この開口732の領域への堆積が回避される。
【００６０】
図７Ｂを参照するに、例えば二酸化シリコン（SiO2）又はリンシリケートガラス（PSG）等の、第１の犠牲層734が基板の既設の層上に設けられる。第１の犠牲層734はプロセスの最後に除去可能である。この犠牲層はＬＰＣＶＤによって堆積され、回路にアニールされ得る。図７Ｃを参照するに、その後、第１の犠牲層734は平坦化エッチバック処理を用いて開口732内で平坦化され、第１の犠牲層734の高位部738から凹まされた、開口732内の平坦な底面736が形成される。
【００６１】
図７Ｄを参照するに、その後、開口732内に導体が堆積され、対向する上表面742と下表面744、軸部746、及び径方向端部748を有する円板740が形成される。さらに、円板740に接触する部材が第１の犠牲層だけとなるように、円板740は開口732内に完全に格納される。円板740の厚さは第１の犠牲層734の厚さとエッチバック量とによって決定される。重要なことには、例えば剛性などの機械的特性は、円板740の厚さを選定するときに考慮されるべきである。
【００６２】
図７Ｅを参照するに、その後、円板740の内側領域と、円板740の中心の下の第１の犠牲層734とを貫通して、第１の開口部750がエッチングされ、絶縁層716が露出される。ここで、第１の開口部750は、対向する軸接触ブラシ726間の半径距離以下の半径を有する孔を円板740に形成するような大きさにされる。さらに、第１の犠牲層734の絶縁層716と接触する部分もエッチングで除去され、第１の開口部750の下の絶縁層716の領域752が露出される。さらには、軸部746と径方向端部748との間に配置された円板740の領域の円板740を貫通して、第２の開口部754がエッチングされる。第２の開口部はガスケット724の幅より狭くされる。例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、プラズマエッチング等の、既知のエッチング技術が使用され得る。
【００６３】
そして、例えばSiO2又はPSGの、第２の犠牲層756が、円板740の上表面742、及び第１の開口部750によって形成された径方向の壁758を覆うように設けられる。絶縁層716の領域752は、第２の犠牲層756を設ける際にマスクされ、領域752で第２の犠牲層756が絶縁層716に付着することが回避されるべきである。他の例では、領域752から第２の犠牲層を除去するように、続いてエッチング処理が実行される。
【００６４】
図７Ｆを参照するに、ＬＰＣＶＤを用いてポリシリコンの第４の層（以下、ポリ４層）760が既設の層、例えば、円板740を囲むポリ３層730、を覆うように堆積され、それにより、更なるシリコン構造が追加される。ここで、ポリ４層760はまた開口部750を充填する。そして、円板740上に位置するポリ４層760の座金（washer）状部分762を除去するように、ポリ４層の一部がエッチングされる。ここで、座金状領域762の内側半径は円板740の内側半径より大きくされる。従って、ポリ４層760のエッチングは第１の開口部750内に“Ｔ”字状断面を有する構造766を残す。構造766の上部768は円板740の内側部分758上に延在し、それにより、犠牲層が除去されたときに円板740の縦方向の動きを制限する。さらに、構造766は、その周りを円板740が回転する軸受として機能する。他の例では、第１の開口部750内に電磁ベアリング又は静電ベアリングが設けられてもよい。
【００６５】
そして、第１及び第２のチャネル領域706、712それぞれの犠牲部材707、713と、第１及び第２の犠牲層734、756が、例えばフッ化水素（HF）溶液を用いて、制御バルブ構造700から放出される。このようなプロセスは当業者に既知である。例えば、制御バルブ構造700はHF溶液に軽く浸される。HFはシリコン又はポリシリコンには攻撃しないが、SiO2を素早くエッチングする。ここで、HFは堆積されたSiO2をSiNより約100倍速くエッチングすることができる。
【００６６】
図７Ｇを参照するに、犠牲部材及び犠牲層の放出により、第１、第２、及び第３のチャネル部706、712、718がクリアにされ、流路782が形成される。さらに、犠牲層の放出により、円板740の下部744がガスケット724に乗ることが可能になり、それによって流体の封止が形成される。従って、流体は流路を流れ抜け、両側のガスケット724間に配置された第１の流体ポート770を流れ抜け、円板740内の第２の開口部754を流れ抜ける。また、犠牲層の放出により、円板740が軸接触ブラシ726及び径方向端部接触ブラシ728の上に置かれ、それらと電気的に接触することも可能になる。そして、円板740は自身の軸の周りを自由に回転することができ、また、第１の流体ポート770を流れる流量を調節するために使用されることができる。
【００６７】
