JP3336017B2 - 微薄膜ポンプ本体の製造方法 - Google Patents
微薄膜ポンプ本体の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、ポンプ本体の製造方法、詳しくは、ポンプ
薄膜、ポンプ本体、受動逆止弁が設けられた入出口を含
む微薄膜ポンプのためのポンプ本体の製造方法に関す
る。
薄膜、ポンプ本体、受動逆止弁が設けられた入出口を含
む微薄膜ポンプのためのポンプ本体の製造方法に関す
る。
先行技術によると、駆動方法の異なる多数の微薄膜ポ
ンプが存在する。主に、電磁、熱、圧電の駆動原理を応
用したものである。逆止弁を有する微薄膜ポンプのため
の電磁駆動原理は、例えば、E.カント、K.シーマンによ
る「磁歪薄膜微量流動器具」（マイクロシステムテクノ
ロジィズ96、451−456ページ、VDE出版、1996年）に記
載されている。
ンプが存在する。主に、電磁、熱、圧電の駆動原理を応
用したものである。逆止弁を有する微薄膜ポンプのため
の電磁駆動原理は、例えば、E.カント、K.シーマンによ
る「磁歪薄膜微量流動器具」（マイクロシステムテクノ
ロジィズ96、451−456ページ、VDE出版、1996年）に記
載されている。
熱駆動方法は、例えば、B.ブーストゲンズ他による
「鋳型成形された微薄膜ポンプ」（1994年ブレーメンに
おけるアクチュエータ学会会報94、86−90ページ）に記
載されている。EP−Ａ−0134614と、H.T.G.バン・リン
テル他による「シリコンの微細機械加工による圧電マイ
クロポンプ」（センサーズ＆アクチュエーターズ、15、
1988年、153−167ページ）は、能動又は受動逆止弁を使
用する微薄膜ポンプのための圧電駆動原理を説明してい
る。
「鋳型成形された微薄膜ポンプ」（1994年ブレーメンに
おけるアクチュエータ学会会報94、86−90ページ）に記
載されている。EP−Ａ−0134614と、H.T.G.バン・リン
テル他による「シリコンの微細機械加工による圧電マイ
クロポンプ」（センサーズ＆アクチュエーターズ、15、
1988年、153−167ページ）は、能動又は受動逆止弁を使
用する微薄膜ポンプのための圧電駆動原理を説明してい
る。
静電駆動を有し、それぞれ逆止弁が設けられた入出口
を一体的に備えたポンプ本体を有する公知の微薄膜ポン
プが、DE4143343A1にだけでなく、R.ツェンゲルによる
「微量流動システムのための部品としての微薄膜ポン
プ」（シェーカー出版、アーヘン、1994年、ISBN3−826
5−0216−７）に記載されている。このようなマイクロ
ポンプを図１に示す。
を一体的に備えたポンプ本体を有する公知の微薄膜ポン
プが、DE4143343A1にだけでなく、R.ツェンゲルによる
「微量流動システムのための部品としての微薄膜ポン
プ」（シェーカー出版、アーヘン、1994年、ISBN3−826
5−0216−７）に記載されている。このようなマイクロ
ポンプを図１に示す。
図１に示されたマイクロポンプは、四つのシリコンチ
ップからなり、そのうち二つは可撓性のあるポンプ薄膜
10と絶縁膜14を備えた対向電極12からなる静電駆動体を
形成するものである。他の二つのシリコンチップ16,18
は、フラップ弁20,22を内蔵するポンプ本体を形成す
る。ポンプ室24は、シリコンチップ16,18によって形成
されるポンプ本体と、その周囲に沿ってポンプ本体に接
続されているフレキシブルなポンプ薄膜10との間に形成
される。スペーサ層28が、フレキシブルなポンプ薄膜10
の保持手段26と対向電極の間に配置されている。
ップからなり、そのうち二つは可撓性のあるポンプ薄膜
10と絶縁膜14を備えた対向電極12からなる静電駆動体を
形成するものである。他の二つのシリコンチップ16,18
は、フラップ弁20,22を内蔵するポンプ本体を形成す
る。ポンプ室24は、シリコンチップ16,18によって形成
されるポンプ本体と、その周囲に沿ってポンプ本体に接
続されているフレキシブルなポンプ薄膜10との間に形成
される。スペーサ層28が、フレキシブルなポンプ薄膜10
の保持手段26と対向電極の間に配置されている。
静電駆動体に電圧を印加すると、弾力性のあるポンプ
薄膜10は剛性のある対向電極12に静電的に引きつけら
れ、これにより、ポンプ室24に負圧が生じ、この負圧の
ために、ポンプ媒体が矢印30で示されるように引き入れ
口のフラップ弁22を通じて流れる。電圧が切られて電荷
が電極を短絡することによってバランスをとると、ポン
プ薄膜が緩み、ポンプ媒体が排出口のフラップ弁20を通
じてポンプ室から排出される。
薄膜10は剛性のある対向電極12に静電的に引きつけら
れ、これにより、ポンプ室24に負圧が生じ、この負圧の
ために、ポンプ媒体が矢印30で示されるように引き入れ
口のフラップ弁22を通じて流れる。電圧が切られて電荷
が電極を短絡することによってバランスをとると、ポン
プ薄膜が緩み、ポンプ媒体が排出口のフラップ弁20を通
じてポンプ室から排出される。
駆動手段が違うことを除いては、圧電的に駆動される
マイクロポンプも図１に示されているマイクロポンプ本
体と同じ構造である。
マイクロポンプも図１に示されているマイクロポンプ本
体と同じ構造である。
DE69401250C2は、バルブ構造を内蔵したシリコン板が
端部板に接続されているマイクロポンプの製造方法を説
明している。
端部板に接続されているマイクロポンプの製造方法を説
明している。
本発明の目的は、ウェハレベルでのポンプ本体を製造
する簡単な方法であり、また、高い圧縮比を有する微薄
膜ポンプに適したポンプ本体の製造を可能にする方法を
提供することである。
する簡単な方法であり、また、高い圧縮比を有する微薄
膜ポンプに適したポンプ本体の製造を可能にする方法を
提供することである。
