DE60122749T2

DE60122749T2 - Mikroelektromechanische elektrostatische ventilvorrichtung mit flexibler membrane und deren herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60122749T2
Application number: DE60122749T
Authority: DE
Inventors: Scott H. Pittsboro GOODWIN-JOHANSSON; Gary E. Chapel Hill MCGUIRE
Original assignee: Research Triangle Institute
Current assignee: Research Triangle Institute
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2021-09-15
Also published as: CA2421934C; DE60122749D1; US6590267B1; WO2002022492A3; WO2002022492A8; ATE338010T1; EP1317399B1; JP2004508952A; CA2421934A1; AU2001290851A1; JP4704398B2; WO2002022492A2; JP2007321986A; EP1317399A2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mikroelektromechanische System-Ventilstrukturen (MEMS-Ventilstrukturen), und insbesondere auf mit wenig Energie und bei hoher Geschwindigkeit elektrostatisch arbeitende MEMS-Ventilstrukturen, sowie die zugehörigen Herstellungsverfahren.
Hintergrund der Erfindung
Fortschritte in der Dünnfilmtechnologie haben die Entwicklung von technisch ausgefeilten integrierten Schaltungen ermöglicht. Diese hoch entwickelte Halbleitertechnologie hat auch die Türen dazu geöffnet, MEMS-Strukturen (MEMS = Micro Electro Mechanical System) zu schaffen. MEMS-Strukturen sind typischerweise zu einer Bewegung oder einer Beaufschlagung mit Kraft in der Lage. Es wurden viele verschiedene Arten von MEMS-Vorrichtungen geschaffen, einschließlich Mikrosensoren, Mikrozahnräder, Mikromotoren, sowie weitere, in Mikrotechnik ausgeführte Vorrichtungen. MEMS-Vorrichtungen werden für eine breite Palette von Anwendungen entwickelt, weil sie die Vorteile niedriger Kosten, hoher Zuverlässigkeit und extrem kleiner Abmessungen bieten.
Die den Entwicklern von MEMS-Vorrichtungen zugestandene Gestaltungsfreiheit hat zur Entwicklung von verschiedenen Techniken und Strukturen zur Bereitstellung der Kraft geführt, die zur Herbeiführung der gewünschten Bewegung innerhalb von Mikrostrukturen notwendig ist. So wurden zum Beispiel Mikro-Ausleger verwendet, um eine mechanische Drehkraft aufzubringen, um in Mikrobearbeitung hergestellte Federn und Zahnräder in Drehung zu versetzen. Zum Antreiben von Mikromotoren sind elektromagnetische Felder verwendet worden. Es sind auch piezoelektrische Kräfte erfolgreich eingesetzt worden, um in Mikrobearbeitung hergestellte Strukturen kontrollierbar zu bewegen. Zur Erzeugung von Kräften zum Antreiben von Mikrovorrichtungen ist auch eine gesteuerte thermische Ausdehnung von Aktuatoren oder anderen MEMS-Komponenten verwendet worden. Eine derartige Vorrichtung findet sich im US-Patent Nr. 5 475 318 mit dem Titel "Microprobe", erteilt am 12. Dezember 1995 auf den Namen der Erfinder Marcus et al., die sich die thermische Ausdehnung zunutze macht, um eine Mikrovorrichtung zu bewegen. Ein Mikro-Ausleger ist aus Materialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufgebaut. Bei Erwärmung erhalten die dimorphen Schichten eine unterschiedliche Wölbung, was den Mikro-Ausleger sich dementsprechend bewegen lässt. Ein ähnlicher Mechanismus wird dazu verwendet, einen in Mikrobearbeitung hergestellten thermischen Schalter zu aktivieren, wie er im US-Patent Nr. 5 463 233 mit dem Titel "Micromachined Thermal Switch" beschrieben ist, das am 31. Oktober 1995 auf den Namen des Erfinders Norling erteilt wurde.
Zur Bewegung von Strukturen sind auch elektrostatische Kräfte eingesetzt worden. Herkömmliche elektrostatische Vorrichtungen waren aus schichtweise übereinander gelegten Filmen aufgebaut, die aus Kunststoff- oder Mylar-Materialien herausgeschnitten wurden. Eine flexible Elektrode war am Film befestigt, und eine andere Elektrode war an einer Grundstruktur befestigt. Die Versorgung der jeweiligen Elektroden mit elektrischer Energie erzeugte eine elektrostatische Kraft, die die Elektroden zueinander hinzog oder voneinander abstieß. Ein repräsentatives Beispiel für diese Vorrichtungen findet sich im US-Patent Nr. 4 266 339 mit dem Titel "Method for Making Rolling Electrode for Electrostatic Device", das am 12. Mai 1981 auf den Namen des Erfinders Kalt erteilt wurde. Diese Vorrichtungen arbeiten ganz gut für typische bewegungsbezogene Anwendungen, lassen sich aber nicht in Abmessungen herstellen, die für miniaturisierte integrierte Schaltungen, biomedizinische Anwendungen oder MEMS-Strukturen geeignet sind.
Aufgrund ihrer extrem kleinen Abmessungen werden elektrostatische MEMS-Vorrichtungen vorteilhafterweise in verschiedenen Anwendungen benutzt. Angesichts der geringen Elektrodenabstände, die bei MEMS-Vorrichtungen von Haus aus bestehen, können elektrostatische Kräfte, die vom elektrischen Feld zwischen elektrischen Ladungen herrühren, relativ große Kräfte erzeugen. Ein Beispiel für diese Vorrichtungen findet sich in der US-Patentanmeldung Nr. 09/345,300 mit dem Titel "ARC resistant High Voltage Micromachined Electrostatic Switch", eingereicht am 30. Juni 1999 auf den Namen des Erfinders Goodwin-Johansson, und in der US-Patentanmeldung Nr. 09/320,891 mit dem Titel "Micromachined Electrostatic Actuator with Air Gap", eingereicht am 27. Mai 1999 auf den Namen des Erfinders Goodwin-Johansson. Diese Anmeldungen sind beide auf MCNC, den Inhaber der vorliegenden Erfindung, übertragen.
In typischen MEMS-Ventilen sind zur Steuerung von Ventilen mit hohen Durchflussmengen (also großen Öffnungen und großen Freibereichen um die Öffnung herum) thermische Stellbewegungs-/Aktivierungsverfahren verwendet worden. Die thermische Stellbewegung wurde bevorzugt, weil man damit die großen Kräfte bereitstellen kann, die zur Steuerung des Ventils über die erforderlichen großen Abstände notwendig sind. Wegen den mit den Ventilmaterialien zusammenhängenden thermisch bedingten Zeitbeschränkungen haben diese Ventile aber relativ niedrige Betriebsfrequenzen. Außerdem verwenden thermisch aktivierte MEMS-Ventile eine Widerstandsheizung, bei der sich der Energieverbrauch aus dem in die zweite Potenz erhobenen Strom mal dem Widerstand errechnet, und bei Betätigung des Ventils wird eine beträchtliche Energiemenge verbraucht.
In US 5 441 597 (Bonne et al.) ist ein Prozess zur Herstellung einer Strömungssteuerungsvorrichtung offenbart, die eine flexible Membran umfasst, die eine Trennwand zwischen einem Hauptströmungsdurchgang und einer Steuerkammer bildet.
In US 5 771 902 (Lee et al.) sind Vorrichtungen zur Steuerung von endovaskularen Führungsdrähten und/oder Kathetern offenbart, die in Mikrobearbeitung hergestellte auslegerartige Stellglieder, Ruder, Mikroventile, Kraftsensoren und Positionierungs- oder Lenkmechanismen umfassen.
