(57)【要約】  本発明は、支持体層（２）の表面（２ａ）の下方に該表面（２ａ）側から空洞（３，３ａ）を形成することによって、振動性のダイヤフラム（４，４ａ）を前記支持体層（２）の前記表面（２ａ）に製造するステップと、中間層（６）により前記支持体層（２）を覆うステップと、前記中間層（６）を構造化するステップと、マイクロメカニカルモジュール（１）を閉鎖するカバー層（１１）により前記中間層（６）を覆うステップとを有する、流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュール（１）の製造方法に関する。本方法においては、前記カバー層（１１）内に形成されている弁開口部（１２，２２）を閉鎖および／または包囲する流体弁（１４，１７）のシールエレメント（８，１８）が前記ダイヤフラム（４，４ａ）に生じるように前記中間層（６）が構造化される。
2010501810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュール（１）の製造方法であって、
−支持体層（２）の表面（２ａ）の下方に該表面（２ａ）側から空洞（３，３ａ）を形成することによって、振動性のダイヤフラム（４，４ａ）を前記支持体層（２）の前記表面（２ａ）に製造するステップと、
−中間層（６）により前記支持体層（２）を覆うステップと、
−前記中間層（６）を構造化するステップと、
−マイクロメカニカルモジュール（１）を閉鎖するカバー層（１１）により前記中間層（６）を覆うステップとを有する、流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュール（１）の製造方法において、
前記カバー層（１１）内に形成されている弁開口部（１２，２２）を閉鎖および／または包囲する流体弁（１４，１７）のシールエレメント（８，１８）が前記ダイヤフラム（４，４ａ）に生じるように前記中間層（６）を構造化することを特徴とする、流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュール（１）の製造方法。
【請求項２】
前記シールエレメント（８，１８）の周囲に中空部（１５，２１）が生じるように前記中間層（６）を構造化する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記中間層（６）を構造化する際に、前記ダイヤフラム（４，４ａ）を貫通し該ダイヤフラムの下にある空洞（３，３ａ）へと延びる、流体を案内する貫通開口部（９，２０）を形成する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
第１のダイヤフラム（４）において第１の貫通開口部（９）を構造化し、該第１の貫通開口部（９）を介して前記第１のダイヤフラム（４）の下にある前記空洞（３）を、前記シールエレメント（８）を包囲する中空部（１５）と接続させる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
第２のダイヤフラム（４ａ）において第２の貫通開口部（２０）を構造化し、該第２の貫通開口部（２０）を介して前記第２のダイヤフラム（４ａ）の下にある前記空洞（３ａ）を前記弁開口部（２２）と接合させる、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記流体弁（１４，１７）の前記カバー層（１１）と前記シールエレメント（８，１８）との間のシール領域（１６，１６ａ）において密着防止層を設けるか、密着防止機能部を実現する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
密着防止層をガラスおよび／またはシリコン上に被着させる、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
密着防止機能をガラスおよび／またはシリコン上に設ける、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
密着防止層をシリコンから形成する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
密着防止層を窒化ケイ素から形成する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
第１の振動性のダイヤフラム（４）の形成時に、前記支持体層（２）の前記表面（２ａ）の下に空洞（３ａ）を形成することによって、少なくとも１つの別の振動性のダイヤフラム（４ａ）を前記表面（２ａ）に形成する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記中間層（６）および／または前記支持体層（２）の構造化の際に、第１のシールエレメント（８）の周囲に形成されている第１の中空部（１５）と第２のシールエレメント（１８）の周囲に形成されている第２の中空部（２１）との間に流体を案内する接続部（２４）を形成する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
