JPH0826886B2 - 流体制御装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に
係り、特に流体の流量の電子コントロール，特にガスま
たは液体の流量がある種の制御ロジックからの電子信号
によりコントロールされるように構成された、電気−流
体−変換マイクロミニチュア弁に関するものである。

（従来の技術およびその問題点） 工業機器および工業用または製造用の施設の多くは空
圧等の流体圧を原動力としている。空圧動力は機械を極
めて効率的に作動し，かつアセンブリ−ライン作業用の
ロボット機械にしばしば用いられる。これらのタイプの
機械はコンピューターまたは他のロジック回路によりコ
ントロールされることが多い。ロジック回路は実施すべ
き動作のシーケンスを決めかつ計画通りに動作を実行す
るための電気信号を発信する。動作のシーケンスが空圧
により駆動される機械部分の物理的な動作を含む時に
は，コントロールロジックからの電気制御信号を、機械
部分を駆動するための空圧コントロール信号に変換する
ことのできる弁すなわち変換装置の必要性が生まれる。

かかる機械はしばしば多数の個別の空圧ラインにより
コントロールされる多くの可動部分を使用するため，か
かる電気−流体−変換弁が多数必要となることがしばし
ば起こる。このような場合には、電気−流体−変換弁は
廉価で，信頼性および作動効率が高く，小型でしかも弁
とコンピューターまたはコントロールロジックとの間の
電子インターフェース回路に適合したものであることが
要求される。

極めて精度の高いロボット動作の要求される用途また
は他の極めて精度の高い動作が必要な用途では、高圧コ
ントロールドライブパルスの形を精密にコントロールす
ることが必要である。他の用途，例えばガスクロマトグ
ラフィではコラムに入る流体パルスの形状はコラムから
正確な分析データを得るために精密にコントロールされ
なければならない。これらの用途のいずれにおいても流
体の流量のコントロールに用いられる弁はデッドボリュ
ーム（dead volume）をほとんどまたは全く持たぬ精密
弁でなければならない。デッドボリュームとは弁が解放
状態から閉鎖状態に移行する時に弁の中に閉じ込められ
る大きさのわからないボリュームである。この閉じ込め
られた流体が流れの中に混入した場合には、流体パルス
の形状は希望の形状とは相違する。例えば典型的なガス
クロマトグラフシステムではデッドボリュームを持つ弁
が使用される時には分離コラムに入る出力流体パルスの
端部は（任意の時点に流れるガス流のボリュームに関し
て）垂直でないまたは明確な境界を示さぬことがある。
同様に，精密ロボット動作に対しては，動作に対する精
密な位置制御を行うためにロボットの指および腕を駆動
するために用いられる空圧パルスに対し極めて精密なカ
ットオフ機構を持つことが必要となる。

電気パルスを用いて流体の流量をコントロールする１
つの公知の方法はスタンフォード（Stanford）大学のス
ティーブ テリー（steve Terry）により開発された電
気−流体弁である。この弁はその中に薄膜（membrane）
が機械加工されたシリコンのごとき基体を使用してい
る。キャビティーは基板をほとんど貫通するように穴を
エッチングすることにより形成される。これは底に薄い
壁体を残し，かつこれが可撓性の薄膜の作用を持つ。薄
膜がその中に形成されている第１の基板の側面に取付け
られる形で第２の基板が設けられ，かつこれにはマニホ
ールドタイプの室をその中にエッチングされ，かつマニ
ホールド室の壁の中にガスの出入りのための通路または
ノズルが形成されている。マニホールド室はまたその中
に別のポートを持つことによりマニホールドの中へのお
よびノズルから外へのまたはその逆の流体の通路を完成
する。第２の基板のマニホールド室は第１の基板の薄膜
の上に位置し，しかも第１の基板のマニホールドが撓ん
だ時にマニホールド室のノズルの周りに形成されたシー
リングリングに接触し，かつこれによりノズルとマニホ
ールドへの他のポートとの間の流体の通路を閉じる。第
１の基板の薄膜が撓まぬ時にはマニホールド室のノズル
は閉じられることはなく，従って流体は自由に入口ポー
トおよびマニホールド室に流れ込みかつノズルを通って
流出しまたはその逆も可能である。第１の基板の薄膜は
ピストンによりその上に与えられる機械力により強制的
に撓ませられる。このピストンはソレノイドまたは他の
タイプの電磁装置により駆動される。

上記の弁の形態を持つ１つの短所はソレノイドが大容
量の動力源を必要とし大きな動力の流量装置であること
である。さらにソレノイドまたは他の電磁装置は大型で
重量の大きいことである。第１および第２の基板の室は
ソレノイドが大型でさえなければ遥かに小型化されるこ
とができるであろう。第１および第２の基板は従来の平
面フォトリソグラフィ技法を用いてエッチングされるシ
リコンウェハであるために電気−流体弁はソレノイド用
でさえなければサイズをさらに小さくすることは可能で
あろう。このような従来の電気−流体弁の構造のスペー
スを効率的に利用し得ない。ソレノイドはソレノイドの
ピストンが第１の基板の薄膜を押すごとく第１の基板に
機械的に取付けられ，かつソレノイドがウェハのスペー
スの大部分を占める程に大きいために１つのシリコンウ
ェハには一般にかかる弁構造をわずかに３個形成し得る
に過ぎない。かかる構造の製作費は比較的高くかつソレ
ノイドとガラスとの接合は困難である。一般にソレノイ
ドは厚いパイレックスウェハにボルトとナットにより固
定されている。この取付けの方法は製作費が高く，また
主たる故障の原因ともなる。さらにかかる構造は動作部
分を持ち，かつこれがもう１つの故障の原因となる。し
かし，かかる構造の主要な短所は全構造が平面フォトリ
ソグラフィ技術によりたやすく量産することができない
ことである。これはソレノイドがかかる技法では製作す
ることができないことによる。

インクジェットプリンティングの分野で過去に用いら
れた別のシステムは液体およびガスが加熱された場合に
室の中に高温を生じる性質を利用した発明に用いられた
原理を利用している。この原理を具現化した特定のシス
テムはヒューレットパッカード（Hewlett Packard）の
インクジェットプリンタである。このプリンタの構造で
はプリントヘッドが基板の中または上に小型室を備えて
いる。基板はその上に抵抗素子を持ち，かつ室は抵抗素
子の上に位置する。室はその中に小さいインクジェット
ノズルを持ち，それを通してインクは室内のインクの圧
力が大気圧を上回ると小さい液滴の形で逃出することが
できる。使用に際しては，かかる構造はインク滴を加熱
パルスが抵抗素子に与えられる度に放射される。抵抗素
子からの熱は室の中のインクの温度を高め，それにより
その蒸気圧力を熱力学の法則に従って高める。室内のイ
ンクの圧力が高まると,1つまたはそれ以上のインク滴は
室壁の中のインクジェットポートを通して室から強制的
に排出される。かかる構造は本発明に用いられている熱
力学の原理の全く別の用法の一例である。出願人が知る
限り温度の上昇する閉じられた室内の液体の膨脹の原理
のかかる用法は流体弁のコントロールに未だ用いられた
試しはない。

このように、従来の平面リグラフィ技法を用いて安価
に量産することができ，大量のエネルギーを使用するこ
とはなく，小型でウェハのスペースを効果的に使用し，
互いに干渉の可能性を持つ作動部分を持たず，デッドボ
リュームをほとんどまたは全く持たぬ精密カットオフ特
性を持ちかつ電気−流体弁がその中に形成される同じシ
リコンウェハ上にインターフェイスまたはドライバー回
路に形成するのに適した電気−流体弁を提供することを
目的とする。

すなわち、本発明は、製造が容易で、小型かつ高速制
御が可能な信頼性の高い電気−流体弁を提供することを
目的とする。

（発明の梗概） 本発明では、上記目的を達成することのできる電気流
体弁を提供するものである。この弁は，固定容量の気体
あるいは流体が熱せられた時の圧力上昇と膨脹の原理を
利用して、気体あるいは流体を含んでいる空洞または室
の可撓性の壁または１個以上の壁を形成している薄膜を
撓ませるものである。薄膜の撓みは，入力ポートからの
マニホールド室を通り出力ノズルへぬけるか，またはそ
の反対である流体の通路を開閉するのに用いられる。弁
または直線的に装置され流体制御の直線性が得られる。
すなわち，弁が制御信号の大きさに適合して制御され，
弁を通る流体の流出入の率または速度が調節される。薄
膜の撓みはまた，温度変化あるいは測定すべき他の現象
の度合を決定するためのセンサ表示としても使用され
る。

すなわち本発明（請求項１）によれば、ある量の物質
と、該物質を収納する窪みを形成した第１の半導体基板
であって、該窪みが少なくとも１個の可撓性の半導体基
板を半導体の壁を有し、該第１の半導体基板に接続さ
れ、前記窪みをハーメチックシールされた前記物質を捕
獲する容器とし、更に前記窪みと交差する表面の位置近
傍内の位置に設けられた加熱手段を有する第２の基板
と、前記第１の半導体基板に接続する第２の半導体基板
内に形成され、前記可撓性の壁に隣接し、制御される流
体が貫流するように構成された穴であって該可撓性の壁
と該第３の半導体基板に形成されたシーリング面との間
の空間によって規定される穴を内部に有する流体流路手
段とを有し、前記可撓性の壁が前記シーリング面と協動
して前記流体を制御するように構成したことを特徴とす
る（請求項１）。

かかる構成によれば、３枚の半導体基板で構成され、
第２の半導体基板にもうけられた加熱手段によってある
物質を加熱または冷却することにより可撓性の壁の撓み
量を制御し、第２の半導体基板の可撓性の壁と該第３の
半導体基板に形成されたシーリング面との間の空間によ
って規定される穴を制御して流体を制御するようにして
いるため、すべてフォトリソグラフィ工程で容易かつ高
精度に小型の装置を得ることができる。

本発明の電気流体弁の構造は種々変形可能である。し
かしながら，各設計の主な要素は，室の１つの壁が薄
く，可撓性のある薄膜である気体内に形成される室を含
んでいる。室は，所定のモル数の気体または流体を封じ
こんでおり，室内の流体の温度を上昇させて，流体の場
合には蒸気圧力の上昇を発生させ，気体の場合には膨脹
と圧力増加を発生させるようにする方法または手段が設
けられている。この室内の物質の加熱は，いくつかの方
法のうちの１つの方法で果たすことができる。１つの方
法は，室内の１つの壁（分散抵抗の場合は,1つかそれ以
上の壁）（請求項２）あるいは室内のどこかに位置され
ている抵抗加熱素子（請求項３）を用いて，抵抗素子に
電流を流して熱を発生させ，室内に封じこまれている流
体を加熱することである。室内の流体の加熱の他の可能
な方法としては，室の外側に位置するエネルギー源より
得た高周波エネルギーを室内へ送り込むことにより行う
室内の物質の高周波加熱あるいは伝導性の，または対流
性の，または輻射性の熱を通しての室内の物質の加熱が
ある。さらに，光学加熱手段も用いられ光学−流体変換
が行われる。そのような構成では光は透明物質でできた
壁をもつ室内へ照射される。この光は室の壁（１つまた
はそれ以上の壁が光エネルギーを吸収する物質でコーテ
ィングされていてもよい。）を加熱するか，あるいはも
し室内の物質が光を充分吸収できる程暗い流体が気体で
あれば室内の物質を直接に加熱する。光エネルギーは，
輻射によるか，あるいは光パイプ（請求項７）または光
ファイバガイドの助け（請求項６）により，光源より伝
達される。輻射光あるいは光ファイバーパイプは電気的
雑音をひろわないので，そのような光学−流体変換によ
り，電気的雑音のある雰囲気でも信頼できる流体制御が
提供される。

他の実施態様では，室内に封じこまれた流体を冷却す
ることにより，薄膜を１つの壁としている室（以下で
は，薄膜室と称する。）内の流体の温度を変化させるこ
とが可能である。これは，トンプソンあるいはペルチェ
冷却器により行なうことができる。他の型の冷却機構も
また使用できる。例えば，単純な冷却システムあるいは
輻射，伝導または対流冷却器である。本発明の教えによ
れば，薄膜室内の流体の温度の制御方法のいずれもこの
発明の実施の目的を満足させるであろう。

また本発明（請求項11）によれば、捕獲された物質を
加熱するための手段を外部ソースから得るようにしてい
るため、上記効果に加え装置自体の大きさを低減するこ
とが可能となる。

本発明（請求項12）によれば、金属めっきによって空
洞のまわりをシールするようにしているため、製造が容
易でかつ信頼性の高いものとなる。

本発明（請求項13）によれば、すべてリングラフィ工
程によって形成することができるため、製造が容易でか
つ高精度の寸法制御が可能である。

本発明（請求項36）によれば、該空洞に、予期される
最高の周囲温度より高い沸点を有する物質を捕獲せし
め，該ダイアフラムを動かすために該捕獲されている物
質の温度を該沸点まで上昇させるようにしているため、
気体状態で圧力変化により制御しているため、高速制御
が可能である。

さらに各種の加熱構造の上述の説明より推測できるこ
とであるが，本発明の教えにより構築された装置の構造
は１つの応用から他の応用へ非常な変化をするが，典型
的な構造は薄膜室と加熱構造としてシリコンパイレック
スサンドイッチ構造を利用する。薄膜室は，シリコンウ
ェハを殆ど貫通する程度であるが薄膜質の薄膜の所望厚
さと同等の部分をウェハの反対側に残して停止するよう
にしてウェハに溝をエッチングすることによりシリコン
ウェハに形成される。例えば，パワートランジスターあ
るいは多重入出力口を有する完全（full）フィードバッ
クシステムのような他の信号処理回路をウェハの残りの
部分に従来の処理法により予め設けていてもよい。この
回路は，弁を形成している薄膜室により形成されている
電気流体弁と共に使用され，それにより，弁自体が適合
した工程によっているので同じシリコンウェハ上の自分
のインターフェース回路を有する弁または変換器が形成
される。もちろん，薄膜室が変換器として使用されるの
であれば，このことはセンサとしての応用にも同じこと
がいえる。そして，ウェハ上のどこかに構築された信号
処理あるいは他の回路は，変換器の操作のために変換器
からの出力信号の処理，調整あるいはその他の目的に使
用できる。

薄膜をその一部としているシリコン基板の表面は，そ
の内部に入力ポートおよびノズル（ノズルを入力ポート
とし他のポートを出力ポートとしてもよい）のあるマニ
ホールドをその内部にもった他方のウェハとサンドイッ
チ状態にされる。流体マニホールドの位置は固定され，
第２のウェハが第１のウェハに取りつけられたとき，ノ
ズルとその周囲のシーリングリングとが撓みにある薄膜
の行程路内に位置するようにされる。薄膜の撓みは，流
体マニホールドの入力ポートと出力ポートとの間の流体
連絡路の断面積を変化させる。もし，撓みが充分大きけ
れば，薄膜はノズル周辺のシーリングリングに完全に着
座しノズルを通る流出入を止める。