図７Ｈに示されるように、内部を円板740が回転する密閉領域774を設けるために、円板740の上方に蓋部772が設けられる。第２の流体ポート776が蓋部772に設けられ、第１の流体ポート770に流体的に結合される。しかしながら、本発明はこの点に限定されるものではない。例えば、第２の流体ポートは、流体が１つ又は複数の基板層内の第２の流路を流れることができるように位置付けられてもよい。さらに、センサー778も設けられ得る。例えば、センサー778が流量センサーである場合、センサー778は図示されるように第２の流体ポート776に近接して、あるいは第１の流体ポート770に近接して配置され得る。なお、上述のように、他の種類のセンサーが実装されてもよい。当業者に知られているように、センサーのデータを伝播する必要に応じて回路配線が設けられる。
【００６８】
磁石780が円板740の上方、及び／又は下方に固定され、円板740の回転軸に整合された磁場を供給する。例えば、磁石780は円板740の上表面742から間隔を空けて、蓋部772の底部に取り付けられ得る。さらに、例えば更なる基板層を用いて、磁石780は円板740の下方の第１のシリコン基板の底部に取り付けられ得る。
【００６９】
上述のように、磁石780は永久磁石、非永久磁石、又は永久磁石と非永久磁石との組み合わせとし得る。例えば、磁石は電磁石と１つ又は複数の磁石材料層とを含み得る。これまた上述のように、電磁石によって発生される磁場の強度は、この電磁石の導体を流れる電流を変化させることによって変えられることができ、このことは制御バルブの出力電流を変化させることに有用である。動作時、上述のように、軸接触ブラシ726と径方向端部接触ブラシ728との間への電圧印加により、円板740の軸部746と径方向端部748との間に電流が流され、それによって円板が回転させられる。Ｔ字状構造766と円板740との間にガスケット784が配置され、接触ブラシ726、728と接触するように円板740の位置が維持される。例えば、ガスケット784は例えばベンゾシクロブテンに基づく高分子、ポリイミド、又はSU-8等の、感光性高分子を有し得る。このような高分子は商業的に入手可能である。例えば、SU-8はマイクロケム社から商業的に入手可能である。デュポン社から入手可能なテフロン（登録商標）及びヴェスペルもまたガスケット784に使用可能な材料である。一構成において、ガスケット784は蓋部772又は磁石780に取り付けられ、組立時に構造766まで軽く押し下げられ得る。
【００７０】
他の一構成においては、平衡部材（standoff）を具備するフレームワークが蓋部772、絶縁層716、ポリ３層730、及び／又はポリ４層760に取り付けられ得る。平衡部材は接触ブラシ726、728と接触するように円板740の位置を維持することができる。平衡部材は感光性高分子、テフロン（登録商標）又はヴェスペルを有し得る。さらに、フレームワークは流体が流れ得るように孔を開けられ得る。他の例では、円板740の回転によって発生される空気力により、接触ブラシ726、728と接触するように円板740の位置が維持され得る。
【００７１】
図８は、本発明の理解に有用な流体系800を示している。このような系の例には、燃料電池、マイクロモータ、及び他のＭＥＭＳ型デバイスが含まれ得る。その他の例には、ＲＦ分野の流体誘電体に基づくデバイスが含まれ得る。例えば、アンテナ素子、整合部、遅延線路、ビーム操舵素子、可調伝送線路、スタブ及びフィルタ、可変減衰器、並びに空洞構造などである。なお、本発明は如何なる特定種類のシステムにも限定されるものではない。
【００７２】
流体系800は、基板840に内蔵された制御バルブ810、流体ポンプ820、及びマイクロ流体デバイス830を含んでいる。さらに、流体タンク850が設けられている。流体タンク850は、図示されるように基板840に内蔵されてもよいし、個別ユニットとして設けられてもよい。制御バルブ810、流体ポンプ820、マイクロ流体デバイス830、及び流体タンク850は、例えば基板840内の流路などの、流路855を介して流体的に結合されている。
【００７３】
流体系800はまた制御回路860を有することができ、例えば、制御バルブ810の動作を制御する閉ループ制御回路を提供する。制御回路860は、制御バルブ810を通る流量を測定するセンサー870から流体データ880を受け取る。上述のようにセンサー870は制御バルブ810内に格納され得るが、本発明はそのように限定されるものではない。例えば、センサーは制御バルブ810の外部にあってもよい。制御回路860は流体の流れのデータ880を処理して１つ又は複数の制御信号890を発生することができ、この制御信号890は制御バルブ810に伝播される。例えば、制御信号890は、上述のように単極モータの円板に電流を流させ、それによって円板を回転させる電圧とし得る。
【００７４】
