JPH0695745A - Micro quantity controller - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明はマイクロ微量制御装置
に関するものである。さらに詳しくは、この発明はマイ
クロエレクトロニクスやメディカルエレクトロニクスな
どの流体流量制御系に有用な、微量の流量を制御するこ
とのできるマイクロ流量制御装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro control device. More specifically, the present invention relates to a micro flow rate control device which is useful for a fluid flow rate control system such as microelectronics and medical electronics and which can control a minute flow rate.
【０００２】[0002]
【従来技術とその課題】微量の流体流量を制御する装置
は、半導体、電子デバイスの製造等のマイクロエレクト
ロニクスやメディカルエレクトロニクスなどの分野にお
いて欠かせないものであり、微量流量をさらに精度よく
高速に制御する小型化された装置が望まれている。2. Description of the Related Art A device for controlling a small amount of fluid flow is indispensable in the fields of microelectronics and medical electronics such as manufacturing of semiconductors and electronic devices. There is a demand for a miniaturized device that can operate.
【０００３】従来、このような微量流量の制御は、希釈
装置と切り替え装置等からなるものが一般的であり、た
とえば希釈装置の基本的な構造は、ＣＶＤ装置を例にと
ると、図７に示すように、マスフローセンサ（ア）を通
じてガス希釈室（イ）にガスを流し、そこで分岐し、一
方は成長室（ウ）へ、他方はそのままポンプ（エ）の吸
引力により排出する。さらに成長室（ウ）に流れたガス
は、ポンプ（エ）の吸引力により排出するようにしてい
る。Conventionally, control of such a small flow rate is generally made up of a diluting device and a switching device. For example, the basic structure of the diluting device is shown in FIG. As shown, the gas is caused to flow through the mass flow sensor (a) to the gas dilution chamber (a) and branched there. One is discharged to the growth chamber (c) and the other is discharged as it is by the suction force of the pump (d). Further, the gas flowing into the growth chamber (c) is discharged by the suction force of the pump (d).
【０００４】このときのポンプ（エ）の吸引力およびガ
ス希釈室（イ）や成長室（ウ）の体積を調整することに
よって、ガス希釈室（イ）内の圧力Ｐ1 、成長室内の圧
力Ｐ 2 、直接ガス希釈室（イ）から排出されるガスのガ
スライン（オ）内の圧力Ｐ3を変化させることにより、
成長室内（ウ）へ流れる流量を制御している。しかしな
がら、たとえばこのガス希釈装置に代表される微量流量
の制御装置は、どうしても装置が大型化し、マイクロエ
レクトロニクスやメディカルエレクトロニクスの分野で
は実際上は利用できないという欠点がある。At this time, the suction force of the pump (d) and the gas
Adjusting the volume of the dilution chamber (a) and the growth chamber (c)
Therefore, the pressure P in the gas dilution chamber (a)1, Pressure in the growth chamber
Power P 2, The gas directly discharged from the gas dilution chamber (a)
Pressure P in the line (e)3By changing
The flow rate to the growth chamber (c) is controlled. But
A small amount of flow, such as this gas diluter
As for the control device of the
In the fields of electronics and medical electronics
Has the drawback of not being practically available.
【０００５】一方、瞬時にガスを送るためのガスの切り
替え装置の場合には、二つのバルブを同調させ、瞬時に
切換えて、そのガスを成長室に送るものが一般的であ
る。だが、この従来の流体切り替え装置の場合にも、バ
ルブ開閉時の時間的な誤差や、配管内のガスだまりなど
が生じ、精度のよい流量制御が行えないという欠点があ
る。On the other hand, in the case of a gas switching device for instantaneously sending a gas, it is common to synchronize two valves and switch them instantaneously to send the gas to the growth chamber. However, even in the case of this conventional fluid switching device, there is a drawback in that accurate flow rate control cannot be performed due to a time error when the valve is opened and closed, a gas pool in the pipe, and the like.
【０００６】以上述べたように、従来の方法において
は、どうしても装置が小型化が難しく、さらには、ガス
等の流体の希釈は正確でなく、高速で急峻な切り替えも
難しいといった問題があった。この発明は以上の通りの
事情に鑑みてなされたものであり、従来の流体流量制御
装置の欠点を克服し、小型のパッケージとして、精度が
高く高速な切り替えをも可能とする新しいマイクロ流量
制御装置を提供することを目的としている。As described above, in the conventional method, there is a problem that it is difficult to downsize the device, and the fluid such as gas is not diluted accurately, and it is difficult to switch at high speed and abruptly. The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a new micro flow rate control device that overcomes the drawbacks of the conventional fluid flow rate control device and is capable of high-accuracy and high-speed switching as a small package. Is intended to provide.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、複数のマイクロバルブの間に、
圧力センサまたはマスフローセンサ等の流体センサを流
体流路を介して基板上に集積化してなることを特徴とす
るマイクロ微量制御装置を提供する。The present invention is to solve the above-mentioned problems by providing a plurality of microvalves between
Provided is a micro trace amount control device characterized in that a fluid sensor such as a pressure sensor or a mass flow sensor is integrated on a substrate via a fluid channel.
