(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導性ハウジングを備えたマイクロマシン形ボイラを有し、前記ハウジングが、ハウジング外面および作動流体が位置する内部空隙を画成するハウジング内面を含み、前記ハウジング外面には熱源が組み込まれ、該熱源は、熱伝導性ハウジングを通って伝導される熱を選択的に発生して、前記作動流体を所定の態様で選択的に膨張させるとともに、前記熱伝導性ハウジングは断熱基板上に設けられ、前記断熱基板には、出力ポートを有する流体通路基板の取り付けられた変形可能膜が更に設けられることを特徴とするマイクロマシン形流体制御装置。
【請求項２】
前記熱源はハウジング外面上に配置される別個のデバイスであることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシン形流体制御装置。
【請求項３】
前記熱源はハウジング外面内に一体化されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシン形流体制御装置。
【請求項４】
前記熱伝導性ハウジングはシリコンで形成されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシン形流体制御装置。
【請求項５】
前記熱伝導性ハウジングは、この中に配置された負荷抵抗器を有していることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシン形流体制御装置。
【請求項６】
前記熱伝導性ハウジングは、前記内部空隙内に配置された複数の伝熱フィンを有していることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシン形流体制御装置。
【請求項７】
前記熱源は電気抵抗熱源であることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシン形流体制御装置。
【請求項８】
前記熱源は電気抵抗熱源であり、かつ負荷抵抗器が熱伝導性ハウジング内に熱を発生するように負荷抵抗器に電気的に接続されていることを特徴とする請求項５記載のマイクロマシン形流体制御装置。
【請求項９】
前記熱源は、該熱源が所定温度に到達すると該熱源からの熱出力を低減させる制御回路を有していることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシン形流体制御装置。
【請求項１０】
前記熱源は、該熱源中の電流が所定値に到達すると該熱源を通る電流を低減させる制御回路を有していることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシン形流体制御装置。
【請求項１１】
前記負荷抵抗器に通される電流を制御して、前記内部空隙内の作動流体に加えられる熱を制御するトランジスタを更に有することを特徴とする請求項５記載のマイクロマシン形流体制御装置。
【請求項１２】
前記断熱基板が、前記ハウジング内面の内部空隙と連通している孔を備えていることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシン形流体制御装置。
【請求項１３】
前記ボイラからの前記作動流体は変形可能膜を選択的に押圧して、流体通路基板内の制御された流体の流れを妨げることを特徴とする請求項１２記載のマイクロマシン形流体制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、広くは、弁およびポンプのようなマイクロマシン形流体制御装置に関し、より詳しくは、ボイラチャンバの外部に配置された熱源により制御される熱伝導性ボイラに関する。
【０００２】
（背景技術）
マイクロマシン形装置（マイクロメカニカル装置またはマイクロエレクトロ−メカニカル装置とも呼ばれる）は、半導体加工技術を用いて製造される小型（ミクロンスケール）の機械である。マイクロマシンは、慣用のマクロスケール機械と同様な流体制御装置（例えば、弁およびポンプ）、モータおよびギアトレーン等の種々の装置を有している。本願明細書で使用される用語「マイクロマシン」は、半導体加工技術により少なくとも一部が製造されるあらゆる３次元物体をいう。
【０００３】