流体を案内する接続部（２４）および／または２つの中空部（１５，２１）に接する第３の振動性のダイヤフラム（２７，３１）を形成する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
第３の振動性のダイヤフラム（２７）によって閉鎖されている空洞のために別個の流体接触部（２６）を形成する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
第３の振動性のダイヤフラム（３１）上に、該ダイヤフラム（３１）に押圧作用および／または引張作用を作動時に与える素子を設ける、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
一緒に１つの弁（１４，１７）を形成する素子、すなわちダイヤフラム（４，４ａ）、シールエレメント（８，１８）、密着防止層（１６，１６ａ）およびカバー層（１１）の構造化を、マイクロメカニカルモジュール（１）が組み立てられた後に、前記シールエレメント（８，１８）にプレロードが加えられた状態で弁開口部（１２，２２）をシールするように行う、請求項１から１５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１７】
流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュール（１）であって、
支持体層（２）と、構造化された中間層（６）と、マイクロメカニカルモジュール（１）を閉鎖するカバー層（１１）とを有し、前記支持体層（２）の前記中間層（６）側の表面には振動性のダイヤフラム（４，４ａ）と、該ダイヤフラム（４，４ａ）の下にある空洞（３，３ａ）とが同一の側からの処理によって形成されており、且つシールエレメント（８，１８）および弁開口部（１２，２２）と共に弁（１４，１７）を形成する、流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュール（１）において、
流入弁（１４）および／または流出弁（１７）のための弁プレロード手段（３４，３５）が外部から見て、マイクロメカニカルモジュール（１）の内部において弁シール面（１６，１６ａ）の後方に配置されていることを特徴とする、流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュール（１）。
【請求項１８】
前記流入弁（１４）のための弁プレロード手段（３４）および／または前記流出弁（１７）のための弁プレロード手段（３５）は該流入弁（１４）および／または該流出弁（１７）のダイヤフラム（４，４ａ）の少なくとも一部を含む、請求項１７記載のマイクロメカニカルモジュール（１）。
【請求項１９】
前記流入弁（１４）のための弁プレロード手段（３４）および／または前記流出弁（１７）のための弁プレロード手段（３５）はシールエレメント（８；１８）および／または密着防止層（１３；２３）または密着防止機能部を含む、請求項１７または１８記載のマイクロメカニカルモジュール（１）。
【請求項２０】
密着防止層はガラスおよび／またはシリコン上に被着されている、請求項１７から１９までのいずれか１項記載のマイクロメカニカルモジュール。
【請求項２１】
密着防止機能部はガラスおよび／またはシリコン上に設けられている、請求項１７から２０までのいずれか１項記載のマイクロメカニカルモジュール。
【請求項２２】
密着防止層はシリコンから形成されている、請求項１７から２１までのいずれか１項記載のマイクロメカニカルモジュール。
【請求項２３】
密着防止層は窒化ケイ素から形成されている、請求項１７から２２までのいずれか１項記載のマイクロメカニカルモジュール（１）。
【請求項２４】
前記流出弁（１７）の前記空洞（３ａ）とマイクロメカニカルモジュール（１）の外面との間に流体を案内する接続部（１９，２０，２２）が設けられている、請求項１７から２３までのいずれか１項記載のマイクロメカニカルモジュール（１）。
【請求項２５】
前記流入弁（１４）の弁開口部（１２）および／または前記流出弁（１７）の弁開口部（２２）が前記カバー層（１１）内に形成されている、請求項１７から２４までのいずれか１項記載のマイクロメカニカルモジュール（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュールならびにその種のモジュールの製造方法に関する。
【０００２】
DE 10 2005 042 648.4からは、連通する中空部を製造するための方法が公知である。この中空部の製造に関してウェハの一方の側からのみシリコン基板を構造化することが提案されており、これによりウェハを両側から処理する製造方法に比べて顕著な時間的な利点、したがってコスト的な利点が得られる。連通する中空部を構成するためにこの刊行物においては、エピタキシャル成長されたシリコン付加層の形の別のいわゆる機能層を被着させ構造化することが開示されている。この別の機能層はエピタキシャル酸化物層、レジストマスクおよび相応のエッチング方法により製造される。この多層構造の終端部はいわゆる「流体構造」のための入口開口部が構成されているカバーガラス層によって形成される。