Es wäre vorteilhaft, eine MEMS-Ventilvorrichtung zu bauen, die eine elektrostatische Stellbewegung nutzt und sowohl zu großen Verschiebungen als auch großen Kräften in der Lage ist. Die elektrostatische Natur des MEMS-Ventils gestattet einen relativ geringen Energieverbrauch, weshalb auch keine unerwünschte Erwärmung des strömenden Gases oder Fluids auftritt. Zusätzlich bietet das elektrostatische Ventil eine relativ schnelle Betätigung, was eine genauere Steuerung des offenen und geschlossenen Zustands des Ventils ermöglicht. Darüber hinaus wäre es vorteilhaft, ein MEMS-Ventil zu entwickeln, das eine gesicherte Berührungsfläche zwischen Ventilsitz und Ventilschließteil bildet, um sicherzustellen, dass sich niedrige Leckraten einstellen. Es wäre auch vorteilhaft, ein MEMS-Ventil bereitzustellen, bei dem das Auftreten von Haftreibung zwischen dem Substrat und der beweglichen Membran minimiert ist. Unter Haftreibung, ein in der Mikroelektronik hinlänglich bekannter Begriff, versteht man die Tendenz sich berührender MEMS-Oberflächen, aneinander anzuhaften. Die Haftreibung ist insbesondere bei Ventilvorrichtungen von Belang, an denen bei geschlossenem Ventil ein Druckunterschied besteht. Es wäre vorteilhaft, ein MEMS-Ventil zu ersinnen, das vor dem Öffnen des Ventils den Druckunterschied ausgleicht.
Als solches sind elektrostatische MEMS-Ventile mit verbesserten Leistungseigenschaften für viele Anwendungen erwünscht. So sind zum Beispiel in Mikrobearbeitung hergestellte Ventile erwünscht, die zu einer schnellen Stellbewegung, großen Ventilkraft sowie großen Ventilklappenbewegungen in der Lage sind und auch eine minimale Leistungsaufnahme haben, sind derzeit aber nicht erhältlich.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft verbesserte elektrostatische MEMS-Ventile, die von einer großen Ventilkraft, schneller Betätigung und großer Verschiebung der beweglichen Membran profitieren, um die effiziente Beförderung gesteigerter Mengen von Gas oder Flüssigkeit durch das Ventil zu ermöglichen. Darüber hinaus werden Verfahren zur Herstellung des elektrostatischen MEMS-Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt.
Es wird eine wie in Anspruch 1 beanspruchte MEMS-Ventilvorrichtung bereitgestellt, die durch elektrostatische Kräfte betrieben wird.
In einer Ausführungsform der MEMS-Ventilvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die elastisch zusammendrückbare, dielektrische Schicht auf der Substrat-Elektrode gebildet und stellt die Ventilsitzfläche bereit. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die elastisch zusammendrückbare, dielektrische Schicht auf der beweglichen Membran ausgebildet und stellt die Ventildichtfläche dar. In noch einer anderen Ausführungsform sind elastisch zusammendrückbare, dielektrische Schichten sowohl an der Substrat-Elektrode als auch der beweglichen Membran ausgebildet und stellen die Ventilsitzfläche sowie die Ventildichtfläche bereit. Die Eigenschaft der elastischen Zusammendrückbarkeit der dielektrischen Schicht ermöglicht es, dass ein sicheres, geschlossenes Ventil entsteht, das von einer niedrigen Leckrate profitiert.
In noch einer anderen Ausführungsform hat die elastisch zusammendrückbare, dielektrische Schicht eine strukturierte Oberfläche; entweder am Ventilsitz, an der Ventildichtung oder an beiden Flächen. Indem diese Oberflächen strukturiert werden, ist das Ventil dazu in der Lage, die Haftreibung zu überwinden, die die MEMS-Filme aneinander haften lässt, nachdem die elektrostatische Spannung entfernt wurde. In der Tat ist durch die Strukturierung der Oberflächenbereich in der Nähe der Berührungsfläche von Ventilsitz und Ventildichtung verringert, wodurch die Auswirkungen der Haftreibung reduziert werden. Zusätzlich ermöglicht es die Strukturierung, dass der Druck vorteilhafterweise so verwendet werden kann, dass er das Öffnen des Ventils erleichtert.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist eine Druckentlastungsöffnung innerhalb des ebenen Substrats definiert und so angeordnet, dass sie unter der beweglichen Membran liegt. Die Druckentlastungsöffnung sorgt für eine Abnahme des Druckunterschieds an der Ventilöffnung, indem sie den Druck vor dem Öffnen des Ventils abschwächt.
Alternativ stellt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine wie in Anspruch 20 beanspruchte MEMS-Ventilanordnung bereit, die durch elektrostatische Kräfte betrieben wird. Die Gestaltung der Anordnung ermöglicht gesteigerte Gas- oder Flüssigkeitsströme.
In einer anderen Ausführungsform der Anordnung hat das Substrat mehrere Öffnungen, und es sind mehrere Substrat-Elektroden bereitgestellt; wobei jede Öffnung über eine entsprechende Substrat-Elektrode verfügt. Auf diese Weise können die Substrat-Elektroden einzeln mit elektrostatischen Spannungen versorgt werden, wonach man die Anzahl von geöffneten oder geschlossenen Öffnungen steuert. Mit dieser Gestaltung erreicht man ein Ventil mit veränderbarer Durchflussmenge.
Zusätzlich ist die Ventil-Anordnung der vorliegenden Erfindung in einem Substrat mit mehreren Öffnungen realisiert, und einem geformten Elektroden-Element innerhalb der beweglichen Membran und/oder des Substrats. Das Merkmal der Formgebung des Elektroden-Elements ermöglicht es, dass der Betrag eingestellt wird, um den die Membran den gebogenen Zustand verlässt, und zwar entsprechend dem Betrag der Spannung, die zwischen den Elektroden anliegt.
Ein Beispiel stellt ein Verfahren zur Herstellung der zuvor beschriebenen MEMS-Ventilvorrichtung bereit. Das Verfahren umfasst die Schritte, die Vorderseite eines Substrats zu ätzen, um eine Öffnung zu definieren, die sich teilweise durch das Substrat erstreckt, die Öffnung mit einem Füllmaterial aufzufüllen, eine Membranventilstruktur an der Vorderseite des Substrats zu bilden, das Füllmaterial zu entfernen, die Rückseite der Ventilöffnung bis hin zur Löseschicht zu ätzen, und die Löseschicht zu entfernen, um die Membran wenigstens teilweise vom Substrat zu lösen. Das bereitgestellte Verfahren ermöglicht es, dass die Ausrichtung von Öffnung und Substrat-Elektrode an der Vorderseite des Substrats bewerkstelligt werden kann.
Als solche ist die durch elektrostatische Kraft betriebene MEMS-Ventilvorrichtung sowohl zu großen Verschiebungen als auch großen Kräften in der Lage. Die elektrostatische Natur des MEMS-Ventils ermöglicht einen relativ geringen Energieverbrauch, und deshalb tritt auch keine unerwünschte Erwärmung des strömenden Gases oder strömenden Fluids auf. Zusätzlich bietet das elektrostatische Ventil eine relativ schnelle Betätigung, was eine kürzere Zykluszeit und eine genauere Steuerung des offenen und geschlossenen Zustands ermöglicht. Darüber hinaus bietet das MEMS-Ventil eine gesicherte Berührungsfläche zwischen Ventilsitz und Ventilschließteil, um niedrige Leckraten zu gewährleisten. Ein zusätzlicher Vorteil entsteht bei der Bereitstellung eines MEMS-Ventils, bei dem das Auftreten von Haftreibung zwischen dem Substrat und der beweglichen Membran minimiert ist. Die Haftreibung wird überwunden, indem man an der Berührungsfläche von Ventilsitz und/oder Ventildichtung strukturierte Oberflächen vorsieht, oder es ermöglicht, dass im Substrat eine Druckentlastungsöffnung gebildet wird. Diese und noch viele weitere Vorteile lassen sich mit der MEMS-Ventilvorrichtung der vorliegenden Erfindung erzielen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht eines elektrostatischen MEMS-Ventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Draufsicht eines elektrostatischen MEMS-Ventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Querschnittsansicht eines elektrostatischen MEMS-Ventils mit einem Luftspalt zwischen dem Substrat und der beweglichen Membran, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Querschnittsansicht eines elektrostatischen MEMS-Ventils mit einem kleiner werdenden Luftspalt zwischen dem Substrat und der beweglichen Membran, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrostatischen MEMS-Ventilanordnung mit einzelnen beweglichen Membranen, die Anordnungsöffnungen zugeordnet sind.