図１は、従来技術により製造されたマイクロマシン形弁２０を示す。弁２０は、３つの主要部品、すなわち断熱基板２２、変形可能膜２４および流体通路基板２６を有している。断熱基板２２はパイレックス（Pyrex）で形成でき、一方変形可能膜はシリコンで形成できる。断熱基板２２と変形可能膜２４との間に形成された空隙内には、作動流体２８が入れられる。断熱基板２２上には、薄膜ヒータ３０が形成されている。より詳しくは、薄膜ヒータ３０は、弁２０の内面に取り付けられている。薄膜ヒータ３０に電流を供給するのに、電気的接点３２および電気的フィードスルー３４が使用される。簡単化の目的で図示しないが、少なくとも１つの付加接点および電気的フィードスルーも使用できる。図１には、作動流体２８を弁２０内に導入するのに使用されるシールキャップ３６も示されている。
【０００４】
変形可能膜２４は台座３８上に配置されかつ弁座４０を支持している。弁座４０は弁開口４２上に載置される。かくして、図１の装置は、常閉弁を示している。すなわち、図１の弁は、これに給電されないときは閉じられている。
【０００５】
図２は、給電後に開いた状態にある図１の弁を示す。薄膜抵抗器３０を通して給電されると、作動流体２８は加熱されかつ次に膨張し、これにより変形可能膜２４を変形させる。この結果、矢印４４で示すように、流体が弁開口４２を通って流れることができる。
【０００６】
当業者ならば、図１および図２の装置に付随する多くの欠点が理解されよう。第１に、従来技術の装置は、薄膜ヒータ３０により作動流体２８を加熱するには比較的時間を要するので、作動が比較的緩慢である。また、従来技術の装置は、製造および試験が比較的高価である。高価であることの理由の大部分は、薄膜ヒータ３０に関連する。薄膜ヒータ３０の製造に費用が嵩むことは、薄膜ヒータに固有のものである。薄膜構造の試験は、薄膜ヒータが弁の内部に配置されているため困難である。また、薄膜ヒータに精密な温度および電流制御能力を付与することは比較的費用が嵩む。
【０００７】
以上のように、改善されたマイクロマシン形流体制御装置を提供することが強く望まれている。このような装置は、作動流体の温度制御に高速が得られるものでなくてはならない。また、このような装置は、製造および試験が比較的安価に行えるものでなくてはならない。
【０００８】
（発明の開示）
本発明の装置は、ハウジング外面およびハウジング内面をもつ熱伝導性ハウジングを備えたマイクロマシン形ボイラである。ハウジング内面は、流体を収容する内部空隙を形成している。ハウジング外面には熱源が組み込まれ、該熱源は、熱伝導性ハウジングを通って伝導される熱を選択的に発生して、流体を所定の態様で選択的に膨張させる。熱伝導性ハウジング内には、負荷抵抗器を配置することができる。負荷抵抗器を通る電流を所定の態様で駆動することにより、流体の選択的膨張を更に制御することができる。
【０００９】
本発明の方法は、マイクロマシン形ボイラ内の作動流体を熱伝導性ハウジングにより包囲する段階を有している。次に、熱伝導性ハウジングは、マイクロマシン形ボイラ内の作動流体の膨張を制御すべく加熱される。熱伝導性ハウジング内に配置された負荷抵抗器を通る電流を選択的に駆動して、マイクロマシン形ボイラ内の作動流体の膨張を制御することができる。
【００１０】
熱伝導性ボイラハウジングと外部に配置される熱源との組合せにより、ボイラ内の作動流体の迅速な比例制御が行える。本発明の熱源は、比較的容易に組み立てられる。熱源の配置位置も、試験を容易にする。熱源は、低コストの外部取付け形コントローラとして実施される。或いは、熱源は、ボイラ内に一体に形成することができる。いずれの実施形態でも、熱源はボイラチャンバの内部に対して外部に配置されるため、外部熱源を形成する。熱伝導性ハウジングは、熱源のもつ全ての熱エネルギを効率的に利用する。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明をより良く理解するため、添付図面に関連して述べる以下の詳細な説明を参照されたい。
【００１２】
尚、全図面を通じて、同じ参照番号は同じ部品を示すものである。
【００１３】
図３は、本発明の一実施形態によるマイクロマシン形流体制御装置５０を示す。装置５０は、マイクロマシン形ボイラ５２を有している。マイクロマシン形ボイラ５２は、内部空隙（後の図面に示す）を形成する熱伝導性ハウジングを有している。マイクロマシン形ボイラ５２の外部には熱源５４が組み込まれている。熱源５４は、図３に示すように、ボイラ５２に取り付けられる別個の装置として構成するか、ボイラに一体化される装置として構成することができる。いずれの実施形態でも、熱源は、ボイラにより形成される内部チャンバの外部に配置される。
【００１４】
マイクロマシン形ボイラ５２は断熱基板５８上に配置するのが好ましく、断熱基板５８には流体シールキャップ６０を設けることができる。断熱基板はパイレックスで形成できる。断熱基板５８には、変形可能膜６２を取り付けることができる。変形可能膜６２は、例えばシリコンで形成できる。変形可能膜６２には、流体通路基板６４が取り付けられる。変形可能膜６２、流体通路基板６４および断熱基板５８は、当業界で知られた形式に構成できる。本発明は、マイクロマシン形ボイラ５２およびその関連ヒータ５４に関するものである。当業者ならば、本願に開示するボイラ５２に関連して、任意数の弁構造または他の外部装置を使用できる。