【０００３】
この連通する中空部の底部は、シリコン基板の表面においてシリコン層の形のダイヤフラムによって覆われる、電気化学的に製造された空洞を形成する。ダイヤフラムの形状および位置は多孔性のシリコンの変換によって決定され、また別の機能層の素子と共に可動性の素子としてマイクロ流体を制御するためのシール素子を形成する。
【０００４】
マイクロ流体に適用するための弁機能ないしポンプ機能を備えたこの連通する中空部を製造するために必要とされるステップの数が多いことは欠点である。
【０００５】
発明の課題および利点
したがって本発明の課題は、冒頭に述べた従来技術を改善することである。
【０００６】
この課題は、請求項１および請求項１３の特徴部分に記載されている構成によって解決される。従属請求項には本発明の有利で好適な実施形態が示されている。
【０００７】
したがって本発明は、以下のステップを有する、流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュールを製造するための方法に関する：
−支持体層の一方の表面の下方にその表面側から空洞を形成することによって、振動性のダイヤフラムを支持体層の表面に製造するステップ、
−中間層により支持体層を覆うステップ、
−中間層を構造化するステップ、
−マイクロメカニカルモジュールを閉鎖するカバー層により中間層を覆うステップ。
【０００８】
この方法は、カバー層内に形成されている弁開口部を閉鎖および／または包囲する流体弁のシールエレメントがダイヤフラムに生じるように中間層の構造化が行われることを特徴とする。この構成の利点は、マイクロメカニカル弁を製造するために表面マイクロメカニカル処理方法を用いた僅か２つのステップで特別な処理ステップを要することなく処理を行えることである。第３の層、いわゆるカバー層を別個の処理ステップにおいて準備し、弁を完成させるために準備されている基本層および中間層の上に被着させ、相応に配向させてそれらの層に固定的に接合させることができる。したがって公知の従来技術に比べて処理ステップ、殊に半導体技術の標準に基づき従来は付加的に要求される別の中間層を形成するために必要とされる非標準的な処理ステップの数を減らすことができる。
【０００９】
シールエレメントの周囲に中空部が生じるように中間層を構造化することができる。これによって一方では弁のための内部空間を形成することができ、他方ではシールエレメント自体を機能的に構造化することができる、もしくはシールエレメントの外形を規定することができる。
【００１０】
さらに有利には中間層を構造化する際に、ダイヤフラムを貫通しこのダイヤフラムの下にある空洞へと延びる、流体を案内する貫通開口部も形成される。この貫通開口部によって例えば、有利には多孔性のシリコンの変換によってダイヤフラムの下方に形成された空洞とダイヤフラムの上方にある中間層内の中空部との圧力差を補償することもできる。これによってダイヤフラムは一方では自由に振動することができ、他方ではこの接続部は弁内の総体積を増加させる。このことは例えば流入弁を製造する際に有利となる。
【００１１】
したがって流出弁を製造するために、貫通開口部がダイヤフラムの下にある空洞を弁開口部と接合するようにダイヤフラム内の貫通開口部を構造化することは有利である。
【００１２】
これによって、弁開口部の領域においてマイクロメカニカルモジュールにかかる外部圧力と空洞内に生じている内部圧力との圧力差を補償調整することができる。
【００１３】
この空洞もマイクロメカニカルモジュールの内部に形成されており、この空洞の上にあるダイヤフラムの位置を外部圧力の変化によって、またそれに伴いダイヤフラムの下面に及ぼされる力によって制御できることを顧慮しなければならない。
【００１４】
ダイヤフラムの位置を変更するための別の可能性は、このダイヤフラム側とは反対側、すなわち中間層およびカバー層に対向する側における圧力を相応に変化させることである。このために、中空部における内部圧力を該当するシールエレメントの周囲において変化させることが必要とされ、この中空部はダイヤフラムによって流体の漏れが防がれるようにこのダイヤフラムの下にある空洞から分離されている。その種の圧力変化を例えば中空部においてシールエレメントの周囲にかかる圧力を高めることによって行うことができる。中空部におけるシールエレメントの周囲の圧力と、ダイヤフラムの下方に形成されている空洞の内部にも生じている外部圧力との圧力差が十分に大きい場合には、シールエレメントと弁流出開口部との間のシール面が流体を案内するように開かれるようになるまでダイヤフラムを空洞の内部空間へと押し曲げることができる。これによって、中空部内のシールエレメントの周囲において高圧下にある流体を流出させることができる。
【００１５】
