(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の層（１２）と第２の層（１４）と第３の層（１６）であって、前記第２の層（１４）が前記第１の層（１２）と第３の層（１６）の間に配置され、前記第１の層が該第１の層を通る第１のポート（２０，２０ａ，７９）を規定し、前記第１の層と第３の層のうち少なくとも１つが、それらの層を通る第２のポート（２２，７２）を規定し、それにより該第２の層内に規定されるフロー領域を通って前記第１のポート（２０，２０ａ，７９）から第２のポート（２２，７２）へ流体フローが流れるのを可能にした、前記第１の層（１２）と第２の層（１４）と第３の層（１６）と、
前記第２の層（１４）により規定され第１の端部（４０）と第２の端部（４２）とを有する変位可能部材（２６，２６ａ，１１６）であって、前記第１のポートと第２のポートのうちの一方に対して、開位置と閉位置間の位置に、かつ比例的開閉位置となるように、前記第２の端部（４２）を位置決めるように変位する変位可能部材（２６，２６ａ，１１６）と、
前記第２の層（１４）により規定され、前記変位可能部材（２６，２６ａ，１１６）の前記第１の端部に対して配置されて、前記変位可能部材（２６，２６ａ，１１６）を前記第２の層（１４）に平行な面内で前記開位置と閉位置との間で変位させる少なくとも１つのアクチュエータ（２８，３０，１１８，１２０，１２６，１２８）であって、前記変位可能部材に対して垂直に伸びるシャフト（４４，４６）と、このシャフトからある角度で伸びる少なくとも２つの熱部材（４８，５０）とを有する少なくとも１つのアクチュエータ（２８，３０，１１８，１２０，１２６，１２８）であって、前記熱部材（４８，５０）が熱膨張すると、該熱部材（４８，５０）は、前記変位可能部材の前記第１の端部へ向けて前記シャフトを動かすように適合された、前記少なくとも１つのアクチュエータ（２８，３０，１１８，１２０，１２６，１２８）と、
前記熱部材（４８，５０）を加熱するための電気的コンタクトを前記熱部材（４８，５０）に提供するために、前記第１および第３の層（１２，１６）の少なくとも１つの中に設けられた、一対の電気接点（３２ａ，  ３２ｂ，  ３４ａ，  ３４ｂ）と、
前記第２の層が、一方の前記コンタクトから他方の該コンタクトへと前記アクチュエータを通じて電気的経路を提供するために、前記第２の層（１４）の一部を電気的に絶縁して、前記接点（３２，３４）間の電流の流れを前記アクチュエータ（２８，３０，１１８，１２０，１２６，１２８）内を流れるのを除いて防止する、電気的絶縁構造、
とを具備することを特徴とするマイクロバルブ。
【請求項２】
前記電気的絶縁構造は前記熱部材（４８，５０）上に形成された酸化物層を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。
【請求項３】
前記電気的絶縁構造は前記第２の層内に規定された溝（３６）を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。
【請求項４】
前記溝（３６）は誘電材料で充填されていることを特徴とする請求項３に記載のマイクロバルブ。
【請求項５】
前記第１，第２，第３の層（１２，１４，１６）の少なくとも１層はシリコンを含み、前記少なくとも１層の表面は酸化され、この酸化面が前記電気的絶縁構造の少なくとも一部をなすことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。
【請求項６】
前記第１，第３の層（１２，１６）は低ドープレベルのシリコンを含み、前記第２の層（１４）は高ドープレベルのシリコンを含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。
【請求項７】
前記変位可能部材（２６ａ）はＰ文字またはｈ文字のいずれかの形状であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。
【請求項８】
前記変位可能部材（２６ａ）断面積は前記第１の端部から第２の端部に向けて増加することを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。
【請求項９】
前記変位可能部材の幅は、前記第１の端部から前記第２の端部へと増大することを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ
【請求項１０】
前記第１のポート（１２）は前記変位可能部材の前記第２の端部の形状に類似の形状を有していることを特徴とする請求項１または８または９に記載のマイクロバルブ。
【請求項１１】
前記変位可能部材の位置を示す信号を生成するセンサーを含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。
【請求項１２】
前記センサーはピエゾ抵抗器型センサであることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロバルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明は、概して、半導体電子機械微小デバイス、より具体的には、高アスペクト比ジオメトリー、およびトランスデューサに関して変位可能な部材を有する微小デバイスに関する。
【０００２】
（２．関連技術の説明）
流体バルブは、概して、流体ポート、アクチュエータ、および、アクチュエータに応答して流体ポートを開閉する可動のバルブ構造を備える。流体バルブには、多くのタイプがある。流体バルブの例には、バイメタリックマイクロバルブおよびカプセル化流体マイクロバルブのような、微細加工半導体材料から製造されるソレノイドバルブおよびマイクロバルブが含まれる。しかし、これらのバルブまたはマイクロバルブのタイプの各々について、多くの問題がある。
【０００３】
ソレノイドバルブは、シリンダの形態のコイルを利用し、概して、電流がコイルを流れる場合に始動される磁界によって、シリンダの中に引き込まれ得るコアを有する。ソレノイドバルブは、典型的には、例えば従来のアンチロックブレーキシステムにおいて用いられる。しかし、ソレノイドバルブは、通常、比較的大きく、重量がある。さらに、ソレノイドバルブのような電磁バルブは、しばしば、比較的高い電流を必要とし、電圧供給のスパイキングを引き起こし得る。ソレノイドバルブは、また、ヒステリシスを表し得、そのことによって、電子入力に対する非線形性の応答を表し得る。さらに、ソレノイドバルブのような電磁バルブの動作は、そのようなバルブへの電流の送達と、得られる磁界および対応する力との間の比較的長いラグタイムに起因して、比較的遅くなり得る。また、ソレノイドバルブを部分的にのみ開けるか、または閉めるかすることは困難であり、従って、ソレノイドバルブは、典型的には、比例したバルブとしてよりむしろ、オン／オフバルブとして用いられる。
【０００４】
例示的なバイメタリックマイクロバルブは、異なる熱膨張率を有する２つの材料から製造されるアクチュエータを利用する。熱膨張率の違いによって、アクチュエータを加熱または冷却する際にアクチュエータが曲がったり、まっすぐになったりし、そのことによって、フローオリフィスを開閉する。米国特許第５，０５８，８５６号には、第１および第２の基板を有するこのようなバイメタリックマイクロバルブが開示されている。第１の基板は、フローオリフィスおよびバルブシートを規定する。第２の基板は、フローオリフィスと並べられたバルブフェースを規定し、また、可動アクチュエータを規定する。可動アクチュエータは、シリコン層およびニッケル層のような、実質的に異なる熱膨張率を有する材料の第１および第２の層を含む。アクチュエータは、また、加熱要素を含み、選択的な加熱によって、熱膨張率の違いに起因してアクチュエータが曲げられるように、一方の端部で固定される。アクチュエータが曲がることによって、バルブフェースがバルブシートから外れるか、または、バルブシートに向いて、バルブを開閉し、そのことにより、オリフィスを流れる流体フローを制御する。
【０００５】
しかし、このようなバイメタリックマイクロバルブに関する問題点の１つとして、温度の変化に応答してアクチュエータが始動するため、外気温の変化によって、意図しないマイクロバルブの始動が起こり得ることがある。さらに、加熱された要素、すなわち、アクチュエータは、流体フローと接触しているので、流体経路の中の流体に対して望ましくない加熱を行い、加熱器を冷却し、アクチュエータを変位し得る。さらに、アクチュエータの変位が、また、比較的小さく、概して、１０ｐｐｍ／℃のオーダーである。
【０００６】
カプセル化流体マイクロバルブの一例が、米国特許第４，８２４，０７３号に開示されている。カプセル化流体マイクロバルブは、キャビティの１つ以上の壁を形成するフレキシブル薄膜またはダイヤフラムを変形させるように加熱する場合の密閉キャビティにおける一定量の流体または気体の膨張および昇圧の原理を利用する。カプセル化流体また気体が加熱される場合、ダイヤフラムが変形されて、ポートを開閉し、流体オリフィスを流れる流体フローが制御される。カプセル化流体また気体の加熱は、キャビティ内の抵抗加熱要素によって、電流が抵抗要素を流れ、流体または気体を加熱する熱を発生するように達成される。
【０００７】
カプセル化流体マイクロバルブは、比較的大きい力を発生し得るので、例えば大量の流体フローを制御する、大量流体コントローラとして用いられ得る。さらに、カプセル化流体マイクロバルブは、また、比例して動作して、流体制御の比例する範囲を提供し得る。すなわち、バルブは、制御信号の大きさによって、バルブを流れる流体フローの割合を調整するように制御され得る。
【０００８】
しかし、カプセル化流体マイクロバルブは、流体の加熱および冷却に必要な時間に起因して、比較的遅い応答時間を有する。さらに、カプセル化流体マイクロバルブの変形膜は、流体または気体流路と接触している。従って、膜の変形温度が流路の中の流体または気体の温度に影響を及ぼし得、流路の中の流体または気体の温度が変形膜の温度に影響を及ぼし得る。
【０００９】
さらに、上記のバルブのいずれも、マイクロバルブを流れる流体フローの効果を最小化する、フロー−力および／または圧力−力の補償を提供しない。
【特許文献１】
日本特許公告昭４９−０３９２２３号１９７４年１２月
【特許文献２】
特許公告昭４９−０３９２２４号１９７４年１２月
【特許文献３】
日本特許公告昭４９−０４８２６４号１９７４年１０月
【特許文献４】
日本特許公告昭４９−０４８２６５号１９７４年１０月
【特許文献５】
日本特許公開平０６ー５６０１４号１９９４年３月
【特許文献６】
日本特許公開平０６−２８６６００号１９９４年１０月