この目的は請求項１の方法によって達成される。
本発明は、入口弁を備えた引き入れ口と出口弁を備え
た排出口を有するポンプ本体の製造方法を提供する。こ
の方法の第１段階は、第１及び第２半導体基板にそれぞ
れ第１主面を構造化する工程であり、これは、第１基板
に入口弁のバルブフラップを構成するための凹部と出口
弁の弁座を構成するための凹部と、第２基板の出口弁の
バルブフラップを構成するための凹部と入口弁の弁座を
構成するための凹部とを形成するものである。続いて、
第１及び第２半導体基板のそれぞれの第２主面に、バル
ブフラップを構成するための凹所と弁座を構成するため
の凹所が、前記バルブフラップを構成するための凹部及
び弁座を構成するための凹部と特定の関係を有するよう
に形成される。第１及び第２半導体基板の第１主面は、
それぞれのバルブフラップを構成するための凹部がそれ
ぞれの弁座を構成するための凹部と特定の関係で配置さ
れるように接続される。次に、少なくとも一方の半導体
基板を第２主面側から薄肉化する。最後に、第１及び第
２半導体基板のそれぞれの第２主面が、バルブフラップ
が露出させ、弁座を開くように、少なくともバルブフラ
ップを構成するための凹所の部分と弁座を構成するため
の凹所の部分でエッチングが施される。
た排出口を有するポンプ本体の製造方法を提供する。こ
の方法の第１段階は、第１及び第２半導体基板にそれぞ
れ第１主面を構造化する工程であり、これは、第１基板
に入口弁のバルブフラップを構成するための凹部と出口
弁の弁座を構成するための凹部と、第２基板の出口弁の
バルブフラップを構成するための凹部と入口弁の弁座を
構成するための凹部とを形成するものである。続いて、
第１及び第２半導体基板のそれぞれの第２主面に、バル
ブフラップを構成するための凹所と弁座を構成するため
の凹所が、前記バルブフラップを構成するための凹部及
び弁座を構成するための凹部と特定の関係を有するよう
に形成される。第１及び第２半導体基板の第１主面は、
それぞれのバルブフラップを構成するための凹部がそれ
ぞれの弁座を構成するための凹部と特定の関係で配置さ
れるように接続される。次に、少なくとも一方の半導体
基板を第２主面側から薄肉化する。最後に、第１及び第
２半導体基板のそれぞれの第２主面が、バルブフラップ
が露出させ、弁座を開くように、少なくともバルブフラ
ップを構成するための凹所の部分と弁座を構成するため
の凹所の部分でエッチングが施される。
前述した静電駆動の微薄膜ポンプは、例えば、図１に
示されるような形態で用いられた場合、いくつかの不利
な点がある。
示されるような形態で用いられた場合、いくつかの不利
な点がある。
微薄膜の小さな振動と比較的大きなポンプ室のせい
で、このような公知のポンプは非常に小さな圧縮比を有
することになる。圧縮比という言葉は、ポンプ排出量の
ポンプ室合計容量に対する割合を意味する。この小さな
圧縮比のために、気体のような圧縮性の媒体を送ること
は不可能である。なぜならば、通常このような媒体の圧
縮率はポンプの圧縮比を上回るからである。
で、このような公知のポンプは非常に小さな圧縮比を有
することになる。圧縮比という言葉は、ポンプ排出量の
ポンプ室合計容量に対する割合を意味する。この小さな
圧縮比のために、気体のような圧縮性の媒体を送ること
は不可能である。なぜならば、通常このような媒体の圧
縮率はポンプの圧縮比を上回るからである。
さらに、前述した公知のポンプのポンプ室は、流体力
学に関して不利で、その上、気泡の許容がない形状であ
る。ポンプ媒体である流体に気体が含まれ、それがポン
プ室の溜まり、その高い圧縮率のために、実質的にポン
プ特性を損なうことになる。さらに、圧縮比の悪さのた
めに、自発的な呼び水入れが達成できない。
学に関して不利で、その上、気泡の許容がない形状であ
る。ポンプ媒体である流体に気体が含まれ、それがポン
プ室の溜まり、その高い圧縮率のために、実質的にポン
プ特性を損なうことになる。さらに、圧縮比の悪さのた
めに、自発的な呼び水入れが達成できない。
さらに、その製造工程のために、公知のマイクロポン
プのポンプ微薄膜は、送られる媒体と電気的に接続して
いる。作動中、静電駆動のマイクロポンプに200Vオーダ
ーの電圧が駆動体に作用するので、失敗の際にはポンプ
媒体に実質的に電位が存在し、使用の際のそれぞれの場
合に応じて、これらの電位が外部部品の誤動作を引き起
こすかもしれない。また、現在知られている先行技術に
よると、マイクロポンプはそれぞれのチップを接着する
ことによって取り付けられる。この取り付け方法は、効
率的な製造を行うために満足しなければならない必要条
件を満たしていない。
プのポンプ微薄膜は、送られる媒体と電気的に接続して
いる。作動中、静電駆動のマイクロポンプに200Vオーダ
ーの電圧が駆動体に作用するので、失敗の際にはポンプ
媒体に実質的に電位が存在し、使用の際のそれぞれの場
合に応じて、これらの電位が外部部品の誤動作を引き起
こすかもしれない。また、現在知られている先行技術に
よると、マイクロポンプはそれぞれのチップを接着する
ことによって取り付けられる。この取り付け方法は、効
率的な製造を行うために満足しなければならない必要条
件を満たしていない。
従って、小さなポンプ室を備えた微薄膜ポンプは前述
の欠点を排除するのに有効である。ポンプ室容量を減少
させるための一つの可能な方法は、駆動手段に対向する
バルブチップを薄くすることである。しかし、特にこの
ようなバルブチップの薄肉化は実質的な問題を伴う。一
方では、例えば、研削や研磨の機械的薄肉化は、このよ
うな機械的薄肉化の際に発生する強い振動のために、フ
ラップにダメージをもたらすかもしれない、つまり、フ
ラップがその固定部分で折れるかもしれない。バルブチ
ップの薄肉化のために化学的処理もまた使用不可能であ
る。なぜなら、従来のバルブフラップは化学的除去に対