そのようにして形成された弁が、例えば事前に穿孔されているガラスプレートであるカバー層の下面と密着することを阻止するために、シールエレメントとカバー層との間に密着防止層を設けることができる。密着防止層をシリコン上に被着させるかガラスプレート上に被着させるか、もしくはそれら両方に被着させ、構造化することができる。密着防止層の代わりに、および／または、密着防止層の他に、一方または両方の接触領域、すなわちガラスおよび／またはシリコンの表面を相応に変更することによって密着防止機能部を実現することもできる。これに関して殊に有利にはＳｉＣ、窒化ケイ素などが適している。この密着防止層を流入弁においても、流出弁においても、有利にはそれら２つの弁に設けることができる。陽極結合はシリコンとガラスを非常に固く接着させる。例えばカバー層（ガラス）が陽極結を用いて被着される場合には、例えば窒化物またはＳｉＣ（炭化ケイ素）のような１つの電気的な層を事前に被着させて構造化することができる。
【００１６】
その種のマイクロメカニカルモジュールを製造する際の比較的高い製造レベルを達成するために、最初の振動性のダイヤフラムを製造する際にこのダイヤフラムの下に空洞を形成することによって、支持体層の表面に少なくとも１つの別の振動性のダイヤフラムが形成されることはさらに有利である。
【００１７】
つまり、例えば２つの異なる弁を並べて１つのウェハセグメントに製造することができる。これらの弁は２つの異なる流入弁または２つの異なる流出弁でよいが、殊に有利な実施形態においては１つの流入弁と１つの流出弁である。
【００１８】
例えば流入弁と流出弁を組み合わせることにより、例えばシリコンウェハの形の支持体層のこの種の表面マイクロメカニカル（ＯＭＭ）処理プロセスを用いてマイクロメカニカルポンプを製造することができる。このために殊に有利には、中間層および／または支持体層を構造化する際に、第１のシールエレメントの周囲に形成されている第１の中空部と第２のシールエレメントの周囲に形成されている第２の中空部との間に流体を案内する接続部が形成される。
【００１９】
この流体を案内する接続部は例えば相応に構成されているマイクロメカニカルポンプのポンプ室であり、このポンプ室はそれぞれのシールエレメントの周囲にある上述の中空部を相互に接続する。
【００２０】
例えばポンプ室の形の流体を案内する接続部は、この流体を案内する接続部および／または２つの中空部に接する第３の振動性のダイヤフラムが形成されることによって内部圧力を制御することができる。このダイヤフラムの位置を適切な手段によってポンプ室の体積を変化させることにより制御することができる。
【００２１】
第１の実施形態において、その種のダイヤフラムの位置を変化させる手段として空気式の駆動部が考えられる。この空気式の駆動部は例えば、第３の振動性のダイヤフラムによって閉鎖されている空洞のために別個の流体接触部が形成されることを特徴とする。
【００２２】
この別個の流体接触部によって、ポンプ室の体積が縮小または低下されるようにダイヤフラムに高圧または低圧をかけることができる。体積が増加した際にはポンプ室内に低圧が生じるので、このポンプ室と接合されている流入弁が開かれ、流体をポンプ室に流すことができる。ポンプ体積が低下した際には高圧が生じているので、この高圧と流出弁の流出領域内に生じている外部圧力との圧力差が所定の値以上になると、ポンプ内に存在する流体を排出するために流出弁は開かれる。
【００２３】
別の実施形態においては、マイクロメカニカルポンプが流体駆動部によって作動されるのではなく、別の手段によって作動される。このために例えば、作動時に第３の振動性のダイヤフラムに押圧作用および／または引張作用を与える素子をこの第３の振動性のダイヤフラム上に設けることができる。例えば、このような素子として圧電性の発振器、突き棒または電磁石などが考えられる。
【００２４】
さらに有利には、一緒に１つの弁を形成する素子、すなわちダイヤフラム、シールエレメント、密着防止層およびカバー層の構造化は、マイクロメカニカルモジュール、殊にマイクロメカニカルポンプが組み立てられた後にシールエレメントがプレロードの加えられた状態で弁開口部をシールするように行われる。これによって、それぞれの弁のプレロードを介して、該当する弁を開くために必要とされる弁シール面ないし弁キャップの両側における圧力差を直接的に制御することができる。したがって、種々の用途に関してそれぞれ相応に適合されたポンプパラメータを有するポンプを製造することができる。
【００２５】
製造方法の他に本発明は流体流を制御するための相応のマイクロメカニカルモジュールにも関する。このマイクロメカニカルモジュールは支持体層と、構造化された中間層と、マイクロメカニカルモジュールを閉鎖するカバー層とを有し、支持体層の中間層側の表面には振動性のダイヤフラムと、このダイヤフラムの下にある空洞とが同一の側からの処理によって形成されており、またシールエレメントおよび弁開口部と共に弁を形成する。このモジュールは、流入弁および／または流出弁のための弁プレロード手段が外部から見て、マイクロメカニカルモジュールの内部において弁シール面の後方に配置されていることを特徴とする。この構造は、上記において本方法に関して既に説明したように、製造のためには支持体層の他にただ１つの中間層しか必要とされないという利点を有する。
【００２６】
殊に有利には、流入弁のための弁プレロード手段および／または流出弁のための弁プレロード手段はそれらの弁のダイヤフラムの少なくとも一部を含む。ダイヤフラムのその種の部分は例えば、ダイヤフラムアームおよび／またはこのダイヤフラムアームを別のダイヤフラムアームと接合するダイヤフラムボディでよい。その種のダイヤフラムボディ上に例えば上述のシールエレメントを、ダイヤフラムへの固定によって振動性に、したがって弁が機能するように載着させることができる。