【０００８】[0008]
【実施例】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発明
について説明する。まず、この発明の制御装置の構造を
説明し、次いで、その作用、および製造例、応用例につ
いて説明する。なお、この発明においては、流体として
ガスもしくは微量の液体、あるいはその混相流体も対象
となる。The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. First, the structure of the control device of the present invention will be described, and then the operation, manufacturing examples, and application examples will be described. In the present invention, a gas or a trace amount of liquid as a fluid, or a mixed phase fluid thereof is also targeted.
【０００９】図１はガス流量制御装置（１）の一例であ
る。この装置（１）の場合には、シリコン基板（２ｂ）
にガラス基板（３）およびシリコン板（２ａ）を積層
し、基板（２ｂ）上に流入側マイクロバルブ（４）、流
出側マイクロバルブ（５）を設け、その間に、流体セン
サ（６）を集積化し、ガス流路（７）に存在させてい
る。FIG. 1 shows an example of a gas flow rate control device (1). In the case of this device (1), a silicon substrate (2b)
A glass substrate (3) and a silicon plate (2a) are laminated on each other, an inflow side microvalve (4) and an outflow side microvalve (5) are provided on the substrate (2b), and a fluid sensor (6) is integrated between them. And is made to exist in the gas flow path (7).
【００１０】２つのバルブ（４）（５）の中間に位置す
る流体センサ（６）には、微小ヒータの熱放散を利用し
た真空センサやマスフローセンサが等が用いられ、真空
センサの場合には２つのバルブにはさまれたガス流路
（７）内の圧力の状態を、またマスフローセンサの場合
はガス流路（７）を通るガス流量を検知する。このよう
な流体センサ（６）によって必要なときにマイクロバル
ブ（４）（５）を電気的操作によって開閉する。As the fluid sensor (6) located between the two valves (4) and (5), a vacuum sensor or a mass flow sensor utilizing the heat dissipation of a minute heater is used. In the case of the vacuum sensor, The state of pressure in the gas flow passage (7) sandwiched between the two valves, and in the case of a mass flow sensor, the gas flow rate passing through the gas flow passage (7) is detected. Such a fluid sensor (6) electrically opens and closes the microvalves (4) (5) when needed.
【００１１】この装置の大きさは、センサとバルブを小
型化することにより、横１０ｍｍ、縦２０ｍｍ程度の非
常に小さいものになる。またこのガス流量制御装置
（１）の流入口（８）には、ガラス管（９）を接続し、
さらにそのガラス管の先端にはフレキシブルチューブ
（１０）と継手（１１）を接続することによって他の装
置と接続することができる。The size of this device becomes very small, about 10 mm in width and 20 mm in length, by downsizing the sensor and the valve. Further, a glass tube (9) is connected to the inlet (8) of the gas flow rate control device (1),
Furthermore, by connecting the flexible tube (10) and the joint (11) to the tip of the glass tube, it is possible to connect to another device.
【００１２】流出口（１２）にも、ガラス管（９）を接
続し、さらにそのガラス管の先端にはフランジ（１３）
を接続することにより他の装置に接続しやすくなる。も
ちろん、この図１に例示した形態に限定されることはな
い。このようなガス微量制御装置により、ガスソース分
子線エピタキシ、ＭＯＣＶＤ、ＣＢＥなどの分子線の制
御、時間変調エッチングなどのガス制御、大気圧からの
直接サンプリングによるマス分析用ガス導入系などへの
応用が可能となる。A glass tube (9) is also connected to the outflow port (12), and a flange (13) is attached to the tip of the glass tube.
It becomes easier to connect to other devices by connecting. Of course, it is not limited to the form illustrated in FIG. With such a gas trace amount control device, control of molecular beam of gas source molecular beam epitaxy, MOCVD, CBE, etc., gas control of time modulation etching, application to mass analysis gas introduction system by direct sampling from atmospheric pressure, etc. Is possible.