して保護されているものでなければならない。そして、
これはプロセスエンジニアリングの分野への高い投資の
下でのみ可能である。
の欠点を排除するのに有効である。ポンプ室容量を減少
させるための一つの可能な方法は、駆動手段に対向する
バルブチップを薄くすることである。しかし、特にこの
ようなバルブチップの薄肉化は実質的な問題を伴う。一
方では、例えば、研削や研磨の機械的薄肉化は、このよ
うな機械的薄肉化の際に発生する強い振動のために、フ
ラップにダメージをもたらすかもしれない、つまり、フ
ラップがその固定部分で折れるかもしれない。バルブチ
ップの薄肉化のために化学的処理もまた使用不可能であ
る。なぜなら、従来のバルブフラップは化学的除去に対
して保護されているものでなければならない。そして、
これはプロセスエンジニアリングの分野への高い投資の
下でのみ可能である。
本発明に係る方法は、デリケートなバルブフラップへ
ダメージを与える危険性がなく、また、プロセスエンジ
ニアリングの分野への高い投資も必要としない、バルブ
チップの薄肉化を可能とする。
ダメージを与える危険性がなく、また、プロセスエンジ
ニアリングの分野への高い投資も必要としない、バルブ
チップの薄肉化を可能とする。
また、本発明に係る方法は、ポンプ本体をウェハレベ
ルで製造することを可能にする。積み重ね的構造の設計
のために、製造されたポンプ本体は、さらに、ウェハレ
ベルでの微薄膜ポンプの最終組み立てに適している。他
の多くの概念と比べて、これは製造工学の見地から非常
に有利な考えである。
ルで製造することを可能にする。積み重ね的構造の設計
のために、製造されたポンプ本体は、さらに、ウェハレ
ベルでの微薄膜ポンプの最終組み立てに適している。他
の多くの概念と比べて、これは製造工学の見地から非常
に有利な考えである。
本発明のさらなる展開は、従属請求項に開示されてい
る。
る。
以下に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施
形態を詳細に説明する。
形態を詳細に説明する。
図１は、静電駆動機構を有する公知の微薄膜ポンプを
示す。
示す。
図2a）,2b）,3a）,3b）は、本発明に係る方法で製造
されたポンプ本体を有する微薄膜ポンプを示す。
されたポンプ本体を有する微薄膜ポンプを示す。
図４は、微薄膜ポンプの静電マイクロポンプ駆動機構
を示す。
を示す。
図５は、微薄膜ポンプの圧電マイクロポンプ駆動機構
を示す。
を示す。
図６は、本発明に係る方法の第１実施形態を説明する
概略断面図を示す。
概略断面図を示す。
図７は、本発明に係る方法の第２実施形態を説明する
概略断面図を示す。
概略断面図を示す。
図８は、本発明に係る方法の第３実施形態を説明する
概略断面図を示す。
概略断面図を示す。
図2a）,2b）,3a）,3b）は、本発明に係る方法で製造
されたポンプ本体を有する微薄膜ポンプの実施形態を示
す。
されたポンプ本体を有する微薄膜ポンプの実施形態を示
す。
図2a）は、圧電駆動体100を基礎とした微薄膜ポンプ
を示す。この圧電駆動体に関しては、図５を参照して後
に詳述する。ポンプ本体は二つの半導体ディスク、好ま
しくはシリコンウェハ102、104からなる。半導体ディス
ク102、104はマイクロメカ的方法で形成された入口弁10
6と出口弁108を内蔵している。図2a）に示されているよ
うに、シリコン基板102は、ポンプ室の容量を小さくす
るため、さらには、高い圧縮比を実現するために、微薄
膜に対向する表面が薄くされている。
を示す。この圧電駆動体に関しては、図５を参照して後
に詳述する。ポンプ本体は二つの半導体ディスク、好ま
しくはシリコンウェハ102、104からなる。半導体ディス
ク102、104はマイクロメカ的方法で形成された入口弁10
6と出口弁108を内蔵している。図2a）に示されているよ
うに、シリコン基板102は、ポンプ室の容量を小さくす
るため、さらには、高い圧縮比を実現するために、微薄
膜に対向する表面が薄くされている。
このような構造を形成するのに採用される本発明に係
る方法は、図６〜図８を参照して後に説明する。
る方法は、図６〜図８を参照して後に説明する。
図2b）は、静電駆動による微薄膜ポンプの実施形態を
示す。この静電駆動は、対向電極120と微薄膜として機
能する駆動体122からなる。この静電駆動に関しては、
図４を参照して後に詳述する。
示す。この静電駆動は、対向電極120と微薄膜として機
能する駆動体122からなる。この静電駆動に関しては、
図４を参照して後に詳述する。
前述したように、ポンプ本体は受動逆止弁106、108を
内蔵する二つのシリコン基板102、104によって形成され
る。図2b）に示されるように、同時に微薄膜としても機
能する静電駆動体122は、逆止弁106、108を備えた引き
入れ口と排出口の外側でポンプ本体上に座るように、本
質的に平らなものである。この静電駆動の場合には、バ
ルブチップを薄くしたことだけでなく、この構造設計に
より、高い圧縮比が得られる。
内蔵する二つのシリコン基板102、104によって形成され
る。図2b）に示されるように、同時に微薄膜としても機
能する静電駆動体122は、逆止弁106、108を備えた引き
入れ口と排出口の外側でポンプ本体上に座るように、本
質的に平らなものである。この静電駆動の場合には、バ
ルブチップを薄くしたことだけでなく、この構造設計に
より、高い圧縮比が得られる。
図3a）,3b）は、微薄膜ポンプのさらなる二つの実施
形態を示している。これらの実施形態では、ポンプ本体
を形成する第２シリコン基板に関してだけが、図2a）,2
b）に示す実施形態と違っている。図3a）,3b）に示す実
施形態において、シリコン基板102と共にポンプ本体を
形成する第２シリコン基板104'も薄肉化されており、微
薄膜122から離れた側が薄肉化されている。図3a）,3b）