6 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrostatischen MEMS-Ventilanordnung mit einzelnen, Anordnungsöffnungen zugeordneten Substrat-Elektroden, gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrostatischen MEMS-Ventilanordnung mit einem geformten Elektroden-Element innerhalb der beweglichen Membran, gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 8 bis 11 sind Querschnittsansichten einer MEMS-Ventilkonstruktion bei verschiedenen Herstellungsstadien.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen eingehender beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht so aufgefasst werden, als dass sie auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt wäre; diese Ausführungsformen werden vielmehr zu dem Zweck bereitgestellt, dass diese Offenbarung umfassend und vollständig ist, und sie dem Fachmann den Umfang der Erfindung vollständig vermitteln. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich durchgehend auf gleiche Elemente.
Mit Bezug auf 1 und 2 stellen eine Querschnittsansicht (1) und eine Draufsicht (2) der Substratkonstruktion einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine durch elektrostatische Kräfte betriebene MEMS-Ventilvorrichtung 10 bereit, die hohe und veränderbare Durchflussmengen bieten kann. Wie in 1 gezeigt ist, sind die Schichten der MEMS-Ventilvorrichtungskonstruktion vertikal angeordnet und gezeigt. In einer ersten Ausführungsform umfasst eine elektrostatische MEMS-Ventilvorrichtung in Schichten ein allgemein ebenes Substrat 20, einen Substratisolator 30, eine Substrat-Elektrode 40, ein Substratdielektrikum 50 und eine bewegliche Membran 60. Das Substrat definiert eine durch es hindurch gebildete Öffnung 70, die als Ventilöffnung dient. In der gezeigten Ausführungsform ist die Öffnung zusammen mit dem Substrat, dem Substratisolator, der Substrat-Elektrode und dem Substratdielektrikum gebildet. Auf diese Weise kann die Öffnung durch das Substrat, den Substratisolator, die Substrat-Elektrode und/oder das Substratdielektrikum hindurch gebildet werden. Innerhalb der hier offenbarten erfindungsgemäßen Konzepte liegend ist es ist auch möglich, die Öffnung in verschiedenen anderen Ausführungen zu bilden, die es den fließfähigen bzw. fortpflanzungsfähigen Medien (d.h. Gas, Flüssigkeit, Licht etc.) erlauben, an einer Seite der Substratkonstruktion einzutreten und an der entgegengesetzten Seite der Substratkonstruktion auszutreten. Die Öffnung ist typischerweise von zylindrischer Form. Es sind aber auch andere Formen möglich, die innerhalb des Umfangs der offenbarten Erfindung liegen, wie etwa eine Trichterform mit einem kleineren Umfang am Ventilsitz und einem größeren Umfang an der rückseitigen Öffnung des Substrats.
Die bewegliche Membran kann als zwei Teile aufweisend beschrieben werden, die als fester Teil 80 und distaler Teil 90 bezeichnet werden. Die Teile sind horizontal entlang der Länge der beweglichen Membran abgeschieden. Der feste Teil ist im Wesentlichen am Befestigungspunkt 100 am darunterliegenden Substrat oder den Zwischenschichten befestigt. Während der Herstellung der MEMS-Ventilvorrichtung wird der distale Abschnitt vom darunterliegenden Substrat oder den Zwischenschichten gelöst. Beim Betrieb der MEMS-Vorrichtung ist der distale Abschnitt der Vorrichtung in Bezug auf das darunterliegende Substrat und die Substrat-Elektrode beweglich. Die Bewegung des distalen Teils stellt dadurch kontrollierbar den Teil der Öffnung ein, der von der beweglichen Membran überdeckt wird.
In der Querschnittsansicht von 1 umfasst die bewegliche Membran 60 mehrere Schichten, die zumindest eine Elektroden-Elementschicht 62 und zumindest eine Vorspannungselementschicht 64 und/oder 66 umfassen. Durch das Vorspannungselement bzw. die Vorspannungselemente wird der beweglichen Membran die in 1 gezeigte vorgespannte Form verliehen. Sobald während der Herstellung die bewegliche Membran vom Substrat gelöst ist, ermöglicht es das Vorspannungselement der Gesamtmembranstruktur, dass sie sich entfernt vom Substrat selbst positioniert. In der in 1 gezeigten Ausführungsform sorgt die Vorspannung für die nach oben gebogene Form der beweglichen Membran. Die Vorspannung lässt sich durch Bereitstellung von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zuwege bringen, sie kann aber auch durch Materialien mit erheblichen Unterschieden bezüglich der Querschnittsdicke oder mit anderen Materialeigenschaften bewirkt werden. Das Elektroden-Element versieht die bewegliche Membran mit einem Mittel zur elektrostatischen Stellbewegung. Beim Ventilbetrieb wird an das Elektroden-Element eine Spannung angelegt, und es wird auf elektrostatischem Wege zur Substrat-Elektrode hin gezogen. Wenn das Elektroden-Element mit der Substratkonstruktion in Kontakt gelangt, bildet die bewegliche Membran eine Ventildichtung, die zum Verschließen der im Substrat gebildeten Öffnung dient.
Die elektrostatische MEMS-Ventilvorrichtung einschließlich der beweglichen Membran und darunter liegender Substratschichten wird mit bekannten, für integrierte Schaltungen geeigneten Materialien sowie mit bekannten Verfahren aus der Mikrotechnik aufgebaut. Fachleute werden verstehen, dass zur Bildung der darunterliegenden Substratschichten und der beweglichen Membran auch verschiedene Materialien, verschiedene Anzahlen von Schichten, sowie zahlreiche Anordnungen von Schichten verwendet werden können. Obwohl die in den Figuren dargestellte MEMS-Ventilvorrichtung als Beispiel zur Beschreibung von Herstellungsdetails verwendet wird, gilt diese Erläuterung gleichermaßen für alle MEMS-Ventilvorrichtungen, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt werden, solange nichts anderes gesagt ist.
Mit Bezug auf 1 und 2 definiert ein Substrat 20 eine allgemein ebene Oberfläche 22, auf der die elektrostatische MEMS-Ventilvorrichtung aufgebaut ist. Das Substrat umfasst vorzugsweise ein Mikroelektronik-Substrat wie etwa Silizium, obwohl jedes geeignete Substratmaterial mit einer allgemein ebenen Oberfläche verwendet werden kann. Die weiteren Bearbeitungsschritte, die bei der Herstellung der vorliegenden Erfindung beteiligt sind, können bei relativ niedrigen Temperaturen ausgeführt werden, weshalb das verwendete Substrat nicht auf herkömmliche, für höhere Temperaturen geeignete Substrate beschränkt ist. Als Substrat können beispielsweise Quarz, Glas oder andere geeignete Materialien mit Isoliertendenzen dienen. Eine Substratisolierschicht 30 liegt typischerweise über der ebenen Oberfläche des Substrats und bietet eine elektrische Isolierung. In bestimmten Ausführungsformen, die Substratmaterialien mit starken Isoliereigenschaften verwenden, kann die MEMS-Ventilvorrichtung ohne die Substratisolierschicht ausgebildet werden. Die Substratisolierschicht umfasst vorzugsweise einen nicht auf Oxidation beruhenden Isolator oder ein Polymer wie etwa Polyimid, oder ein Nitrid. In dieser Anwendung werden auf einem Oxid beruhende Isolatoren vermieden, wenn bestimmte Säuren (wie etwa Flusssäure) bei der Verarbeitung zur Entfernung der Löseschicht verwendet werden. Die Substratisolierschicht wird vorzugsweise mittels einer standardmäßigen Abscheidetechnik gebildet, wie etwa durch herkömmliches Schleudern oder durch eine bei Niederdruck stattfindende chemische Dampfabscheidung (LPCVD = low-pressure chemical vapor deposition), um die Isolierschicht auf der ebenen Oberfläche des Substrats abzuscheiden.
Eine Substrat-Elektrode 40 wird als eine allgemein ebene Schicht abgeschieden, die an wenigstens einem Teil der Oberfläche der darunterliegenden Substratisolierschicht 30 oder des Substrats 20 befestigt ist. Die Substrat-Elektrode umfasst vorzugsweise eine Goldschicht, die auf der Oberseite der Isolierschicht abgeschieden ist. Ist die Substrat-Elektrode aus einer Schicht aus Gold gebildet, kann vor dem Abscheiden der Substratsignal-Elektrodenschicht eine dünne Schicht aus Chrom abgeschieden werden, um eine bessere Anhaftung an der Isolierschicht zu ermöglichen, und/oder nachdem die Substratsignal-Elektrodenschicht abgeschieden wurde, um eine bessere Anhaftung an irgendwelche nachfolgenden angrenzenden Materialien zu ermöglichen. Alternativ können für die Substratsignalelektrode andere geeignete metallische oder leitende Materialien verwendet werden, solange die Bearbeitungsvorgänge bezüglich der Löseschicht nicht zu einer Erosion an der Elektrode führen. Zur Abscheidung der Elektrode auf der Oberfläche des Substrats werden typischerweise standardmäßige Fotolithografie- und Ätztechniken verwendet.