【００２７】
さらに有利には、流入弁のための弁プレロード手段および／または流出弁のための弁プレロード手段はシールエレメントおよび／または密着防止層および／または流出弁の空洞とマイクロメカニカルモジュールの外面との間において流体を案内する接続部を含む。さらに有利には、流入弁のための弁開口部および／または流出弁の弁開口部がカバー層内に構成されている。この種の実施形態の利点は、上記における相応の方法ステップの説明において既に述べた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１の実施形態に関する処理ステップでの流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュールの支持体層の断面図を示す。
【図２】第１の実施形態に関する処理ステップでの流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュールの支持体層の断面図を示す。
【図３】第１の実施形態に関する処理ステップでの流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュールの支持体層の断面図を示す。
【図３ａ】図３に示した流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュールの支持体層の平面図を示す。
【図４】第１の実施形態に関する処理ステップでの流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュールの支持体層の断面図を示す。
【図４ａ】図４に示した流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュールの支持体層の平面図を示す。
【図５】別の実施形態に関する処理ステップでの流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュールの支持体層の断面図を示す。
【図５ａ】図５に示した流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュールの支持体層の平面図を示す。
【図６】実施形態に関する処理ステップでの流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュールの支持体層の断面図を示す。
【図６ａ】図６に示した流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュールの支持体層の平面図を示す。
【図７】マイクロメカニカルモジュールの別のモジュールの断面図を示す。
【図７ａ】マイクロメカニカルモジュールの別のモジュールの平面図を示す。
【図８】マイクロメカニカルモジュールの別のモジュールの断面図を示す。
【図８ａ】マイクロメカニカルモジュールの別のモジュールの平面図を示す。
【図９】マイクロメカニカルポンプの形のマイクロメカニカルモジュールの実施形態を示す。
【図１０】マイクロメカニカルポンプの形のマイクロメカニカルモジュールの実施形態を示す。
【００２９】
図１においては、多孔性シリコンの変換によって空洞３とその空洞３の上にダイヤフラム４が形成されている、殊にシリコンウェハの形の支持体層２の断面が詳細に示されている。
【００３０】
図２においても図１に応じた支持体層２が示されているが、この支持体層２の上には構造化された中間酸化物層５が被着されており、またこの中間酸化物層５の上には中間層６が被着されており、さらにこの中間層６の上にはやはり構造化されたレジスト層７が被着されている。
【００３１】
中間酸化物層５の構造化は後続のエッチングプロセスの際に、この中間酸化物層５の下にある支持体層２を再現可能に構造化するための基礎として使用される。このことは例えば図３〜図６から見て取れる。
【００３２】
レジスト層７の構造化は後続のエッチングプロセスを用いるシリコン処理の際の通常のマスキングに相当する。レジストマスクによって覆われている層領域は残され、その他の層領域はエッチングプロセスによって除去される。エッチングプロセスは持続的に実施されるにもかかわらず、エッチレジスト中間酸化物層５によってその作用を局所的に限定することができる。このことは例えば、図３，３ａ，５および５ａに示されている別の処理ステップから見て取れる。
【００３３】
表面マイクロメカニカル技術（OMM-Technologie）を用いるシリコンウェハの処理によって、流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュール１が段階的に形成される。図３〜図４ａには流入弁を形成するための２つの処理ステップが断面図および平面図で示されており、また図５〜図６ａには流出弁を形成するための２つの処理ステップが相応に示されている。これらの弁は製造処理の終了後に図７，７ａまたは図８，８ａに示されているような別の構成要素と一緒にマイクロメカニカルポンプを形成する。このマイクロメカニカルポンプは図９によれば例えば空気式のダイヤフラム駆動部を有し、また図１０によれば例えば圧電素子の形の付加的なアクチュエータを有する。