【特許文献７】
日本特許公告昭５９−２１７５号１９８４年１月
【特許文献８】
日本特許公告昭５９−２１７５号１９８４年１月
【特許文献９】
米国特許第３７４７６２８ 号  １９７３年７月
【特許文献１０】
米国特許第３８６０９４９ 号  １９７５年１月
【特許文献１１】
米国特許第４００５４５４ 号  １９７７年１月
【特許文献１２】
米国特許第４０１９３８８ 号  １９７７年４月
【特許文献１３】
米国特許第４０２３７２５ 号  １９７７年５月
【特許文献１４】
米国特許第４１５２５４０ 号  １９７９年５月
【特許文献１５】
米国特許第４１８１２４９ 号  １９８０年１月
【特許文献１６】
米国特許第４２９８０２３ 号  １９８１年１１月
【特許文献１７】
米国特許第４３４１８１６ 号  １９８２年７月
【特許文献１８】
米国特許第４４３４８１３ 号  １９８４年３月
【特許文献１９】
米国特許第４５８１６２４ 号  １９８６年４月
【特許文献２０】
米国特許第４６２８５７６ 号  １９８６年１２月
【特許文献２１】
米国特許第４６４７０１３ 号  １９８７年３月
【特許文献２２】
米国特許第４６６１８３５ 号  １９８７年４月
【特許文献２３】
米国特許第４７７２９３５ 号  １９８８年９月
【特許文献２４】
米国特許第４８２１９９７ 号  １９８９年４月
【特許文献２５】
米国特許第４８２４０７３ 号  １９８９年４月
【特許文献２６】
米国特許第４８２６１３１ 号  １９８９年５月
【特許文献２７】
米国特許第４８２８１８４ 号  １９８９年５月
【特許文献２８】
米国特許第４８６９２８２ 号  １９８９年９月
【特許文献２９】
米国特許第４９３８７４２ 号  １９９０年７月
【特許文献３０】
米国特許第４９４３０３２ 号  １９９０年７月
【特許文献３１】
米国特許第４９５９５８１ 号  １９９０年９月
【特許文献３２】
米国特許第４９６６６４６ 号  １９９０年１０月
【特許文献３３】
米国特許第５０２９８０５ 号  １９９１年７月
【特許文献３４】
米国特許第５０３７７７８ 号  １９９１年８月
【特許文献３５】
米国特許第５０５０８３８ 号  １９９１年９月
【特許文献３６】
米国特許第５０５４５２２ 号  １９９１年１０月
【特許文献３７】
米国特許第５０５８８５６ 号  １９９１年１０月
【特許文献３８】
米国特許第５０６１９１４ 号  １９９１年１０月
【特許文献３９】
米国特許第５０６４１６５ 号  １９９１年１１月
【特許文献４０】
米国特許第５０６５９７８ 号  １９９１年１１月
【特許文献４１】
米国特許第５０６６５３３ 号  １９９１年１１月
【特許文献４２】
米国特許第５０６９４１９ 号  １９９１年１２月
【特許文献４３】
米国特許第５０７４６２９ 号  １９９１年１２月
【特許文献４４】
米国特許第５０８２２４２ 号  １９９２年１月
【特許文献４５】
米国特許第５０９６６４３ 号  １９９２年３月
【特許文献４６】
米国特許第５１１６４５７ 号  １９９２年５月
【特許文献４７】
米国特許第５１３１７２９ 号  １９９２年７月
【特許文献４８】
米国特許第５１３３３７９ 号  １９９２年７月
【特許文献４９】
米国特許第５１４２７８１ 号  １９９２年９月
【特許文献５０】
米国特許第５１６１７７４ 号  １９９２年１１月
【特許文献５１】
米国特許第５１６９４７２ 号  １９９２年１２月
【特許文献５２】
米国特許第５１７６３５８ 号  １９９３年１月
【特許文献５３】
米国特許第５１７７５７９ 号  １９９３年１月
【特許文献５４】
米国特許第５１７８１９０ 号  １９９３年１月
【特許文献５５】
米国特許第５１７９４９９ 号  １９９３年１月
【特許文献５６】
米国特許第５１８０６２３ 号  １９９３年１月
【特許文献５７】
米国特許第５１９７５１７ 号  １９９３年３月
【特許文献５８】
米国特許第５２０９１１８ 号  １９９３年５月
【特許文献５９】
米国特許第５２１５２４４ 号  １９９３年６月
【特許文献６０】
米国特許第５２１６２７３ 号  １９９３年６月
【特許文献６１】
米国特許第５２１７２８３ 号  １９９３年６月
【特許文献６２】
米国特許第５２３８２２３ 号  １９９３年８月
【特許文献６３】
米国特許第５２４４５３７ 号  １９９３年９月
【特許文献６４】
米国特許第５２６７５８９ 号  １９９３年１２月
【特許文献６５】
米国特許第５２７１４３１ 号  １９９３年１２月
【特許文献６６】
米国特許第５２７１５９７ 号  １９９３年１２月
【特許文献６７】
米国特許第５３０９９４３ 号  １９９４年５月
【特許文献６８】
米国特許第５３２５８８０ 号  １９９４年７月
【特許文献６９】
米国特許第５３３３８３１ 号  １９９４年８月
【特許文献７０】
米国特許第５３３６０６２ 号  １９９４年８月
【特許文献７１】
米国特許第５３５５７１２ 号  １９９４年１０月
【特許文献７２】
米国特許第５３６８７０４ 号  １９９４年１１月
【特許文献７３】
米国特許第５４００８２４ 号  １９９５年３月
【特許文献７４】
米国特許第５４１７２３５ 号  １９９５年５月
【特許文献７５】
米国特許第５４４５１８５ 号  １９９５年８月
【特許文献７６】
米国特許第５５５３７９０ 号  １９９６年９月
【特許文献７７】
米国特許第５５５６７０３ 号  １９９６年９月
【特許文献７８】
米国特許第５５７７５３３ 号  １９９６年１１月
【特許文献７９】
米国特許第５７８５２９５ 号  １９９８年７月
【特許文献８０】
米国特許第５８１０３２５ 号  １９９８年９月
【特許文献８１】
米国特許第５８３８３５１ 号  １９９８年１１月
【特許文献８２】
米国特許第５８４８６０５ 号  １９９８年１２月
【特許文献８３】
米国特許第５８７３３８５ 号  １９９９年２月
【特許文献８４】
米国特許第５９０９０７８ 号  １９９９年６月
【特許文献８５】
米国特許第５９２６９５５ 号  １９９９年７月
【特許文献８６】
米国特許第５９４１６０８ 号  １９９９年８月
【特許文献８７】
米国特許第６０１９４３７ 号  ２０００年２月
【特許文献８８】
米国特許第６１０５７３７ 号  ２０００年８月
【特許文献８９】
米国特許第６５２３５６０ 号  ２００３年２月
【特許文献９０】
ドイツ特許第２２１５５２６  号  １９７３年１０月
【特許文献９１】
ドイツ特許第２９３０７７９  号  １９８０年２月
【特許文献９２】
ドイツ特許第４１０１５７５  号  １９９２年７月
【特許文献９３】
ドイツ特許第４４１７２５１  号  １９９５年１１月
【特許文献９４】
ドイツ特許第４４２２９４２  号  １９９６年１月
【特許文献９５】
欧州特許第０２５０９４８  号  １９８８年１月
【特許文献９６】
欧州特許第０２６１９７２  号  １９８８年３月
【特許文献９７】
英国特許第２２３８２６７  号  １９９１年５月
【特許文献９８】
国際特許第９９１６０９６  号  １９９９年４月
【非特許文献１】
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【非特許文献２２】
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【００１０】
従って、小さく、軽量で、費用効率が高く、製造方法が簡単で、且つ素早い反応時間を有するマイクロバルブが必要とされてきた。また、制御刺激入力への応答が線形であり、ヒステリシスがなく、マイクロバルブを流れる流体フローの効果を最小化する、フロー−力および／または圧力−力補償を有する、精密且つ比例する流体制御を提供するマイクロバルブが必要とされてきた。また、バルブの動作がバルブを流れる流体または気体を大幅に加熱することのないバルブが必要とされてきた。さらに、外気温から独立して機能するマイクロバルブが必要とされてきた。本発明は、これらの必要性を満たす。
【００１１】
（発明の要旨）
本発明の１つの局面によると、半導体微小機械デバイスは、概して、第１のほぼ平面の層、および第２のほぼ平面の半導体層を含む。第１および第２の部材は、第２の層から垂れ下がり、各々が第２の層によって規定されるキャビティ内に浮遊する。第１の層は、また、キャビティの一部分を規定し得る。変位可能な構造は、また、キャビティ内において、第１および第２の浮遊する部材から浮遊する。アクチュエータは、第１の浮遊する部材に動作的に接続され、アクチュエータは、変位可能な部材の変位を引き起こす力を伝達し得る。
【００１２】
本発明の他の局面によると、第１、第２、および第３の層を含むマイクロバルブとして利用される本発明の微細構造が提供される。第２の層は、第１の層と第３の層との間に固定される。３つの層全てが、好適には、実質的に同じ材料から製造される。第１の層および／または第３の層は、入口ポートおよび出口ポートを規定し得る。第２の層は、第１および第３の層によって密閉されるフロー領域を規定して、入口および出口ポートと、変位可能部材と、マイクロバルブを開閉するように変位可能部材を始動する１つ以上のアクチュエータとの間の流体フローを可能にする。変位可能部材および１つ以上のアクチュエータは、第１および第３の層の間に浮遊している。第２の層は、好適には、抵抗を低くするために多くドープされる。アクチュエータの電気的コンタクトは、好適には、第３の層を通じて提供される。動作中、電流は、電気的コンタクトを介してアクチュエータを流れるように駆動され、アクチュエータの加熱および熱膨張を引き起こす。アクチュエータは、変位可能部材に関連して配置され、アクチュエータの熱膨張によって、変位可能部材が第２の層の平面において、入口および出口ポートのうちの１つに関する開位置と閉位置との間の位置に変位される。変位部材は、高アスペクト比（高さの幅に対する比）を有し、従って層の平面においてコンプライアントであり、平面から直立している。
【００１３】
従って、本発明の微小デバイスは、小型で製造が容易である。実質的にヒステリシスがなく、応答が線形で、入力刺激に対して素早く反応し得る。より具体的には、小さい変位可能半導体構造が、半導体層から浮遊し、入力刺激に応答して層の平面においてある精度で移動し得る。変位可能構造は、流体がポートが流れる際に流体を加熱することなしに、流体ポートを開閉するバルブとして機能を果たし得る。層が一致する熱膨張率を有するので、外気温によって変位可能半導体構造の移動が影響されない。
【００１４】
本発明のこれらの、および他の特徴および利点は、図面と共に、以下の詳細な説明によって理解される。
【００１５】
（好適な実施形態の詳細な説明）