【００１３】この装置におけるガスの流れは次のように
なる。すなわち、流入口（８）から送入されたガスはシ
リコン基板（２ｂ）とガラス基板（３）内のガス流路
（７）を通り、流入側バルブ（４）に至る。さらに、こ
の流入側バルブ（４）が開くと、このガスはガス流路
（７）を通って、流出側バルブ（５）に送られる。そし
て、この流出側バルブ（５）が開くとガスは流出口（１
２）へ吐出される。The gas flow in this device is as follows. That is, the gas introduced from the inflow port (8) passes through the gas flow path (7) in the silicon substrate (2b) and the glass substrate (3) and reaches the inflow side valve (4). Further, when the inflow side valve (4) is opened, this gas is sent to the outflow side valve (5) through the gas flow path (7). Then, when the outflow side valve (5) is opened, the gas is discharged from the outflow port (1
It is discharged to 2).
【００１４】この装置により流量制御を行う場合には、
まずはじめに流出側バルブ（５）を閉じ、流入側バルブ
（４）を開ける。流入側バルブ（４）と流出側バルブ
（５）の間のガス流路（７）において、必要な圧力にな
るまで、流入側バルブ（４）を開け、流体センサ（６）
により所定の圧力や流量を検知し、瞬時に流入バルブ
（４）を閉める。その後必要なときに、流出側バルブ
（５）を開け、高精度に定量化されたガスは瞬時に流出
口（１２）へ吐出される。When the flow rate is controlled by this device,
First, the outflow valve (5) is closed and the inflow valve (4) is opened. In the gas flow path (7) between the inflow side valve (4) and the outflow side valve (5), the inflow side valve (4) is opened until a required pressure is reached, and the fluid sensor (6) is opened.
By detecting a predetermined pressure and flow rate, the inflow valve (4) is instantly closed. Thereafter, when necessary, the outflow side valve (5) is opened, and the highly quantified gas is instantaneously discharged to the outflow port (12).
【００１５】図２、図３および図４は、この発明の装置
の製造例を、上記とは別の構造のガス流量制御装置の製
造工程として例示したものである。まず、図２は、ガラ
ス基板（３）にシリコン板（２ａ）および流体センサ
（６）を積層した製造プロセスを示したものである。す
なわち、 （ａ） ガラス基板に穴加工する。 （ｂ） シリコン板（Ａ）（Ｂ）を用意し、シリコン板
（Ａ）にはその表面にＳｉＯ2 の酸化膜を形成し、裏面
に約３０μｍのエッチング段差部を形成する。FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 4 show an example of manufacturing the device of the present invention as a manufacturing process of a gas flow rate control device having a structure different from the above. First, FIG. 2 shows a manufacturing process in which a silicon plate (2a) and a fluid sensor (6) are laminated on a glass substrate (3). That is, (a) a hole is formed in a glass substrate. (B) Silicon plates (A) and (B) are prepared, an SiO 2 oxide film is formed on the surface of the silicon plate (A), and an etching step portion of about 30 μm is formed on the back surface.
【００１６】また、シリコン基板（Ｂ）には、約２０μ
ｍのエッチング段差部を形成し、Ｐをドープする。 （ｃ） ガラス基板と、シリコン板（Ａ）（Ｂ）とを接
合し、シリコン板（Ｂ）の表面を約１００μｍエッチン
グし、２μｍのＳｉＯ2 をＰＥＣＤにより形成する。 （ｄ） Ｔｉ蒸着してフォトリソグラフィーし、ＰＥＣ
ＶＤにより２μｍのＳｉＯ2 を形成し、フォトリソグラ
フする。 （ｅ） Ｓｉエッチングし、さらに上面ＳｉＯ2 をエッ
チングする。 （ｆ） ダイシングし、流体センサ（６）を構成する。 図３は、シリコン基板（２ｂ）の製造工程を例示したも
のである。すなわち、 （ｇ） 酸化、フォトリソグラフィーによりＳｉエッチ
ングする。 （ｈ） Ｐをドープした後に、酸化、フォトリソグラフ
ィーにより、所要のＳｉＯ2 膜を形成する。Ｐをドープ
する。 （ｉ） ＳｉＮのＣＶＤ、フォトリソグラフィー、Ｓｉ
Ｎエッチングする。 （ｊ） Ｓｉエッチングする。 （ｋ） ＳｉＯ2 エッチング、ＰＳＧのＣＶＤ、フォト
リソグラフィー、ＮｉおよびＰｔ蒸着、フォトリソグラ
フィーおよびリード付けを行う。 （ｌ） ワックスマスクによりＳｉエッチングする。 （ｍ） ＳｉＮ裏面エッチング、ＳｉＯ2 （裏面）エッ
チング、ＰＳＧエッチングする。 図４は、組立て工程を例示したものである。 （ｎ） ガラス基板（３）とシリコン基板（２ｂ）を陽
極接合する。 （ｏ） 金属をマスク蒸着する。 （ｐ） ガラスチューブ、ガラス棒を陽極接合する。 （ｑ） リード付け、ピエゾアクチュエータの取付（１
μｍ分電圧印加下）を行う。 図５は、この発明の２つのガス流量制御装置（５１）
（５２）をチャンバ（５０）に接続し、このチャンバを
結晶成長室としてＣＶＤ反応を行った例を示したもので
ある。The silicon substrate (B) has a thickness of about 20 μm.