【００１５】
マイクロマシン形ボイラ５２は、熱伝導性材料で形成される。本発明で使用する用語「熱伝導性材料」とは、少なくとも４０W/mK、好ましくは少なくとも８０W/mKの熱伝導率を有する材料をいう。本発明は、シリコンマイクロマシン形ボイラ５２に実施される。この実施形態では、ボイラシリンダの個々の半部を製造するのに、標準的な半導体加工技術が使用される。後述のように、負荷抵抗器が、シリンダの個々の半部内に形成されるか、両半部間の界面に配置される。負荷抵抗器は、移植形デバイス、薄膜デバイス等で構成できる。個々の半部は、閉チャンバを形成すべくシールされる。
【００１６】
外部ヒータ５４は抵抗熱源を構成する。好ましくは、外部ヒータには、熱出力が所定温度に到達したときに、ヒータ５４からの熱を減少させる制御回路が設けられる。或いは、外部ヒータ５４には、電流が所定値に到達したときに、ヒータ５４を通る電流を減少させる制御回路を設けることができる。例えば、外部ヒータ５４は、イリノイ州ショーンバーグ市に所在のモトローラ社（Motorola, Inc. Schaumburg, Illinois）により市販されているMC7805集積回路で実施できる。
【００１７】
当業者ならば、図３の装置は多くの長所を有していることが理解されよう。第１に、ボイラ５２は、その全体が熱伝導性材料で形成される。かくして、ヒータ５４に関連する全ての熱が、ボイラ５２内の作動流体に伝達される。これにより、作動流体が迅速に加熱される。図１および図２の装置では、断熱基板２２上に薄膜ヒータ３０が形成されていることに留意されたい。
【００１８】
図３の装置５０は、外部に配置されたヒータ５４を使用している点でも長所を有している。別個の外部ヒータは低コストで実施できる。一体形外部ヒータはコンパクドで効率的な実施ができる。
【００１９】
本発明の作動および長所は、図４を参照することにより一層完全に理解されよう。図４は、「常開」形装置の実施形態を示す拡大断面図である。図４は、ボイラチャンバ６０を形成するボイラ５２を示す。作動流体６２はチャンバ６０内に配置されている。図４の実施形態では、ボイラ５２の壁内に負荷抵抗器６４が配置されている。
【００２０】
断熱基板５８上には電圧入力ボンドパッド６６が配置されている。電圧入力ボンドワイヤ６８が、ボンドパッド６６からヒータ５４の頂部へと延びている。断熱基板５８上には、接地ボンドパッド７０も配置されている。ボイラ５２およびヒータ５４には、接地ボンドワイヤ７２が取り付けられている。ボイラ５２の頂部には、接地板７４が形成されている。出力ボンドワイヤ７８が、ヒータ５４の頂部から、負荷抵抗器６４と電気的に接続された出力リード８０へと延びている。
【００２１】
図５は、図４の装置に対応する電気回路を示す。図５は、ヒータ５４に適用される電圧入力ボンドワイヤ６８を示す。ヒータ５４からの出力ボンドワイヤ７８は負荷抵抗器６４に接続され、負荷抵抗器６４は、その他端部が接地に接続されている。ヒータ５４も、接地ボンドワイヤ７２を介して接地されている。ノード６８から印加される入力電圧はヒータ５４に印加され、ヒータに抵抗熱を発生させ、この熱は作動流体６２に伝導される。抵抗熱は、負荷抵抗器６４によっても発生される。
【００２２】
加えられた熱は作動流体６２を膨張させる。この結果、変形可能膜６２が膨張して、流体通路基板６４の出力ポート８４を閉塞する。作動流体６２の制御により、弁の比例制御を行うことができる。当業者ならば、本発明のボイラに、任意数の流体制御経路、弁またはポンプを使用できることが理解されよう。図４の形態は、単なる一例として示したものである。
【００２３】
図６は、本発明のマイクロマシン形ボイラの他の実施形態を示すものである。図６の装置には負荷抵抗器が設けられていない。その代わりに負荷トランジスタ９２が設けられている。トランジスタは、負荷および２次熱源として使用される。負荷トランジスタ９２は、ダイナミック出力負荷を可能にする。トランジスタ９２は、ボイラ５４上に取り付けるか、ボイラ５４内に組み込むか、ボイラから離して取り付けることができる。
【００２４】