本発明は、キャビティを規定する半導体層を含む半導体微小機械デバイスを含む。変位可能構造は、第１および第２の部材によってキャビティ内で浮遊する。第１および第２の部材もキャビティ内で浮遊する。少なくとも１つの浮遊部材が、キャビティ内で変位可能構造を変位し得るアクチュエータとして動作する。以下の説明は、当業者であれば、本発明を作成し、用いることが可能になるように提示される。特定の適用例の説明は、例としてのみ提供される。当業者にとって、様々な改変例が明らかであり、本明細書中で規定される一般的な原理は、他の実施形態および適用例に、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、適用され得る。従って、本発明は、示す実施形態に限定されるものではなく、本明細書中で開示する原理および特徴と一致する最も広い範囲と一致する。
【００１６】
図１および２の例示的な図面を参照すると、本発明による、マイクロバルブ１０の第１の好適な実施形態が示されている。第１の実施形態のマイクロバルブ１０は、概して、３つの層または基板、すなわち、第１の層１２、第２の層１４、および第３の層１６を含む。第１の層１２は、入口ポート２０および出口ポート２２を規定する。第２の層１４は、第１の層１２と第３の層１６との間に固定され、入口ポート２０と出口ポート２２との間の流体フローを可能にする流体領域を含むキャビティ２４を規定する。第２の層１４は、熱アクチュエータ２８およおび３０に応答して変位して入口ポート２０を開閉し得る変位可能部材２６をさらに規定する。本実施形態において、変位可能部材２６が延ばされている。それぞれ、アクチュエータ２８および３０を電気的に加熱する電気的コンタクト３２ａ、３２ｂ、３４ａ、および３４ｂが、第３の、またはキャップ層１６を通してバイア（ｖｉａｓ）内に設けられる。
【００１７】
電流のような入力が、電気的コンタクト３２ａ〜ｂおよび３４ａ〜ｂを介してアクチュエータ２８および３０の各々を通じて印加される場合、アクチュエータ２８および３０の各々は、それぞれ、矢印Ｄ２８およびＤ３０によって示される方向に、力を及ぼし得る。矢印Ｄ２８およびＤ３０の方向の力によって、変位可能部材２６が矢印Ｄ２６によって示される方向に変位し、変位可能部材２６の少なくとも一部分が、入口ポート２０と垂直に並べられるようになる。従って、電流は、アクチュエータを始動させる入力刺激として機能を果たす。入口ポート２０に関係する変位可能部材２６を少なくとも部分的に垂直に並べることによって、少なくとも部分的に入力ポート２０が閉じられる。変位可能部材２６の変位または並べ方の程度は、例えば、流体フローの流量を制御するように選択され得る。入力がアクチュエータ２８および３０を通じて印加されなくなる場合、アクチュエータ２８および３０は、それぞれ矢印Ｄ２８およびＤ３０によって示される方向とは反対方向に力を及ぼして、矢印Ｄ２６によって示される方向とは反対方向に変位可能部材２６を変位することによって、変位可能部材２６を入口ポート２０に関して通常の開位置に戻す。
【００１８】
あるいは、マイクロバルブ１０は、変位可能部材２６が、入口ポート２０と関連する通常の閉位置になり、入口ポート２０を開けるために変位可能であるように形成され得る。他の代替的な実施形態において、マイクロバルブ１０は、変位可能部材２６が、出口ポート２２と関連する通常の開位置または閉位置になり、出口ポート２２を開閉するために変位可能であるように形成され得る。
【００１９】
好適には、第１、第２および第３の層１２、１４、および１６は、シリコンまたは他の半導体材料から製造される。あるいは、第１および／または第３の層１２および１６は、ガラス（パイレックス）、導電セラミック、スチール、アルミニウム、および／または他の金属、あるいは導電材料から製造され得る。第２の層１４は、好適には、強く、曲げやすく、性能劣化により強いので、単結晶半導体（ＳＣＳ）である。
【００２０】
マイクロバルブが、概して、開閉入口ポート２０として本明細書中で記載されているが、このような記載は、例示を目的としているに過ぎず、明らかに、マイクロバルブ１０は、出口ポート２２を開閉する場合に容易に適用され得る。さらに、マイクロバルブ１０は、通常開いている（Ｎ．Ｏ．）バルブとして本明細書中に記載されているが、通常閉じている（Ｎ．Ｃ．）バルブに容易に適用され得る。さらに、本明細書中の記載を明瞭且つ簡潔にするために、アクチュエータ２８ならびに対応する電気的コンタクト３２ａおよび３２ｂのみが概して記載されるが、その記載は、アクチュエータ３０ならびに電気的コンタクト３４ａおよび３４ｂに対応して適用可能である。
【００２１】
図１には第１の層１２の凹部１８のみを示しているが、好適には、第１および第３の層１２および１６が、浅い凹部１８を規定する。凹部１８は、第２の層１４の変位可能部材２６ならびにアクチュエータ２８および３０と並べられる領域において規定されて、第１および第３の層１２および１６の間の変位可能部材２６ならびにアクチュエータ２８および３０の浮遊、および第２の層１４の平面のキャビティ２４内における変位のための隙間を提供する。凹部１８は、また、キャビティ２４を流れる流体フローをさらに容易にするように、キャビティ２４と並べられる領域において規定され得る。代替的または付加的に、第２の層１４の変位可能部材２６およびアクチュエータ２８および３０は、第１および第３の層１２および１６からくぼませるか、または薄くするかによって（図示せず）、層の間に隙間を提供する。凹部１８、ならびに／あるいは変位可能部材２６ならびにアクチュエータ２８および３０のくぼみは、同じ深さであってもよいし、異なる深さであってもよい。例えば、１つの実施形態において、凹部１８および／またはくぼみは、変位可能部材２６が入口ポート２０の上に並べられて、流体フローを停止する場合、変位可能部材２６と入口ポート２０との間の距離を低減することによって流体の漏れを最小化するために、入口２０に近い領域において、変位可能部材２６と第１および第３の層１２および１６の各々との間に、約０．５μｍの隙間を提供し得る。さらに、凹部１８および／またはくぼみは、また、流体または気体圧力差を最小化するために、アクチュエータ２８および３０と、第１および第３の層１２および１６の各々との間のような他の領域において、約１μｍ以下の隙間を提供し得る。
【００２２】
マイクロバルブ１０が流体バルブとして利用される場合、第１の実施形態の凹部１８は、好適には、深さ約０．５μｍである。従って、変位可能部材２６が閉位置の場合、間隔は凹部１８とストッパー端部４２との間に形成される。マイクロバルブ１０を流れる流体の漏れは、このような間隔がある場合でも、最小である。これらの空間は、それらを、キャビティ２４の中、且つリブ４８および５０の間を含む。これらの空間が流体で充満する場合、さらなる流体漏れは、流体の張力と共に、ギャップのサイズによって、さらに制限される。この小さい漏れは、現在アンチロックブレーキシステムにおいて利用されている従来のソレノイド流体バルブにおける、より大きい５μｍの間隔によって、すでに証明されている。従って、流体マイクロバルブについて約０．５μｍの深さを凹部１８のために用意しておくことが、ある特定の適用例において好適である。
【００２３】
第２の層１４は、好適には、ドープされ、より好適には、例えば、多くドープされたＰ型単結晶半導体（ＳＣＳ）のように、より多くドープされる。ドーピングによって、第２の層１４の抵抗が低くなる。低い抵抗によって、熱アクチュエータ２８および３０を流れる増加する電流フローが容易になる。電流は、それぞれ、コンタクト３２ａ、ｂならびに３４ａ、ｂを介してアクチュエータ２８および３０を通じて印加される。コンタクト３２ａ、ｂならびに３４ａ、ｂに印加される電流を増加させることによって、アクチュエータ２８および３０の熱膨張は、変位可能部材２６で、アクチュエータ２８および３０が及ぼす力を増加させることにつながる。
【００２４】
例えば、第２の層１４の抵抗ρは、好適には、約０．００１〜０．０１(．ｃｍであり、リブ４８の１つの側面から他の側面への電流フローによって、リブによる所望の量の加熱および熱放散が得られる。リブ４８がシリコンである場合、リブ４８は、１０００℃まで、好適には約５００℃までの温度に耐え得る。好適には、シリコンリブ４８は、１０℃から５００℃までの間、より好適には、１００℃から２００℃までの間で加熱される。明らかなように、マイクロバルブ１０の始動は、残りのマイクロバルブ１０の温度に関連するリブ４８の加熱に依存し、外気温からは独立している。
【００２５】
電気的コンタクト３２ａ〜ｂは、第３の層１６に設けられ、熱アクチュエータ２８と垂直に並べられる。電気的コンタクト３２ａ〜ｂは、アクチュエータ２８への電流の印加について、バイア３５を通じて電気的接触を提供する。リブ４８は、多くドープされた第２の層１４を通じて、コンタクト３２ａと３２ｂとの間の導電路として機能を果たす。コンタクト３２ａ〜ｂは、好適には、リブ４８によって形成される電流導電路を除いて絶縁されている第２の層１４の領域を有する、電気的コンタクトである。このような電気的絶縁は、第２の層１４に溝３６を設けて、電気的コンタクト３２ａと３２ｂとの間のショートを防ぐことによって確立され得る。溝３６が誘電材料によって充填されて、溝３６を平面化する。あるいは、電気的絶縁は、リブ４８を酸化することによって、電気的コンタクト３２ａと３２ｂとの間の流体を通じるショートを防ぐことによって確立され得る。
【００２６】
リブ４８とリブ５０との間のさらなる電気的絶縁は、不必要である。何故なら、リブ４８および５０は、リブ４８および５０の各々のセットが独立して駆動される場合、それぞれ、コンタクト３２ａおよび３２ｂ間、コンタクト３４ａおよび３４ｂ間の最も低い抵抗の経路を提供するからである。さらに、第１および第３の層１２および１６が、第２の層１４とは異なりドーピングレベルが低く、最小限しか電気的に伝導的でなく、印加された電流が第２の層１４にとどまるので、第１および第２の層１２および１４間、ならびに第２および第３の層１４および１６間の電気的絶縁が、また、達成される。層１２、１４、および１６がシリコンを含む場合、層１２、１４、および１６の表面が、また、酸化されて、さらなる電気的絶縁を提供する。
【００２７】
電気的コンタクト３２ａおよび３２ｂがアクチュエータ２８のリブ４８と垂直に並び、そのことにより、一方のコンタクト（例えば、３２ａ）が絶縁溝３６の１つの側面上のリブと垂直に並び、他方のコンタクト（例えば、３２ｂ）が溝３６の他の側面上のリブと垂直に並ぶことが分かる。コンタクト３４ａおよび３４ｂは、同様に、アクチュエータ３０のリブ５０と垂直に並ぶ。このように垂直に並べることによって、より小型のマイクロバルブが提供されることが理解され得る。
【００２８】