【００３４】
図３には、図２に示した処理ステップに続く処理ステップにおけるマイクロメカニカルモジュール１が示されており、エピタキシャル層６もダイヤフラム４もトレンチステップにおいてエッチングされている。中間酸化物層５は選択的なエッチストップとして使用された。中間酸化物層５が予め除去されていた場所においてのみ、その中間酸化物層５の下にあり、ダイヤフラムを形成しているシリコン層もエッチングされている。
【００３５】
図３ａの平面図においては３つの扇形状の貫通開口部９を識別することができ、それらの貫通開口部９の間においてはエッチングにより除去されていないダイヤフラムの一部としてのダイヤフラムアーム１０をそれぞれ１つずつ識別することができる。中央には円柱状のシールエレメント８が示されており、このシールエレメント８により後にさらに被着すべきカバー層１１における弁開口部１２が閉鎖される（図４を参照されたい）。
【００３６】
このようなエッチングプロセスによってシールエレメント８の周囲には中空部１５が生じており、この中空部１５をダイヤフラム４における貫通開口部９を介して、このダイヤフラム４の下に配置されている空洞３と連通させることができる。図４に示されているこの流入弁の機能は受動的で静水力学的な弁と同等のものである。外部の圧力が内部の圧力よりも高くなると、振動性のダイヤフラム４の上に載置されているシールエレメント８の形の弁キャップが下に向かって押圧され、液状または気体状の媒体は弁の内部空間１５に流入することができる。外部の圧力が内部の圧力よりも低くなるか同じになると、弁キャップは例えばガラスプレートの形のカバー層１１に再び押し付けられる。シールエレメント８とカバー層１１との間のシール領域１６における弁キャップ８の密着を阻止するために、このシール領域１６に密着防止層１３を付加的に設けることができる。密着防止層をガラス上に被着させるか、その代わりにＳｉ表面上に被着させるか、もしくはそれらの両方に被着させ、相応に構造化することができる。
【００３７】
図４に示されているように、密着防止層の被着に起因して層が高められることによって弁キャップには僅かにプレロードが加えられる。プレロードに関与するパラメータ、例えばダイヤフラムの幾何学または弾性を変更することによって、弁の開放に必要とされる差圧に関して流入弁の動作範囲を制御することができる。したがって例えば、外部の圧力が比較的高い場合であっても閉じられた状態がさらに維持される流入弁を実現することができる。
【００３８】
つまり本発明により提案される製造方法によって、単一の中間層を被着させて構造化させ、続けてカバープレートによって閉鎖するだけで、上述の流入弁のような流体流を制御するためのマイクロメカニカルモジュールを実現することができる。このことは冒頭で述べたような公知の従来技術に比べて、製造に必要とされる処理ステップ数が大幅に低減されており、またマイクロシステム技術、殊に半導体プロセス技術の標準プロセスに限定されていることを意味する。これによってその種の素子を製造するために必要とされる時間的な手間も経済的な負担も低減されている。
【００３９】
図５および図６ならびに図５ａおよび６ａは図３〜図４ａに類似する、マイクロメカニカル流出弁１７を製造するための２つの処理ステップを示す。
【００４０】
この流出弁の構造を形成するために、エッチングプロセスの準備のためのレジストマスクは図２に示したものとは異なる構成になっており、シールエレメント１８にはその中央に通路１９が形成されている。シールエレメント１８の周囲に中空部２１が形成されていることは同じである。支持体層の表面に被着されている中間酸化物層５の構造化はやはり異なるものになっている。図５ａに示されているように、中間酸化物層５にはダイアラフラム４ａの上方および通路１９の下方の中央において空所が設けられている。これによってエッチングプロセス中に、下方にある空洞３ａへの貫通開口部２０が生じる。
【００４１】
完成したマイクロメカニカル流出弁の断面図は図６に示されており、またその平面図は図６ａに示されている。種々の平面図に示されている線分ＩＩＩ／ＩＩＩ〜ＶＩＩＩ／ＶＩＩＩはそれぞれの関連する図面における所属の断面の位置を表す。
【００４２】
図６に示されている流出弁１７の空洞３ａは流体が流れるように接続部である貫通開口部２０、通路１９および弁開口部２２を介して流体が流れるようにマイクロメカニカルモジュール１の外部周囲と連接されている。ここで弁開口部２２は図３〜図４ａの流入弁１４の実施形態と同様に、閉鎖するカバー層１１内に配置されている。これらの弁開口部１２および２２は準備段階の処理ステップにおいて、カバー層１１として機能するガラスプレート内に形成される。このように構成された弁１４，１７の重要な利点は、弁シール面１６ないし１６ａの後方でマイクロメカニカルモジュールの内部に弁にプレロードを与える手段３４，３５が配置されていることである。
【００４３】