に示すタイプのポンプ本体は、図７を参照して後に詳述
する種類の製造方法によって得られる。
形態を示している。これらの実施形態では、ポンプ本体
を形成する第２シリコン基板に関してだけが、図2a）,2
b）に示す実施形態と違っている。図3a）,3b）に示す実
施形態において、シリコン基板102と共にポンプ本体を
形成する第２シリコン基板104'も薄肉化されており、微
薄膜122から離れた側が薄肉化されている。図3a）,3b）
に示すタイプのポンプ本体は、図７を参照して後に詳述
する種類の製造方法によって得られる。
図４は、微薄膜ポンプを形成するためにポンプ本体に
接続される平らな静電マイクロポンプ駆動機構を示す。
接続されるポンプ本体は本発明に係る方法で製造された
ものである。この静電駆動機構は、本質的に、剛性の対
向電極120と全部分が薄い微薄膜122とから成る平らな駆
動体に関して、図１に示す駆動機構とは違っている。従
って、駆動ユニットによって規定されるポンプ室容量率
は、図2b）から明らかなように、０にまで下げることが
でき、このことは圧縮を高めることに寄与する。
接続される平らな静電マイクロポンプ駆動機構を示す。
接続されるポンプ本体は本発明に係る方法で製造された
ものである。この静電駆動機構は、本質的に、剛性の対
向電極120と全部分が薄い微薄膜122とから成る平らな駆
動体に関して、図１に示す駆動機構とは違っている。従
って、駆動ユニットによって規定されるポンプ室容量率
は、図2b）から明らかなように、０にまで下げることが
でき、このことは圧縮を高めることに寄与する。
この平らな静電駆動体は、例えば、以下に説明する方
法によって製造できる。まず第１に、対向電極120とポ
ンプ微薄膜122のために、初期ウェハが製造される。こ
の際、特に、電気接続を可能にしておくこと、例えば、
接続パッドを備えることを含み、初期材料として非導電
性材料が使用される場合には、電極面を形成するために
導電性コーティングを適切に施すことを含む。続いて、
スペーサ層140が、ポンプ微薄膜122と対向電極120の載
置面となる面上に形成される。さらに、電極間の短絡を
防止するため、絶縁層142が二つのウェハの接触する全
ての点に形成される。この二つの初期ウェハはスペーサ
層140に形成された接続部で接続される。次に、ポンプ
微薄膜122用の初期ウェハは、ポンプ微薄膜の望ましい
最終厚さが得られるまで、全部分にわたって削られる。
法によって製造できる。まず第１に、対向電極120とポ
ンプ微薄膜122のために、初期ウェハが製造される。こ
の際、特に、電気接続を可能にしておくこと、例えば、
接続パッドを備えることを含み、初期材料として非導電
性材料が使用される場合には、電極面を形成するために
導電性コーティングを適切に施すことを含む。続いて、
スペーサ層140が、ポンプ微薄膜122と対向電極120の載
置面となる面上に形成される。さらに、電極間の短絡を
防止するため、絶縁層142が二つのウェハの接触する全
ての点に形成される。この二つの初期ウェハはスペーサ
層140に形成された接続部で接続される。次に、ポンプ
微薄膜122用の初期ウェハは、ポンプ微薄膜の望ましい
最終厚さが得られるまで、全部分にわたって削られる。
選ばれる材料によって、例えば、研磨等の機械的除去
やエッチングが、可撓性のある静電的に駆動されるポン
プ微薄膜122を製造するための削除方法として使われ
る。エッチング処理のためには、ポンプ微薄膜122は多
層構造の最上面に組み込むことができ、この多層構造は
最下層として微薄膜の下面となる面に腐食防止層を含ん
でいる。このポンプ微薄膜製造は何の構造化工程も必要
とせず、圧縮比の最適化に加えて製造コストの最小化
も、このような本質的に平たい静電マイクロポンプ駆動
によって達成される。
やエッチングが、可撓性のある静電的に駆動されるポン
プ微薄膜122を製造するための削除方法として使われ
る。エッチング処理のためには、ポンプ微薄膜122は多
層構造の最上面に組み込むことができ、この多層構造は
最下層として微薄膜の下面となる面に腐食防止層を含ん
でいる。このポンプ微薄膜製造は何の構造化工程も必要
とせず、圧縮比の最適化に加えて製造コストの最小化
も、このような本質的に平たい静電マイクロポンプ駆動
によって達成される。
ポンプ微薄膜の下面のより広範囲にわたる構造化、例
えば、スペーサや流路等の付加補助的な構造の製造や、
コーティングのさらなる除去や付与は、前述した全部分
にわたる削除の後に行うことができる。この広範囲にわ
たる構造化には、電気的絶縁のため、あるいは目的を持
って機械的特性を変更するため、例えば、局所的に不均
質な弾力性を持たせるために微薄膜の厚さを局所的に変
える目的で、例えば、化学的抵抗を増すために付加的な
量を追加することも含まれる。
えば、スペーサや流路等の付加補助的な構造の製造や、
コーティングのさらなる除去や付与は、前述した全部分
にわたる削除の後に行うことができる。この広範囲にわ
たる構造化には、電気的絶縁のため、あるいは目的を持
って機械的特性を変更するため、例えば、局所的に不均
質な弾力性を持たせるために微薄膜の厚さを局所的に変
える目的で、例えば、化学的抵抗を増すために付加的な
量を追加することも含まれる。
対向電極120とポンプ微薄膜122の初期材料として使用
できる材料は、特に、シリコン、ガラス、プラスティッ
ク材料である。スペーサ層140は、二つの初期ウェハの
うちの一つあるいは両方に構造化または追加することに
よって形成される。使用される初期材料によって、対向
電極120とポンプ微薄膜の接続に採用される方法は違っ
てくる。接着剤はあらゆる材料に使用でき、シリコンと
ガラスの組み合わせや、間にガラススペーサを挟んだシ
リコンとシリコンの組み合わせに対してはアノード接
合、シリコンとシリコンの組み合わせに対してはシリコ