変位可能部材２６は、熱アクチュエータ２８および３０と接触している第１のアクチュエータ端部４０、ならびに入口ポート２０を開閉するように配置および形成される第２のストッパー端部４２を有する。変位可能部材２６は、第１のアクチュエータ端部４０からストッパー端部４２へと断面の面積が増大する。第２のストッパー端部４２の面積がより大きくなると、変位可能部材２６の流体圧力差に耐える力が大きくなる。
【００２９】
好適な実施形態において、アクチュエータ２８および３０の各々は、シャフト４４および４６を有し、リブ４８および５０がシャフトからそれぞれ伸びている。シャフト４４および４６は、概して、変位可能部材２６に対して、垂直である。従って、リブ４８を通じて電流を印加することによって、リブ４８が熱的に膨張され、その後、シャフト４４に、矢印Ｄ２８によって示される方向の力を変位可能部材２６に対して及ぼさせる。従って、本実施形態において、シャフト４４および４６、ならびにリブ４８および５０が、キャビティ２４内の変位可能部材２６の浮遊および変位可能部材２６への変位の力の伝達の両方の機能を果たす単一構造を構成することが理解され得る。
【００３０】
さらに、熱アクチュエータ２８および３０は流体によって充填されるキャビティ２４内に配置されるが、好適には、熱アクチュエータ２８および３０は、入口および出口ポート２０および２２間の流体フローの領域の外側に配置される。概して、流体フロー領域の外側の領域の流体は流れず、流体のこのデッドボリュームを除去するためには、どうしても、真空が必要である。従って、流体が熱を絶縁する場合、流体のデッドボリュームも、熱アクチュエータ２８および３０と流体フローとの間の熱の絶縁体として機能を果たし、そのことによって、流体フローが加熱されることを防ぐ。
【００３１】
アクチュエータ２８および３０ならびに変位可能部材２６は、第１および第２の層１２および１６の間で、キャビティ２４内において浮遊する。具体的には、リブ４８は、一方の端部で、第２の層１４につなぎ留められるか、または固定され、第２の層１４によって第１および第３の層１２および１６の間にリブ４８が浮遊するようになる。シャフト４４および変位可能部材２６もまた、同様に浮遊し、シャフト４４は、リブ４８およびシャフト４４および４６によって支えられている変位可能部材２６によって、支えられている。さらに、熱アクチュエータ２８および３０は、深い反応のイオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって形成される高いアスペクト比（高さの幅に対する比）を有する。熱アクチュエータ２８および３０は、好適には、１：１から５０：１の範囲、より好適には、約２０：１のアスペクト比を有する。変位可能部材２６は、好適には０．５：１から５０：１の範囲、より好適には、約１：１のアスペクト比を有する。従って、浮遊するリブ４８、シャフト４４、および変位可能部材２６の各々は、第２の層１４の平面において変位可能であるが、それぞれの支持構造によって変位の方向が限定される。
【００３２】
図３に、アクチュエータ２８をより詳細に示す。リブ４８が１つの端部で第２の層１４につなぎ留められているので、リブ４８は、つなぎ留められた端部に向かって熱的に膨張できない。どちらかと言えば、リブ４８は、シャフト４４に向かって熱的に膨張し得る。リブ４８の各々の端部は、リブ４８と第２の層１４との間、および／またはリブ４８とシャフト４４との間の接合点の断面をより小さくするように、好適には、先が細くなっている。先細り状の接合点によってヒンジアクションが可能になり、シャフト４４の変位が可能になる。さらに、リブ４８は、シャフト４４の垂線に対して角度θであり、リブ４８の熱膨張の際には、リブ４８が、変位可能部材２６の第１のアクチュエータ端部４０に向かってシャフト４４を変位させる。リブ角度θは、シャフト４４の変位を増幅させるために、好適には、例えば、２°から５°の間のように、比較的小さい。小さい角度θは、各リブ４８の熱膨張の所与の程度について、変位可能部材２６のアクチュエータ端部４０へのシャフト４４の変位を最大化する。
【００３３】
シャフト４４が変位可能部材２６のアクチュエータ端部４に及ぼす力を増大させるために、リブ４８のさらなる対が設けられ得る。例えば、アクチュエータ２８は、図１および図２に示すように、５対のリブ４８を有し得る。明らかに、リブの対の数は、所望の変位可能部材２６のストッパー端部４２に及ぼされる力を得るように、容易に変更され得る。好適には、リブ４８は、シャフト４４に関して一方が他方の反対にある対で設けられ、リブ４８によって及ぼされるシャフト４４に対して垂直な力が反対のリブ４８によって相殺される。従って、リブ４８によって及ぼされる正味の力は、シャフト４４と平行であり、シャフト４４は、その後、変位可能部材２６のアクチュエータ端部４０に力を及ぼす。
【００３４】
この好適な実施形態において、各リブ４８は、長さ約２００〜２０００μｍ、幅５０〜２００μｍ、高さ４００μｍであり、従って、アスペクト比は約２：１から８：１までである。シャフト４４は、好適には、長さおよび幅１〜２ｍｍであり、アスペクト比は、約５：１から１０：１までである。さらに、変位可能部材２６は、好適には、長さ約６ｍｍ、幅２５０〜１０００μｍ、および高さ４００μｍである。従って、アクチュエータ２８および３０の各々について、５対のシリコンリブを設けること、および２０アンペアの総電流をリブ４８および５０を通じて印加することによって、シャフト４４および４６が約１５〜２０Ｎの力を変位可能部材２６のアクチュエータ端部４０に及ぼす。この力は、約０．５Ｎの力、および変位可能部材２６のストッパー端部４２での１５０〜２００μｍの変位に変換される。変位可能部材２６のストッパー端部４２での約４００μｍの変位は、同様の寸法のマイクロバルブによって容易に達成され得る。このようなマイクロバルブは、１０ｍｓより短いスイッチング時間を有し得、記載されるように、変位可能部材２６の圧力の均衡をとりながら、流体圧力約５ｋｐｓｉまで耐え得、１分につき０．５リットルより多い流体フローを収容し得る。
【００３５】
熱アクチュエータ２８および３０のシャフト４４および４６が、変位可能部材２６に関して配置されて、アクチュエータ端部４０に向かってのシャフト４４および４６変位の際に、変位回転力をアクチュエータ端部４０に及ぼす。好適な実施形態において、この変位の力は、本質的に、矢印Ｄ２６によって示すように、第１および第２のシャフト４４および４６間の部材２６の位置のまわりの回転力である。図１に示すように、アクチュエータ２８および３０は、好適には、変位可能部材２６の反対側に配置され、変位可能部材２６の軸長に沿って、互いに関してオフセットする。オフセット距離は、変位可能部材２６のストッパー端部４２での所望の回転力、および変位によって選択され得る。エネルギーの保護があることにより、シャフト４４の変位は、概して、シャフト４４が及ぼす力に反比例する。すなわち、オフセット距離がより大きくなると、ストッパー端部４２での変位の力はより大きくなり、変位はより小さくなる。他方、オフセット距離がより小さくなると、ストッパー端部４２での回転力はより小さくなり、変位はより大きくなる。従って、変位可能部材２６の軸長に沿った、熱アクチュエータ２８および３０が互いにオフセットされる距離は、回転力と変位との間で所望の均衡を達成するように選択され得る。
【００３６】
熱アクチュエータ２８を始動するために、電気的コンタクト３２ａ、３２ｂ間で加熱リブ４８へと電流が印加され、リブ４８の熱膨張を引き起こす。リブ４８の熱膨張は、変位シャフト４４を、変位可能部材２６の第１のアクチュエータ端部４０に向かって動作させる。同様に、電流は、電気的コンタクト３４ａ、３４ｂ間で加熱リブ５０へと同時に印加され、リブ５０の熱膨張を引き起こす。リブ５０の熱膨張は、また、変位シャフト４６を、変位可能部材２６の第１のアクチュエータ端部４０に向かって動作させる。シャフト４４および４６が、変位可能部材２６の軸長に沿って互いにオフセットするので、変位可能部材２６は、第２の層１４の平面において、シャフト４４および４６のほぼ中程の変位可能部材２６の位置で変位する。変位可能部材２６の変位によって、入口ポート２０に関して、第２のストッパー端部４２が入口ポート２０を開閉するように、変位される。
【００３７】
印加される電流の量と、変位可能部材２６の第２のストッパー端部４２の入口ポート２０に関しての変位との関係は、概してヒステリシスがないので、印加される電流の量は、マイクロバルブ１０を流れる流体フローのレベルを制御するように制御され得る。印加される電流の量の制御によって、リブ４８および５０の熱膨張の程度、シャフト４４および４６の変位、変位可能部材２６の回転が制御され、従って、第２のストッパー端部４２の入口ポート２０に関しての変位が制御される。従って、変位可能部材２６のストッパー端部４２が入口ポート２０を流れるフローを開閉する、比例する程度、および得られるマイクロバルブ１０を流れる流体フローは、印加される電流の量を制御することによって、正確に制御され得る。あるいは、マイクロバルブに印加される電流は、ポートを開閉するために、パルスされ得る。パルス幅変調入力信号が、同じ平均電力送達、すなわち、同じ加熱について、所望の全体の流体フロー率が達成され得る。
【００３８】
入口ポート２０の形は、図１に示すように、変位可能部材２６のストッパー端部４２の形と同様であり得る。このような形によって、変位可能部材２６のストッパー端部４２の所与の変位によって露出される入口ポート２０の面積が最大化される。すなわち、入口ポート２０の所与の面積を露出するように、変位可能部材２６のストッパー端部４２の変位を最小化する。出口ポート２２は、任意の適切な形であり得、好適には、マイクロバルブ１０の構成によって与えられる最大のサイズであり、入口および出口ポート２０および２２間の流体フローについての出口ポート２２の影響を最小化する。言うまでもなく、入口ポート２０および出口ポート２２の任意の他の適切な形およびサイズが、利用され得、入口ポート２０および出口ポート２２は、異なる形であり得る。
【００３９】
電流が電気的コンタクト３２ａおよび３２ｂに印加されなくなった後、アクチュエータは、受動的に冷却されることが可能になり、変位可能部材２６をその開位置へと戻す。あるいは、２つ以上のアクチュエータを用いる場合、マイクロバルブ１０を、１つのアクチュエータを用いて開き、他のアクチュエータを用いて閉じてもよい。例えば、アルミニウムのような任意の熱伝導性金属またはセラミックを含み、第１の層１２の底面に付着される、ヒートシンク（図示せず）を設けることが望ましい。
【００４０】