Sobald die Substrat-Elektrode gebildet ist, wird vorzugsweise eine dielektrische Substratschicht 50 auf der Substrat-Elektrode abgeschieden, um ein Dielektrikum bereitzustellen, welches das Substratsignal gegenüber dem in der beweglichen Membran befindlichen Elektroden-Element elektrisch isoliert. In Ausführungsformen, die eine dielektrische Substratschicht verwenden, dient diese Schicht als Ventilsitz 52, der die Ventilöffnung umgibt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die dielektrische Substratschicht ein elastisch zusammendrückbares Material. Für jedes bestimmte Material lässt sich die Elastizität festsetzen durch einen Vergleich von (a) dem Verhältnis der elektrostatischen Kraft des Ventils um die Öffnung zum Ventilsitzbereich (also des angelegten Drucks) mit (b) dem Produkt aus dem Young'schen Modul (Maß für die Elastizität) für das bestimmte Material und dem Verhältnis der Oberflächenrauigkeit des Ventilsitzes zur Dicke des Ventilsitzes. Die Eigenschaft der elastischen Zusammendrückbarkeit der dielektrischen Substratschicht macht es möglich, dass sich der Ventilsitz bei Kontakt mit der beweglichen Membran verformt. Die Verformungseigenschaft des Ventilsitzes sorgt dafür, dass eine einwandfreie Ventilabdichtung entsteht, womit für eine verbesserte Blockierung der Strömung gesorgt ist. Ein derartiges elastisch zusammendrückbares, dielektrisches Substratmaterial umfasst Polyimid, obwohl auch andere elastisch zusammendrückbare dielektrische Isolatoren oder Polymere verwendet werden können, die gegenüber der Bearbeitung der Löseschicht tolerant sind. Die dielektrische Substratschicht wird mittels einer herkömmlichen Abscheidetechnik gebildet, wie etwa mit standardmäßigen Aufschleuderverfahren oder mit einer bei Niederdruck arbeitenden chemischen Dampfabscheidung LPCVD.
Die dielektrische Substratschicht 50 kann mit einer allgemein ebenen Oberfläche (wie in 1 gezeigt) gebildet sein, oder sie kann mit einer strukturierten Oberfläche gebildet werden. Eine strukturierte Oberfläche im Bereich des Ventilsitzes 52 kann für diejenigen Ausführungsformen bevorzugt sein, bei denen die bewegliche Membran am darunterliegenden Substrat "anhaftet", wenn ein Lösen gewünscht ist. Das MEMS-Phänomen, das sich auf die Tendenz bezieht, dass zwei zueinander passende MEMS-Oberflächen gerne aneinander anhaften, ist in der Technik als Haftreibung bekannt. Indem man am Ventilsitz eine strukturierte Oberfläche vorsieht, wird die bewegliche Membran bei geschlossener Ventildichtung von einem kleineren Oberflächenbereich berührt, und somit ist zur Überwindung der Haftreibung eine geringere Kraft vonnöten. Strukturierte Oberflächen werden typischerweise bei der Herstellung gebildet, wobei die praktische Ausführung und Herstellung solcher Oberflächen in der Technik hinlänglich bekannt ist.
In dem Bereich, der allgemein unterhalb des distalen Teils der darüberliegenden beweglichen Membran liegt, ist eine Löseschicht (in 1 und 2 nicht gezeigt) auf der Oberfläche der dielektrischen Substratschicht 50 abgeschieden. Die Löseschicht ist nur auf denjenigen Bereichen unterhalb von Teilen der beweglichen Membran abgeschieden, die nicht an der darunterliegenden Substratstruktur befestigt sind. Die Löseschicht umfasst vorzugsweise ein Oxid oder ein anderes geeignetes Material, welches weggeätzt werden kann, wenn Säure darauf aufgetragen wird. Wenn die darüberliegenden Schichten der beweglichen Membran auf das Substrat aufgetragen worden sind, kann die Löseschicht durch standardmäßige Säureätzverfahren aus der Mikrotechnik entfernt werden, wie etwa durch eine Ätzung mit Flusssäure. Wenn die Löseschicht entfernt worden ist, ist der distale Teil 90 der beweglichen Membran 60 von der darunterliegenden Fläche getrennt. Das Lösen der beweglichen Membran vom Substrat führt in Verbindung mit den Vorspannungseigenschaften des Vorspannungselements typischerweise dazu, dass der distale Teil der Dünnfilmmembran eine gebogene Form annimmt. Die Vorspannung in der beweglichen Membran führt typischerweise dazu, dass sich die bewegliche Membran vom Substrat weg biegt (wie in 1 gezeigt), wenn keine elektrostatische Kraft aufgebracht wird. Es ist aber auch möglich, die bewegliche Membran so vorzuspannen, dass sie sich zum Substrat hin biegt, wenn keine elektrostatische Kraft aufgebracht wird.
Die Vorspannung in der beweglichen Membran lässt sich erzielen, indem man für das Vorspannungselement und das Elektroden-Element Materialien vorsieht, die sich bezüglich der Dicke, des Wärmeausdehnungskoeffizienten oder irgendeiner anderen bekannten Vorspannungseigenschaft unterscheiden. Alternativ kann die Vorspannung während der Herstellung herbeigeführt werden, indem Prozessschritte verwendet werden, die Eigenspannungen verursachen, so dass sich die bewegliche Membran biegt. So kann zum Beispiel ein polymeres Vorspannungselement als Flüssigkeit aufgetragen und dann bei erhöhten Temperaturen ausgeheizt bzw. vernetzt werden, so dass sie eine feste Vorspannungsschicht bildet. Das Vorspannungselement kann vorzugsweise ein Polymermaterial umfassen, das einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Elektroden-Element hat. Als Nächstes werden das Vorspannungselement und das Elektroden-Element abgekühlt, was aufgrund der Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten Spannungen in der Membran induziert. Die bewegliche Membran biegt sich, weil das polymere Vorspannungselement schneller schrumpft als die Elektrodenschicht.
Außerdem lässt sich eine Vorspannung erzeugen, wenn verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Vorspannungselementschichten und der Elektroden-Elementschicht bereitgestellt werden. Wenn man von einem Temperaturanstieg ausgeht, biegt sich die bewegliche Membran zu der Schicht hin, die den niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, weil sich die Schichten dementsprechend mit unterschiedlichen Raten ausdehnen. Als solche wird sich die bewegliche Membran mit zwei Schichten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei steigender Temperatur zu der Schicht hin biegen, die einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Außerdem können zwei polymere Filmschichten mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten in tandemartiger Anordnung mit einer Elektrodenschicht verwendet werden, um die bewegliche Membran wie erforderlich vorzuspannen.
Die Schichten der beweglichen Membran 60 liegen allgemein über der Substrat-Elektrode 40 und der Öffnung 70. Zum Aufbauen der Schichten, die die bewegliche Membran 60 enthalten, werden bekannte Herstellungsprozesse für integrierte Schaltungen verwendet. Die bewegliche Membran besteht aus einem Elektroden-Element und einem Vorspannungselement. Vorzugsweise umfassen eine oder mehrere Schichten der beweglichen Membran das Elektroden-Element, und eine oder mehrere zusätzliche Schichten umfassen das Vorspannungselement. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst eine bevorzugte Ausführungsform der beweglichen Membran eine Elektroden-Elementschicht 62, die zwischen zwei Vorspannungselementschichten 64 und 66 angeordnet ist. Man kann die bewegliche Membran auch mit einer Elektroden-Elementschicht konfigurieren, die nur eine Vorspannungsschicht aufweist, welche auf einer Seite der Elektroden-Elementschicht angeordnet ist. Die Vorspannungselementschicht kann auch als Isolator dienen, der die vollständige elektrische Isolierung zwischen der Substrat-Elektrode und dem Elektroden-Element der beweglichen Membran ermöglicht.