ン溶融接合が使用できる。温度上昇を必要とする接続方
法、例えば、アノード接合を可能とするために、静電駆
動体の対向電極120に開口144が設けられている。これら
の開口は、ポンプ微薄膜122と対向電極120間の気体の熱
膨張や圧縮の場合の周囲環境に関連して圧力の均等化を
図るものである。これらの開口は、また、スペーサ層14
0内にも設けてもよい。
できる材料は、特に、シリコン、ガラス、プラスティッ
ク材料である。スペーサ層140は、二つの初期ウェハの
うちの一つあるいは両方に構造化または追加することに
よって形成される。使用される初期材料によって、対向
電極120とポンプ微薄膜の接続に採用される方法は違っ
てくる。接着剤はあらゆる材料に使用でき、シリコンと
ガラスの組み合わせや、間にガラススペーサを挟んだシ
リコンとシリコンの組み合わせに対してはアノード接
合、シリコンとシリコンの組み合わせに対してはシリコ
ン溶融接合が使用できる。温度上昇を必要とする接続方
法、例えば、アノード接合を可能とするために、静電駆
動体の対向電極120に開口144が設けられている。これら
の開口は、ポンプ微薄膜122と対向電極120間の気体の熱
膨張や圧縮の場合の周囲環境に関連して圧力の均等化を
図るものである。これらの開口は、また、スペーサ層14
0内にも設けてもよい。
図５は、微薄膜ポンプを形成するためにポンプ本体に
接続される圧電マイクロポンプ駆動機構を示す。接続さ
れるポンプ本体は本発明に係る方法で製造されたもので
ある。ポンプ微薄膜110は、この微薄膜をポンプ本体に
取り付けるための取り付け構造150を有している。取り
付け構造と微薄膜は、ポンプ本体から離れた側が、導電
層152に覆われている。接続層154によって、圧電作用材
料156が微薄膜110に取り付けられる。また、圧電作用材
料156は導電層158に覆われる。
接続される圧電マイクロポンプ駆動機構を示す。接続さ
れるポンプ本体は本発明に係る方法で製造されたもので
ある。ポンプ微薄膜110は、この微薄膜をポンプ本体に
取り付けるための取り付け構造150を有している。取り
付け構造と微薄膜は、ポンプ本体から離れた側が、導電
層152に覆われている。接続層154によって、圧電作用材
料156が微薄膜110に取り付けられる。また、圧電作用材
料156は導電層158に覆われる。
以下に、この圧電駆動体の製造方法を簡単に説明す
る。最初に、薄いポンプ微薄膜110が形成される。その
際、後に入口弁と出口弁の間の最適な流れを保証する構
造がポンプ室に設けられる。また、ポンプ微薄膜の下面
には、より広範囲にわたる構造物を設置することもでき
る。例えば、スペーサや流路という形で、付加補助的な
構造物を形成する。さらに、引き続いて、コーティング
が付与又は除去される。このことは、前述したように、
電気的絶縁のため、あるいは目的を持って機械的特性を
変更するため、例えば、局所的に不均質な弾力性を持た
せるために微薄膜の厚さを局所的に変える目的で、化学
的抵抗を増すために付加的な層を追加することも含まれ
る。
る。最初に、薄いポンプ微薄膜110が形成される。その
際、後に入口弁と出口弁の間の最適な流れを保証する構
造がポンプ室に設けられる。また、ポンプ微薄膜の下面
には、より広範囲にわたる構造物を設置することもでき
る。例えば、スペーサや流路という形で、付加補助的な
構造物を形成する。さらに、引き続いて、コーティング
が付与又は除去される。このことは、前述したように、
電気的絶縁のため、あるいは目的を持って機械的特性を
変更するため、例えば、局所的に不均質な弾力性を持た
せるために微薄膜の厚さを局所的に変える目的で、化学
的抵抗を増すために付加的な層を追加することも含まれ
る。
次に、ポンプ微薄膜110は圧電材料156に接続される。
圧電材料は結晶であるか、または、薄膜層156としてポ
ンプ微薄膜110に直接塗布される。この圧電材料の両面
が電気的に接続可能な状態でなければならず、例えば、
接着層である非導電層154が圧電材料下面と導電性ポン
プ微薄膜110の間の接続を可能とする。なぜなら、電界
は圧電効果を実現するために決定的なものであるので。
圧電材料は結晶であるか、または、薄膜層156としてポ
ンプ微薄膜110に直接塗布される。この圧電材料の両面
が電気的に接続可能な状態でなければならず、例えば、
接着層である非導電層154が圧電材料下面と導電性ポン
プ微薄膜110の間の接続を可能とする。なぜなら、電界
は圧電効果を実現するために決定的なものであるので。
温度上昇を必要とする接続方法を圧電駆動機構の製造
のために使用する場合、これらの接続方法実行の後に、
圧電材料156を再度分極化する必要がある。この目的の
ために、高電圧が結晶に印加され、駆動体材料のキュリ
ー温度、典型的には180℃〜350℃にほぼ相当する温度に
なる。
のために使用する場合、これらの接続方法実行の後に、
圧電材料156を再度分極化する必要がある。この目的の
ために、高電圧が結晶に印加され、駆動体材料のキュリ
ー温度、典型的には180℃〜350℃にほぼ相当する温度に
なる。
微薄膜ポンプ製造のために、図４、図５を参照して説
明した駆動体装置が本発明に係る方法で製造されたポン
プ本体に取り付けられる。これにより、図２、図３を参
照して前述した種類の微薄膜ポンプが製造される。駆動
体装置をポンプ本体に接続するために、本技術分野で公
知の方法が採用される。
明した駆動体装置が本発明に係る方法で製造されたポン
プ本体に取り付けられる。これにより、図２、図３を参
照して前述した種類の微薄膜ポンプが製造される。駆動
体装置をポンプ本体に接続するために、本技術分野で公
知の方法が採用される。
本発明に係る微薄膜ポンプに最適なポンプ本体を製造
するための本発明に係る方法を、下記に詳細に説明す
る。
するための本発明に係る方法を、下記に詳細に説明す
る。