熱アクチュエータおよび変位可能部材の代替的な構成が、本発明のマイクロバルブにおいて、容易に適用および採用され得る。熱アクチュエータおよび変位可能部材は、熱アクチュエータが及ぼす力を変位可能部材２６の変位に変換する。例えば、図４は、代替的なアクチュエータ１０２および１０４ならびに変位可能部材２６の平面図である。アクチュエータ１０２および１０４の各々は、シャフト１０８および１１０に接続されている２つ以上のバー１０６を備える。シャフト１０８および１１０は、アクチュエータ２８および３０のシャフト４４および４６と同様に、変位可能部材２６の反対側に配置され、変位可能部材２６に回転力を及ぼすため、互いにオフセットする。明らかに、シャフト１０８および１１０の各々の変位は、変位の増幅がないので、バー１０６の熱膨張と等しい。シャフト１０８および１１０が変位可能部材２６に及ぼす力を増大させるために、さらなるバー１０６が設けられ得る。
【００４１】
他の構成において、図５Ａに示すように、アクチュエータ２６および２８の各々に対する角度で、２つの変位可能部材１１２および１１４が配置されて、矢印１１８によって示される方向にストッパー１１６を変位する。変位可能部材１１２および１１４の、それぞれシャフト４４および４６に対する角度は、ストッパー１１６の変位を増幅するように選択され得る。しかし、ストッパー１１６の変位を増大することによって、変位と力との間の関係が、言うまでもなく、ここでも適用されるので、ストッパー１１６での力は低減する。
【００４２】
あるいは、図５Ｂの部分平面図に示すように、アクチュエータ１１８および１２０は、変位可能部材２６の同じ側面に配置され得る。この構成において、変位可能部材２６は、アクチュエータ１１８のみを始動することによって、入口ポート２０を開くように変位し得る。１つのアクチュエータのみを利用することによって、力が半分になり、変位可能部材２６の変位が半分になる。しかし、この構成の利点として、アクチュエータ１１８が受動的に冷却され、その初期位置に戻る前に、変位可能部材２６が、アクチュエータ１２０を始動することによって、入口ポート２０を閉じるように変位され得ることがある。これは、変位可能部材の反対側にアクチュエータを有し、アクチュエータの受動的冷却に依存して変位可能部材をその閉位置に変位する構成と対照的である。
【００４３】
図６Ａ〜６Ｄに、アクチュエータ（単数または複数）の他の変形例を示す。図６Ａに示すように、変位可能部材２６Ａは、要素２９Ａおよび３１Ａによって浮遊し得る。要素２９Ａおよび３１Ａのいずれか、または両方は、膨張可能アクチュエータとして機能を果たし得る。例えば、アクチュエータ要素２９Ａは、始動の際に、変位可能部材２６Ａに向かって膨張し、アクチュエータ要素２９Ａは、アンカー要素３１Ａの周りに部材２６Ａを変位する。要素２９Ａおよび３１Ａの両方が膨張可能アクチュエータとして機能を果たす場合、両方の要素２９Ａおよび３１が、変位可能部材に沿って、要素２９Ａおよび３１の中程に関して、ピボットポイントの周りで、アクチュエータ要素の膨張の程度に依存して、部材２６Ａを変位する。言うまでもなく、要素２９Ａおよび３１の両方がアクチュエータとして機能を果たす場合でも、いずれの要素も、他の要素を始動することなく、始動され得る。好適には、要素２９Ａおよび３１は、それぞれ、先細り部分３３Ａおよび３７Ａを規定して、変位可能部材２６Ａの変位を容易にする。
【００４４】
あるいは、図６Ｂに示すように、変位可能部材２６Ｂは、要素２９Ｂによって、且つ、変位可能部材の遠位端部３１Ｂによって、浮遊し得る。好適には、要素２９Ｂのみが、動作の際に変位可能部材２６Ｂに向かって膨張して部材２６Ａを遠位端部３１の周りで変位させるような、膨張可能アクチュエータとして機能を果たす。しかし、好ましくはないが、遠位端部３１Ｂが、また、膨張アクチュエータとして機能を果たし得る。言うまでもなく、要素２９Ｂおよび遠位端部３１Ｂの両方がアクチュエータとして機能を果たす場合でも、いずれの要素も、他の要素を始動することなく、始動され得る。好適には、要素２９Ｂは、先細り部分３３Ｂを規定して、要素２９Ｂに関しての変位可能部材２６Ａの変位を容易にする。さらに、変位可能部材２６Ｂは、好適には、また、変位可能部材２６Ｂの断面の面積が遠位端部３１Ｂに向かって低減するように、遠位端部３１Ｂで先細り部分３７Ｂを規定する。
【００４５】
次に、図６Ｃを参照すると、変位可能部材２６Ｃが、延長アーム３９および４１を備える１つのアクチュエータ２９Ｃによって浮遊し得る。延長アーム３９および４１は、異なる断面の面積を有し、例えば、延長アーム３９の断面の面積は、延長アーム４１の断面の面積よりも小さい。断面の面積の差のため、延長アーム３９の抵抗はより大きく、始動の際の熱膨張は、延長アーム４１の熱膨張より大きい。従って、アクチュエータ２９Ｃの始動の際、変位可能部材２６Ｃは、延長アーム３９によって、延長アーム４１によってと比較すると、より遠くに変位されて、部材２６Ｃが、方向Ｄ４３に線形に変位し、延長アーム４１および変形可能部材２６Ｃの交差する部分に近いピボットの周りを回転する。図示していないが、延長アーム３９および４１のいずれか、または両方が、先細り部分を設けて、変形可能部材２６Ｃの変位を容易にする。この変形例において、延長アーム３９および４１、ならびに変形可能部材２６Ｃはドープされ、そこを流れる電流の印加およびフローを可能にする。
【００４６】
図６Ｄに示すように、変位可能部材２６Ｄは、部材２６のいずれかの側面に配置されている、２つのアクチュエータ２９Ｄおよび３１Ｄによって浮遊し得る。アクチュエータ２９Ｄは、延長アーム３９’の断面の面積が延長アーム４１’の断面の面積よりも小さいような、異なる断面の面積を有する、延長アーム３９’および４１’を備える。同様に、アクチュエータ３１Ｄは、延長アーム３９’’の断面の面積が延長アーム４１’’の断面の面積よりも小さいような、異なる断面の面積を有する、延長アーム３９’’および４１’’を備える。延長アーム３９および３９’ならびに／あるいは延長アーム４１および４１’は、同じ断面の面積を有していてもよいし、有していなくてもよい。上述したように、断面の面積の差のため、延長アーム３９’および３９’’の抵抗がより大きく、始動の際の熱膨張は、それぞれ、延長アーム４１’および４１’’の熱膨張よりも大きい。
【００４７】
さらに、アクチュエータ２９Ｄおよび３１Ｄが、好適には、延長アーム４１’が、延長アーム３９’’よりも延長アーム４１’’に近く、延長アーム４１’’が延長アーム３９’よりも延長アーム４１’に近くなるように、配置される。従って、アクチュエータ２９Ｄおよび３１Ｄの始動の際に、変位可能部材２６Ｄは、延長アーム３９’および３９’’によって、延長アーム４１’および４１’’によってと比較すると、より遠くに変位されて、部材２６Ｄが、アクチュエータ２９Ｄおよび３１Ｄのほぼ中間点にあるピボットの周りを回転する。図示していないが、延長アーム３９’、３９’’、４１’および４１’’のいずれか、または全てが、先細り部分を設けて、変形可能部材２６Ｃの変位を容易にする。図６Ｃに示した変形例と同様に、延長アーム３９’、３９’’、４１’および４１’’、ならびに変形可能部材２６Ｄはドープされ、そこを流れる電流の印加およびフローを可能にする。
【００４８】
本発明のさらに別の実施形態において、１つ以上のセンサ（図示せず）が、変位可能要素に一体的に固定され得る。センサは、例えば、変位の間に曲がる場合、変位可能部材内のストレスの変化の発生の際に、電気的特性を変化させるピエゾ抵抗器のようなデバイスであり得る。ピエゾ抵抗器は、リブの側面の表面上に位置され得る。ピエゾ抵抗器の電気的特性の変化が利用されて、変位可能部材の変位または移動を感知し得る。
【００４９】
明らかなように、圧電アクチュエータ、静電性アクチュエータ、または気圧アクチュエータのような、熱または他のタイプのアクチュエータの数多くの他の構成のうち、集積および変位可能部材にもっとも適するものが、本発明のマイクロバルブ１０に容易に適用および採用されて、第２のストッパー端部４２の変位が達成され得る。例えば、図１のマイクロバルブの２つのアクチュエータのうちの１つは、変位可能部材をつなぎ留め、且つ／または回転させる１つのビームによって変位され得る。変位可能部材は、従って、回転の中心、あるいは変位可能部材に沿って、固定されたビームとアクチュエータのシャフトとの間のほぼ中程にあるピボットの周りを回転し得る。従って、変位可能部材は、アクチュエータのみの熱始動によって、開位置と閉位置との間で変位可能であり得る。
【００５０】
次に図７を参照すると、マイクロバルブ１０’の第３の層１６が、流体の圧力の均衡をとる第２の入口ポート５２を規定する、代替的な実施形態の断面図が示されている。入口ポート２０および第２の入口ポート５２は、従って、変位可能部材２６が閉位置または開位置と閉位置との間にある場合、流体がストッパー端部４２の反対側の表面に衝突するように、流体をキャビティに導入し得る。これは、少なくとも部分的に、キャビティ２４に入る流体から得られる、変位可能部材に及ぼされる流体圧力を補償するか、または均衡をとる。ストッパー端部４２に及ぼされる流体圧力は、マイクロバルブ１０’が入口ポート２０と垂直に並ぶ領域に配置されるように、マイクロバルブ１０’がドーズされた位置または開位置と閉位置との間にある場合に発生する。流体が入口ポート２０を流れるので、流体は、第１の層１２に隣接するストッパー端部４２の表面に衝突し、圧力を及ぼし、キャビティ２４内に入る。この好適な実施形態の変位可能部材２６は、変位可能部材２６がシリコンから製造されている場合、約３００〜５００ｐｓｉの流体圧力に耐え得るので、変位可能部材２６のストッパー端部４２に及ぼされる流体圧力について補償することが望ましい。しかし、完全な補償は、シリコンのような材料の固有の強度が比較的小さい圧力の不均衡に容易に耐え得るので、不必要である。従って、向かい合わせの第２の入口ポート５２を設けることによって、マイクロバルブ１０は、数千ｐｓｉの流体圧力に耐え得る。
【００５１】
図８は、変位可能部材２６上の垂直入射流体力を補償するか、または均衡をとる入口チャネル５６および第２の入口ポート５２’を含む他の代替的な実施形態の断面図である。入口チャネル５６は、第１、第２、および第３の層１２、１４、および１６を通じて伸びており、第２の入口ポート５２を通じてキャビティ２４にフローを方向付ける。従って、流体は、マイクロバルブ１０’’の第１の層１２を通じて導入され得、反対の方向から、キャビティ２４に導入されるように方向付けられ得る。第４の層５４が設けられて、第３の層１６の上を入口通路５６をおおい、第３の層が第２の層および第４の層１４および５４の間になるように配置される。
【００５２】