Vorzugsweise ist zumindest eine der Schichten, welche die bewegliche Membran umfassen, aus einem flexiblen Material gebildet; es können zum Beispiel flexible Polymere (d.h. das Vorspannungselement) und/oder flexible Leiter (d.h. die Elektroden) verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Vorspannungselement einen flexiblen Polymerfilm, der dazu verwendet wird, bei nicht vorhandenen elektrostatischen Kräften die bewegliche Membran in einer ortsfesten Position zu halten. Bei den Anwendungen, in welchen das Vorspannungselement das Substrat zur Bildung der Ventildichtung berührt, umfasst das Vorspannungselement ein elastisch zusammendrückbares Material. Die Eigenschaft der elastischen Zusammendrückbarkeit der Vorspannungselementschicht macht es möglich, dass sich die Ventildichtung bei Kontakt mit der darunterliegenden Substratstruktur verformt. Die Verformungseigenschaft der berührenden Vorspannungselementfläche sorgt für die Bildung einer einwandfreien Ventilabdichtung, wodurch sich eine verbesserte Absperrung der Strömung ergibt. Ein polymeres Filmmaterial, das Eigenschaften in Bezug auf elastische Zusammendrückbarkeit aufweist, kann ein Polyimidmaterial umfassen, wobei aber auch andere geeignete flexible Polymere verwendet werden können, die Elastizität aufweisen und dazu in der Lage sind, dem Vorgang des Ätzens der Löseschicht standzuhalten. In einer Ausführungsform sind sowohl die dielektrische Substratschicht als auch die Vorspannungselementschicht der beweglichen Membran aus einem elastisch zusammendrückbaren Material, wie etwa einem Polyimidmaterial gebildet.
Es hat sich gezeigt, dass man mit dem Einsatz von Polyimidmaterialien in der beweglichen Membran dem Druck standhalten kann, der an der Öffnung entsteht, die mit der Membran abgedichtet werden soll. Es hat sich auch gezeigt, dass selbst nach längerer Einsatzdauer die Festigkeit von Polyimidmaterialien so hoch ist, dass sich weder Brucherscheinungen noch Blasenbildung einstellen. Berechnungen haben ergeben, dass die Auslenkung einer Polyimidmembran über einem Loch mit einem Umfang von 80 Mikrometer bei einem Druckunterschied von 300 psi ungefähr 0,064 Mikrometer für eine 3 Mikrometer dicke Membran beträgt, und 0,22 Mikrometer für eine 2 Mikrometer dicke Membran. Bei diesen Berechnungen ist die Elektroden-Elementschicht nicht berücksichtigt, durch die der Betrag der Auslenkung der gesamten beweglichen Membran stets noch weiter eingeschränkt wird.
Das Elektroden-Element 62 der beweglichen Membran 60 umfasst vorzugsweise eine Schicht aus einem flexiblen Leitermaterial. Das Elektroden-Element kann direkt auf der zuoberst liegenden, ebenen Oberfläche der Substratkonstruktion und der Löseschicht abgeschieden werden, oder je nach Bedarf über einer optionalen ersten Vorspannungsschicht (d.h. einem Polymerfilm). Das Elektroden-Element umfasst vorzugsweise Gold, obwohl auch andere Leiter, die gegenüber einer Bearbeitung der Löseschicht tolerant sind, sowie auch weitere flexible Materialien wie etwa ein leitender Polymerfilm verwendet werden können. Der Oberflächenbereich und/oder die Gestaltung des Elektroden-Elements können nach Bedarf verändert werden, um die zur Betätigung der MEMS-Ventilvorrichtung gewünschten elektrostatischen Kräfte zu ermöglichen. Indem man dem Elektroden-Element in vorbestimmter Art und Weise die Form gibt, können Veränderungen bezüglich der Ventilfreigaberate bewirkt werden. Wird Gold zur Bildung des Elektroden-Elements verwendet, kann auf dem Elektroden-Element eine dünne Schicht aus Chrom abgeschieden werden, um eine bessere Anhaftung der Goldschicht an den angrenzenden Materialien zu ermöglichen, wie etwa an eine oder mehrere Vorspannungsschichten aus flexiblem Polymerfilm oder dergleichen.
Die Anzahl, Dicke und Anordnung von Schichten, sowie die Auswahl von Materialien, die in der beweglichen Membran verwendet werden, können so gewählt werden, dass die bewegliche Membran wie erforderlich vorgespannt wird. Insbesondere der distale Teil kann verschiedentlich vorgespannt sein, wenn er sich vom festen Teil weg erstreckt. Die vorgespannte Position des distalen Teils kann individuell oder kollektiv an Wünsche angepasst werden, um eine gewünschte Trennung von der darunterliegenden ebenen Oberfläche und der Substrat-Elektrode zu bieten. Der distale Teil kann beispielsweise so vorgespannt sein, dass er zur darunterliegenden ebenen Oberfläche parallel bleibt. Alternativ kann der distale Teil so vorgespannt sein, dass sich die Trennung von der darunterliegenden ebenen Oberfläche ändert, indem er sich zu dieser Fläche hin oder von dieser Fläche weg biegt. Der distale Teil ist vorzugsweise so vorgespannt, dass er sich von dem darunterliegen den Substrat weg biegt und sich der Abstand zu diesem ändert. Fachleuten wird klar sein, dass mehr als eine polymere Filmschicht verwendet werden kann, und dass die Filme auf nur einer Seite oder auf beiden Seiten der Elektroden-Elemente abgeschieden werden können.
Wenn zwischen dem Elektroden-Element der beweglichen Membran und der Substrat-Elektrode eine Spannung angelegt wird, zieht die elektrostatische Kraft zwischen der Elektrode das flexible Elektroden-Element zum Substrat hin, wobei sich die bewegliche Membran entrollt, um eine Überdeckung der Öffnung zu bewirken. Die geringe räumliche Entfernung der beiden Elektroden bei geschlossenem Ventil ergibt eine starke elektrostatische Kraft. Diese starke elektrostatische Kraft führt zu einer Ventilabdichtung mit einer niedrigen Leckrate. Wird die Spannung von den Elektroden weggenommen, lässt die mechanische Spannung im Film die flexible Elektrode sich vom Substrat weg biegen und die Ventile öffnen. In der geöffneten Position lassen sich große Ströme durch die Öffnung ohne Strömungsbeschränkungen erzielen, da der Teil der Membran, der die Öffnung überdeckt, sich vom Substrat relativ weit weg befindet.
Das Ventil kann so konfiguriert sein, dass auf die Membran von jeder Seite her ein Druckunterschied wirken kann, wenn die Membran die Öffnung dicht verschließt. Wirkt der Druck von der Rückseite des Substrats und drückt gegen die Membran nach oben, wenn das Ventil geschlossen ist, dann unterstützt der Druck die erneute Verbiegung des Films, wenn die Spannung entfernt wird. Kommt dagegen der Druck von der Vorderseite des Substrats und drückt nach unten gegen die Membran, wenn das Ventil geschlossen ist, dann muss zur Öffnung des Ventils die mechanische Spannung in der Membran gegen den angelegten Druck arbeiten. Dieser Druckaufbau kann minimiert werden, wenn in unmittelbarer Nähe des Endes des distalen Teils der beweglichen Membran eine kleine, durch das Substrat führende Öffnung bereitgestellt wird. Da die mechanische Spannung, die zur nach oben führenden Verbiegung der Membran erforderlich ist, proportional zur Gesamtbreite der Membran ist, kann die Biegebelastung im Vergleich zu dem Druck erhöht werden, der an der kleinen Druckentlastungsöffnung besteht, indem man diese kleine Öffnung vorsieht. Sobald die kleine Druckentlastungsöffnung einmal offen ist, verringert sich der Druckunterschied an der Membran an der Ventilöffnung, wobei es für die mechanische Spannung in der Membran leichter wird, das Ventil zu öffnen. Ein Beispiel für eine derartige Druckentlastungsöffnung 102 ist in 1 und 2 gezeigt.