この発明は転換型の弁あるいは変換器として実施され
る。ここで使われている変換器という用語は，変換器で
測定されるあるパラメータの大きさを特性化する出力信
号を供給する装置を意味すると解釈されるべきである。
測定されるパラメータは室内の流体の温度か，あるいは
室内の流体の温度に影響を与えるある他のパラメータで
ある。後者の例として，室内の抵抗素子を通る電流の
量，照射光の強度等がある。

他の実施例では，本発明によるセンサの構成は，薄膜
に加えられた圧力を測定することにより圧力を測定する
ことができる。測定される圧力または他の影響をうけた
薄膜の撓みに応じた室内の流体の圧力変化は，熱力学の
法則に従って薄膜室内の流体の一時的な温度変化として
おきかえられる。これらの温度変化は熱電対あるいは測
定される圧力または力を特性化する出力信号を発生する
他の温度感知装置により感知できる。

本発明によると，周囲温度の温度センサは，電気流体
弁を製造することにより，薄膜室内の流体温度を外部的
にも内部的にも変化させる手段を用いずに，製造でき
る。そして，弁を通る流量が薄膜室内の流体に影響を及
ぼしている周囲温度の関数として測定することができる
ように，流量メーターを弁薄膜により制御されている流
出入連絡チャネルへ設置することができる。すなわち，
周囲温度の変化は，薄膜室内の流体の温度変化を発生さ
せる。これらの温度変化は薄膜室の薄膜の撓みにおきか
えられる。それにより，弁の流出入連絡チャネルを通る
流体量が変調させられる。この流速の変化は，多段流体
回路学の公知の方法により増幅することができ，気圧ま
たは水圧により駆動される制御システムに直接に使用す
ることができる。

ここではまた，集積圧力調節器と集積流量調節器とが
開示されている。集積圧力調節器は，弁の間に配置され
ている出力ポートの圧力を制御する作用をもっているこ
こで伸べられている型の２つの集積弁を使用する。出力
ポートの圧力は容量性の変換器により感知される。その
ような変換器では，コンデンサのプレートの１つは基板
に固定されており，他方のプレートは基板に形成されて
いる真空化された室の壁のうちの１つを形成している可
撓性のダイアフラムの上に形成される。圧力変化により
ダイアフラムが撓み，第２の容量プレートを第１のプレ
ートの方へ近づけ，あるいはそれから遠ざける。この容
量変化は，出力ポートの圧力を決定し，誤差信号を発生
するのに使われる。誤差信号は,2つの弁を制御する制御
信号を発生するのに使われる。これらの弁は出力ポート
と容量性センサと共に同じダイの上に集積される。弁の
１つは，高圧力源を出力ポートへ結合し，他方の弁は，
出力ポートを低圧力流出だめへ結合する。

集積流量調節器は本発明による１つの集積弁と流出入
チャネルとを利用している。３つの抵抗素子が流出入チ
ャネルに沿って配置されている。中央の抵抗は，一定温
度を保つように供給される電流により駆動される。中央
の抵抗により発生した熱は，中央の抵抗の両側にある冷
たい抵抗温度センサに向かって拡散する。しかし，流出
入チャネルの物質の流れにより，一方の抵抗温度センサ
に達するより少ない熱が他方には達し，そしてこれは温
度差を発生させる。この温度差の量は流量に関係してお
り，抵抗温度センサに結合されている制御回路により感
知される。決定された流量は，通常の回路により所望の
流量と比較され誤差信号が発せられる。この誤差信号は
流量が要求流量に改められるように弁を制御するために
使用される。

（実施例） 次に本発明の実施例について説明する。

第１図には，本発明の電気流体弁の好ましい実施例の
断面図が示されている。弁は本実施例では，［100］方
向のシリコンの基板12にエッチングされている薄膜室10
を備えている。本発明の基本構造はいくつもの異なった
型の材料，例えば電気鋳造された鋼，プラスチックなど
により実現できる。しかしながら，第１図に示された好
ましい実施例では，シリコンウェハ12,他のシリコンウ
ェハ30およびパイレックスウェハ22の３層のサンドイッ
チからなっている。ウェハ22はこの好ましい実施例では
パイレックス7740（Pyrex 7740）より作られている。シ
リコンは他のウェハにも使われている。それはシリコン
が信号処理またはインターフェイス用の電子回路を構成
するための基板として使用され得るからである。信号処
理またはインターフェイス回路は他のチップに設けら
れ，また公知の技術によって混成的に接続されることが
できる。しかしながら，他の電子回路を同じウェハ上に
弁として構成することも可能である。使用者がどちらの
方法を使用するかという決定は，回路を同一のウェハ上
に弁としてまたはセンサーとして作るということによる
よりも，他の基準によることも可能である。

薄膜室10は６個の壁により規制される（請求項２）。
断面図に示されるとおり，その４個はシリコンの［11
1］面であり，他の２個は壁14と壁16である。薄膜室10
は，［111］方向のシリコン面をエッチングしないKOHの
エッチャントにより異方的にエッチングされるので壁1
4,16は薄膜18の表面に対して54.73゜の角度となる（請
求項３）。薄膜室10の他の壁は，薄くかつ可撓性を有す
る薄膜18である。

薄膜室10の容積は，薄膜18が曲がらないかぎり一定で
ある。一定量の気体または液体が薄膜室10に封じこめら
れる。これは，パイレックスウェハ22をウェハの上面に
結合して薄膜室を封じる際に行うことができる。すなわ
ち，ウェハ12の表面は最も正位なＺ座標にあり,Z軸に対
して垂直である。この好ましい実施例では，パイレック
スウェハ上に抵抗パターン20がフォトリソグラフィ法に
よりエッチングされて形成されており，薄膜室10の中の
内容物を電気的に加熱することができる（請求項４）。
パイレックスがウェハ22に使われているのは，それが光
を通し，薄膜室10の中に封じこまれた物質を加熱するた
めに，パイレックスを通って薄膜室10に入る光エネルギ
ーを供給できるからである。またパイレックスはシリコ
ンと共に比較的低温（300℃）で密閉状態を作る。この
ような光学−流体の実施例で特徴的なものは，光パイプ
19である。これは光エネルギーを案内して薄膜室10へ導
くものである（請求項５）。光パイプ19はどんなもので
も良い。例えば光ファイバケーブルである。この構成
は，いくつかの実施例で抵抗加熱器20が不適当かまたは
不都合な時にも光学流体弁を構成することを可能にす
る。

さらに，この光パイプ19は，加熱素子が取り得る型を
ただ象徴づけているだけである。例えば，全く加熱素子
を用いず，周囲温度が，薄膜室内の物質の加熱，冷却を
行うのに使われることもある。ウェハ22を加熱してその
熱を薄膜室10へ伝えることによって伝導加熱あるいは対
流加熱もまた使うことができる。伝導加熱は，ウェハ22
と熱源が直接に接することによって，そして，対流加熱
はウェハ22の上に熱い気体や液体を流すことにより得る
ことができる。後者の環境では，ウェハ22の材料は，熱
信号に対する応答を遅らせないような熱を良好に伝導さ
せることができるものを選ぶべきである。第１図に示さ
れた実施例では，パイレックスウェハ22は薄膜室の密封
部材として，そして平面的なフォトリソグラフィ法によ
り抵抗加熱器が形成される基板として機能する。抵抗加
熱器20との接続は，通常の方法のいずれかによりなされ
る。１つの方法は，ガラス中に穴を形成することにより
行われる。この好ましい実施例での抵抗加熱器20はアル
ミニウムでできている。しかし，クロムや金または他の
多くの材料のうちのいずれかから作った加熱器も使うこ
とができる。いくつかの実施例では，抵抗加熱器20は，
その一部として外部の温度測定装置と接続されている熱
電対が形成されている。この方法では，抵抗素子の温度
の測定が可能である。

他の実施例では，温度の抵抗係数が抵抗素子の温度を
監視するのに用いられることがある。すなわち，抵抗素
子20の温度はその中を流れている電流を測定することに
より知ることができる。

加熱素子20の材料は，薄膜室10の中に封じこまれた物
質と，低温時においても，またその物質が加熱されてい
る最中でも，反応してはいけない。この好ましい実施例
では，加熱される物質との反応を防止するために，薄い
保護コーティング（図示せず）が，加熱素子上に施され
ている。この薄いコーティングは，抵抗素子20から実質
的に加熱されている物質への熱伝導を減少させず，か
つ，加熱素子を効果的に封じられる物質であれば，何で
も良い。加熱素子と薄膜室に封じこまれた物質との間に
反応の危険性がない実施例では，コーティングは省略し
てもよい。抵抗素子のリードは，パイレックスウェハの
外側端にあるパッドに引き出される（請求項４）。

薄膜室10は，規準に従って選択された流体または気体
により充填される。この規準は後で詳細に述べる。この
充填は，パイレックスウェハ22が取りつけられている
間、またはその後に，薄膜室10へ出入口を取り付け，薄
膜室を気体か流体で充填した後，この出入口を封じるこ
とによって行われる。一般に，薄膜室10に充填される物
質は弁が経験するであろう最も高い周囲温度で薄膜室の
中の流体または気体の圧力は，マニホールドやノズルの
中の流体の流れに支障をきたす原因になる薄膜18の撓み
を起こすほど大きくならないように，基本的にはその活
性エネルギーにより決定される。また，選択された流体
は，圧力の増分と入力エネルギーの増分との比が最大に
なるようにされる。これは，入力エネルギーの単位の変
化に対する圧力の変化が最大になるように流体が選択さ
れることを意味する。この比を最適化することは，いく
つかの応用分野では非常に重要なことである電力消費の
低減につながる。また，この流体は化学的に不活性でな
ければならない。これは，弁の物質とそして接触の可能
性のある他の物質との間の有害な反応を起こさせないた
めである。もっと一般的には，薄膜の湾曲はマニホール
ド室24を通る流体の流れの断面を調節するのに使われる
ということである。

パイレックスウェハ22には，薄膜室の中の内容物を加
熱するために流す電流が流れる抵抗素子20が形成されて
いる。その中にマニホールド室24をもっている第２のウ
ェハ30は，第１のウェハ12に取り付けられている。その
マニホールドは入力ポート（図示せず）およびノズル32
が形成されている。ノズル32は，その周辺を囲んでいる
シーリングリング28を有している。薄膜室10の内容物が
加熱され薄膜18が第１図に示される破線のように撓んだ
時，薄膜18はシーリングリング28上に位置し，ノズル32
を通る気流を全て閉ざしてしまう。ここでいう気流と
は，気体流または液体流を指す。薄膜室10の中に封じこ
まれた物質が冷えると，それは収縮し，薄膜室10の中の
圧力を減少させ，そして薄膜18をノズルのまわりのシー
リングリング28から遠ざけるようにする。

ノズル32またはマニホールド室24に過圧がかかれば，
薄膜18を薄膜室10の方向へ逆に湾曲させることができ
る。これを過圧状態というものとする。もし，この状態
が起こり，撓みがはげしくなれば薄膜は破壊されるだろ
う。１つの方法は薄膜室の深さ（第１図のｄで示されて
いる）を充分小さくすることである。そうすることによ
って，過圧がかかった時，薄膜室の表面21が薄膜18の撓
みを破壊点に達するまでに，または弾性限度を越えるま
でに止める。薄膜18の破壊を防ぐ第２の方法は，薄膜室
を液体で充填することである。液体には圧縮できないと
いう性質があるため，過圧がかかり薄膜18の逆方向への
屈曲が起き薄膜室10の容積が減少した時，薄膜室内の圧
力は急激に上昇する。この圧力の上昇は屈曲を妨げ，破
壊点以上に薄膜が屈曲するのを防止する。

薄膜室10を作るための異方性エッチングの工程は，第
１図に示されている薄膜の寸法Ａが正確に制御されるよ
うに選択される。薄膜室の各寸法と壁14,16の横方向の
位置とを正確に制御することは重要である。これは，同
一の電気流体弁をシリコンウェハ上に大量生産しなけれ
ばならないことと，弁の製作コストを少なくするため単
一のウェハ上の弁構造の密度をできるだけ高くする必要
があるからである。寸法Ａは酸化物マスク層（図示せ
ず）の寸法Ｂを制御することにより制御される。この酸
化物マスク層は，薄膜室10の位置とサイズを決定するた
めのエッチングマスクとして使用される。寸法Ｂは比較
的正確に制御され得るので，また異方性エッチングによ
り特性的に壁14,16を正確な公知の角度で構成できるの
で，寸法Ａを正確に制御することが可能である。薄膜18
の表面と壁14,16がなす角度がわかっているため，薄膜
室10の側面の広がりが，公知のウェハの厚さとして知る
ことができる。

単一ウェハ上に弁を高密度に配することが重要な規準
にならない場合には，等方性エッチングにより薄膜室10
を作ることができるであろう。そのような方法では,Z軸
方向のエッチングと同時にＸ軸に沿う横方向のエッチン
グが行われるであろう。薄膜18の厚さはＺ軸方向のエッ
チングを制御することにより制御される。等方性エッチ
ングが行われる際には,X軸方向における壁14,16の正確
な位置がつかめないであろう。それは，等方性エッチン
グの横方向エッチング速度が比較的に事前に予知できな
いものであるからである。さらに，壁14,16は直線的に
はならず，湾曲するであろう。薄膜室10の容積が固定さ
れている限り，等方性エッチングにより製造された場合
でも弁は作動するが，パッキング密度は，たくさんの弁
が同じダイ上で製作されるであろうことを考慮すると，
異方性エッチングが行われた場合ほど高くはならないで
あろう。

等方性エッチングの横方向エッチング速度が予知でき
ないため，ダイNo.1上に作られた１つ目の弁の薄膜室10
の容積は，ダイNo.1上に作られた２つ目の弁のそれとは
異なるかもしれない。薄膜の厚さも異なっているかもし
れない。さらに，ウェハ全体でもエッチング特性が異な
るので同一ウェハ上の弁も物理的に異なる寸法をしてい
るかもしれない。このように同一または異なるウェハ上
の弁室の容積が異なる可能性もある。薄膜室10に封じこ
められた流体または気体の容積が異なるため，弁が異な
れば特性も違うであろうことから，様々な製造ロットで
の弁の特性をもっと予知できるものにするため，薄膜室
10を異方性エッチングにより作ることが好ましい。