An etching step of m is formed and P is doped. (C) The glass substrate and the silicon plates (A) and (B) are joined, the surface of the silicon plate (B) is etched by about 100 μm, and 2 μm of SiO 2 is formed by PECD. (D) Ti vapor deposition and photolithography, PEC
2 μm SiO 2 is formed by VD, and photolithography is performed. (E) Si etching is performed, and further, upper surface SiO 2 is etched. (F) Dicing is performed to form the fluid sensor (6). FIG. 3 illustrates the manufacturing process of the silicon substrate (2b). That is, (g) Si etching is performed by oxidation and photolithography. (H) After doping P, a required SiO 2 film is formed by oxidation and photolithography. Dope P. (I) SiN CVD, photolithography, Si
N etching. (J) Si etching. (K) Perform SiO 2 etching, PSG CVD, photolithography, Ni and Pt vapor deposition, photolithography and lead attachment. (L) Si etching with a wax mask. (M) SiN back surface etching, SiO 2 (back surface) etching, PSG etching. FIG. 4 illustrates the assembling process. (N) The glass substrate (3) and the silicon substrate (2b) are anodically bonded. (O) A metal is vapor-deposited with a mask. (P) A glass tube and a glass rod are anodically bonded. (Q) Lead attachment, piezo actuator attachment (1
The voltage is applied for μm). FIG. 5 shows two gas flow rate control devices (51) of the present invention.
This shows an example in which (52) is connected to a chamber (50) and a CVD reaction is performed using this chamber as a crystal growth chamber.
【００１７】用いたガスはＴＭＧとＡｓＨ3 であり、Ｔ
ＭＧをガス流量制御装置（５１）から、また、ＡｓＨ3
をガス流量制御装置（５２）から供給する。流体センサ
には真空センサを用い、チャンバ（５０）には排気バル
ブ（５３）、チャンバ内の圧力を感知する真空センサ
（５４）、反応ランプ（５５）が接続してある。各バル
ブの動作、真空センサの感知する圧力、排気バルブ、反
応用ランプの状態は図６に示す通りである。この図６に
おいて、ガス流量制御装置（５１）の流入側バルブの開
閉状態、ガス流量制御装置（５１）の真空センサの圧力
状態、ガス流量制御装置（５１）の流出側バルブの開閉
状態、ガス流量制御装置（５２）の流入側バルブの開閉
状態、ガス流量制御装置（５２）の真空センサの圧力状
態、ガス流量制御装置（５２）の流出側バルブの開閉状
態を示している。また、チャンバ内の真空センサ（５
４）の圧力状態、チャンバ内のバルブ（５３）の開閉状
態、反応用ランプ（５５）の動作の様子を示すものであ
る。この図において横軸は時間を示している。The gases used were TMG and AsH 3 , and T
MG from the gas flow controller (51), AsH 3
Is supplied from the gas flow controller (52). A vacuum sensor is used as the fluid sensor, and an exhaust valve (53), a vacuum sensor (54) for sensing the pressure inside the chamber, and a reaction lamp (55) are connected to the chamber (50). The operation of each valve, the pressure detected by the vacuum sensor, the exhaust valve, and the state of the reaction lamp are as shown in FIG. 6, the open / closed state of the inflow side valve of the gas flow rate control device (51), the pressure state of the vacuum sensor of the gas flow rate control device (51), the open / closed state of the outflow side valve of the gas flow rate control device (51), the gas The open / closed state of the inflow side valve of the flow rate control device (52), the pressure state of the vacuum sensor of the gas flow rate control device (52), and the open / closed state of the outflow side valve of the gas flow rate control device (52) are shown. In addition, the vacuum sensor (5
4) The pressure state of 4), the opening / closing state of the valve (53) in the chamber, and the operation of the reaction lamp (55) are shown. In this figure, the horizontal axis represents time.