次に、図９〜１３の平面図を参照すると、流体衝突力に起因する流体圧力に加えて、変位可能部材２６のストッパー端部４２が、また、入口流体フローフェース５８の局地的な流体力、ならびに流体摂動にさらされる。フェース５８の局地的な力は、流体が入口ポート２０および／または第２の入口ポート５２を通じてキャビティ２４に入るので、流路が曲がることによって引き起こされる。この力によって、変位可能部材２６が、流体力が方向付ける方向に変位するように刺激される。従って、変位可能部材の動きと共に、局所力の低減について、ならびに同じ平面における流体摂動について、補償することが、また、望ましい。
【００５３】
図９〜１３に、流体力の補償を得る様々な方法および構成を示す。図９〜１３に示す実施形態の各々は、入口ポート２０から出口ポート２２に流れる流体が衝突して、変位可能部材２６を流体が及ぼす結合力にかける、流体力結合表面を含む。結合力は、フェース５８とは異なる表面への流体フローの衝突（図９および１０に示す実施形態）、あるいは、流体フローをフェース５８に向かって再度方向付けるか、またはは少なくとも摂動すること（図１１〜１３に示す実施形態）のいずれかによって、引き起こされる。
【００５４】
図９に示すように、変位可能部材２６ａは、さらに、通常Ｕ型拡張部分６０を備えて、Ｐ型変位可能部材２６ａを形成する。Ｕ型拡張部分６０は、出口ポート２２を少なくとも部分的に囲むか、または密閉する。流体フローは、ストッパー端部４２の表面５８上の局所的な力を、少なくとも部分的に補償するか、または、均衡をとるように、Ｕ型拡張部分６０に力を及ぼす。Ｕ型拡張部分６０は、さらに、変位可能部材のストッパー端部４２と拡張部分６０との間の流体フローを囲み、そのことによって、また、マイクロバルブの流体の漏れを減少する。最終用途によって、囲いの外側の圧力が比較的一定になることがさらに可能になり、囲いの外側の領域からの圧力が低くなるか、正味の圧力が無くなる。拡張部分６０の他の適切な形、例えば、Ｌ型変位可能部材が利用されて、ｈ型変位可能部材（図示せず）が形成され得る。
【００５５】
あるいは、図１０に示すように、変位可能部材２６ｂは、出口２２を囲むのではなく、入口２０と出口２２との間に配置される拡張部分６２を備え得る。拡張部分６２は、ストッパー端部４２のフェース５８上の局所的な力を、少なくとも部分的に、補償するか、または均衡をとるため、流体フローが拡張部分６２に力を及ぼすように、流体フローを再度方向付ける。
【００５６】
図１１〜１３に示すように、第１の層１２および／または第３の層１６に固定された１つ以上の部材が、キャビティ２４内に、代替的にまたは付加的に設けられて、ストッパー端部４２のフェース５８上の局所的な力を、少なくとも部分的に、補償するか、または均衡をとる。図１１に示すように、部材６４は、キャビティ２４内に設けられ得、変位可能部材２６ａは、その中の流体フローを囲む拡張部分６０を備え得る。拡張部分６０および部材６４の組み合わせによって、変位可能部材２６ａでの流体フローを再度方向付けることなしに、力が補償され得る。あるいは、バッフル６６が、図１２に示すように、カーブした表面を備え得、フェース５８に向かうフローを再度方向付け、そのことによって、力を補償する。図１３に、流体力を補償するか、または均衡をとるように、バッフル７０の周りのフローを再度方向付ける、カーブバッフル６８およびバッフル７０を有するマイクロバルブを示す。
【００５７】
図１４は、角度のある出口７２および角度のある入口２０ａが流体フロー補償部材として機能を果たす、本発明のさらに他の実施形態の例示する図面である。角度のある出口７２および角度のある入口２０ａは、部分的に他の層７３によって部分的に規定されているように、図１４に示されているが、第１の層１２によってのみ規定されてもよい。流体は、角度のある入口２０ａを通じて、入口角度αの、矢印７４によって示される方向で、キャビティ２４に流れ込み、流体は、出口角度φの、矢印７６によって示される方向で、キャビティ２４から流出する。入口角度αは、変位可能部材２６のストッパー端部４２の変位によって制御されるが、出口角度φは概して一定である。流体入口および出口角度αおよびφは、流体力の均衡をとるように選択される。従って、流出角度φでの流体流出フローは、入口角度αでの流体入口フローによって及ぼされる力に対して均衡をとる力を及ぼす。
【００５８】
次に、図１５を参照すると、本発明による、マイクロバルブ７８のさらに他の代替的な実施形態の断面図が示されている。マイクロバルブ７８は、気体バルブとして利用され得る。気体バルブ７８について、変位可能バルブが閉位置にある場合の凹部１８とストッパー端部４２との間隔は、流体マイクロバルブ１０について、好適には、０．５μｍより少ない間隔である。気体の漏れは、流体バルブの場合と異なり、流体の張力によっては低減されないので、間隔を最小化することによって、気体の漏れが防がれるか、または最小化される。間隔の大きさは、第１の層１２および／または第３の層１６の凹部１８の深さを低減することによって、低減される。
【００５９】
付加的にまたは代替的に、間隔の大きさは、変位可能部材２６のストッパー端部４２の入口表面にフランジ８０を設けることによって、さらに低減され得る。フランジ８０は、変位可能部材２６が閉位置にある場合、ストッパー端部４２の入口表面と入口２０ｂとの間のシールを強める。好適には、入口チャネル７９は、第１および第２の層１２および１４を通じて設けられて、気体がキャビティ２４に第２の層１４の平面と平行な方向で流れ込むように、気体フローを入口ポート２０ｂを通じてキャビティ２４に方向付ける。入口ポート２０ｂは、第２の層１４の平面に対して概して垂直なキャビティ２４の側壁にそって規定される。従って、第２の層１４の平面における変位可能部材２６の入口２０を閉じる変位は、また、フランジ８０に入口２０に対するより良好なシールを形成させる。
【００６０】
本発明のこの実施形態のマイクロバルブの製造は、シリコン融解結合、および深い反応のイオンエッチング（ＤＲＩＥ）のような融解結合を含む。
【００６１】
溶融結合は、一方のシリコン層の他方のシリコン層への結合を可能にし、ある単一の機械的構造を形成する。溶融結合は、分子レベルにおいてであることが実証されており、非常に高い機械的剛性を提供する。溶融結合技術は周知である。例えば、Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ、Ｄ、Ｇｅｅ，Ｆ．Ｐｏｕｒａｈｍａｄｉ、Ｒ．Ｃｒａｄｄｏｃｋ、Ｊ．ＢｒｏｗｎおよびＬ．Ｃｈｒｉｓｔａｌの、「Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ」（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ９１、１９９２年６月、３９７〜３９９頁）を参照のこと。この文献は、本明細書中で参考として明確に援用される。
【００６２】
本発明の好ましい実施形態に従うシリコン微細構造を作製するプロセスは、図１６ａ〜ｆを参照して説明される。本実施形態は、３つのシリコンウエハを使用する。３つのシリコンウエハを使用して、本プロセスにより第２のウエハの一体部分（第２の層１４に相当する）として規定した単結晶シリコン構造（ＳＣＳ）微細構造が形成する。第１のウエハ（第１の層１２に相当する）および第３のウエハ（第２の層１６に相当する）は、第２のウエハのキャリアとして機能する。あるいは、このキャリアは、例えばガラス（Ｐｙｒｅｘ）から形成され得る。以下の議論は３つのウエハについて言及しているだけであるが、これらの原理は２つ以上のウエハのスタックを含む微細構造の形成に適用できることが、もちろん理解される。
【００６３】
図１６ａにおいて、第１のウエハはフォトレジストでパターン化され、そこに形成される窪んだ領域を規定し、そしてその窪んだ領域は、例えばプラズマエッチング、ＫＯＨまたは他のシリコンエッチャントでのウエットエッチング、あるいは示差酸化物成長法（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｇｒｏｗｔｈ）などの標準的な半導体技術を使用して形成される。窪んだ領域は、任意の形状を有し得、そして例えば、０．１μｍ未満〜１００μｍを越えての任意の要求された深さを有し得る。本実施態様では、この窪んだ領域は、約１μｍの深さである。
【００６４】
窪んだ領域は、単一の一様な深さである必要はないことが理解されるべきである。例えば、いくつかの標準的なシリコンエッチング工程が、種々の機械的機能について使用され得るいくつかの種々の深さを生成するために使用され得る。あるいはまたはさらに、上記のように、第２の層が第１の層１２および第３の層１６からインデントが付けられ（示されず）、それらの間にクリアランスを提供することがさらに理解されるべきである。その上、第１のウエハ表面および第３のウエハ表面のそれぞれは、裸シリコンであるか、酸化物層でコートされているかのいずれかであり得る。さらに、窪んだ領域の基盤は、裸シリコン、酸化シリコン、ドープしたシリコン、または次のウエハの結合工程および温度処理工程に絶え得る任意の他の薄膜でコートされ得るかのいずれかであり得る。
【００６５】
図１６ｂに示されるように、次いで入口ポートが第１のウエハを介してエッチングされる。示されてはいないが、出口ポートが同時に第１のウエハを介してエッチングされ得る。あるいはまたはさらに、出口ポートは第３のウエハを介してエッチングされ得る。
【００６６】
図１６ｃにおいて、第１のウエハのパターン化された表面は、シリコン溶融結合（すなわち、直接結合）プロセスにより、第２のウエハに結合される（好ましくはドープされる）。溶融結合技術は周知である。例えば、Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ、Ｄ、Ｇｅｅ，Ｆ．Ｐｏｕｒａｈｍａｄｉ、Ｒ．Ｃｒａｄｄｏｃｋ、Ｊ．ＢｒｏｗｎおよびＬ．Ｃｈｒｉｓｔｅｌの、「Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ」（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ９１、１９９１年６月、３９７〜３９９頁）を参照のこと。この文献は、本明細書中で参考として明確に援用される。本発明の好ましい溶融結合技術では、第１のウエハおよび第２のウエハは親水性にされる。すなわち、それらは薬剤（例えば、熱硝酸または熱硫酸、および過酸化水素溶液または他の強酸化剤（これらは、水がそれらに付着するようにする））で処理される。乾燥後、次いで２つのウエハが、約１時間の間、４００℃〜１２００℃の温度で、酸化雰囲気中に置かれる。
【００６７】
上記のシリコン溶融結合技術は、単結晶シリコンウエハとは異なる熱膨張係数を有し得る中間接着性物質を使用することなく、第１のウエハおよび第２のウエハを共に結合する。さらに、溶融結合は、ウエハの一方または両方の結合した表面に、酸化層または窒化層が形成されて、実行される。