基板12は薄膜18を作るため平面フォトリソグラフィ法
により化学的に加工できる物質であれば何でも良い。さ
らに，基板12の物質としては，高い熱伝導係数をもって
いるものが好ましい。電気流体弁の応答時間は，薄膜室
10に封じこまれた流体または気体が加熱された後の冷却
度で決まる。基板12の熱伝導係数が高いということは，
薄膜室10に封じこまれた気体または流体の冷却が早いと
いうことと，応答時間が早いということとを意味する。

薄膜室の流体または気体の加熱速度は，パイレックス
ウェハ22上にある抵抗素子20を流れる電流の大きさを制
御することにより制御することができる。好ましい実施
例では，支持ウェハ22はパイレックスガラスである。そ
して，抵抗素子20は薄膜室10内に位置し蛇行状にフォト
リソグラフィ法によりエッチングされたアルミニウムで
ある。

途切れていないアルミニウムのパターン20を電流が流
れる時，アルミニウムの抵抗は12Rのアルミニウム線の
熱を発生する。この熱は薄膜室10に封じこまれている気
体または流体へ伝導され，その温度を上昇させる。この
温度の上昇は，薄膜室10に封じこまれている気体の圧力
の指数的な上昇を引き起こす。増加した薄膜室10内の圧
力は，マニホールド室24内の気体の等しく反対方向の圧
力に打ち勝つ。これにより，薄膜18はＺ方向の負方向で
あるシーリングリング28のシーリング面26の方へ屈曲す
る。このシーリングリング28は，第２のウェハ30の中に
フォトリソグラフィ法により作られたものである。

この好ましい実施例では，第２のウェハ30もまた［10
0］方向のシリコンであるが，他の実施例では，ウェハ3
0は，半導体工業で一般に使用されているフォトリソグ
ラフィ法によるウェットまたはドライの化学的加工がで
きる物質であればどのような物質でも良い。第２のシリ
コンウェハ30には，化学的にエッチングされたマニホー
ルド24とノズル32がありシーリングリング28を連合して
いる。ノズル32はシーリングリング28の中にエッチング
され，第１図の弁の気体側の気体の通路の一部を成して
いる。この弁の外気側の完全な気体通路は，入力または
出力用のポート34（第１図では断面で示されており第２
図から第４図までに説明されている），ガスマニホール
ド24,そしてノズル穴32が含まれており，気体はノズル3
2とマニホールド24を通って，第１図に示されている弁
の外部にある気体源または気体だめへ通じる事ができる
ようにされている。第１図で，薄膜18が実線により表さ
れている位置にある時は，弁が開放されていることを示
す．薄膜18が破線により表されている位置にある時は，
弁が完全に閉じていることを示す。

薄膜室10内の液体と気体の温度と，その液体と気体の
圧力の関係は，下に示す式（１）により概算的に求めら
れる。この式はキッテル（Kittel）とクレーマー（Kloe
mer）による「Thermal Physics」の282ページに定義し
てある（これは，分解が無視されるほとんどの液体−気
体システムに対する良い概算法である理想的な２相シス
テムを仮定している）。

式（１）Ｐ（Ｔ）＝P_Oexp（−L_O/RT） ここで Ｐは薄膜室内の圧力， P_Oは定数， L_Oは薄膜10に封じこまれた物質の蒸発潜熱， Ｒは気体定数， Ｔはケルビン温度。

薄膜18の撓みはティモスレンコ（Timoslenko） 他の「Theory of Plates and Shells」の式（２）よ
り求められる。

Ｅは薄膜物質の弾性係数， Ｖはポアソン数， Ａは第１図に示されている薄膜の幅の半分の長さ， Ｑは薄膜両側の圧力差， Ｗは薄膜の撓み， WMAXは薄膜の最大撓み， ｈは薄膜の厚さ。

式（２）より明らかなように，薄膜の厚さｈと薄膜の
幅Ａと薄膜の弾性係数Ｅはいずれも複雑に関係してい
る。使用者は薄膜の厚さおよび幅のためのパラメーター
を設定し，さらに，適当なシーリングを引き起こすため
に必要な最大の撓みが薄膜室内で期待される温度および
圧力のもとで得られるように弾性係数のある材料を選ぶ
べきである。さらに，シーリング面26の最大の負方向の
Ｚ座標を有する薄膜18の表面との間の距離は，式（２）
で定義される最大撓みを超えるべきではない。

パイレックスウェハ22とシリコンウェハ12は，層36に
象徴されるように陽極結合されている。他の結合方法も
また使用され得る。どんな結合方法が使われていようと
も，その結合は弁が操作される環境に適合していなけれ
ばならず，そして薄膜室10に封じこまれた気体または流
体により期待される最高値の圧力のもとでウェハ22をウ
ェハ12へ固定するだけに充分な結合力を持っていなけれ
ばならない。またその結合は室に対し密封状態を与える
ものでなければならない。

次に変換器の実施例について説明する。

第１図の構成が感知機として使用されている（いずれ
かの加熱器の態様を有する）実施例では，温度はポート
34,穴32,流体の流れるマニホールド24およびそこに連結
されている出入口を含む流体の流れるチャネルを通る流
体の流量を感知することが感知できる。上述の式によっ
て温度を薄膜室の可撓性の壁の撓みと直接的に関係づけ
てもよい。この撓みは流体の流れるチャネルの断面積を
調節しており，従って流体の流量により封じこまれた物
質の温度を示すものである。もし周囲からの熱伝導が加
熱手段として使われるならば，流体の流量は周囲温度に
変換されるであろう。

この発明に従い，製造される他の構成をした感知器
は，ウェハ30のシーリング面26の代わりにコンデンサプ
レートが使われることを除けば第１図の構成と似てい
る。すなわち,Z座標の最大の負値をもつ可撓性の壁18の
表面は，例えば化学蒸着のような既知の方法で，金属か
または他の導体によりコーティングされる。そして，使
用者がアクセス可能な接続点を設けるために導体がフォ
トリソグラフィ法によりエッチングされる。そこでウェ
ハNo.2は，異なる処理を受けてノズル口32とノズル出入
口34は作られない。その代わりにウェハ12と30が結合さ
れている時に隔壁18と隣接するようにまたは「下方に」
位置するようにウェハ30の表面に凹所または穴が形成さ
れる。「床」すなわち薄膜18に平行な凹所の表面は，金
属または他の導体で既知の方法によりコーティグされ
る。そして，使用者がアクセス可能な接続点を設けるた
めにその金属とまたは他の導体と連結している導体がエ
ッチングされる。そして，ウェハ12と30は，薄膜18の金
属部の下部と凹所の金属面とが構成される平行プレート
の真空誘電コンデンサを形成するように真空状態のもと
で密閉結合される。その後，液体または他の物質がここ
で述べられているいずれかの方法により，薄膜室10の中
にカプセル化される。カプセル化された物質の温度の変
化は，薄膜18の屈曲に変換され,2個の導体プレートの間
隔を変化させる。これらの間隔の変化は，これらの２個
の金属プレートに接続されている端子に平行プレートコ
ンデンサのコンデンサ容量の変化として反映される。こ
のように，温度は減少されるであろう。

次にアルミニウム金属を用いたシリコンウェハどうし
の結合工程について説明する。

シリコンウェハ12はシリコンウェハ30へ，アルミニウ
ムとアルミニウム原子移動障壁を用いた新しい方法によ
り結合されている。この処理の第１段階は，ウェハ30へ
結合するために，ウェハ12の表面上に二酸化シリコン層
38を形成することである。この二酸化シリコン層38は，
アルミニウム原子移動障壁の働きをする。例えばタング
ステンのように，この処理の残りの部分，および操作環
境に適合しており，アルミニウム原子移動障壁の働きを
する物質であればいずれも，この二酸化シリコン層の代
用になるであろう。原子移動障壁が形成された後，アル
ミニウム層40が原子移動障壁の上に付着される。そし
て,2つのウェハ12と30は固着され，高温にされる。ウェ
ハ12と30のシリコンはアルミニウムに対し非常に強い親
和力をもち，そちらの方へ原子移動する傾向がある。し
かしながら，原子移動障壁38はアルミニウムがウェハ12
へ拡散するのを妨げる。ウェハ30に向かいあったアルミ
ニウム層40の表面に自然にできる酸化アルミニウム（ア
ルミニウム層40の表面は最も負のＺ座標をもつ）もまた
アルミニウム原子移動障壁である。しかし，層40内にア
ルミニウムがウェハ30へ拡散するのを妨げるのに足る障
壁ではない。それにより結合が形成される。

他の金属，例えば金は，結合を形成するために高温下
でシリコンへ拡散するためのシリコンに対する充分な親
和力がある限り，層40のアルミニウムの代用となるであ
ろう。もし，このような特性をもった貴金属であれば，
それらを使用することが好ましい。貴金属は酸化しない
し，層40内の金属のウェハ30への拡散の障害がないであ
ろうからである。他の金属も，酸化物による障壁よりも
シリコンに対する親和力が大きければ，たとえそれらの
金属が酸化物を形成するとしても同じように作用するこ
とができる。

他のウェハの結合方法もまた使用可能である。エポキ
シ，ポリイミド，ガラスフリット，熱により成長した酸
化物および他の共融合金がこれに相当する。

ウェハ30内に形成された楔42はウェハ12内に形成され
た溝44と対になっており，ウェハ12と30の結合処理時の
相対的な位置を示している。

第２図から第４図は，マニホールド24とノズル32に結
合されるポートの他の配置例を示す。第２図は,Z軸に平
行なダイの表面へ貫通している入力と出力の両方のポー
トの様子を示したものである。典型的な３インチのウェ
ハには約100個の弁を動作することができ，そしてそれ
ぞれの弁は第２図から第４図に示されるようなポートを
必要とする。いずれか一方のポートは入力ポートとして
使われ，他方の出力ポートとして使われる。またこの逆
にも使用できる。いくつかの実施例では，ポート47のよ
うな３つ目の通気ポートが使われることもある。

第３図Ａは他の出入口の配置方法を示すもので，もう
１つのポート48がダイ30の端のＹ軸に平行な平面に形成
される一方で，ポート46がＺ軸に平行なダイの表面にあ
ることを示す。３つ目のポート47もまた第３図Ａの実施
例に設けられているが，他のポート構成の実施例にも使
用できる。通気構造の実施例の目的は，弁が閉状態にあ
る時に，マニホールド室24へ新鮮なガスを送り込むこと
である。可撓性薄膜，他の２つのポートおよびシーリン
グ面と通気ポートとの間の関係は第３図Ｂに示されてい
る。ここでも,1つの弁についてのポート構成のみが示さ
れている。当業者であれば同一ウェハ上に多数の弁を収
容するためになされたこのポート構成を評価するであろ
う。この後者の表面はダイの厚さを示す１個の寸法（Ｚ
軸にそっている）をもつ。

第４図はもう１つのポート配置を示したもので，入力
および出力ポート46と48は両方共ダイの端にあるダイ30
のＹ軸に平行な表面に位置する。

次に、電気流体弁の製造工程について説明する。

第５図では，薄膜室を形成するための異方性エッチン
グが行われている第１図で示された弁の製造工程の初期
段階が示されている。この実施例では，［100］方向の
シリコンウェハが選ばれている。他の型の物質も化学的
にエッチングが可能で充分な熱伝導が得られるものであ
れば使用可能である。しかしながら，シリコンの使用が
好ましいそれは，シリコンの化学処理の工程がよく理解
されており，他の電子回路が標準の平面フォトリソグラ
フィ法により同一のウェハ上に集積され得るからであ
る。この他の電子回路はインターフェイス回路として用
いることができる。それは，電気流体弁と，その弁の開
閉の制御を行う電子制御信号を供給する制御ロジックと
の接続に必要なものである。さらに，集積化圧力調節器
を作るように集積流れ制御弁の制御回路と同一のダイ上
に圧力センサを集積してもよい。

薄膜室10のエッチングの準備として二酸化シリコン層
52が，熱的酸化のような通常の方法で形成される。酸化
物52はエッチングマスクとして用いられるため，薄膜室
10の位置とサイズを決定する開口がフオトリソクラフィ
法によりかたちどられる。この好ましい実施例では，異
方性エッチングが使用されており，その異方性エッチン
グは［111］方向面を顕著にエッチングしないため，こ
のホールの寸法Ｂは，薄膜室の正確な容積を決定する。
酸化物層54は層52のと同時に形成される。

この２つの層が形成された後，ウェハ12は酸化物52に
よりマスクされたシリコンを取り除くため，異方性エッ
チングを受ける。このエッチングの目的は，薄膜室10の
薄膜18を形成するためのものであるため，薄膜に対する
所望の厚さｈに達した時点でエッチングが終了するよう
に制御されなければならない。このことは，エッチング
の時間を適正に制御し，厚さの判っているウェハ12を用
い,Z軸方向への既知のエッチング速度のエッチングを使
用することで行なえる。エッチングを制御する他の方法
としては,P＊ドープ埋込層を使うことが挙げられる。こ
れは，ウェハ12の表面56への１立方cm当り最小1019個の
原子の投入量と任意のエネルギーレベルのもとで,p＋不
純物を打ち込むことで達せられる。この打込は，もし酸
化物層54が充分に薄ければ，酸化物層54が形成される前
かまたは後のいずれかで行なえる。打込の後，面56上の
酸化物ははぎとられ，エピタキシャルシリコン層が面56
の上で,Z軸の負方向に成長する。このエピタキシャルシ
リコンの成長率と成長時間は薄膜18の所望の厚さを得る
ために制御される。そこでＰ＋の打込は，エッチングを
終了させるために用いられる。例えば，エッチングかＰ
＋ドープ領域へ達した時，エッチング率は遅くなりそし
て止まる。これは，薄膜18の厚さｈの制御を確実なもの
にする。

第６図では，薄膜室10を形成するための異方性エッチ
ング工程の後のウェハ12の断面が示されている。ここ
で，壁14と16はＸ軸に対して54.7゜の角度をもってい
る。壁14と16はそれぞれウェハ12の［111］面を規定す
る。この特徴は,X−Ｙ面での弁の高密度パッキングに役
立つ。それは，壁14と16の正確な位置が知られており，
酸化物層52の開口の位置とサイズにより定義されている
からである。