シールエレメント１８とガラスプレート１１との間の密着を回避するために、密着防止層２３がシール領域１６ａ内に付加的に設けられている。この密着防止層２３はシール領域１６内の密着防止層１３と同様に、該当するＳｉ表面上またはガラス表面上に被着されるか、Ｓｉおよびガラスの両方に被着され、相応に構造化される。この密着防止層２３の幾何学的な拡張によって、この流出弁１７の弁キャップには流入弁１４と同様にプレロードを加えることができる。
【００４４】
図９および図１０に示されているマイクロメカニカルポンプのように流入弁１４ないし流出弁１７を作動させるためには、マイクロメカニカルモジュール１においてさらにポンプ室２４が必要とされ、このポンプ室の圧力は相応の手段によって制御することができる。これに関して図７および図８には２つの異なる実施形態が示されている。
【００４５】
図７には空気式のポンプ駆動部が示されており、このポンプ駆動部においてはマイクロメカニカルモジュールの製造時に流入弁１４ないし流出弁１７の空洞３に相当する空洞２５が支持体層２内に形成される。この空洞２５は流体を流すようにポンプ室２４から隔離されており、また図７ａに示されているように流体接触部２６を有する。この接触部２６は空洞２５の上にあるダイヤフラム２７を図７に示されているように上方に押し上げ、したがってポンプ室２４の体積を低減するために空洞２５の加圧に使用される。このようにして体積が低減されることによってポンプ室２４内の圧力は高まるので、流出弁を開くことができる。ここでもまた密着防止層２８は、流入弁および流出弁に関する実施形態と同様に、ダイヤフラム２７とカバー層１１の密着を阻止する。
【００４６】
空洞２５内の高圧を解放した後にはダイヤフラム２７が降下するので、ポンプ室２４と流入弁の弁開口部１２との間に流入弁を開かせる差圧を生じさせることができる。マイクロメカニカルポンプのこの吸入工程を空洞２５内に低圧を生じさせることによってさらにサポートすることができる。この場合にはダイヤフラム２７が空洞２５の底部に向かって湾曲され、したがってポンプ室２４の体積は増加する。つまりポンプ部２９は上述の製造プロセスによって共通して支持体層２上に構成されるよう製造することができるマイクロメカニカルモジュール１の第３の構成要素である。
【００４７】
図８は図７とは異なるポンプ部３０の実施形態を示し、この実施形態においてダイヤフラム３１は支承シールエレメント３２を用いてカバー層１１に固定されている。ポンプ室２４は同様に外に向けて閉じられているので、ダイヤフラム３１が降下することによってポンプ室２４内の体積はやはり低下する。
【００４８】
外部からダイヤフラムに作用を及ぼす例えば圧電素子または圧電突き棒または磁気電機子の形のアクチュエータ３３を作動させることによってダイヤフラム３１は降下する。実施形態に応じては、ダイヤフラム３１に引張作用を及ぼすことによって、有利には水平である標準位置を越えてダイヤフラムを持ち上げることも可能である。これによって空気式または液圧式の弁駆動部に応じて、流入弁に対する低圧の形成をサポートすることができる。しかしながら有利には、ダイヤフラム３１の戻り位置もダイヤフラム２７の戻り位置も静止位置への自身の復元力によって定まっている。
【００４９】
図９および図１０は、個々の構成要素、すなわち流入弁１４、流出弁１７およびポンプ部２９ないし３０を備えたマイクロメカニカルポンプの形のマイクロメカニカルモジュール１の２つの例示的な実施形態をポンプ室２４の体積が低減されたアクティブ状態において示したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３ａ】
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【図４】
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【図４ａ】
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【図５】
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【図５ａ】
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【図６】
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【図６ａ】
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【図７】
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【図７ａ】
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【図８】
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【図８ａ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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