In 3 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform des elektrostatischen MEMS-Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das elektrostatische MEMS-Ventil 10 dieser Ausführungsform hat einen charakteristisch gleichförmigen Luftspalt 110, der unter einem mittleren Teil 120 der beweglichen Membran 60 liegt. Der mittlere Teil der beweglichen Membran ist definiert als der horizontale Bereich zwischen dem festen Teil 80 und dem distalen Teil 90. In dem Bereich unter dem mittleren und distalen Teil der beweglichen Membran ist eine Löseschicht (in 3 nicht gezeigt) auf der obersten Schicht der Substratkonstruktion abgeschieden. Die Löseschicht wird nachträglich entfernt, was zu einer insgesamt bestehenden räumlichen Trennung des mittleren und distalen Teils der Membran und dem darunterliegenden Substrat führt.
Was den Aufbau anbelangt, ist der mittlere Teil im Allgemeinen ähnlich wie der distale Teil aufgebaut, und deshalb bringt der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Elektroden-Element und Vorspannungselement den mittleren Teil dazu, dass er sich verbiegt. Die Biegeeigenschaft der beweglichen Membran ist für den distalen Teil gewünscht, ist aber für den mittleren Teil im Allgemeinen unerwünscht. Es ist wichtig, einen vorhersehbaren bzw. genau definierbaren mittleren Teil, und somit einen genau definierbaren Luftspalt vorzusehen, weil sich eine Vorbestimmbarkeit für verbesserte Betriebsspannungskennlinien eignet. Um die Tendenz abzuschwächen, dass sich der mittlere Teil biegt, wird typischerweise eine Vorspannungssteuerschicht 130 bereitgestellt, die über dem festen und mittleren Teil der beweglichen Membran liegt und den mittleren Teil strukturell einengt. Die Vorspannungssteuerschicht liegt typischerweise über dem festen und mittleren Teil der Membran und erstreckt sich nach außen über die Seiten der Membran, damit die Vorspannungssteuerschicht am Substrat verankert werden kann. Die Vorspannungssteuerschicht kann aus einem metallischen Material gebildet sein und hat im Allgemeinen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der sich von dem der darunterliegenden Membranmaterialien unterscheidet, um den mittleren Teil in einer ortsfesten Position zu halten. Die Vorspannungssteuerschicht kann allgemein eine massive bzw. stabile Schicht sein, oder sie kann Linien, Raster, Kreuzschraffierungen oder andere Strukturen erhalten, wie sie zur Halterung des mittleren Teils und zur Bestimmung der Form des Luftspalts erforderlich sind.
Alternativ kann der mittlere Teil 120 der beweglichen Membran 60 während des Lösens gehalten sein, indem Ansätze 104 (in der Draufsichtperspektive von 2 gezeigt) an der beweglichen Membran am festen Teil 80 verwendet werden. Die Ansätze, die typischerweise Verlängerungen der Schichten sind, welche die Membranen enthalten, stellen eine zusätzliche Haltekraft bereit, um sicherzustellen, dass sich unter dem mittleren Teil ein gleichmäßiger Luftspalt ergibt. Die Ansätze können aus einer oder mehreren Schichten gebildet sein, die die bewegliche Membran umfassen.
In 4 ist eine Querschnittsansicht von noch einer anderen alternativen Ausführungsform des elektrostatischen MEMS-Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das elektrostatische MEMS-Ventil 10 dieser Ausführungsform hat unter einem mittleren Teil 120 der beweglichen Membran 60 einen charakteristischen, kleiner werdenden Luftspalt 150. In dieser Ausführungsform läuft der auslegerartige Teil nach unten, bis er die darunterliegende Substratkonstruktion berührt, an welchem Punkt die bewegliche Membran in den distalen Teil übergeht und sich die Membran von der darunterliegenden ebenen Oberfläche nach oben biegt. Der abfallende mittlere Teil kann zum Beispiel hergestellt werden, indem die Vorspannungsschicht so gestaltet wird, dass sich am Flexionsbereich 160 ein dünner Bereich einstellt, oder indem der abfallende Bereich des mittleren Teils so gebildet wird, dass der mittlere Teil dazu gebracht wird, zum Substrat hin abzufallen.
Indem die Form des Luftspalts vordefiniert wird, können in jüngster Zeit entwickelte, elektrostatische MEMS-Vorrichtungen mit niedrigeren und weniger sprunghaften Betriebsspannungen arbeiten. Eine weitere Erläuterung von in jüngster Zeit entwickelten, elektrostatischen MEMS-Vorrichtungen mit vordefinierten Luftspalten erfolgt in dieser Offenbarung nicht, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verkomplizieren. Bezüglich eines Beispiels für eine vor kurzem entwickelte, verbesserte MEMS-Vorrichtung siehe die US-Patentanmeldung Nr. 09/320,891 mit dem Titel "Micromachined Electrostatic Actuator with Air Gap", eingereicht am 27. Mai 1999 auf den Namen des Erfinders Goodwin-Johansson und übertragen auf MCNC, den Inhaber der vorliegenden Erfindung.
Wenn eine Anordnung aus in einem einzelnen Substrat definierten Öffnungen erzeugt wird, lassen sich gesteigerte Gas- oder Flüssigkeitsströme erzielen. In 6–7 sind perspektivische Ansichten verschiedener elektrostatischer MEMS-Ventilanordnungen gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. 5 stellt eine als Hintergrundinformation gezeigte MEMS-Ventilanordnung 200 dar, bei der Öffnungen 210 im Substrat 220 in einer vorbestimmten Anordnung definiert sind, und jede Ventilöffnung eine entsprechende bewegliche Membran 230 hat. Durch eine selektive Adressierung von Elektroden-Elementen innerhalb der einzelnen Membranen können veränderbare Durchflussmengen erhalten werden, indem die Anzahl von geöffneten und geschlossenen Ventilen gesteuert wird.
6 ist eine MEMS-Ventilanordnung 250, bei der Öffnungen 210 im Substrat 220 in einer vorbestimmten Anordnung definiert sind, und jede Ventilöffnung eine entsprechende fest am Substrat angeordnete Substrat-Elektrode aufweist. Durch selektive Adressierung der festen Substrat-Elektroden 260 innerhalb des Substrats lassen sich veränderbare Durchflussmengen erzielen, indem die Anzahl von geöffneten und geschlossenen Ventilen gesteuert wird. Im Falle einer einzigen, großen beweglichen Membran 230 bedeutet dies typischerweise, dass einer Reihe der Öffnungen bzw. mehreren Reihen der Öffnungen Spannung zugeführt wird. In diesem Kontext sind Reihen als Linien von Öffnungen definiert, die senkrecht zur Längsrichtung der beweglichen Membran verlaufen. Wenn zum Beispiel eine elektrostatische Spannung an die Substrat-Elektroden angelegt wird, die der Reihe von Öffnungen zugeordnet sind, die sich dem festen Teil der Ventilstruktur am nächsten befindet, wird die bewegliche Membran nach unten gezogen, um diese Öffnungen dicht zu verschließen, und der verbleibende distale Teil der Membran behält eine gebogene Stellung bei. Zusätzlich kann bei einer Anordnung dieser Art vorgesehen sein, dass die Reihen der Öffnungen in Bezug auf die darunter liegenden Reihen von Substrat-Elektroden unter einem kleinen Winkel abgeschrägt bzw. schräg gestellt sind, um im Gegensatz zu sprungartigen Veränderungen der Strömung für einen größeren Grad einer variablen Strömung zu sorgen.
7 ist eine MEMS-Ventilanordnung 270, bei der Öffnungen 210 im Substrat 220 in einer vorbestimmten Anordnung definiert sind, und die bewegliche Membran 230 ein geformtes Elektroden-Element 280 (deren Umriss in 7 durch die unterbrochenen Doppellinien gezeigt ist) aufweist, was es ermöglicht, dass der Betrag, um den die Membran den gebogenen Zustand verlässt, proportional zum Betrag der Spannung ist, die dem Elektroden-Element zugeführt wird. In dieser Hinsicht wird durch eine Versorgung des Elektroden-Elements mit der vollen Spannung die bewegliche Membran dazu gebracht, den gebogenen Zustand vollständig zu verlassen, womit alle Ventile in der Anordnung dicht verschlossen werden. In Fällen, wo nicht die volle Spannung angelegt wird, kann die Membran den gebogenen Zustand teilweise verlassen, womit nur diejenigen Ventile dicht verschlossen werden, die unter dem nicht gebogenen Teil der Membran liegen. Die Form des Elektroden-Elements ist beispielhaft gezeigt. Die Form des Elektroden-Elements ist beruhend auf der Größe der beweglichen Membran, der Größe der Anordnung und der Ausführung der Anordnung vorbestimmt. Alternativ kann die geformte Elektrode die Substrat-Elektrode sein. Die Formgebung der Substrat-Elektrode kann im Gegensatz zur Formgebung der Membran-Elektrode bevorzugt sein, um in der beweglichen Membran eine gleichförmige Biegung zu garantieren.