第７図は，アルミニウム層56が酸化物層54上に付着
し，フォトリソグラフィ法によりパターン化された後の
断面を示すものである。アルミニウム56は，結合材とし
て酸化物層54の上におかれている。酸化物層54は，シリ
コンのアルミニウムに対する親和力のために起こるアル
ミニウムのシリコンウェハ12への原子移動を妨げる原子
移動障壁として作用する。アルミニウム層56と酸化物層
54は,58と60で示された部分でエッチング除去される。5
8の穴は，薄膜18の下部を露出させる。一方，穴60は，
ウェハ30上に形成される突起部と一致させるための溝の
役目をはたす。これは後述されているように，結合過程
での２つのウェハを適正に整列させるためと，結合準備
中の２つのウェハの整合を確実にする目的がある。薄膜
のエッチングが，薄膜18の厚さを減少させるためにこの
時点で行われてもよい。この工程は，アルミニウム層56
と酸化物層54をエッチングマスクとして用い，異方性プ
ラズマエッチングにより行うことができる。薄膜18を薄
くした結果は，第７図の破線59で示されている。

工程のこの時点では，ウェハ30に対するマニホールド
室，ノズルそして各ポートの化学的加工を開始する。こ
れは薄膜室の化学的加工が実質的に終わっているからで
ある。第８図では,2個の二酸化シリコン層62と64が形成
された後のウェハ30の断面図が示されている。ウェハ30
もまた［100］方向をもったシリコンが好ましいが，化
学的にエッチングができ，標準的なフォトリソグラフィ
法により処理できる他の物質も使用できる。ウェハ12の
場合でも，二酸化シリコン以外の他のエッチングマスク
物質も層62と64として使用され得る。しかしこれは，こ
れらの物質がフォトリソグラフィ的に規定されるエッチ
ングマスクとして作用する能力があり，でなければこの
工程に適合するものでなければならない。窒化シリコン
または金の下のクロムがこれらの物質の例としてあげら
れる。

エッチングマスク64には，穴65があり，この穴はエッ
チングの後，ノズルと流体的に結ばれたポートになる正
確な位置とサイズを提供する。

第９図は，穴65により露出されたウェハの部分からシ
リコンを取り除くための異方性エッチングが行われた後
のウェハ30の断面図を示す。このエッチングはポート室
68を形成し，この室は後にマニホールド室へのノズル
（両者共，この時点では形成されていない）とウェハ30
の表面との間に流体の連絡通路を供給する。このポート
のサイズは，意図した流速に基づき，設計者により設定
される。

第10図は酸化物層62がシーリングリングと楔を定義す
るためのエッチングマスクの形にフォトリソグラフィ法
によりエッチングされた後のウェハ30の断面を示す。薄
膜18がノズル口に向かって撓み，接触するノズル口のま
わりにシーリングリングを設けることは，充分なシーリ
ングを弁にもたせる上で必要なことである。したがっ
て，エッチングマスク層62は，ノズル口を形成するため
にエッチングされる表面68の部分の周囲に酸化物または
他のエッチングマスク物質の円形リング66を残すために
フォトリソグラフィ的に規定される。第10図が断面図の
ため，このリング66は２つの酸化物のブロックのように
見えるが，実際には，ノズル口がエッチングされるリン
グの中央にある表面の小さな部分を露出しているリング
である。

酸化物ブロック72は，ウェハ12の凹所60（第７図）と
正しく一致させる目的の楔のためのエッチングマスクで
ある。

第11図は，面68のレベルをさげ，シーリングリングの
エッチングマスク66と楔のエッチングマスク72の下のシ
リコンの隆起を定義するためのエッチングが行われた後
のウェハ30の断面図である。いくつかの実施例では，シ
ーリングリングのエッチングマスク66と楔のエッチング
マスク72は，そのままにされているため，シリコンの隆
起は形成される必要がない。これらの実施例では酸化物
面70は，シーリングリングの働きをし，そして第11図の
エッチング工程は必要ない。好ましい実施例では，シー
リングリングのエッチングマスク66は，シーリングリン
グとしてその下にシリコン隆起を残すため取り除かれ
る。

第12図は付加酸化物層が形成されパターン化され，酸
化物74,76そして78が残された後のウェハ30の断面図で
ある。これらの酸化部分は，マニホールド室を定義する
ためのエッチングのエッチングマスクとして用いられ
る。このエッチングは第12図で進行中の異方性プラズマ
エッチングとして示されている。第13図はマニホールド
室24を形成するための異方性エッチングの後のウェハ30
を示している。ここで，マニホールド室24を形成する同
じエッチング工程でノズル口32もまた形成されることに
注意されたい。このエッチング工程の後，酸化物部分6
6,72,74,76,78は，ウェハ30をウェハ12へ結合させる準
備として取り除かれる。

いくつかの実施例では，横方向のエッチングがシーリ
ングリングの幅に悪影響を及ぼさないかぎり，異方性エ
ッチングが使用される。マニホールド室24へのもう１つ
のポートは，ウェハの側面に通じる出口を有するシーリ
ングリングを囲んでいる酸化物面として酸化物部分74と
76を形成することにより形成される。これは，マニホー
ルド室を形成したエッチングが前記の室を形成した時，
ポートを形成することになる。それは，ウェハの表面に
ある「溝」がマニホールド室の深さに形成されるからで
ある。この溝は，第３図または第４図のいずれかの方法
で出入口が形成されれば，ウェハの側面への通路を形成
することになる。

第14図の結合工程が終了した後，薄膜室は弁の製造を
終了するために，充填され封じられる。これは先ず，第
１図に示されるようにパイレックスウェハの表面に加熱
素子を形成し，そして薄膜室内に封じられるべき物質が
その中におさめられた後パイレックスウェハとウェハ12
を結合することにより実現される。パイレックスウェハ
22の表面上に加熱素子20を形成させる方法はパイレック
スウェハの表面上に付着しているスパッタされたままは
メッキされたアルミニウムのフィルムを通常のフォトリ
ソグラフィ法でエッチングすることにより達成できる。
他の金属も抵抗素子として使用可能である。例えば，メ
タン／タングステン，銅，チタン／タングステンのサン
ドイッチ状態が使用される。アルミニウムはほとんどの
充填法に適合する。もし，薄膜室の内容物を加熱または
冷却する他の方法が使われる場合には，パイレックスウ
ェハの表面上に加熱素子を形成する工程は省略可能であ
る。

薄膜室10に物質を封じこめるには少なくとも２つの方
法がある。最良の封じこめ法は，パイレックスウェハ22
とウェハ12の結合時に封じこまれるべき液体または気体
をカプセル化する方法である。これは，気体を使う場
合，その気体の中でパイレックスウェハ22とウェハ12を
結合することにより行なえる。殆どの液体の場合は，圧
力容器の中で結合を行うべきである。液体を使用する場
合，既知の液体量が薄膜室へ配置され，パイレックスウ
ェハ22がウェハ12の一番上に位置され，そこに結合され
る。結合工程は，ここで述べられている工程と物質，そ
して操作環境に適合していればどのようなものでも良
い。１つの使える方法として陽極結合がある。他の方法
はウェハ12の表面の一番上にポリイミドの層を形成し，
そしてウェハ12とパイレックスウェハ22を結合状態にお
くことである。その後，熱処理を行ってポリイミド液を
プラスチックに変換してその２つのウェハを結合する。

ウェハ30とウェハ12の結合は，「シリコンウェハとシ
リコンウェハの結合工程」で，説明した方法により行わ
れる。基本的には，シーリングリング28が薄膜18の中心
の下部にあるように２つのウェハは整列され，この組合
せはアルミニウムをウェハ30へ拡散させるために熱処理
される。しかし，ウェハ12に拡散させるためではない。
それは，原子移動障壁が酸化層54により形成されている
ためである。そこで弁の構造は，ウェハ30上に信号処理
回路を形成する必要がなければ，完成したことになる。

以上の製造工程によると、空洞を密封する前に凹部を
洗浄および研磨できる。第１の基板に凹部をエッチング
することによって空洞を形成する工程と、その後にもう
１つの基板を第１の基板に接合して空洞を密封する工程
が、空洞の密封の前に凹部を洗浄および研磨することを
可能とする。

また、ダイヤフラムの半導体を圧電材料でドーピング
し、次に、ダイヤフラムが撓むにつれて圧電効果によっ
て生じるダイヤフラムの横断電位差の変化を読み取るこ
とができる接点をダイヤフラムの縁に追加することによ
って、位置センサをダイヤフラム内に組み込むことがで
きる。

次に、ポリイミド薄膜を用いた実施例について説明す
る（請求項７）。

第15図は，ポリイミド薄膜と２つのパイレックスウェ
ハおよびシリコンウェハを用いた実施例を示している。
第１のパイレックスウェハ80は，抵抗素子82の基板とし
て，そして薄膜室84の封じこめ部材とした働く。薄膜室
84は，ポリイミドの壁86と88,シーリングウェハ80とポ
リイミド薄膜90により規定される。入力ポート92は，パ
イレックスウェハ80と第２のパイレックスウェハ94との
間に形成される。この入力ポートは，流体チャネル96と
流体的に連絡している。ウェハ94の表面に形成され，流
体チャネル96の横断域に位置しているシーリングブロッ
ク98は，薄膜室４内の圧力上昇によりＺ軸の負方向に薄
膜90が撓んだ時に，その薄膜90がシーリングブロック98
の上に乗り，シーリング面としての役割りを果たす。流
体チャネル96は，出力ポート100と流体連絡をとるため
に，シーリングブロックの通過を続ける。平面図（不図
示）的にみると，ウェハ80は94はどんな形状でもよく，
流体通路96と入力ポートと出力ポートは，サンドイッチ
状態になったウェハの間を通る通路を形成してるい。ウ
ェハ80と94の物理的な分離はシリコンウェハ102により
行われている。このウェハは２つの平行した面をもって
おり,1つはウェハ80に結合しており，他方はウェハ94に
結合している。流体通路96と入力ポートと出力ポートは
ウェハ102の一部を貫通して形成されている。

第15図の弁の製作工程は以下に記すとおりである。第
16図には，初期の３段階の処理が行われた後のシリコン
ウェハ102の断面図が示されている。ウェハ102の両面は
みがかれているべきである。第一段階は，シリコンウェ
ハ102上の二酸化シリコンの5000オングストロームの層1
04の熱成長である。次に,900オングストロームの厚さの
窒化シリコン（図示せず）が700℃において減圧化学的
蒸着法を用いて酸化層104の上に蒸着させられる。ウェ
ハ102の両側上の酸化層104をＡ面,B面とする。第16図に
示されているＡ面上の酸化物を残すようにマスクして,A
面は正のフォトレジストとフォトリソグラフィ法および
ドライまたはウェットのいずれかのエッチングを用い
て，パターン化されエッチングされる。Ａ面の酸化／窒
化エッチングマスクのパターンは，薄膜室，入力ポート
と出力ポートそして薄膜を定義する。

第17図では，パターン化されたＡ面ま酸化／窒化部を
エッチングマスクとしてエッチングした後のシリコンウ
ェハ102の断面図が示されている。このエッチングの目
的は，室の部分を形成し，薄膜の位置を決定し，入力お
よび出力の毛管96の高さを決定することである。室106
はエッチャントとしてKOHを用いて340μｍの深さにエッ
チングする。入力および出力の毛管あるいは流体チャネ
ル96の所望の高さによっては，異なった深さになっても
よい。窒化物は，エッチングの後ウェハ102の両側面か
らはぎとられる。

第18図は,B面上に整合マークが形成された後のシリコ
ンウェハ102の断面図が示されている。Ｂ面上の整合マ
ーク108と110は，負のフォトレジストと第２のマスクを
用いてＢ面の酸化物の中にエッチングされる。この工程
は赤外線整合システムにより行われる必要がある。その
後,B面上の酸化物ウェハ102よりはぎとられる。

第19図は，金属層112が表面に付着された後のウェハ1
02の断面図を示す。この金属層112の目的は，スペーサ
ーの役割を果たし，そしてポリイミド（図示せず）が形
成され処理されている間，それを支える役目をする。こ
のアルミニウムのスペーサーは，後に薄膜をシリコンよ
り解放するために溶解させられる。好ましい実施例で
は，このアルミニウム層112は５μｍの厚さである。

次の段階では,10μｍの厚さのポリイミド層をつくる
ことである。この工程は第20図に示されている。ポリイ
ミド層114はもし必要であればくり返しつくられ，そし
てウェハのＡ面上だけにつくられる。ポリイミドは，多
重コーティングを使用するのであれば90℃で１時間，コ
ーティング間で焼かれる。10μｍのポリイミドが形成さ
れた後，ポリイミドフィルムが130℃で２時間半焼かれ
ている時に部分的なキュア処理がなされる。

第21図に示されている様に，部分キュアが済んだ後，
負のフォトレジスト層116が付着され,90℃で焼かれそし
て第３のマスクを通して露光され，第21図の116で示さ
れるパターンが現像される。フォトレジストが現象され
た後，強化のために120℃で焼かれ．。

第22図は，ポリイミドがエッチングされた後の次の工
程を示している。116に示される様にフォトレジストが
現像された後，ポリイミドフィルム114はＡ面上のフォ
トレジストエッチングマスク116の下の部分を除いて，
全ての点がエッチング除去される。このエッチングは日
立より市販されているエッチャントIIIにより,35℃で15
分から30分の間で行われる。その後，焼き工程が行わ
れ，ポリイミドフィルム114の新しく露出された部分の
部分的なキュア処理がなされる。この焼き工程は220℃
で１時間行うことにより達成される。

次に，露出したアルミニウムフィルム112を，公知の
アルミニウムエッチャントＩ（KTL Part No.70−03）ま
たは他の標準的なアルミニウムエッチャントではぎと
る。そして，負のフォトレジストを標準のJ100溶液では
ぎとり，ウェハをTCEで洗浄し，アセトンで洗浄した
後，最後にメタノールで洗浄する。第22図にこの状態が
示されている。最後に，ポリイミドフィルム114が350℃
で１時間キュア処理される。

第23図は，初めの２段階の工程が終了した後の第１の
パイレックスウェハの断面図を示す。最初の工程は，ア
ルミニウム，クロム／金またはチタン／タングステン−
銀−チタン／タングステンまたは他の抵抗素子82を形成
できる導体フィルムの層を付着させることである。好ま
しい実施例では，フィルム0.3μｍの厚さである。

その後，抵抗素子82は，第４のマスクと正のフォトレ
ジストおよびアルミニウムエッチングによりらせん状の
パターン状態に形成される。最後にレーザを用いて，抵
抗パターンの中心部にパイレックスウェハ80をつらぬい
て穴をあける。この穴は，第24図の118によって示され
ている。カプセル化される物質がここで述べられている
カプセル化方法により室84に置かれた後，充填穴は密封
される。このカプセル化される物質は，温度変化と共に
変化する蒸気圧をもった物質であれば，何でもよい。こ
の封止は117で示されており，エポキシ，高性能接着
剤，溶けたパイレックス，金属（パイレックスウェハ80
の側面が金属化され，プラグ117が金属化された面に電
気メッキされ得る），またはその穴の上でウェハ80の上
に結合されているもう１つのウェハである。