バルブユニットに使用される初期材料としてはシリコ
ンが好ましい。既に述べたように、本発明に係る一体的
なバルブユニットを有するポンプ本体の製造方法による
と、ポンプ室容量を小さくすることができる。これは特
に、ポンプ室容量に関わる内側のバルブチップに応用す
る。しかし、明らかに、本発明はまた例えば図１に示さ
れるようなタイプのポンプ本体を製造するのに有利な方
法を提供する。従って、本発明に係る方法のそれぞれの
実施形態の場合、バルブ本体を形成する二つの半導体基
板のうちの一方をあるいは両方を薄くするために行われ
る工程は任意であることは、当業者に取って明らかであ
る。
ンが好ましい。既に述べたように、本発明に係る一体的
なバルブユニットを有するポンプ本体の製造方法による
と、ポンプ室容量を小さくすることができる。これは特
に、ポンプ室容量に関わる内側のバルブチップに応用す
る。しかし、明らかに、本発明はまた例えば図１に示さ
れるようなタイプのポンプ本体を製造するのに有利な方
法を提供する。従って、本発明に係る方法のそれぞれの
実施形態の場合、バルブ本体を形成する二つの半導体基
板のうちの一方をあるいは両方を薄くするために行われ
る工程は任意であることは、当業者に取って明らかであ
る。
図６を参照して、第１の方法を説明する。一体的なバ
ルブ構造を有するバルブ本体は、二つの半導体基板、好
ましくはシリコン基板からなり、これらの基板は、最初
にステップａ）〜ｃ）の処理を受ける。
ルブ構造を有するバルブ本体は、二つの半導体基板、好
ましくはシリコン基板からなり、これらの基板は、最初
にステップａ）〜ｃ）の処理を受ける。
最初に、半導体基板（バルブチップ）200は、バルブ
フラップを構成するための凹部202と弁座を構成するた
めの凹部204を形成するために、それぞれの表側、つま
り主面が予備的に加工される。この予備的加工は、例え
ば、エッチング処理によって行われる。この予備的加工
は図６のステップａ）に示されている。本発明に係る方
法の本実施形態の次のステップでは、バルブフラップを
構成するための凹所206と弁座を構成するための凹所208
が、例えば、湿式化学エッチング処理によって形成され
る。これは、ステップｂ）を参照して、チップの裏面で
凹部202と凹部204とに一定の関係を有する場所に行われ
る。次に、ステップｃ）に示すように、本実施形態の半
導体基板200は、その上面に酸化物層210が設けられる。
フラップを構成するための凹部202と弁座を構成するた
めの凹部204を形成するために、それぞれの表側、つま
り主面が予備的に加工される。この予備的加工は、例え
ば、エッチング処理によって行われる。この予備的加工
は図６のステップａ）に示されている。本発明に係る方
法の本実施形態の次のステップでは、バルブフラップを
構成するための凹所206と弁座を構成するための凹所208
が、例えば、湿式化学エッチング処理によって形成され
る。これは、ステップｂ）を参照して、チップの裏面で
凹部202と凹部204とに一定の関係を有する場所に行われ
る。次に、ステップｃ）に示すように、本実施形態の半
導体基板200は、その上面に酸化物層210が設けられる。
続いて、それぞれ表面に酸化物層を有する二つのチッ
プは、例えばアノード接合処理又はシリコン溶融接合に
よって接続される（ステップｄ）参照）。この二つのチ
ップは一方のチップの凹部204が他方のチップの凹部202
と並ぶように、また、その逆になるように、配置され
る。これは、バルブフラップと弁座の接続であり、結果
的に、それ以降の薄肉化工程の間にバルブフラップにか
かるダメージを信頼的に阻む機械的安定をもたらすこと
となる。
プは、例えばアノード接合処理又はシリコン溶融接合に
よって接続される（ステップｄ）参照）。この二つのチ
ップは一方のチップの凹部204が他方のチップの凹部202
と並ぶように、また、その逆になるように、配置され
る。これは、バルブフラップと弁座の接続であり、結果
的に、それ以降の薄肉化工程の間にバルブフラップにか
かるダメージを信頼的に阻む機械的安定をもたらすこと
となる。
ステップｄ）の後に得られる一対の基板212は、その
後、ステップｅ）の上部基板のように、その片側が薄く
削られる。これにより、薄肉化された基板の凹所206、2
08は可能な限り平たくなる。次に、最後の湿式化学エッ
チング処理が行われ、それにより、凹部204が露出し、
弁座が開く（ステップｆ）参照）。本発明に係る一体的
バルブ構造を有するポンプ本体を製造するための本発明
に係る方法は、これにて終了する。
後、ステップｅ）の上部基板のように、その片側が薄く
削られる。これにより、薄肉化された基板の凹所206、2
08は可能な限り平たくなる。次に、最後の湿式化学エッ
チング処理が行われ、それにより、凹部204が露出し、
弁座が開く（ステップｆ）参照）。本発明に係る一体的
バルブ構造を有するポンプ本体を製造するための本発明
に係る方法は、これにて終了する。
図７を参照して、別の方法を以下に説明する。最初
に、弁座を構成するための凹部204とバルブフラップを
構成するための凹部202が、図６のステップａ）と同様
の方法で半導体基板200の主面に形成される。次に、バ
ルブフラップを構成するための凹所216と弁座を構成す
るための凹所218が、チップの裏側に、ステップｇ）に
示すように形成される。本実施形態では、これらの凹所
216、218は、完成後のチップのフラップと弁座の深さと
同じ深さを有している。この後、これらのバルブチップ
はバルブユニット222を形成するために接続される（ス
テップｈ）参照）。図６を参照して説明した方法との本
質的な違いは最後のステップにある。図７に示す方法で
は、基板の薄肉化が片側に機械的に行われるのではな
く、ステップｉ）に示すように、両側に化学的処理によ
って行われる。化学エッチング処理が、フラップと弁座