【００６８】
溶融結合の代替として、例えば、第１のウエハおよび第２のウエハは、フォトレジストなどの接着剤で共に接着され得る。別の代替として、第１のウエハおよび第２のウエハは、それらの表面の大部分が金などの金属層で覆われ、互いにウエハをアロイ化して使用される。ガラスキャリアが第１のシリコンウエハの代わりに使用される場合において、第２のウエハはこのようなガラスキャリアにアノード的に結合され得る。
【００６９】
必要であれば、第２のウエハは、特定の用途で要求される厚みにまで薄くされ、そして磨かれる。あるいは、電気化学的エッチング（ＥＣＥ）が、ウエハを薄くするために使用され得る。拡散ヒータが、拡散により第２の層１４の平坦な表面へ導入され得る。さらに、任意の必要な回路または他の薄膜堆積物およびパターン化処理が、標準的なシリコンプロセシング技術を使用して実施され得る。
【００７０】
次いで、第２のウエハは、エッチングされるべきウエハの領域を規定する深度反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）のためにパターン化される。ＤＲＩＥ技術は、ますます周知となる。例えば、Ａ．Ａ．Ａｙｏｎ、Ｃ．Ｃ．Ｌｉｎ、Ｒ．Ａ．ＢｒａｆｆおよびＭ．Ａ．Ｓｃｈｍｉｄｔの、「Ｅｔｃｈｉｎｇ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｐｒｏｆｉｌｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｉｎ  ａ  Ｔｉｍｅ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  ＩＣＰ  Ｅｔｃｈｅｒ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ、Ｈｉｌｔｏｎ  Ｈｅａｔ  Ｉｓｌａｎｄ、「Ｈｉｇｈｌｙ  Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  Ｄｅｅｐ  Ｔｒｅｎｃｈｅｓ  ｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ」、Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｒｉｎｇ、第２３巻、１９９４年、３７３〜３７６頁；Ｃ．Ｌｉｎｄｅｒ．Ｔ．Ｔｓｃｈａｎ、Ｎ．Ｆ．ｄｅ  Ｒｏｏｉｊの、「Ｄｅｅｐ  Ｄｒｙ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ａｓ  ａ  Ｎｅｗ  ＩＣ  Ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ  Ｔｏｏｌ  ｆｏｒ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’９１、１９９１年６月、５２４〜５２７頁；Ｃ．Ｄ．ＦｕｎｇおよびＪ．Ｒ．Ｌｉｎｋｏｗｓｋｉの、「Ｄｅｅｐ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  Ｐｌａｓｍａ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｐａｃｋａｇｉｎｇ  ｏｆ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ、１９８４年１１月７〜８日、１５９〜１６４頁；ならびに、Ｊ．Ｗ．Ｂａｒｔｈａ、Ｊ．Ｇｒｅｅｓｃｈｎｅｒ、Ｍ．ＰｕｅｃｈおよびＰ．Ｍａｑｕｉｎの、「Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｉ  ｉｎ  Ｈｉｇｈ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｐｌａｓｍａ  Ｕｓｉｎｇ  ＳＦ6／Ｏ2」、Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、第２７巻、１９９５年、４５３〜４５６頁を参照のこと。反応性イオンエッチング装置は現在、非常に深い（１００ミクロンより深い）ホールまたは溝のエッチングを可能にし、同時に高アスペクト比（エッチングされた領域の深さとエッチングされた領域の幅との間の比）を維持する。この装置は、３００ミクロン程度の深さの溝について、少なくとも３０：１のアスペクト比が可能であることが分かった。
【００７１】
本質的に、ＤＲＩＥは、化学的エッチングとイオン衝撃との間に相乗作用を含む。衝撃を与えられたイオンは、シリコン表面と化学的に反応する。ＤＲＩＥプロセスは、シリコンの結晶面または結晶配向に関係なく側方方向よりも垂直方向でずっと速い速度で（すなわち、異方性で）、有利にエッチングする。結果として、相対的に深い実質的に垂直方向の溝またはスロットが、単結晶シリコン（ＳＣＳ）の第２のウエハに形成される。これらの実質的に垂直方向の溝またはスロットは、ウエハ内の結晶学的な配向とは無関係に、第２のウエハ上の任意の場所で形成され得る。結果として、容量性または静電性プレートのような高アスペクト比構造が形成され、そして円、楕円および螺旋のような任意の輪郭の構造が形成され得る。
【００７２】
図１６ｄに示されるように、ＤＲＩＥプロセスが、第２のウエハを介して完全にエッチングされるように使用され、変位可能部材およびアクチュエータを規定する。ＤＲＩＥエッチング工程は、第２のウエハに形成された単結晶シリコン（ＳＣＳ）微細構造を機械的に放出し、これは次いで、第２のウエハに対してかつ第２のウエハの面で移動することが自由になる。２０：１以上のアスペクト比（高さ／幅）を有する浮遊されたプレート／梁構造は、下記に記載のＤＲＩＥプロセスを使用して製造される。
【００７３】
誘導的に結合されたプラズマソースは、マスクとしてフォトレジストまたは二酸化シリコンを使用してシリコンをエッチングする。エッチングされた溝の側壁のソースガスの重合により横方向のエッチングレートが遅くなり、高い異方牲を可能にする。このエッチング化学は、例えば５０ミリトルでＳＦ6である。酸素添加ガスおよびＳｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓから市販されているフッ化ガスは、高Ｓｉ／フォトレジストエッチングレート比を提供することを補助する。６ミクロンのフォトレジストは、パターン化マスクとして働く。フォトレジスト感度は約５０：１であり、これは、約６μｍのレジストを用いて３００μｍの深さまでエッチングすることが可能となる。Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＳＴＳ）（Ｒｅｄｗｏｏｄ  Ｃｉｔｙ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）から市販されている「マルチプレックスＲＩＥシステム」は、誘導的に結合したプラズマＤＲＩＥを実施するために使用され得る。あるいは、Ｓｔ．Ｐｅｔｅｒｓｂｕｒｇ、ＦｌｏｒｉｄａのＰｌａｓｍａ  Ｔｈｅｒｍから市販されている。
【００７４】
溶融結合およびＤＲＩＥの組み合わせは、例えば本発明のマイクロバルブのような三次元構造の構成を可能にする。例えば、Ｅ．Ｈ．Ｋｌａａｓｓｅｎ、Ｋ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ、Ｊ．Ｍ．Ｎｏｗｏｒｏｓｋｉ、Ｊ．Ｌｏｇａｎ、Ｎ．Ｉ．Ｍａｌｕｆ、Ｊ．Ｂｒｏｗｎ、Ｃ．Ｓｔｏｒｍｅｎｔ、Ｗ．ＭｃＣｕｌｌｅｙおよびＧ．Ｔ．Ａ．Ｋｏｖａｃｓの、「Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  ａｎｄ  Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ；Ａ  Ｎｅｗ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ、Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ９５、Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ、Ｓｗｅｄｅｎ、１９９５年、５５６〜５５９頁を参照のこと。
【００７５】
図１６ｅにおいて、第３のウエハのパターン化された表面は、図１６ｃを参照して上記のように、シリコン溶融結合（すなわち、直接接合）プロセスにより、第２のウエハへ結合される。示されてはいないが、結合の前に第３のウエハは、窪んだ領域、入口ポートおよび／または出口ポート、ならびにスルーウエハコンタクトホールまたはバイアを規定する第１のウエハと同様に処理された。
【００７６】
図１６ｆに示されるように、アルミニウムのような導電性の材料の層は、例えばスパッタリングでコンタクトホールまたはバイアの表面、コンタクトホールを介して曝された第２のウエハの表面、および第３のウエハの外部平坦表面の少なくとも一部分に堆積される。導電層は、従って、電気的接触を可能にするパッドとアクチュエータとの結合を形成する。任意の必要な回路または他の薄膜堆積およびパターン化処理は、第３のウエハ上で標準的なシリコンプロセシング技術を使用して実施され得る。
【００７７】
多くの数の改変が、このプロセスに容易に導入できる。例えば、第１の層１２および／または第３の層１６は、シリコンの代わりにガラス（Ｐｙｒｅｘ）から作製され得る。マイクロバルブは、３つ以上のウエハまたは層または から形成され得、微小機械デバイスは、２つ以上のウエハまたは層から形成され得る。さらに、浅いキャビティは、第１の層１２および第３の層１６の代わりにまたはそれらに加えて、第２の層１４に規定され得る。あるいは、それぞれの層は、別々に処理され、次いで提携した結合工程で組み立てられ得る。明らかなように、当業者は、例えば単にレイアウトを変えるだけで、製造工程に対するこれらのおよび多数の他の改変を容易に為すことができる。
【００７８】
本発明のマイクロバルブは、以下に記載のようにアンチロックブレーキシステム、インクジェット印刷、冷蔵、大きなバルブ用のパイロット（例えば、オートマチックトランスミッションおよび大きな工業用バルブ）での使用に適合され得る。
【００７９】
ここで、図１７を参照すると、マイクロバルブ８２はさらに、一つの出口２２へ流体が流れるための２つの入口ポート８４、８６を選択的に制御するように適合され得る。入口ポート８４、８６の開口部および閉鎖部は相互に依存する。マイクロバルブ８２の他の詳細は、他の図を参照して上記の記載から理解される。特に、作動すると、マイクロバルブ８２は、入口バルブ８６を閉じたままにしながら入口バルブ８４を開けるように制御され得る。その逆も同様である。マイクロバルブ８２はまた、入口バルブ８４、８６の両方を部分的に開けるように制御され得る。従って、マイクロバルブ８２は、１つまたは２つの流体ソースから流体フローを選択するように使用され得る。