装置の組み立て工程として，パイレックスウェハ80と
シリコンウェハ102の陽極結合（anodically bonding）
から始められる。結合構成は第25図に示してある。結合
は，抵抗素子82は薄膜室84の中に整列された後に行われ
る。これは，ポリイミド薄膜90を室の内部にとじこめる
ことになる。

第26図は，ウェハ102のＢ面がエッチングされた後の
サンドイッチ構造を示す。これを果たすために，得られ
たサンドイッチ構造の第５のマスクと，シリコンウェハ
102をアルミニウム層112までエッチング除去する準備の
ための負のフォトレジストによりパターン化される。第
５のマスクを用いて現像された写真抵抗の層は122で示
されており，可撓性の壁90の中央に位置している。この
エッチング工程は，プラズマエッチングまたはウェツト
KOHまたはHNAエッチャントにより行うことができる。プ
ラズマエッチングが好ましい。エッチングの結果は，シ
リコン98,酸化物104がフォトレジスト122の積層構造で
ある。このサンドイッチ構造はシリコンウェハ102の幅
にわたって広がっているが，アルミニウム層112と可撓
性壁90はウェハ102の一部分までにしか広がっていな
い。これはアルミニウム層112が後にエッチング除去さ
れた後，シリコンウェハ102がシリコン98を支持するこ
とを可能せしめる。

第25図は，アルミニウム層112の一部がエッチング除
去された後のサンドイッチ構造を示したものである。第
27図に示される工程に達するために，酸化物層122は6:1
HFの希釈溶液によりはぎとられる。このはぎとり工程は
また，ウェハ80の一部もはぎとる。よって，もし必要で
あればこのウェハもまたフオトレジストにより保護され
る。このはぎとり工程はアルミニウム層112の一部もは
ぎとるが，もしHFが適度に十分にアルミニウムをはぎと
るものでなければ，この目的のためには別の工程が行わ
れる。

シリコンブロック98と可撓性の壁90との間に通路を形
成するため，可撓性の壁90とシリコンブロック98との間
に横たわるアルミニウム層112の部分をとり去る必要が
ある。この通路の横断面積は薄膜90の撓みにより制御さ
れる。薄膜90の下のアルミニウムの除去もまた,Z軸負方
向の撓みを自由にさせることができる。このアルミニウ
ムのエッチングは，ポリイミド上のアルミニウムだけを
とりさる標準的なアルミニウムエッチャントか，あるい
はHC1:HNO3:H2Oを50℃で10:1:9の割合にした混合物によ
り達成できる。後者の混合物は１分間に25から50μｍの
割合でエッチングする。もし後者の混合物を使用する場
合は，エッチングし過ぎないように注意が必要である。
この結果は第27図に示されている。

最後に，もう１度第15図に戻って，第２パイレックス
ウェハ94はシリコンブロック98の表面126を介してシリ
コンウェハ102に陽極的に結合されている。第28A図と第
28B図は，第15図に示された最終的なダイの構造の縮小
された平面図を示す。これはチャネルの横方向の広がり
に対して異なった薄膜のサイズを示したものである。こ
れらの図はウェハ上のたった１つの弁を示すものである
が，当業者であれば，単一の３インチのウェハ上に約10
0個の弁を形成することができることを理解するであろ
う．ここで，シリコンブロック98がどのようにチャネル
壁136と134の一方の側から他方の130,132の方へ延伸し
ているかを注意すること。薄膜90とシリコンブロック98
の間の通路は，薄膜室84の下部にのみ存在する。ここ
で，第28A図は，薄膜がＹ軸方向においてブロック98よ
りも狭くなっていることを示し，他方第28B図は，薄膜
がブロック98より広くなっていることを示す．シリコン
ブロック98とチャネル96の壁とにそった他の点で，シリ
コンウェハ102は連続的にブロック98の表面126の全方向
に向かって延伸されており，第２のパイレックスウェハ
94を適当に機械的に支持することができる。第27図の断
面は第28A図，第28B図の線27−27′に沿うものである。

もう１度第15図に戻り，第２のパイレックスウェハ94
が結合された後，薄膜室84は，そこを充填するために用
いられる物質の沸騰溶液中にサンドイッチ構造を浸すこ
とにより充填される。そこでレーザによりあけられた穴
18を，高性能接着剤あるいは他の適合可能な接着剤によ
り封じるか，または，ウェットな表面を得るためにパイ
レックスウェハ80のＡ面上に金属面をメッキするか，ス
パッタした後，はんだにより穴自身をとかして閉じてし
まう。穴118を封じるもう１つの方法は，パイレックス
ウェハ80に他のシリコンかあるいはパイレックスウェハ
を結合させることである。適当な接着剤あるいはポリイ
ミドの使用が，結合と封じこめを行うのに可能である。

ここで，ウェハのダイシングと線の接続が可能な状態
になる。抵抗素子82への線は，もしアルミニウムの接続
パッドが使用されていれば，導電性エポキシにより接続
される。もし，クロム／金またはチタン／タングステン
−銅の接続パッドであれば，はんだを用いる（請求項1
2）。

次に、ポリイミド薄膜を用いた第２の実施例について
説明する。

第29図から第39図においては，工程中の異なる段階で
の種々のウェハの一連の断面図により第２のポリイミド
薄膜の実施例の工程が示されている。最初の２段階は第
29図に示されている。まず最初に，二酸化シリコン層
が，シリコンウェハ164のみがかれた面A,Bの上に成長す
る。これらの層は160と162により表されている。そし
て，第29図にみられるように，酸化層160はＡ面上にエ
ッチングマスクをパターン化させる。

次に第30図では，酸化物160をエッチングマスクとし
てウェハ164のＡ面に凹所166がエッチングされている。
凹所166のfX軸方向の幅は任意である。そしてＺ軸方向
の深さは20から100μｍの間である。深さは重大ではな
い。Ａ面は第31図でみられるように，酸化物によりもう
１度おおわれる。そして，第32図で示されるように，凹
所域に中心に形成される酸化物打込マスクによりもう１
度パターン化され，その両側のシリコンを露出する。そ
の後，露出シリコンは導電領域170を形成するために拡
散により打込またはドープされる。他の酸化シリコン層
172が，第33図のようにＡ面上に成長または付着され，
第34図のようにパターン化される。パターン化の後に残
った酸化層は172として示されている。酸化層172は，後
に形成されるポリイミド層の下方でスペーサの役目を果
たす。他の実施例では，スペーサ172はフォトレジスト
である。

次に，第34図に示される様にＢ面上に酸化物がパター
ン化される。これは整合マーク174と176をＢ面に写し，
酸化層162内に，流体制御チャネルのためにエッチング
されるノズル口を通す開口178を形成するために行われ
る。

アルミニウムあるいはニッケルの層180が，第35図の
ように,1.5μｍの厚さで付着され，パターン化される。
これは，拡散抵抗170とウェハ164の端にある接続パッド
を電気的に接続する導体を形成するためである。導体18
0が形成された後，第36図の182で示されるように，ポリ
イミド層が付着され，位置とサイズが定義される。ポリ
イミドがパターン化された後,350℃までの温度の上昇を
含む加熱工程により４時間のキュア処理が行われる。も
しスペーサ172がフォトレジスドであれば，窒素あるい
はアルゴンのような不活性の雰囲気でキュア処理される
べきである。これは，ポリイミド薄膜を破壊するスペー
サの酸化と蒸発を防止するためである。

次の段階は，パイレックスウェハ184にある決まった
パターンをエッチングすることである。このウェハ184
とエッチング後の最終形状を第37図に示す。エッチング
マスク（図示せず）は薄膜室186の位置と，その室を充
填するためのポート（図示せず）の位置と，接続パッド
上の開口188の位置とを定義する。このエッチングは,6:
1の緩衝酸化エッチャントを用いて，あるいは直接HF
（ふっ化水素酸）プラズマエッチング方，あるいは他の
適したエッチング法で行う。室は40μｍの深さにエッチ
ングされる。

パイレックスウェハ184はエッチングの後，第37図に
示されるようにシリコンウェハ164と整列し，陽極的に
シリコンウェハに結合される。陽極結合工程は，薄膜室
186の周囲の188と190で密封状態を形成し，そしてウェ
ハ184と164をサンドイッチ状態にし，パイレックス／シ
リコンの接合の両側に500Vの電位差を約300℃の高温度
で加えることにより行われる。薄膜室186に封じこまれ
る流体または気体はこの陽極結合工程の間に封じこめる
ことができる。他の実施例では，薄膜室186は充填穴に
通して充填され，充填穴はその後，接着剤，はんだ，あ
るいは充填穴に平なプレートで密閉結合することにより
封じられる。

陽極結合の後，第38図で示されているように,B面の酸
化物162の中の開口178は，ノズルチャネル194を形成す
る際のエッチング段階でエッチングマスクとして用い
る。このエッチング工程は,KOHまたはEDPまたは他の公
知の液体で異方性エッチング法により行う。

最後に，スペーサ酸化物172は6:1の緩衝酸化エッチャ
ント，あるいは直接HF法，あるいは他の適当なエッチャ
ント，ウェハを浸すことによりエッチング除去される。
このエッチャントはノズルチャネル194を介して作用し
スペーサ酸化物をとり去る。それにより，ポリイミド薄
膜182がＺ軸の正方向，負方向のいずれかの方向へ自由
に撓むことができるようになる。超音波浴がエッチング
作用を助けることができる。また，アルミニウムやスペ
ーサの物質の周囲にあるポリイミドやシリコンを浸すこ
となくスペーサを選択的に除去することができる異なっ
たエッチャントが使える他の金属等も，スペーサ172の
物質として使用することができる。

第39図に，弁の最終的な形状を示す。第39図に示され
ている実施例の利点は，薄膜182の面200とシリコンウェ
ハ164の面202との間に広くなった流体の流出入チャネル
である。この流体流出入チャネルは，ノズルチャネル19
4へ過大な圧力をかけることにより，もっと広くするこ
とができる。これにより薄膜200をＺ軸の正方向に撓ま
せることができ，流出入チャネルの横断面積を増加さ
せ，その流入容積を増やすことができる。ポリイミド薄
膜はこわれにくく，シリコンを越えて撓んでも破壊され
ない。他のフィルムも、要求される装置の寿命にみあっ
た蒸発障壁を作ることができるのであれば，使用可能で
ある。いくつかの実施例では，密封度を高めるため，コ
ーティングされたポリイミド薄膜が使われている。ポリ
イミドの２つの等しい層の間にはさまれた金はこの目的
に適している。薄膜の疲労要素も装置の要求される寿命
に対応して考えられなければならない。すなわち，薄膜
は多い（あるいは少ない）回数の屈曲サイクルの後簡単
に破壊してはならない。

次にポリイミド薄膜を用いたさらに他の実施例につい
て説明する。

第40図から第48図は，波状薄膜，すなわちその中に段
がついた薄膜をもったもう１つのポリイミド薄膜の実施
例を作製するための各工程を示したものである。この型
をした構造の利点は，薄膜自体を伸展させることなく，
薄膜に広範囲の撓み性を持たせることができることにあ
る。すなわち，この撓みは薄膜の物質自体を屈曲させる
ことによりはむしろ，アコーディオンのふいごのような
開く動作を意味する（請求項８）。このように，広範囲
の直線性が得られ、弾性限度に達する以前に大きな撓み
を発生させられる。

この実施例を実現させるために，シリコンウェハ210
はＡ面,B面上で成長した二酸化シリコンフィルムをも
つ。Ａ面上のフィルムは第40図のようにパターン化さ
れ，溝212がウェハ210にエッチングされ，第41図に示さ
れているように，その周囲は酸化エッチングマスク241
で定義されている。そして窒化物層216は第42図で示さ
れているように，付着され，パターン化される。そして
もう１つのエッチングが溝218を形成させるために行わ
れる。これは第43図にみられるように２段の溝を形成す
る。

その後，新しく露出したシリコンが，第44図のように
二酸化シリコン層220を形成させるために酸化される。
第45図にみられるように，ポリイミド層222が付着され
部分的にキュア処理される。さらに，フォトレジスト層
224がポリイミド層222をおおうために付着されパターン
化される。そして，ポリイミドIIIをエッチャントIIIを
エッチャントとして用い，またフォトレジストをマスク
としてパターン化する。そしてフォトレジストがとりの
ぞかれ，ポリイミドがキュア処理される。

次に第46図のように,B面の酸化物／窒化物のサンドイ
ッチ状態226がノズル流体流出入チャネルのためのエッ
チングマスクを形成するためにエッチングされる。第47
図のパイレックスウェハ228は，アルミニウム層かある
いは抵抗加熱器として適した他の金属によりおおわれ
る。そして，その金属層は，パイレックスウェハ228の
表面に沿いパイレックスウェハ228の端にある接続パッ
ドへ向かう導体を有する抵抗加熱器230としてパターン
化される。そして，パイレックスウェハ228は，第47図
のように，シリコンウェハ210と整列し，第47図の構造
を形成するために，そこへ陽極結合される。薄膜室へ封
じこまれる物質は，好ましい実施例では陽極結合の間に
封じこまれ，あるいは，下記に述べられる方法では，後
で封じこまれる。

最後に、酸化／窒化エッチングマスク226が抵抗加熱
素子のための接合パッド230通じるノズル流体流出入チ
ャネル234と通路236のエッチングを助けるために使用さ
れる。そして，酸化層220の選択エッチングがこの構造
を完成させるために，ノズル流体流出入チャネル234を
通して行われる。

次に他の封じこめ技術について説明する。

以下の封じこめ技術は，第15図から第27図で示された
工程と共に使用できるが，同じように他の実施例にも適
用できる。この方法は，シリコンとパイレックスの２つ
のウェハにより囲まれた室へ液体を封じこめるのに，最
も適している。基本的に，この方法では，液体を真空／
高圧技術により室へ強制的に注入し，電気メッキにより
室を閉じることを含んでいる。

この方法を使用するにあたり，第15図から第27図の工
程に次の変更を加える必要がある。第15図のパイレック
スウェハ80の工程で,0.7μｍのアルミニウムの付着の代
わりに,300オングストロームのチタン／タングステンを
付着し，その次に3000オングストロームの銅層を，その
次に300オングストロームの厚さのチタン／タングステ
ン層をつくる。そして第４のマスクと正のフォトレジス
トが,H20によるチタン／タングステンのパターン化のた
めに使用され，そして銅が塩化第二鉄あるいは希釈HNO3
をエッチャントとして用いて加熱素子82へパターン化さ
れる。そして，チタン／タングステン層がH202によりパ
ターン化される。それぞれの抵抗パターンの中心にレー
ザ穴をあける工程と，ここに述べられている方法がこの
段階の必要性を削除しているので，削除することができ
る。