のそれぞれが露出するまで行われる。結果として、同じ
厚さの二つのチップからなる一対のチップとなる。
に、弁座を構成するための凹部204とバルブフラップを
構成するための凹部202が、図６のステップａ）と同様
の方法で半導体基板200の主面に形成される。次に、バ
ルブフラップを構成するための凹所216と弁座を構成す
るための凹所218が、チップの裏側に、ステップｇ）に
示すように形成される。本実施形態では、これらの凹所
216、218は、完成後のチップのフラップと弁座の深さと
同じ深さを有している。この後、これらのバルブチップ
はバルブユニット222を形成するために接続される（ス
テップｈ）参照）。図６を参照して説明した方法との本
質的な違いは最後のステップにある。図７に示す方法で
は、基板の薄肉化が片側に機械的に行われるのではな
く、ステップｉ）に示すように、両側に化学的処理によ
って行われる。化学エッチング処理が、フラップと弁座
のそれぞれが露出するまで行われる。結果として、同じ
厚さの二つのチップからなる一対のチップとなる。
本発明に係るさらに別の方法を、図８を参照して説明
する。図８のステップａ）,g）は図７のステップａ）,
g）と同様である。次にステップｊ）に示されるよう
に、半導体基板はバルブユニットを形成するために接続
されるが、この段階では引き入れ口、排出口は閉じたま
まである。エッチングマスク230が、下側基板の表面
に、凹所216、218の部分を除いて、被せられる。従っ
て、次工程の化学エッチング処理では、上部基板は薄肉
化されるが、下部基板は上部基板のように全体にわたっ
て薄肉されるわけではない。マスク230が下部基板の全
域のエッチングを阻み、下部基板は予備形成された凹所
216、218の部分だけが削られ、ステップｋ）に示される
ように、完成の際に元の厚さを保つようにされているか
らである。このように、フラップの露出後、ポンプ室が
ポンプ本体と上部基板に取り付けられた微薄膜によって
形成される際、ポンプ室に対して平らなバルブユニット
を含んだパッケージが得られる。
する。図８のステップａ）,g）は図７のステップａ）,
g）と同様である。次にステップｊ）に示されるよう
に、半導体基板はバルブユニットを形成するために接続
されるが、この段階では引き入れ口、排出口は閉じたま
まである。エッチングマスク230が、下側基板の表面
に、凹所216、218の部分を除いて、被せられる。従っ
て、次工程の化学エッチング処理では、上部基板は薄肉
化されるが、下部基板は上部基板のように全体にわたっ
て薄肉されるわけではない。マスク230が下部基板の全
域のエッチングを阻み、下部基板は予備形成された凹所
216、218の部分だけが削られ、ステップｋ）に示される
ように、完成の際に元の厚さを保つようにされているか
らである。このように、フラップの露出後、ポンプ室が
ポンプ本体と上部基板に取り付けられた微薄膜によって
形成される際、ポンプ室に対して平らなバルブユニット
を含んだパッケージが得られる。
前述した方法のうちの一つによって製造されるポンプ
本体は、駆動ユニットに接続される。しかし、経済的で
あると同時に再現可能な接続技術は、ウェハレベルで取
り付けを行うことのみによって可能である。また、この
接続には、例えば、接着、シリコン溶融接合、アノード
接合、共晶結合等の多数の技術や方法が用いられる。前
述したように、高温方法は圧電材料の減極化を伴い、そ
の後に圧電駆動体の分極化が必要となるかもしれない。
本体は、駆動ユニットに接続される。しかし、経済的で
あると同時に再現可能な接続技術は、ウェハレベルで取
り付けを行うことのみによって可能である。また、この
接続には、例えば、接着、シリコン溶融接合、アノード
接合、共晶結合等の多数の技術や方法が用いられる。前
述したように、高温方法は圧電材料の減極化を伴い、そ
の後に圧電駆動体の分極化が必要となるかもしれない。
駆動ユニットがバルブ本体に接続されると、図２、３
に示されるような微薄膜ポンプが得られる。前述した方
法で、前述した駆動手段との組み合わせで、高い圧縮比
を有する、つまり、ポンプ排出量のポンプ室合計容量に
対する割合が高いポンプ本体が得られる。
に示されるような微薄膜ポンプが得られる。前述した方
法で、前述した駆動手段との組み合わせで、高い圧縮比
を有する、つまり、ポンプ排出量のポンプ室合計容量に
対する割合が高いポンプ本体が得られる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リヒター マルティン ドイツ連邦共和国 デエ―81675 ミュ ンヘン アインシュタインシュトラーセ 123 (72)発明者 クルーゲ ステファン ドイツ連邦共和国 デエ―80992 ミュ ンヘン レートシュトラーセ 13 (72)発明者 ヴォイアス ペーター ドイツ連邦共和国 デエ―81735 ミュ ンヘン アムゼルヴェーク 10 (56)参考文献 特開 平５−340356（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−81762（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−302684（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−299659（ＪＰ，Ａ) 特表 平６−510582（ＪＰ，Ａ) 米国特許4826131（ＵＳ，Ａ) 国際公開97／28376（ＷＯ，Ａ１) 欧州特許出願公開703364（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) E04B 9/00 - 17/06 E04B 43/00 - 45/10 F15C 5/00
Claims (10)
- 【請求項１】入口弁（106）を備えた引き入れ口と出口