【００８０】
明らかなように、多数の他の流体フロー制御統合が、本発明のマイクロバルブで達成され得る。例えば、本発明の単一の一体化マイクロバルブ８７は、従来のアンチロックブレーキシステムの各ホイールに利用される通常開（Ｎ．Ｏ．）および通常閉（Ｎ．Ｃ．）のソレノイドバルブを置き換えて利用され得る。単一の一体化マイクロバルブを利用するアンチロックブレーキシステム１００の一部の模式図、およびこのような単一の一体化マイクロバルブ８７の部分模式図が、図１８および１９にそれぞれ示される。
【００８１】
アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）は、乗用車において非常に一般的になった。図１８に示されるように、アンチロックブレーキシステム１００は一般に、ホイール１０２の速度を感知するホイール速度センサ（示されず）、ホイール１０２のブレーキキャリパ１０４へのおよびブレーキキャリパ１０４からのブレーキフルードの流れを制御するための通常開（Ｎ．Ｏ．）バルブ８６および通常閉（Ｎ．Ｃ．）バルブ８４、ホイール速度センサからの入力を受容し、信号をマイクロバルブ８７へ出力する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０６、マスターシリンダ１０８、ならびにポンプ１１０を備える。図１９に示されるように、マイクロバルブ８７は、ブレーキフルードをブレーキキャリパへ向ける一つの出口ポート２２、および２つの変位可能部材８８、９０を規定し、二つの入口ポート８４、８６をそれぞれ選択的に開閉する。
【００８２】
通常開の入口８６は、ドライバーがブレーキペダル１１２に力をかけたときに、ブレーキフルードがマスターシリンダ１０８からブレーキキャリパ１０４へ流れることを可能にする。ＡＢＳシステムが作動することなく、通常閉の入口８８は、ブレークフルードの流動に対して少なくとも実質的に閉であり、そして通常開の入口８６は、ドライバーによりブレーキペダル１１２に力が加えられると、ブレークフルードのブレーキキャリパ１０４への流動を可能にする。
【００８３】
しかし、滑りやすい路面では、タイヤと路面との間の不十分な摩擦またはグリップ力となり得、ドライバーがブレーキペダル１１２に力を加えると、ブレーキキャリパ１０４はホイール１０２をロックする。ブレーキキャリパ１０４がホイール１０２をロックし、ホイール１０２の回転が止まると、ホイール１０２は、滑りやすい路面に沿って横滑りをし、車の制動距離が増加する。従って、車はその運動量のために動きつづける。本質的に、ブレーキシステムによるホイールのロックは、タイヤと路面との間のグリップ力が、ホイールとブレーキパッドとの間の制止力またはグリップ力よりも小さい場合に起こる。
【００８４】
アンチロックブレーキシステムは、適切なレベルの制止力に到達するまで付加されるブレーキフルード圧を制御することにより（すなわち、ホイールと路面との間のグリップ力に等しいレベルにまで制止力を減少させることにより）、ホイールのロックの問題を低減または解消する。アンチロックブレーキシステムは、ホイールがロックしようとするのを感知するホイール速度センサに応答して、起動される。アンチロックブレーキシステムが起動されると、コンピュータはＮ．Ｏ．バルブを閉じる。ホイール速度センサが、Ｎ．Ｏ．バルブが閉じられた後でさえロックしようとするホイールを感知しつづけると、コンピュータはＮ．Ｃ．バルブを開け、いくらかのブレーキフルードをホイールシリンダまたはキャリパからマスターシリンダへとポンピングする。Ｎ．Ｃ．バルブは開閉状態を繰り返し、コンピュータがブレーキが制御されていると判断するまで（すなわち、ホイール速度センサがホイールがもはやロックしようとはしないと感知するとき）、ブレーキフルードの流動を制御する。反復したＮ．Ｃ．バルブの開閉により、フルード流動制御が比例的に達成される。アンチロックブレーキシステムは、ブレーキペダルが踏まれ続けているときにだけ達成される。
【００８５】
自動車または乗用車の従来のアンチロックブレーキシステムは、ブレーキフルードの流動を制御するために１つの車輪あたり２つのソレノイドバルブを使用するので、典型的な四輪乗用車について８つのソレノイドバルブを使用することになる。しかし、ソレノイドバルブの使用は、上記のようにいくつかの欠点がある。比例ソレノイドバルブが使用可能であるが、アンチロックブレーキシステムに使用されるコスト効率のよいソレノイドバルブは、単にオンおよびオフ（バイナリ）スイッチングを行い、従って、正確な所望のレベルのフロー制御を得るようにバルブにパルスが与えられることが必要となる。このようなパルスを、所望でないかもしれないがブレーキペダルを踏み続けているときにドライバーが感知することができる。
【００８６】
図１９に示されるようなマイクロバルブ８７は、従来のアンチロックブレーキシステムの２つのソレノイドバルブを置き換えて使用され得る。それぞれの変位可能部材８８、９０は、それぞれのサーマルアクチュエータにより別々に制御される。しかし、アンチロックブレーキシステムにおいて、変位可能部材８８、９０は、同時に両方ともが開の位置であるわけではない。従って、通常のブレーキ操作の間、（入口８４に対して通常閉の位置にある）変位可能部材８８が閉の位置にある間、（入口８６に対して通常開の位置にある）変位可能部材９０は開の位置にある。このように、通常のブレーキ操作の間にドライバーがブレーキペダル１１２を踏むと、ポンプ１１０がブレーキフルードをマスターシリンダ１０８からブレーキキャリパ１０４へ通常開の入口８６を通ってポンピングする。
【００８７】
ＥＣＵ１０６が、ホイール１０２が所定の閾値を超えるのを感知すると、ＥＣＵ１０６は信号をマイクロバルブ８７へ送信して変位可能部材９０を入口８６に対して閉の位置にまで変位し、かつ変位可能部材８８をその閉の位置から入口８４に対して開位置と閉位置との間の位置にまで変位する。変位可能部材８８を入口８４に対して開位置と閉位置との間の位置にまで変位することにより、所望のレベルのブレーキフルードがポンプ１１０によりブレーキキャリパ１０４からマスターシリンダ１０８へと除去されることが可能となる。従って、一つの一体化マイクロバルブだけが２つの従来のバイナリソレノイドバルブを置き換えるために使用される。
【００８８】
変位可能部材８８は、好ましくは開閉位置の間でパルスされず、そしてブレーキキャリパ１０４からポンピングされる所望の量のブレーキフルードを正確に制御する開閉位置の間の位置に変位されることが好ましい。しかし、変位可能部材８８は、比例的な流体フロー制御を達成するために、入口８４に対して開閉位置の間でパルスされ得る。
【００８９】
本発明の特定の実施形態が記載され、図示されるが、本発明の意図から逸脱することなくこれらの実施形態の改変が為され得ることが理解される。従って、本発明は上記の特許請求の範囲で規定されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の提示する実施形態の比例するマイクロバルブの第１、第２および第３の層の分解斜視図である。
【図２】  図２は、図１の３−３線での断面図である。
【図３】  図３は、プレートまたはリブを有するアクチュエータの平面図である。
【図４】  図４は、アクチュエータの代替的な構造の平面図である。
【図５Ａ】  図５Ａは、アクチュエータの代替的な構造の平面図である。
【図５Ｂ】  図５Ｂは、アクチュエータの代替的な構造の平面図である。
【図６Ａ】  図６Ａは、アクチュエータの代替的な構造の平面図である。
【図６Ｂ】  図６Ｂは、アクチュエータの代替的な構造の平面図である。
【図６Ｃ】  図６Ｃは、アクチュエータの代替的な構造の平面図である。
【図６Ｄ】  図６Ｄは、アクチュエータの代替的な構造の平面図である。
【図７】  図７は、流体が反対側から入って圧力の均衡をとる、第２の入口ポートを有するマイクロバルブの断面図である。
【図８】  図８は、流体が反対側から入って圧力の均衡をとる、第２の入口ポートを有する他のマイクロバルブの断面図である。
【図９】  図９は、流体力を補償する拡張部分を含む変位可能部材を示す部分平面図である。
【図１０】  図１０は、流体力を補償する拡張部分を含む変位可能部材を示す部分平面図である。
【図１１】  図１１は、流体フローを再度方向付ける、１つ以上のバフルおよび拡張部分をさらに含む、本発明のマイクロバルブを示す部分平面図である。
【図１２】  図１２は、流体フローを再度方向付ける、１つ以上のバフルおよび拡張部分をさらに含む、本発明のマイクロバルブを示す部分平面図である。
【図１３】  図１３は、流体フローを再度方向付ける、１つ以上のバフルおよび拡張部分をさらに含む、本発明のマイクロバルブを示す部分平面図である。
【図１４】  図１４は、角度のある出口ポートを有するマイクロバルブの部分断面図である。
【図１５】  図１５は、本発明の比例する気体マイクロバルブの断面図である。
【図１６ａ】  図１６ａは、本発明による製造プロセスの流れを示す図である。
【図１６ｂ】  図１６ｂは、本発明による製造プロセスの流れを示す図である。
【図１６ｃ】  図１６ｃは、本発明による製造プロセスの流れを示す図である。
【図１６ｄ】  図１６ｄは、本発明による製造プロセスの流れを示す図である。
【図１６ｅ】  図１６ｅは、本発明による製造プロセスの流れを示す図である。
【図１６ｆ】  図１６ｆは、本発明による製造プロセスの流れを示す図である。
【図１７】  図１７は、出口ポートへの流体フローを制御する２つの入口ポートを開閉する変位可能部材の平面図である。
【図１８】  図１８は、バルブの利用の実例であるアンチロックブレーキシステムの一部の模式的な図である。
【図１９】  図１９は、出口ポートへの流体フローを制御する２つの入口ポートを独立して開閉する２つの変位可能な部材を有するマイクロバルブの平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
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【図１７】
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【図１９】
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【図１８】
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