密封形成のための，パイレックスウェハ80とシリコン
ウェハ102の陽極結合の工程は，導体242を横切ってパイ
レックスウェハ80とシリコンウェハ102とも陽極結合し
て第49図に示されている導体242と243の側面に沿って薄
膜室へ漏れ通路を残すことによって代えることができ
る。第49図では，抵抗素子82と２つの接続パッド240と2
41の平面図が示されている。第50図には，抵抗82から接
続パッド240へ通じる金属線を横切った断面図が示され
ている。ここでパイレックスウェハ80とシリコンウェハ
102の陽極結合の後，金属導体242の両側にできるすき間
244と246に注目されたい。これらのすき間は第15図の薄
膜室84の密封を妨げる。これは第15図を見るとよくわか
る。第51図には第49図の51−51′の分割線に沿った第15
図，第49図のサンドイッチ構造の断面図が示されてい
る。ここで，シリコンウェハ102の中にできる２つの室2
46と248に注目されたい。これらの室は第15図に示され
ていないが，薄膜室のエッチャントの際に同時に形成さ
れる。

第15図に示されている沸騰溶液にウェハを浸し，充填
穴118を封じる方法で薄膜室84を充填する工程は削除す
る。そのかわりに，ウェハに標準のウェハ鋸でＢ面側か
ら刻みをつける。これらの刻み目は，第52図の250と225
で示される。これらの刻み目は，抵抗素子82のための接
続パッドの位置でシリコンウェハ102中にあらかじめエ
ッチングされた室246と248を横切る位置にある。これは
接続パッドを露出することになるので，抵抗素子との電
気的接続が行なえる。

次に，サンドイッチ構造のウェハが真空室へ置かれ，
そしてその真空室はサンドイッチ構造内の室を真空にす
るため真空にされる。そして，室は漏れ通路を通って薄
膜室84を充填し始める要求された液体により充填され
る。漏れ通路の横断面積が小さいため充填速度は遅い。
充填速度を上げるために，好ましい実施例では室60p.s.
iまで圧力が上げられるが，他の実施例ではこの工程は
省略できる。そして，薄膜室84が完全に充填されるま
で，ウェハ構造は室の中に残る。そして，室は通気さ
れ，ウェハ構造もとり除かれる。

最後に，電気メッキセル内の接続パッドを陰極として
接続した後にウェハ構造を「ハイスロー（high thro
w）」の硫酸銅塩または他のメッキ溶液に浸して，接続
パッド254と256へ25μｍの銅層をメッキする。

メッキ溶液は，漏れ通路による流体流出入への抵抗が
高いため，薄膜室へもれることはない。いくつかの実施
例では，室内の液体は電気メッキ溶液とは混和しないよ
うにできるので，混合は起こらない。しかしながら，メ
ッキ溶液は漏れ通路へいくらかは侵入するので漏れ通路
内がメッキされてしまう。このメッキは漏れ通路を塞い
でしまい密封してしまう。そこで，ウェハはダイシング
されて，各々の弁が分離させられる。

薄膜室84内への容積が固定された物質の封じこめの他
の方法は以下のようである。固体の封じこめは，固体の
封じこめを行うためのパイレックスウェハとシリコンウ
ェハの陽極結合により，周囲圧力下で行なえる。その
後，固体は室の中に気体を造るために電気補助拡散によ
り，ガス種に解離する。酢酸ナトリウムがこの固体とし
て使われる。

液体はもしそれが高沸騰点をもっていれば，封じこめ
ることができる。融点が300℃であるグリセロールが，
陽極結合工程で使うのに適している。

液体および／または気体は，高圧のもとで封じこめる
ことができる。陽極結合は，圧力と温度が制御されてい
る封じられた室の中で行うことができる。これは，物質
を高温化で液体でいることを可能にする。例えば，陽極
結合は21気圧のように高圧のもとで行うことができる。
これはこの工程での腔かあるいは室からの液体の漏れを
防止することができる。

第２の一般的な薄膜室の充填方法は，充填穴を使うこ
とである。薄膜室が形成される前に，または後で，また
はその間に，薄膜室と外界をつなぐ穴が形成される。そ
して薄膜室は真空技術により充填され，穴は公知の方法
により封じられる。例えば，もし穴がパイレックスプレ
ートに対し垂直であれば，例えばエポキシのような接着
剤を用いて平板をパイレックスに対して固着することに
よって封じることができる。この方法には，接着剤の低
温キュア処理を可能にし，その扱いを簡単にする利点が
ある。この方法の１つの問題点は，密封状態を得ること
が難しい点がある。

もう１つの充填穴を封じる方法は，はんだ合金を使う
ことができる。充填穴は直接に金属液により塞がれる
か，あるいはもしはんだ付け可能な表面が，充填穴の付
近にパイレックスウェハ上に形成されるのであれば，板
を充填穴の上にはんだ付けすることができる。この工程
の間は周囲圧力は室内の圧力と同じに保たれなければな
らない。これは，圧力の相違による，充填穴上のはんだ
合金がまだやわらかい間に起こる室内の流体の漏れを防
止する。圧力の制御された封じられた室が好ましい実施
例で使われる。

最後に，充填穴を封じるのにガラス融解を用いること
もできる。この工程ではパイレックスウェハの充填穴は
レーザにより掘られる。そして，レーザは流体が薄膜室
内におかれた後，穴の周囲のパイレックスを再度溶かす
のに使われる。この方法は実際に行われたが好ましくな
い方法である。ガラスからの熱伝導を高めるため，始め
ガラスは低温であることが重要である。

次に固体熱ポンプの実施例について説明する。

第53図は，固体の熱ポンプ技術を用いた実施例を示し
てある。ペルチェ固体熱ポンプのような熱ポンプ260
は，いくつかの製造者により市販されている。熱ポンプ
260はまた従来型の熱ポンプとしてもよい。この熱ポン
プ260は熱伝導ブロック262と熱的に結合されている。こ
の熱伝導ブロック262はウェハ266の薄膜室264を封じる
役目を果たす。ブロック262の目的は，薄膜室264を密封
することと，薄膜室264の迅速な熱の出し入れを導くこ
とである。薄膜室264は上記に開示された方法のいずれ
によっても形成できる。そして，ウェハ266は示されて
いるようにシリコンである必要はない。同様に，ブロッ
ク262はアルミニウム以外の良好な熱伝導性を有するも
のでもよい。構造内の弁部はブロック268により形成さ
れる。このブロック268は流体通路270をもち，その中に
シーリング面272が形成される。弁の動作は，上記に述
べられた他の実施例の場合と同様である。

次に位置的作用の実施例について説明する。

他の実施例では，薄膜の位置が，薄膜室に封じこめら
れた物質の温度変化の最終結果として使われる。このよ
うな実施例は，微少な位置決定や，遠隔操作のロボット
工学における触覚フィードバック変換器や他のそのよう
な応用に使用できる。

直径2mmのシリコン薄膜を有する実施例では薄膜の全
偏位は約35μｍである。ポリイミド薄膜での薄膜全偏位
は約400μｍである。移動される対象物，例えば集積回
路のプローブに薄膜を取りつけることによって，その対
象物は薄膜室内の温度に従い移動する。第54図にそのよ
うな実施例が示されている。第54図に示されている実施
例は，応用例中の典型的な１種類である。しかしなが
ら，微少の位置決定への応用の一般概念を説明してい
る。第54図において，微少位置決定変換器300は加熱素
子と共に形成された薄膜室のあるウェハよりなってお
り，その薄膜室はウェハの内に形成されたものである。
またこの加熱素子は薄膜室内へ室内の温度が変化した時
室内の蒸気圧を変化させる物質と一緒に密封されたもの
である。抵抗素子ドライバ302は使用者より制御入力を
受けそしてそれを電線304と306へ制御信号に変換して送
り込む。この信号は，室内の温度を変えるために加熱素
子を発熱させる。もちろんここで述べられている他の室
の温度制御の方法も使用でき，また当業者であれば，使
用者の制御入力を室内の温度を制御するために適した制
御信号へ変換する上で必要な使用者インターフェイスと
して評価するであろう。使用者308は試料310を像拡大シ
ステムを通して見ることにより制御信号を供給する。そ
して要求される位置に対するプローブ312の位置を確認
する。そして，使用者は薄膜室の温度を変えることによ
り，機械的に変換器の薄膜と結合しているプローブの位
置を調節することができる。この実施例では，対象物に
大きな力がかかるかもしれない。

もし薄膜の最大偏位よりも大きい動作が必要な場合，
変換器を直列に接続することにより行なえる。そのよう
な実施例では，スタックの下側の変換器の薄膜の動き
が，スタックの上部にある全ての変換器を動かす。同様
に,2番目に近い位置にある変換器の薄膜の動きがスタッ
ク中のその上の変換器を動かす。この工程は全ての変換
器で繰り返され，スタック内の全ての変換器の薄膜変位
の合計が総薄膜変位量となる。

第55図は本発明の教示による弁の好ましい実施例の最
終構造の断面図を示したものである。この実施例では,2
つのパイレックスウェハ600と602がシリコンウェハ604
へ陽極結合されている。シリコンウェハ604はその中に
エッチングされた室606を持つ。室の壁のうちの１つ608
は可撓性のダイアフラムであり，この好ましい実施例で
は約35μｍの厚さである。室606は，この好ましい実施
例では周囲温度に関して高い沸騰点を持った液体により
約50充填されている。本実施例での典型的な室内の液体
はハロメタンまたはハロエタンまたは他のフッ化炭素で
ある。本実施例では，室はフレオンFC71により充填され
ている。弁の閉速度を最適化するため，弁を閉じさせる
ために沸騰点まで加熱される物質量ができるだけ少なく
なるように，室606はできるだけ少量の液体により充填
されるべきである。もし，非常に高い圧力で操作したい
のであれば，薄膜を破壊する可撓性のある薄膜が室に対
して遠ざけすぎるように湾曲することを防止するために
室はいっぱいに充填されるべきである。

パイレックスウェハ602は，シリコンウェハ604に結合
されているパイレックスウェハの表面6004上に付着して
いる抵抗パターン610をもっている。抵抗パターン610は
装置の周辺の接続パッドへ導く導体リード（不図示）を
除いて室606の周辺で囲まれているパイレックスウェハ6
02の表面644の一部に限定されている。典型的には，抵
抗パターン610は表面644上にスパッタされた金属より形
成される。この層（不図示）は抵抗パターンを定義する
ためにフォトリソグラフィ法によりエッチングされてい
る。典型的には，抵抗パターンの特質はアルミニウム，
チタン，タングステン，ニクロム，金あるいはその他の
物質である。使用される金属あるいは他の物質は，封じ
こまれた液体をその沸騰点まで上昇させるために電流が
抵抗パターンを流れた時に十分な熱を発生できる十分な
抵抗をもつべきである。室606内の液体の沸騰は室606内
の気圧を上昇させ，それによりダイアフラム壁608はＹ
軸の負方向に変形する。

典型的に，抵抗パターン610は，らせん状の型に形成
され，パイレックスウェハ602の表面644を横切ってダイ
（以下では，「ダイ」は第55図のサンドイッチ構造を表
す）の周辺に位置する接続パッド（不図示）に達する経
路をたどるリード線をもっている。これらの接続通路
は，抵抗パターン610を介して電流を駆動できるよう
な，電線により外界と電気的に接触することのできる十
分なサイズをもったものである。

パイレックスウェハ602はまたその中に形成されてい
る小さな充填穴612をも。この穴は典型的にはレーザド
リルにより開けられ，いくつかの実施例では室608内に
注入される流体を通す作用もある。所望の量の流体が室
内に注入された後，穴612はプラグ614により封じられ
る。この好ましい実施例では，プラグ614はエポキシで
ある。しかしながら，穴612が非常に小さいため他の物
質もまた同様に簡単に穴を封じるために使用できる。

パイレックスウェハ600はその中にエッチングされた
入力チャネル616と出力チャネル618をもつ。メサ620は
パイレックスウェハ600の表面上に立つ，障壁608に対向
しており弁座となる。このメサの上面は薄いクロム層62
2でおおわれている。このクロム層の目的は，弁構造の
組立工程中のパイレックスウエハ600のシリコンウェハ6
04への結合工程においてメサ620が障壁608に結合しない
ようにするためである。メサ620の一実施例での正確な
形状は第56図に示されている。

第56図は，ダイアフラム608のすぐ下にあるパイレッ
クスウェハ600の表面624の一部の平面図である。第56図
で，第55図において断面図で示された構造が，平面図に
おいて簡単に認識できるように，それと同じ参照符号が
伏されている。入力チャネル616は３個の突出したチャ
ネル指状部628,630,632と共に斜線により示されてい
る。本質的に，これらの突出した指状部628,630,632は
入力ポート6166に流れる流体がダイアフラム608の下を
通るパイレックスメサ620に形成された溝である。

同様に,618で示される出力ポートは２個の溝624と626
を備えている。これらの３つの溝はダイアフラム608の
下を通っており，メサ620の蛇行した形状のために溝62
8,630,632から分離されている。クロムでおおわれてい
るメサの部分は符号620/622により示されている。クロ
ムにおおわれていないメサの部分620で示されている。
３つの溝628,630と632は２つの溝624,626とインターデ
ィジィトに組み合わさっている。第56図は異寸であり溝
624と626はもっと広くしてもよい。さらに，溝628,630
と632と溝624と262との間の重なり度は，第56図に示さ
れているよりも小さいかまたは大きくしてもよい。

第56図で，溝の領域を示している長い斜線が施されて
いない全ての部分，例えば,636と634にて示された領域
は,X−Ｚ面に平行であり，クロム層622の上面のレベル
に実質的にあるＹ軸座標の平面中に横たわっている。第
56図で620で示されているパイレックスメサの部分と634
と636で示されているパイレックスウェハ600の表面の部
分とはシリコンウェハ604の下側に陽極接合されてい
る。

陽極結合の処理は当業者には周知である。ここでの完
結として，処理は，パイレックスの表面と結合されるシ
リコンウェハとを配置し，電極が形成されるように接合
の両側を接続することが行われる。そして高電圧がこれ
らの２個の電極に印加され，そして電流が約500℃で接
合に電流を流し，これによりこの２個のウェハを互いに
結合させる。

もう１度第55図に戻って，そこに示されている弁構造
の種々の部分の目的とその構造を述べる。以下のパラグ
ラフのほとんどのコメントは第１図と第15図の弁構造
と，ここに示された他の弁構造に適用するものである。
いくつかのコメントはここで他の構造に適用する。簡潔
のために第１図，第15図と第51図に示された構造以外へ
の個々の適応性は明記されていない。