In 8–11 sind verschiedene Stadien der Herstellung des elektrostatischen MEMS-Ventils gezeigt. Dieses Verfahren, bei dem die anfängliche Bildung der Öffnung vor dem Aufbauen des Ventils beginnt und nach dem Aufbauen desselben abgeschlossen wird, hat den Vorteil, dass die Durchführung der Ausrichtung zwischen der Öffnung und der umgebenden Substrat-Elektrode an der Vorderseite der Substratkonstruktion erfolgen kann.
Da die bewegliche Membran so gebildet werden muss, dass sie über der Öffnung liegt, wird die letztlich sich ergebende Mündung der Öffnung nach Bildung der Membran fertiggestellt. Die Eigenart der Herstellungstechnologie für Dünnfilme macht es erforderlich, dass vor der Bildung der Substrat-Elektrode und des flexiblen Elektroden-Elements der Membran die Aufbauflächen allgemein flach sind.
8 ist eine Darstellung einer Querschnittsansicht eines Substrats 300, an dem bereits eine rückseitige Ätzung vorgenommen wurde, um eine große Aussparung 310 zu definieren, sowie eine vorderseitige Ätzung, um Ventilöffnungen 320 zu definieren. Zu Anfang kann an der Rückseite des Substrats eine große Aussparung definiert werden. Zur Bildung der großen Aussparung wird typischerweise ein herkömmlicher Nassätzvorgang verwendet. Die große Aussparung führt typischerweise dazu, dass das Substrat bis auf etwa 50 Mikrometer ausgedünnt wird, obwohl auch andere wünschenswerte Dicken möglich sind. Der Ätzprozess bezüglich der großen Aussparung ist ein optionaler Vorgang, der für eine Minimierung von Durchflussbeschränkungen sorgt und die nachfolgende Bildung der Ventilöffnungen vereinfacht. Nachdem die große Aussparung gebildet wurde, werden die Ventilöffnungen durch die Vorderseite des Substrats teilweise in dieses eingeätzt. Zur Ausführung der Präzisionsätzung, die für die Ventilöffnungen erforderlich ist, wird typischerweise ein reaktiver Ionenätzvorgang (RIE = reactive ion etch) eingesetzt. Dann wird in den Öffnungen ein zu opferndes Füllmaterial 330 angeordnet, um eine durchgehende Substratschicht zu ermöglichen, auf der das Ventil aufgebaut werden kann. Das zu opfernde Füllmaterial umfasst typischerweise Kupfer oder jedes andere geeignete Material, das als das zu opfernde Füllmaterial verwendet werden kann. Sobald das Füllmaterial eingebracht wurde, wird es typischerweise einem Poliervorgang unterzogen, um die Planarisierung der Oberfläche zu gewährleisten und das Substrat für den Ventilaufbau fertig zu machen.
In 9 ist eine Querschnittsansicht der MEMS-Ventilkonstruktion abgebildet, nachdem die Ventilstruktur auf der vorderseitigen Fläche des Substrats gebildet wurde. Die Bildung der Ventilstruktur umfasst typischerweise das Anordnen einer Isolierschicht 340 auf dem Substrat; das Anordnen, Strukturieren und Ätzen einer Substrat-Elektrodenschicht 350 auf der Isolierschicht; und das Anordnen einer dielektrischen Schicht 360 auf der Substrat-Elektrodenschicht. An die Bildung dieser Schichten schließt sich die Bildung einer Löseschicht 370 an, die typischerweise aus einem Oxid besteht, das nachträglich entfernt wird, um das Lösen eines Teils der Membran vom Substrat zu ermöglichen. Dann wird die Membran 380 auf der Löseschicht angeordnet und über die dielektrische Schicht am Substrat verankert. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Membran eine erste Vorspannungselementschicht/dielektrische Schicht 390, die auf der Löseschicht und der dielektrischen Schicht angeordnet ist, eine Elektroden-Elementschicht 400, die an der ersten Vorspannungselementschicht/dielektrischen Schicht angeordnet ist, und eine zweite Vorspannungselementschicht 410, die an der Elektrode angeordnet ist. Diese Schichten der Ventilkonstruktion und die Herstellungsschritte sind beispielhaft gezeigt. Die Oberflächen, die schließlich den Ventilsitz und das Ventilschließteil bilden, können strukturierte Oberflächen sein, damit man mit der MEMS-Vorrichtung häufig anzutreffende Ablöseprobleme meistern kann, die mit der Haftreibung zusammenhängen. In der gezeigten Ausführungsform kann es wünschenswert sein, die dielektrische Schicht 360 und/oder die erste Vorspannungselementschicht/dielektrische Schicht 390 zu strukturieren. Das Strukturieren dieser Oberflächen lässt sich in Verbindung mit der Abscheidung und Entfernung der Löseschicht bewerkstelligen. Der Vorgang des Strukturierens einer Oberfläche an einer MEMS-Vorrichtung ist dem Durchschnittsfachmann hinlänglich bekannt.
10 stellt eine Querschnittsansicht der MEMS-Ventilkonstruktion dar, nachdem die Rückseite des Substrats zur Freilegung des Füllmaterials geätzt wurde, wobei das Füllmaterial entfernt ist und die Öffnung 320 eingeätzt wurde, um einen Zugang zur Löseschicht zu schaffen. Die rückseitige Ätzung des Substrats wird typischerweise mittels eines Nassätzvorgangs ausgeführt. Sobald durch den Ätzvorgang die Rückseite des zu opfernden Füllmaterials freiliegt, wird dieses durch Ausführung eines Ätzvorgangs entfernt. Das Füllmaterial wird typischerweise durch einen herkömmlichen Nassätzvorgang entfernt. Wenn das Füllmaterial entfernt ist, wird die Öffnung weiter in die Ventilkonstruktion hinein gebildet, und zwar bis hin zur Löseschicht 370. Typischerweise wird ein reaktiver Ionenätzvorgang verwendet, um die Öffnung weiter auszubilden und sicherzustellen, dass die Öffnung auch Präzisionsarbeitsflächen hat. 11 zeigt die fertig gestellte MEMS-Ventilkonstruktion, nachdem die Löseschicht entfernt wurde, wobei es folglich nun für den distalen Teil der Membran möglich ist, sich vom Substrat zu lösen.
Dieses Verfahren, bei dem die anfängliche Bildung der Öffnung vor dem Aufbauen des Ventils einsetzt und nach dem Aufbauen des Ventils abgeschlossen wird, hat den Vorteil, dass die Durchführung der Ausrichtung zwischen der Öffnung und der umgebenden Substrat-Elektrode an der Vorderseite der Substratkonstruktion erfolgen kann.
Einem Fachmann, der sich auf dem Gebiet auskennt, auf das sich diese Erfindung bezieht, werden viele Modifikationen und andere Ausführungsformen der Erfindung einfallen, die Nutzen aus den Lehren ziehen, die in der obigen Beschreibung und den zugeordneten Zeichnungen dargelegt sind.