図９は、本発明に係る方法を理解するのに有用なフローチャート900を示している。工程905にて始まり、基板に流路が形成される。工程910に示されるように、基板には空洞も形成される。この空洞は流体ポートを介して流路と流体的に接続される。工程915へと続き、空洞内の基板に接触ブラシが形成される。少なくとも１つの接触ブラシが空洞の中心部に近接して配置され、且つ少なくとも１つの接触ブラシが空洞の径方向端部に近接して配置される。工程920へと進み、軸部及び径方向端部を有する導電性の円板が空洞内に配置される。軸部と径方向端部との間の空洞内に開口部が形作られる。このとき、この開口部は、導電性円板の第１及び第２の位置の少なくとも一方で流体ポートと位置が整合されるように定められる。導電性円板は接触ブラシと電気的に接触するように配置される。工程925にて基板に磁石が配置され、導電性円板の回転軸に整合された磁場が規定される。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の理解のために有用な、マイクロ流体制御バルブを示す透視図である。
【図２】破線２−２に沿って取られた、図１のマイクロ流体制御バルブの断面図である。
【図３】マイクロ流体制御バルブの代わりの一実施形態を示す断面図である。
【図４】マイクロ流体制御バルブの他の一実施形態を示す断面図である。
【図５】破線５−５に沿って取られた、図１のマイクロ流体制御バルブの断面図である。
【図６Ａ】本発明の理解のために有用な、誘電体基板上へのマイクロ流体制御バルブの製造プロセスを示す図である。
【図６Ｂ】本発明の理解のために有用な、誘電体基板上へのマイクロ流体制御バルブの製造プロセスを示す図である。
【図６Ｃ】本発明の理解のために有用な、誘電体基板上へのマイクロ流体制御バルブの製造プロセスを示す図である。
【図７Ａ】本発明の理解のために有用な、半導体基板上へのマイクロ流体制御バルブの製造プロセスを示す図である。
【図７Ｂ】本発明の理解のために有用な、半導体基板上へのマイクロ流体制御バルブの製造プロセスを示す図である。
【図７Ｃ】本発明の理解のために有用な、半導体基板上へのマイクロ流体制御バルブの製造プロセスを示す図である。
【図７Ｄ】本発明の理解のために有用な、半導体基板上へのマイクロ流体制御バルブの製造プロセスを示す図である。
【図７Ｅ】本発明の理解のために有用な、半導体基板上へのマイクロ流体制御バルブの製造プロセスを示す図である。
【図７Ｆ】本発明の理解のために有用な、半導体基板上へのマイクロ流体制御バルブの製造プロセスを示す図である。
【図７Ｇ】本発明の理解のために有用な、半導体基板上へのマイクロ流体制御バルブの製造プロセスを示す図である。
【図７Ｈ】本発明の理解のために有用な、半導体基板上へのマイクロ流体制御バルブの製造プロセスを示す図である。
【図８】本発明の理解のために有用な流体系の概略図である。
【図９】本発明の理解のために有用なフローチャートである。
【図１】
2008508494.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年2月1日(2007.2.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単極モータの一部を形成する回転可能な円板の第１の表面に隣接して配置された第１の流体ポートに、流体を伝達するステップ；及び
前記回転可能な円板の少なくとも１つの開口部を介して第２の流体ポートに前記流体を流すステップ；
を有する、流体の流れを制御する方法。
【請求項２】
流体流速を変えるために前記回転可能な円板の回転を選択的に制御するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
選択的に制御する前記ステップが、複数の開口部から選択された１つを前記第１及び第２の流体ポートの少なくとも一方に位置整合させるように、前記円板を回転させることを更に有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの開口部の形状を、その径方向の幅が円周方向に増大するように選定するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記円板の回転軸に整合された磁場の存在下で、前記円板に電流を流すことによって該円板を回転させるステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
回転可能な円板を有する単極モータ；
前記回転可能な円板の第１の表面に隣接して配置された第１の流体ポート；
前記回転可能な円板の第２の表面に隣接して配置された第２の流体ポート；及び
前記第１及び第２の流体ポートを接続する、前記回転可能な円板の少なくとも１つの開口部；
を有する流体バルブ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの開口部が、円周方向に増大する径方向の幅を有する、請求項６に記載の流体バルブ。
【請求項８】
前記回転可能な円板が基板内に形作られた空洞内に配置されており、前記基板がセラミック基板、液晶高分子基板、及び半導体基板から成るグループから選択されている、請求項６に記載の流体バルブ。
【請求項９】
前記回転可能な円板の回転量を制御する閉ループ制御回路を更に有する請求項６に記載の流体バルブ。
【請求項１０】
前記閉ループ制御回路が、光センサー、ホールセンサー、流量センサー、及び電流センサーから成るグループから選択された少なくとも１つのセンサーを更に有する、請求項９に記載の流体バルブ。
【国際調査報告】
2008508494.tif 000021