上記のパイレックスプレート602の目的は，元来，室6
08の中に液体を封じることにある。従って，いくつかの
実施例では，上のプレート602は所望の液体が室606内に
注入された後，シリコンウェハ604に封じられる。すな
わち，室606は液体により充填され，そしてパイレック
スウェハ602はシリコンウェハ604上に置かれ，適当に整
列される。その後，パイレックスウェハ602とシリコン
ウェハ604は陽極的にまたは他の方法によって結合され
る。そのような実施例では，穴612は必ずしも必要では
ない。

この好ましい実施例では，パイレックスウェハ602は
室606が液体で充填される前に，シリコンウェハ604へ結
合される。その後，穴612がレーザドリル法，化学ドリ
ル法，超音波ドリル法または他の方法によりパイレック
スウェハ602に開けられる。機械的に穴を開けること，
あるいはパイレックスウェハをシリコンに結合する前に
パイレックスが形成される時に適当の位置に鋳造するこ
とも可能である。典型的には，室606はＸ軸方向に2000
μｍの幅をもっているので，穴612は大変小さなものに
なる。従って，そのような小さな穴をあけるある方法が
必要である、そのような小さな穴を開ける通常の方法
は，本発明の実施の際に用いられるであろう。

上のパイレックスウェハ602は加熱抵抗610と連結され
ている導線リードと抵抗パターンと電気的に結合してい
る接続パッドを支持する作用もする。上のウェハ602は
また室606と上のウェハ602に結合することのできるヒー
トシンクまたは熱源との間に熱伝導の主要通路としての
作用もある。従って，上のウェハ602は良質の熱伝動性
をもつ事が好ましい。ウェハ602,604と600としてニッケ
ルそして可能な他の金属材料も同様に使用できる。その
ような実施例では，抵抗パターン610がもし使われてい
れば，それはウェハ602の下部の面644に付着している絶
縁層の上に形成されねばならない。他の実施例では，光
学変換が室606の流体を加熱するために使用される。こ
れらの実施例では可視光，赤外，あるいは他の波長の光
の輻射エネルギーが室606内の流体を加熱するために上
のウェハ602から室606へ通して照射される。そのような
実施例では，抵抗パターン610は存在せず，上のウェハ6
02は使用される輻射波長に対して透明でなければならな
い。このらの実施例では，上のウェハ602としてパイレ
ックスが好ましい。しかしながら，他のガラスまたはシ
リコンもウェハ602として使用可能である。パイレック
スのシリコンへの結合が簡単であるので，パイレックス
が抵抗の実施例における上のウェハ602として好まし
い。

シリコンである上のウェハ602はパイレックスより良
い熱伝達特性をもつが，シリコンとシリコンとの結合は
行い難い。上のウェハ602としての他の可能な物質は，
セラミック，アルミニウム，銅あるいはプラスチックで
ある。もし金属ウェハ602が使用されるならば，その金
属ウェハと抵抗パターン610の間の好ましい絶縁物質は
ポリイミドである。抵抗パターン610を金属ウェハから
絶縁するために窒化物のような他の絶縁物質の使用も可
能である。しかし，抵抗パターン，分離層および上のウ
ェハ602の間の熱膨脹係数の釣り合いが適当になるよう
に注意して，熱膨脹率の違いからくるストレスが装置の
操作をそこなうような絶縁層あるいは抵抗物質あるいは
パイレックスのひびまたは故障を起こさないようにしな
ければならない。ポリイミドは，それが可撓性でありそ
の弾力によりストレスをやわらげるので，絶縁物質とし
て好ましい。

どんな物質が上のウェハ602として使用されようと
も，それは安定したものでなければならず，周囲環境の
中の室606内の液体と接触することによって腐蝕するも
のであってはならない。さらに，ウェハ602の物質は弁
構造が経験するであろう操作温度条件を処理できるもの
であるべきである。典型的に，室606内の液体は，その
沸騰温度のちょうど手前までシステム作動時には加熱さ
れているであろう。この温度では，室内の蒸気圧が，ダ
イアフラム608をＹ軸の正方向に押す作用をしている力
に打ち勝つには不十分である。この力は入力ポート616
内の圧力により発生したもので弁を開けさせるものであ
る。弁が閉じられるべき時には，室606内の流体の操作
温度を沸騰点以上の温度にするため，十分な電流が抵抗
パターン610に流される。これは，ダイアフラム608をＹ
軸の負方向に押す傾向にあるダイアフラム上に作用する
力を発生させるに十分な蒸気圧を発生させる。この力
が，ダイアフラムをＹ軸の正方向に押す作用をしている
力に打ち勝つために十分である時，ダイアフラム608は
メサ620の上のクロム層602に接触する。これが封を形成
し弁を閉じる。

最後に，上のウェハ602の物質は抵抗610を形成するた
めに抵抗リソグラフィと付着処理に適合し，接続パッド
にリードを取り付けることができるものでなければなら
ない。

抵抗パターン610のためのオプションがいくつかあ
る。最も簡単なオプションはパイレックスウェハ602の
表面上に抵抗パターンを形成することである。他の構造
は絶縁物質のらせん状のメサの上に抵抗パターンを形成
して，そして抵抗物質が上のウェハ602と折々の絶縁物
質の柱とにより支えられるオートブリッジ（auto bridg
e）型の構造を形成するように，抵抗パターンの下のメ
サに穴をエッチングする。このぶら下がった状態の抵抗
構造は液体に対する熱伝達に対して良い特性をもつ。下
記の詳細が説明されているさらに他の構造は片持ち梁の
形状をしている。

抵抗パターンの物質として要求されるものは，製紙中
あるいは動作中に液体と腐触しないまたは反応しないよ
うな，室606内の液体の存在に対して安定したものであ
るべきである。さらに，抵抗物質は作動中に室606内に
存在するであろう高温を処理できるものでなければなら
ない。抵抗パターンは，液体，上のウェハ602および中
央のウェハ604から保護されるためのコーティングをす
ることができる。

シリコンウェハ604は下記の要求にある物質であれば
何でもよい。まず最初に，物質は，深さ方向５μm,横方
向20μｍの設計規準のフォトリソグラフのような微少製
造技術が適用可能なものでなければならない。さらに，
その物質は，ダイアフラム608が繰り返し湾曲されても
疲労による損傷がないように十分な可撓性と弾力性をも
っていなければならない、さらに，その物質は堅牢で熱
に対しての良い導体であるべきである。ウェハ604の物
質が室606内の物質の液体または気相の周辺へのもれを
防止することができ，この物質によって腐触の影響をう
けないということは大切なことである。ウェハ604の物
質はまた，ウェハ602と600として選択された物質と良好
な結合処理ができるものであるべきである。ウェハ604
はまた，その中に室606が形成でき，みがかれることが
でき，その後のなめらかさを保つことのできるものであ
るべきである。最後に，ウェハ604の物質は弁が操作さ
れる温度の周辺環境で，あるいは入力チャネル616で制
御される物質との接触によって腐触やダメージを受ける
べきではない。

室606の寸法と薄膜608の厚さは弁の動作特性な影響を
及ぼす。室606が小さいことは，加熱すべき物質が室内
に少ししかないことを意味する。これは，室内の温度を
沸騰点より上に上昇させるために，電流が急速に供給さ
れたあるいは増加された時から弁が閉じられるまでの時
間が短くてすむことになる。より熱い薄膜608はダイア
フラムをＹ軸の正方向に強制する撓ませることにより弁
を開けるための入力チャネル616では高い圧力を要求す
ることになる。同様に弁を閉じるためのダイアフラム60
8にＹ軸の負方向に強制的な力を与えるためには室606の
内側で高い圧力が生じなければならない。弁構造とその
他のここに現れている構造の操作に対しての長所は，室
内の圧力変化の加熱処理のための室内の液体への入力エ
ネルギーの変化に対する割合である。この長所は室606
の容積に反比例している。しかしながら，薄膜608はで
きるだけ広くすべきである。すなわち，第55図の寸法Ａ
は，最大の撓みを持つためにできるだけ大きくすべきで
ある。典型的に，寸法Ａは2000μｍである。この好まし
い実施例では，室の深さを定義する寸法Ｂは350μｍで
あり，ウェハ604の厚さを定義する寸法Ｃは385μｍで
あ．。薄膜608ができるだけ広くなるべきであるので，
室の容積は主に，ダイアフラムの厚さを約30から35μｍ
に保つために寸法Ｃの減少に対応した寸法Ｂの減少によ
り減少される。

メサ620の上面と良好な封止を形成するためにダイア
フラムの下部の表面638がみがかれるような，ウェハ604
としての物質が選択されることが好ましい。あるいは，
もしウェハ604が良好なシーリング特性を得るための適
当なみがきをかけることができない場合には表面638は
ポリイミドあるいは他の可撓性の物質によりコーティン
グすることができる。しかしながら，ウェハ604に対す
る上記に述べられた他の要求は達成されなければなら
ず，特にウェハ604が熱を室606からたやすく導き出し，
そして薄膜の繰り返しの屈曲による疲労や故障に強 で
ある事が大切である。

シリコンウェハ604とパイレックスウェハ602との間の
結合は室606内の物質が逃げられないような密封状態を
供給できなければならない。さらに，結合は室606内の
液体との接触を通してあるいは周辺の化学物質との接触
を通してあるいはダイをとりまくパッキング物質との接
触を通して腐食されてはならない。この結合はまた，抵
抗リードどうしの短絡がないように抵抗パターン610か
ら接続パッドへ抵抗リードを通すことができねばならな
ない。最後に，その結合は操作温度の範囲内で安定して
いなければならない。典型的な操作温度は,200℃から30
0℃の範囲にあり，いくつかの応用例では700℃まで上昇
するであろう。陽極結合は劣化することなしに簡単にこ
れらの温度に耐えるであろう。

ウェハ600に要求されることは，室606内の物質の冷却
を助けるために良好な熱伝導を供給することである。ウ
ェハ600はまた，蛇行したメサ620を定義した入力ポート
616と618を形成する小さなチャネルを加工するために使
用される処理と適合しなければならない。ウェハ600は
またメサ620の上面が良質のシーリング接合を得るため
にみがかれるようにみがきをかけることができなければ
ならない。あるいはウェハは良質のシーリング状態を供
給するためにメサ620の上面の平面状の不足を補うこと
のできるポリイミドあるいは他の可撓性の物質でコーテ
ィングされることのできるものでなければならない。さ
らに，その物質は，入力と出力のチャネル616と618それ
ぞれを通って流れるいずれの気体あるいは流体によって
も腐食されてはならない。最後に，選択された物質は，
操作温度に耐え得るものであり，チャネル616と618を流
れる物質と化学的に反応あるいは腐食されない結合によ
るウェハ604として選択された物質がどのようなもので
あれ，それと結合することができなければならない。

過剰な圧力のストレスが生じるのを防止するために熱
膨脹係数が十分に適合するように３個の全てのウェハ60
2,604と600の物質を選ぶことが大切である。すなわち，
第１図の構造は操作温度の範囲にわたって加熱され，冷
却されるので，もし熱膨脹係数が十分に適したものでな
ければ，この３個のウェハは異なる割合で膨脹または縮
小し，それにより構造内に機械的ストレスをもたらす。
熱膨脹係数は，これらの機械的ストレスが操作をそこな
うであろうひびや他のダメージを構造に与えるまで増大
しないように十分に調和したものでなければならない。

薄膜608はそのシーリング能力を改善するために，あ
るいは化学腐食の影響または室606内または入力チャネ
ル616内の物質からの侵食を減少させるために可撓性の
物質によりコーティングすることができる。また，コー
ティングは薄膜608の耐久性を改善するためにも使用で
きる。薄膜608は，抵抗610が薄膜608とメサ620とをシー
リング状態にするために駆動または通電されていない時
には，適度の圧力のもので入力チャネル616から出力チ
ャネル618への流出を可能にするだけの十分に撓み性を
もたねばならない。弁の正確な動作のためには，薄膜は
メサ620に貼り付いてはならない。

メサ620と入力と出力チャネル616と618は２個の相補
機能の作用をする。始めに，メサ620は薄膜が封を行う
ために十分遠くまで撓むことができるように薄膜608よ
りあまり離れていないシーリング表面を供給する。チャ
ネル616と618は，もしそれらが非常に深い場合，大量に
流れるように抵抗を減少させる作用がある。第56図で
は，チャネルと蛇行したメサ620/622の形状が示されて
いる。この蛇行の形状は，流れるための非常に低い「オ
ン（on）」抵抗を供給する。その理由はメサと極めて深
い指状のチャネルとの組み合わせは，気体あるいは液体
が入力チャネル616から出力チャネル618へ流れるであろ
うメサ障壁を横ぎるより大きな横断面積を供給する。す
なわち，入力チャネル616の気体または液体は第56図に
示される曲線の矢印の通路に沿ってメサ障壁を横ぎって
流れる。ここで多くの通路があり，従ってメサの上面と
薄膜608の底（不図示）との間の断面積が，メサが第56
図に示されている程長くない場合よりも大きくなること
に注意する。他のメサ構造が第83図に示されており、こ
こではメサは短くなっている。第56図の実施例でのメサ
の長さにより，流れのオフ（off）の抵抗は第57図での
実施例では第82図のそれほど高くない。第57図は，入力
チャネル616の幅を直線的に横ぎる蛇行していないメサ
を示したものである。第57図のメサの形状は，流れに対
しもっと高い「オフ」抵抗を供給するが，また流れに対
しより高い「オン」抵抗も同様に伴う。一般に，もし高
い「オフ」抵抗が要求される場合は，メサ620/622の突
出長さはＺ軸方向に短く，幅はｘ軸方向に広くあるべき
である。

流れの抵抗を最小にするため，入力チャネル616と出
力チャネル618は非常に深くあるべきである。すなわ
ち，第55図の寸法Ｄは受け入れ可能な低いレベルの流れ
抵抗を供給するに十分な深さであるべきである。

入力と出力チャネルはＸ−Ｙ面に沿っていずれの方向
へ，あるいはそれに平行ないずれかの面を進み，そして
ダイの周辺に沿ったいずれのポイントからでもダイから
出ることができる。さらに，入力と出力チャネルはま
た，上面642からあるいはダイの底面644から出るために
Ｙ軸方向に進むが，ダイアフラム下ではＸ−Ｚ平面内を
横方向に進出するように形成されていてもよい。