図６のボイラ９０には、作動流体６２が入れられている。ボイラ９０は断熱基板５８上に配置されている。基板５８上には、電圧入力ボンドパッド６６が配置されている。電圧入力ボンドワイヤ６８が、ボンドパッド６６からヒータ５４の頂部へと延びている。基板５８上には接地ボンドパッド７０も配置されている。接地ボンドワイヤ７２が、接地板７４、負荷トランジスタ９２およびヒータ５４へと延びている。負荷トランジスタ９２は、制御入力ボンドワイヤ９６を介して制御入力パッド９４に接続されている。出力ボンドワイヤ７８が、ヒータ５４の出力ノードを負荷トランジスタ９２に接続している。
【００２５】
図７は、図６の装置に対応する電気回路を示す。ヒータ５４の出力ノードは、負荷トランジスタ９２に接続されている。制御入力ボンドワイヤ９６は、ゲートすなわちトランジスタ９２のベースに接続されている。この実施形態では、ヒータ５４は、トランジスタ９２と共に、作動流体に熱を供給する。
【００２６】
図８は、本発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、ボイラ１００は、内部負荷抵抗器６４および外部に取り付けられたトランジスタ１０２を有している。図９は、図８の装置に対応する概略図である。制御入力ボンドワイヤ１０４は、ゲートすなわちトランジスタ１０２のベースに接続されている。トランジスタの出力リード１０６は、負荷抵抗器６４に電気的に接続されている。かくして、この実施形態では、トランジスタ１０２は、高速かつ効率的な加熱を可能にする電力制御装置として使用される。
【００２７】
図１０は、本発明の更に別の実施形態を示す。この実施形態では、ボイラ１２０は、該ボイラの内部チャンバ内に配置された１組の伝熱フィン１２２を有している。伝熱フィン１２２は装置の伝熱特性を改善する。この実施形態では、負荷抵抗器６４の別の制御を行うための別の抵抗器入力リード１２４が設けられている。図１１は、図１０の装置に対応する電気的概略図である。
【００２８】
図１２は、ヒータ５４がボイラハウジングと一体になったボイラ１３０を示す。必要な電気的接続を確立するのに、ボンドワイヤ１３２が使用されている。図１２の装置は、本発明の前述の実施形態と同様に作動する。
【００２９】
上記説明では、説明上の目的から、本発明の完全理解を与えるために特別の専門用語を使用した。しかしながら、当業者ならば、本発明を実施するのに特別な詳細は不要であることが明白であろう。換言すれば、基礎となる発明からの不必要な混乱を避けるため、良く知られた回路およびデバイスがブロック図で示されている。本発明の特定実施形態に関する上記説明は、例示の目的でなされたものである。上記説明は、本発明を、開示した正確な形態に限定することを意図するものではない。上記教示から多くの変更をなし得ることは明白である。例示の実施形態は、本発明の原理およびその実際の用途を最も良く説明するために選択されかつ説明された。これにより、当業者ならば、本発明および意図得る特定用途に適した種々の変更がなされた種々の実施形態を最も良く利用できるであろう。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載およびこれらの均等物により定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  作動流体の内部加熱を用いて弁の状態を制御する従来技術の弁を示す図面である。
【図２】  開いた状態にある図１の従来技術の弁を示す図面である。
【図３】  本発明の一実施形態によるマイクロマシン形流体制御装置を示す図面である。
【図４】  本発明の一実施形態によるマイクロマシン形流体制御装置を示す拡大断面図である。
【図５】  図４の装置に対応する電気回路を示す図面である。
【図６】  本発明の他の実施形態によるマイクロマシン形流体制御装置を示す拡大断面図である。
【図７】  図６の装置に対応する電気回路を示す図面である。
【図８】  本発明の他の実施形態によるマイクロマシン形流体制御装置を示す拡大断面図である。
【図９】  図８の装置に対応する電気回路を示す図面である。
【図１０】  本発明の他の実施形態によるマイクロマシン形流体制御装置を示す拡大断面図である。
【図１１】  図１０の装置に対応する電気回路を示す図面である。
【図１２】  本発明の他の実施形態によるマイクロマシン形流体制御装置を示す図面である。
【図１】
0004496422.tif 000002
【図２】
0004496422.tif 000003
【図３】
0004496422.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004496422.tif 000009
【図９】
0004496422.tif 000010
【図１０】
0004496422.tif 000011
【図１１】
0004496422.tif 000012
【図１２】
0004496422.tif 000013