【００１８】図６中の区間ＩにおいてＴＭＧが吸着し、
区間IIにおいてＴＭＧの表面反応が起こり、さらに区間
III でＡｓＨ3 が吸着し、区間IVにおいてＡｓＨ3 の表
面反応が起こる。このＩからIVの区間が一周期となる。
もちろん、この発明は、以上の例に限定されるものでは
ない。In the section I in FIG. 6, TMG is adsorbed,
Surface reaction of TMG occurred in Section II,
AsH 3 is adsorbed in III, and a surface reaction of AsH 3 occurs in section IV. This section from I to IV is one cycle.
Of course, the present invention is not limited to the above example.
【００１９】[0019]
【発明の効果】以上詳しく述べたように、この発明によ
って、 ア） 非常に小型であるので設置対象物との距離を非常
に短くでき、配管内の流体だまりなどの問題を生じな
い。 イ） 小型センサとマイクロバルブにより、急峻な流体
切り替えができる。などの効果が得られ、マイクロエレ
クトロニクスやメディカルエレクトロニクスに利用可能
であり、高精度で高速な、流体の微量流量制御が可能と
なる。As described above in detail, according to the present invention, a) the size is very small, the distance to the object to be installed can be made very short, and the problem such as fluid pool in the pipe does not occur. B) A small sensor and microvalve enable rapid fluid switching. It is possible to obtain effects such as the above, it can be used for microelectronics and medical electronics, and it becomes possible to control a minute flow rate of a fluid with high accuracy and high speed.
【図１】この発明の装置を例示した断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a device of the present invention.
【図２】この発明の装置の製造工程の一部を示した断面
図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the device of the present invention.
【図３】この発明の装置の製造工程の一部を示した断面
図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the device of the present invention.
【図４】この発明の装置の組立製造例を示した断面図で
ある。FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of assembling and manufacturing the device of the present invention.
【図５】この発明の応用例を示した構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing an application example of the present invention.
【図６】図５の例の装置について、そのガスフローと動
作を示したタイムチャート図である。FIG. 6 is a time chart diagram showing the gas flow and operation of the apparatus of the example of FIG.
【図７】従来の希釈装置を示した構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram showing a conventional diluting device.
１ ガス流量制御装置 ２ａ シリコン板 ２ｂ シリコン基板 ３ ガラス基板 ４ 流入側マイクロバルブ ５ 流出側マイクロバルブ ６ 流体センサ ７ ガス流路 ８ 流入口 ９ ガラス管 １０ フレキシブルチューブ １１ 継手 １２ 流出口 １３ フランジ １４ ピエゾアクチュエータ ５０ チャンバ ５１，５２ ガス流量制御装置 ５３ 排気バルブ ５４ 真空センサ ５５ 反応用ランプ ア マスフローセンサー イ ガス希釈室 ウ 成長室 エ ポンプ オ ガスライン 1 Gas Flow Controller 2a Silicon Plate 2b Silicon Substrate 3 Glass Substrate 4 Inflow Side Micro Valve 5 Outflow Side Micro Valve 6 Fluid Sensor 7 Gas Flow Path 8 Inlet 9 Glass Tube 10 Flexible Tube 11 Joint 12 Outlet 13 Flange 14 Piezo Actuator 50 chamber 51, 52 gas flow controller 53 exhaust valve 54 vacuum sensor 55 reaction lamp amas flow sensor a gas dilution chamber c growth chamber d pump ogas line
Claims (1)
サを流体流路を介して基板上に集積化してなることを特
徴とするマイクロ微量制御装置。1. A micro trace amount control device, characterized in that a fluid sensor is integrated between a plurality of micro valves on a substrate through a fluid flow path.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04995292A JP3657278B2 (en) | 1992-03-06 | 1992-03-06 | Micro micro controller |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP04995292A JP3657278B2 (en) | 1992-03-06 | 1992-03-06 | Micro micro controller |
Publications (2)
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| JPH0695745A true JPH0695745A (en) | 1994-04-08 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP04995292A Expired - Fee Related JP3657278B2 (en) | 1992-03-06 | 1992-03-06 | Micro micro controller |
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| JP (1) | JP3657278B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10314386A1 (en) * | 2003-03-28 | 2004-10-07 | Abb Research Ltd. | Flow regulator for fluids flowing in channels within microtechnology components, has an adjustable flow resistance that is controlled by a regulation unit based on the output of a flow sensor |
| CN104571152A (en) * | 2015-01-20 | 2015-04-29 | 哈尔滨工业大学 | Liquid drop micro fluid control closed-loop regulation device based on microvalve |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3339651B1 (en) * | 2016-12-23 | 2019-05-01 | Pfeiffer Vacuum Gmbh | Vacuum pump |
-
1992
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|---|---|
| JP3657278B2 (en) | 2005-06-08 |
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