Claims

MEMS (mikroelektromechanisches System)-Ventil, betrieben durch elektrostatische Kräfte, umfassend: ein Substrat (20), das eine allgemein ebene Oberfläche (22) hat, die eine darin gebildete Öffnung (70) hat; eine Substrat-Elektrode (40), die auf der ebenen Oberfläche (22) des Substrats (20) angeordnet ist; eine bewegliche Membran (60), die in einem nicht-gebogenen Zustand allgemein über der Öffnung (70) liegt und vollständig durch das Substrat (20) gestützt wird, wobei die bewegliche Membran (60) ein Elektroden-Element (62) und ein Vorspannungselement (64) umfasst, wobei die bewegliche Membran (60) einen festen Teil (80), der an der ebenen Oberfläche (22) des Substrats (20) befestigt ist, und einen distalen Teil (90) umfasst, der dem festen Teil (80) benachbart ist, wobei der distale Teil (90) bei nicht vorhandener elektrostatischer Kraft in einem gebogenen Zustand ist und durch elektrostatische Kraft in Bezug auf die Substrat-Elektrode (40) beweglich ist; und mindestens eine elastisch zusammendrückbare dielektrische Schicht (50), die zwischen der Substrat-Elektrode (40) und dem Membran-Elektroden-Element (62) angeordnet ist, wobei die elastisch zusammendrückbare dielektrische Schicht (50) eine polymere dielektrische Schicht ist, wobei sich die Substrat-Elektrode (40) seitlich durch einen Bereich hindurch erstreckt, über dem die bewegliche Membran (60) angeordnet ist, und wobei die Membran (60) dazu ausgebildet ist, sich in Reaktion auf ein Spannungsdifferential, das zwischen der Substrat-Elektrode (40) und der beweglichen Membranelektrode (62) hergestellt wird, aus dem gebogenen Zustand in einen allgemein nicht-gebogenen Zustand zu bewegen.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine polymere dielektrische Schicht (50) eine erste polymere dielektrische Schicht (50) umfasst, die auf der Substrat-Elektrode (40) angeordnet ist, wobei das Substrat (20), die Substrat-Elektrode (40) und die erste polymere dielektrische Schicht (50) so zusammenwirken, dass die dort hindurch verlaufende Öffnung definiert wird, und die erste polymere dielektrische Schicht (50) einen Ventilsitz definiert.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 2, wobei die erste polymere dielektrische Schicht (50) eine strukturierte Ventilsitzoberfläche umfasst, wobei die strukturierte Ventilsitzoberfläche das Lösen der beweglichen Membran (60) von der ebenen Oberfläche (22) des Substrats (20) während des Ventilbetriebs erleichtert.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 2, wobei die erste polymere dielektrische Schicht (50) ein Polyimidmaterial umfasst.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine polymere dielektrische Schicht (64) eine erste polymere dielektrische Schicht ist, die auf der beweglichen Membran (60) angeordnet ist und eine Fläche definiert, die als eine Ventildichtung wirkt.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 5, wobei die erste polymere dielektrische Schicht (64) eine strukturierte Ventildichtungsoberfläche umfasst, wobei die strukturierte Ventildichtungsoberfläche das Lösen der beweglichen Membran (60) von der ebenen Oberfläche (22) des Substrats (20) während des Ventilbetriebs erleichtert.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 5, wobei die erste polymere dielektrische Schicht (64) ein Polyimidmaterial umfasst.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine polymere dielektrische Schicht (50) eine erste polymere dielektrische Schicht (50), die auf dem Substrat (20) angeordnet ist, und eine zweite polymere dielektrische Schicht (64), die auf der beweglichen Membran (60) angeordnet ist, umfasst, wobei die erste polymere dielektrische Schicht (50) einen Ventilsitz (52) definiert und die zweite polymere dielektrische Schicht (64) eine Ventildichtung definiert.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 8, wobei die erste polymere dielektrische Schicht (50) eine strukturierte Ventilsitzoberfläche umfasst und die zweite polymere dielektrische Schicht eine strukturierte Ventildichtungsoberfläche umfasst, wobei die strukturierte Ventildichtungsoberfläche und die strukturierte Ventilsitzoberfläche das Lösen der beweglichen Membran (60) von der ebenen Oberfläche (22) des Substrats (20) während des Ventilbetriebs erleichtert.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 8, wobei die erste und die zweite polymere dielektrische Schicht (50, 64) Polyimidmaterialien umfassen.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 1, wobei die Öffnung (70) allgemein eine trichterähnliche Form aufweist, deren kleinster Radius sich an einer Stelle befindet, die der beweglichen Membran (60) am nächsten liegt.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 1, wobei das Vorspannungselement (64) mindestens eine Polymerfilmschicht umfasst.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 1, wobei das Vorspannungselement (64) zwei Polymerfilmschichten (64, 66) umfasst, die auf entgegengesetzten Seiten einer Elektrodenschicht angeordnet sind, die das Elektroden-Element umfasst.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 1, wobei das Elektroden-Element (62) und das Vorspannungselement (64) unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, um die Biegung der beweglichen Membran (60) bei nicht vorhandener elektrostatischer Kraft zu bewirken.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 1, wobei das Vorspannungselement (64) mindestens zwei Polymerfilme von unterschiedlicher Dicke umfasst, um die Biegung der beweglichen Membran (60) bei nicht vorhandener elektrostatischer Kraft zu bewirken.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 15, wobei die mindestens zwei Polymerfilme von unterschiedlicher Dicke einen ersten Polymerfilm (64) mit einer geringeren Dicke, der auf einer Fläche des Elektroden-Elements (62), die dem Substrat am nächsten liegt, abgeschieden ist, und einen zweiten Polymerfilm (66) mit einer größeren Dicke, der auf einer Fläche des Elektroden-Elements (62), die von dem Substrat am weitesten entfern liegt, abgeschieden ist, umfassen.
MEMS-Ventilvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Vorspannungselement (64) mindestens zwei Polymerfilme mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten umfasst, um die Biegung der beweglichen Membran bei nicht vorhandener elektrostatischer Kraft zu bewirken.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Quelle elektrostatischer Energie, die mit der Substrat-Elektrode (40) oder dem Elektroden-Element (62) oder mit beiden elektrisch verbunden ist.
MEMS-Ventil gemäß Anspruch 1, wobei das Substrat (20) des Weiteren eine Druckentlastungsöffnung definiert, die unter der beweglichen Membran (60) liegt.
MEMS-Ventilanordnung (250), betrieben durch elektrostatische Kräfte, umfassend: ein Substrat (220), das eine allgemein ebene Oberfläche hat, in der mehrere Öffnungen (210) ausgebildet sind; eine Substrat-Elektrode (260), die auf der ebenen Oberfläche des Substrats angeordnet ist; eine einzelne bewegliche Membran (230), die in einem nicht-gebogenen Zustand allgemein über den mehreren Öffnungen liegt und vollständig durch das Substrat gestützt wird, wobei die bewegliche Membran ein Elektroden-Element und ein Vorspannungselement umfasst, wobei die bewegliche Membran (230) einen festen Teil, der an der ebenen Oberfläche des Substrats befestigt ist, und einen distalen Teil, der dem festen Teil benachbart ist, enthält, wobei der distale Teil bei nicht vorhandener elektrostatischer Kraft in einem gebogenen Zustand ist und durch elektrostatische Kraft in Bezug auf die Substrat-Elektrode beweglich ist; und mindestens eine elastisch zusammendrückbare dielektrische Schicht, die zwischen der Substrat-Elektrode und dem Elektroden-Element angeordnet ist; wobei die elastisch zusammendrückbare dielektrische Schicht eine polymere dielektrische Schicht ist, wobei die Membran (230) dazu ausgebildet ist, sich in Reaktion auf ein Spannungsdifferential, das zwischen der Substrat-Elektrode und der beweglichen Membranelektrode hergestellt wird, aus dem gebogenen Zustand in einen allgemein nicht-gebogenen Zustand zu bewegen.
MEMS-Ventilanordnung gemäß Anspruch 20, wobei die Substrat-Elektrode des Weiteren mehrere Substrat-Elektroden (260) umfasst, die auf der ebenen Oberfläche des Substrats (220) angeordnet sind, wobei die mehreren Substrat-Elektroden (260) und das Substrat (220) so zusammenwirken, dass durch sie hindurch mehrere Öffnungen (210) definiert werden, und jede Substrat-Elektrode eine entsprechende Öffnung hat, wodurch ein zwischen einer oder mehreren der mehreren Substrat-Elektroden und dem Elektroden-Element erzeugtes Spannungsdifferential die Membran (230) aus dem gebogenen Zustand in einen allgemein nicht-gebogenen Zustand bewegt, um dadurch eine oder mehrere der mehreren Öffnungen (210), die durch die bewegliche Membran (230) bedeckt sind, kontrollierbar einzustellen.
MEMS-Ventilanordnung gemäß Anspruch 21, wobei die mehreren Öffnungen (210) in Reihen angeordnet sind, die allgemein rechtwinkelig zu einer Längsrichtung der beweglichen Membran (230) verlaufen.
MEMS-Ventilanordnung gemäß Anspruch 22, wobei die Reihen der Öffnungen (210) allgemein in einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die entsprechende Substrat-Elektrode (260) abgeschrägt sind, um einen variablen Fluss zu erzeugen.