弁（108）を備えた排出口を有するポンプ本体を製造す
る方法であって、下記のステップを備えたことを特徴と
する、 1.1 第１及び第２半導体基板（200）のそれぞれの第１
主面を、第１基板の入口弁のバルブフラップを構成する
ための凹部（202）と出口弁の弁座を構成するための凹
部（204）と、第２基板の出口弁のバルブフラップを選
択するための凹部と入口弁の弁座を構成するための凹部
とを形成する、 1.2 第１及び第２半導体基板のそれぞれの第２主面
に、バルブフラップを構成するための凹所（206;216）
と弁座を構成するための凹所（208;218）を、バルブフ
ラップを構成するための凹部及び弁座を構成するための
凹部と特定の関係になるように形成する、 1.3 第１及び第２半導体基板の第１主面同士を、それ
ぞれのバルブフラップを構成するための凹部がそれぞれ
の弁座を構成するための凹部と特定の関係で配置される
ように接続する、 1.4 少なくとも一方の半導体基板を第２主面側から薄
肉化する、 1.5 第１及び第２半導体基板のそれぞれの第２主面
に、バルブフラップが露出し、弁座が開くように、少な
くともバルブフラップを構成するための凹所及び弁座を
構成するための凹所の部分でエッチングを施す。 - 【請求項２】請求項１に記載の方法であって、ステップ
1.3の前に、第１及び第２半導体基板のそれぞれの第１
主面に酸化物層（210）を形成するステップを含む。 - 【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の方法であっ
て、半導体基板（200）がステップ1.3においてアノード
接合によって接続される。 - 【請求項４】請求項１、請求項２又は請求項３のいずれ
かに記載の方法であって、少なくとも一方の半導体基板
が機械的除去法によって第２主面側から薄肉化され、ス
テップ1.2で半導体基板（200）に形成されるバルブフラ
ップを構成するための凹所（206）と弁座を構成するた
めの凹所（208）は、この少なくとも一方の半導体基板
の薄肉化後のバルブフラップを構成するための凹所と弁
座を構成するための凹所の深さがステップ1.5後の最終
的なバルブフラップと弁座の深さに相当するようになる
深さを有している。 - 【請求項５】請求項１、請求項２又は請求項３のいずれ
かに記載の方法であって、ステップ1.2で半導体基板（2
00）に形成されるバルブフラップを構成するための凹所
と弁座を構成するための凹所は、ステップ1.5後の最終
的なバルブフラップと弁座の深さに相当する深さを有す
る。 - 【請求項６】請求項５に記載の方法であって、二つの半
導体基板が化学エッチング処理によって第２主面側から
薄肉化される。 - 【請求項７】請求項５に記載の方法であって、一方の半
導体基板のみが化学エッチング処理によって第２主面側
から薄肉化され、この一方の半導体基板の薄肉化に先立
って、他方の半導体基板はバルブフラップを構成するた
めの凹所と弁座を構成するための凹所の部分だけがエッ
チングを施されるように、他方の半導体基板の第２主面
にマスクを被せる。 - 【請求項８】請求項６又は請求項７に記載の方法であっ
て、少なくとも一方の半導体基板の薄肉化とエッチング
がステップ1.5で一工程で行われる。 - 【請求項９】請求項１、請求項２、請求項３、請求項
４、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８のいず
れかに記載の方法であって、シリコン基板が半導体基板
として使用される。 - 【請求項１０】請求項１、請求項２、請求項３、請求項
４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８又は請求
項９のいずれかに記載の方法であって、複数のバルブフ
ラップを構成するための凹部と弁座を構成するための凹
部、複数のバルブフラップを構成するための凹所と弁座
を構成するための凹所が第１及び第２半導体基板のそれ
ぞれに形成され、半導体基板は、ステップ1.5の後に、
個々のポンプ本体を形成するために、さいの目に切られ
る。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19719861.9 | 1997-05-12 | ||
| DE19719861A DE19719861A1 (de) | 1997-05-12 | 1997-05-12 | Verfahren zum Herstellen eines Mikromembranpumpenkörpers |
| PCT/EP1998/002506 WO1998051928A1 (de) | 1997-05-12 | 1998-04-28 | Verfahren zum herstellen eines mikromembranpumpenkörpers |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000510548A JP2000510548A (ja) | 2000-08-15 |
| JP3336017B2 true JP3336017B2 (ja) | 2002-10-21 |
Family
ID=7829241
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP54873098A Expired - Lifetime JP3336017B2 (ja) | 1997-05-12 | 1998-04-28 | 微薄膜ポンプ本体の製造方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6395638B1 (ja) |
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