室606に要求されることは，その中の液体が周辺環境
へ逃げないような，周辺条件からの密封状態をつくるこ
とができることである。

室606内の物質は加熱された時に蒸気圧を上昇させる
ことができるのであれば，固体，液体または気体または
これらのいずれかの混合物であり得る。最良の操作のた
めには，平均周囲温度より十分上の沸騰点をもっている
液体が好ましい、室606は50％の液体で充填されること
が好ましい。これは蒸気圧を，実質的な流体静力学的圧
力変化を起すことなく変化させることを可能にする。さ
らに，室606内の物質は室606の壁，抵抗素子610,ウェハ
602,の物質，あるいはウェハ602とウェハ604の間の結合
と反応してはならない。また，室606内の物質は通常操
作のもとで分解してはならない。最良の操作のために
は，この物質は，物質を加熱するための入力であるエネ
ルギーの単位変化に対する蒸気圧の変化の割合が高いも
のであるべきである。室606を充填するために選択され
た物質の分解温度を知ることと，装置が経験するであろ
う操作温度を知ることが大切である。物質の分解は危険
な不安定に導く可能性がある。

充填ポート612に要求されることは，室606と周辺環境
を結合する小さな穴であることである。この穴は一般に
第55図に示されているようにＹ軸に沿うものかあるい
は，ダイの周辺のポート646に通じているウェハ602の表
面644にエッチングされた溝とすることができる。この
溝の実施例では，この溝は通常のフォトリソグラフィ法
とエッチング処理によりエッチングすることができる。
充填ポート612はデットボリュームを最小限にするため
にできるだけ小さくされるべきである。典型的に，第55
図の断面図の多重構造のウェハ600,602そして604のサン
ドイッチ状から成るウェハに製造される。そして全ての
充填ポート612は同時にあるいは順次に形成される。充
填ポートの形成方法は抵抗パターン610を破壊するよう
なものであるべきではない。

シーリング物質614は，室616がその中に注入された物
質により充填された後，シーリング穴612を密封する作
用をする。室606に物質を注入する方法は下記に述べら
れる。プラグ614のための物質は，シーリングプラグ614
のキュア処理中あるいは弁構造の使用中のいずれにおい
ても，室606内のいずれの液体あるいは他の物質と反応
すべきではない。充填プラグの物質の高い熱伝導係数を
もつことが好ましく，予想される操作温度で熱的に安定
したものであるべきである。他の充填ポート612の封じ
こめ方法はレーザによる再融解であり，そこで穴に封じ
るために充填ポート612をかこむウェハ602のガラスの一
部が融かされる。この好ましい実施例ではエポキシプラ
グが使用されている。他の可能な方法は，通常の方法で
充填ポート612の壁を金属化させ，そして穴612をはんだ
付けするか，電気メッキを施すことである。

第55図の弁の組み立て工程が第１図と第15図に示され
ている弁の組み立て工程と非常に似通っているので，工
程を示す図はここでは特に示されていない。しかしなが
ら，第55図の弁構造の製造工程を以下に論じる。図に用
いて論じられるべき個々の製造工程については関連した
図が示されている 第１図の構造の製造工程の第１段階は，約380μｍの
厚さのシリコンウェハを選び，その全表面を二酸化シリ
コンにより約1.2μｍの厚さに酸化させることである。
次に，室606（または，単一ウェハ上に形成されている
多重弁がある場合は複数の室）が位置する場所の酸化物
をエッチング除去する。そして室が80℃で30重量％の濃
度KOHでウェットエッチングにより形成される。このKOH
エッチングは１分間に1.2μｍの割合でエッチングを行
う。エッチング時間は薄膜608の所望の厚さが得られる
ものとする。

室606が形成された後，シリコンウェハ604の表面から
残りの二酸化シリコンが除去される。その後，抵抗パタ
ーン610が形成される。典型的に，これは表面644上への
ニクロム，アルミニウムあるいはチタン，タングステン
と銅の組合せのスパッタリングあるいは蒸着により行わ
れる。他の物質の使用も可能である。そして接続パッド
と接続パッドから抵抗素子へのリードを含む蛇行した抵
抗パターンを定義するため規準のフォトリソグラフィ法
が使用される。フォトレジストを用いてこれらの構造が
フォトリソグラフィ法的に定義された後，抵抗パターン
610を残すための金属層のエッチングが施される。その
後，残りのフォトレジストが除去される。

そして，パイレックスウェハ600の処理へ移る。第１
段階は，ウェハ600の全表面624へクロム層を付着させる
ことである。クロムは，入力と出力のチャネル616と618
が各々エッチングされる前に実際に配される。このよう
に，チャネル616と618の底部はクロムによりおおわれる
ことはない。このクロム層はスパッタンリングあるいは
蒸着により付着させることができる。

次に，フォトリソグラフィ法により入力ポート616と
出力ポート618のチャネルと蛇行したメサ620/622が定義
される。第56図では，このフォトリソグラフィ法では基
本的に，パイレックスウェハ600の620または620/622で
示されている全ての領域と同様に634と636で示されてい
る領域をマスクする。これは入力と出力のポート616と6
18を形成するためにエッチングされるパイレックスウェ
ハ600の表面だけを露出させる。そしてチャネル616と61
8をエッチングするために，そしてダイアフラム608と合
わさる領域のメサ620/622を残すために純粋なHFとHNO3
によるエッチング処理が施される。

パイレックスウェハ600のチャネル616と618の形成に
は異方性エッチングを使用することが好ましい。しかし
ながら，シリコンにおける異方性エッチングと同じ特性
をもったパイレックスにおける異方性エッチングは存在
しない。しかしながら，もしウェハ600にシリコンを選
択する場合はチャネル616と618を形成するためには異方
性エッチングが好ましい。このようなエッチングは垂直
な側壁を残すからであり，それにより縦横比を改善し
「オン」流れ抵抗を減少させる。他のパイレックスエッ
チングの可能なものとして，サンドプラスティングある
いはKOHエッチングがある。

次に，残ったフォトレジストが除去され，第56図で斑
点で印された620/622の領域上にフォトレジストを配す
るために，新しいマスク処理が施される。それは，メサ
の上面とダイアフラム608の下部の表面638との間の結合
を妨げるためのメサ620の上面にクロムが残される領域
である。このフォトレジストが現象された後，フォトレ
ジストにより保護されていないメサ上面の領域から全て
のクロムをエッチング除去するためと，そして第56図と
634と636で示された領域のクロムを除去するためのクロ
ムエッチング処理が施される。他の可能な方法として
は，パイレックスよりクロムを除去し，弁が閉じた時に
メサがダイアフラム608と接触する領域を囲むであろう
正方形あるいは長方形のパータン状にシリコンウェハ60
4の下部表面638上にポリイミドを付着することである。

これでパイレックスウェハ600をシリコンウェハ604に
結合する条件がそろった。この好ましい実施例では，こ
れは，ウェハ602と600を整合関係に置き，ウェハ604と
ウェハ600の間に電流を流すために800Vの電圧を加えな
がら,30分間温度を350℃にあげることにより陽極的に行
われる。

次に，室606内に含まれるように適当な抵抗パターン6
10を整合した後，パイレックスウェハ602がウェハ604に
結合される。この結合はまた，好ましい実施例において
も陽極的に施される。いくつかの実施例では，ウェハ60
2とウェハ604の間の結合の実施に先立って，室606はそ
の中に封じこまれる液体により充填される。この好まし
い実施例では，ウェハ602は室606が空の状態でウェハ60
4に陽極的に結合される。これらの実施例では，次の段
階は20Wの電力レベルあるいは，ウェハ602の中を室606
まで貫通するようにパイレックスを蒸発させる十分な電
力レベルでパルス化されたCO2レーザを使用することに
より充填穴612をレーザにより開けることである。化学
的に充填穴612を開けることは可能であるが，充填穴の
直径を小さく保ちながらそうすることは非常に困難であ
る。これはＹ軸に沿った垂直のエッチング速度がＸとＺ
軸に沿った水平のエッチング速度と結合してしまうから
である。パイレックスを385μｍまでエッチングする必
要性があるためＸ−Ｙ平面の直径で穴は非常に大きくな
る。充填穴612の機械的な穴開けもまた所望の大きさに
より大きな穴を作る傾向がある。

次に，液体を室606内へ注入する。これを行うための
好ましい方法は，第55図に示されている全構造を小室に
置きそして全構造を真空にすることである。これにより
室606が真空にされる。所望の真空レベルまでシステム
を排気した後，真空ポンプを停止し，室606内に注入さ
れるべき所望の液体を第55図に示される全構造をおおう
まで圧力容器へ注入する。そしてシステムは外気と連絡
され,50psiの正の圧力をかけられる。これにより液体は
充填穴612を通って室606へと導かれる。これにより室60
6は完全に充填される。そして，いくらかの液体が室606
から取り除かれることが必要な実施例では，所定の時間
の間，所定の温度まで全構造を加熱することによりなさ
れる。これが実施される時点での時間と温度と圧力レベ
ルは実験的に決定されるべきである。その結果として生
じた時間は，室606内の液体の種類，充填穴612の直径，
そして蒸発処理終了後に，室606内に残るべき液体の量
に基づく。いくつかの応用例では，室606は完全に液体
で充填される。これらの応用例のための，充填ポート61
2を封じる前の室606からのいくらかの液体をとり除く蒸
発処理工程は省略されている。

室606を所望レベルまでに充填する他の保証された方
法では，スチロフォーム（Styrofoam）あるいは金属ボ
ールベアリングのような中空のあるいは中実の軽量の球
を，ウェハ602をウェハ604に結合する前に，室606へ配
される。室606内に置かれた球の数と大きさは，室が真
空にされ液体が充填穴612を通ってその中に注入された
後，室を所望の液体の量で充填するように計算されてい
る。

最後に，充填ポート612はエポキシのプラグ614により
封じられる。

第58図に，抵抗R1,R2とR3がそれぞれ流出チャネル698
の中に，上のウェハ713と中央のウェハ705による流出チ
ャネル698の境界で支えられている窒化物の梁によりサ
スペンドされている例を示す。これは抵抗R2と抵抗R1と
R3との間の直接的な熱伝導を減少させる。その理由は，
これらの抵抗チャネル698内を流れる物質によって完全
に取り囲まれているからである。従って，熱の大部分が
流れる物質を通って流れ，抵抗を支えている構造物を通
るものが少なくなる。

第58図のサスペンド抵抗素子は，ここで述べられてい
るいずれの弁あるいは他の構造の加熱素子として使用す
ることができる。これらのつるされている抵抗構造の製
造方法は以下に述べるとおりである。第59図には，サス
ペンド抵抗構造の初期段階における第58図の流出入調節
器の流出入室698のＸ軸に対して垂直な断面図が示され
ている。第60図は抵抗R1,R2,R3を含んでいる窒化物の71
1の平面図を示し，第58図と第59図の断面図の位置を示
している。第59図は,700と702で示される２個の窒化物
層に挿入されている抵抗素子の製造途中と流出入チャネ
ル698がエッチングされた後の抵抗R1だけを示してい
る。第59図の技法は，ここで述べられている実施例のい
ずれにおいての抵抗加熱素子の形成に同時に適用でき
る。

第59図に示されている工程段階は，溝698（または封
じこまれた液体の室606）が形成される前に上のシリコ
ンウェハ713上の第一の窒化物層700を付着させることに
より達成される。層700の厚さは第58図の寸法Ａと等し
くすべきである。

窒化物層700が付着された後，金属の層707あるいは抵
抗パターンを形成できる型の他の抵抗物質による層がお
おわれる。その後，抵抗パターンを形成するためエッチ
ングの後に残るべき抵抗物質の領域を保護するためのフ
ォトレジスト層を形成するために通常のフォトリソグラ
フィが施される。第60図は抵抗R1,R2とR3の蛇行した抵
抗パターンの平面図を示す。フォトレジストパターン
は，エッチング後第60図のパターンを形成するために金
属を保護すべきである。第59図は第60図の蛇行パターン
の第60図における分割線87−87′に沿った断面図であ
る。

抵抗パターンの形成に続いて，第２の窒化物層702
が，抵抗パターンを完全に包みこむために第１の窒化物
層700と抵抗パターンの上に付着される。そして，抵抗
パターンの梁支柱が形成される位置の２個の窒化物層の
部分をおおうために，フォトレジスト層708が付着され
る。フォトレジスト層708は現象され，窒化物層を通る
穴701と703が形成される所の窒化物が露出される。穴70
1と703は抵抗物質が存在しない所の窒化物全体に広がっ
ており，流れ調節器内の溝698（あるいは，ここで示さ
れた他の実施例での室）を形成するためウェハ705との
間にはさまれている。そして，それぞれの抵抗パターン
の部分720と722が接続パッドへ延長され，それにより抵
抗パターンへの接続が形成される。

第61図には，ヒステリシスによりダイアフラムを二重
に安定させる２個の物質を備えたダイアフラムを有する
弁の構造が示されている。第61図で，第55図の弁とのた
だ１つの違いは，双安定性を与える薄膜608に付加され
た物質のもう１つの層730が存在していることである。
この構造の他の全ての部材は第55図に示されている実施
例と同じであり，同じ参照番号が与えられている。第61
図の実施例では，もう１つのクロム層730がダイアフラ
ム608の内側（室606内）の表面S1に付加されている。こ
のクロム層730は，ダイアフラム608をこの２個の二重安
定の第１の状態に向かって撓ませるような緊張状態にあ
る。この第１の状態とは，薄膜608が室606に向って，撓
んでいる状態をいう（薄膜の中心がウェハ602に向かっ
てＹ軸の正方向に引っ張られている）。これは入力ポー
ト616に圧力がかけられていない状態でも弁を開けさせ
る作用をする。入力ポートに供給されるいずれの圧力で
も弁をさらに開ける作用をする。弁を閉じるには，弁座
620/622を封を構成するためにＹ軸の負方向の撓まされ
得るようにクロム層730による力および入力ポートに供
給された圧力により生じた力に打ち勝つために蒸気圧を
十分に上昇させるために，充分な熱が室606内に封じこ
まれた液体に結合されねばらなない。

第61図に描かれている構造は，第55図の弁あるいはこ
こに示された他の弁よりも速い開時間をもっている。室
内の蒸気圧が，クロム層730の影響をうけた力と入力ポ
ート616に供給された圧力とから生じた力に打ち勝つた
めに必要なレベルより下に下がり，室606内の液体が充
分に冷えることができる時，弁が開く。これが起こる
時，ダイアフラムはメサの弁座320/622と封を構成する
ことなくダイアフラムの第１の二重安定状態に急に戻
る。

第62図には双安定ダイアフラムの弁構造の他の実施例
が示されている。第62図の構造は第55図の構造と略同様
であり同じ参照番号により参照されているが，余分に物
質の層732がダイアフラム608の下部の面S2に付加されて
おり，これは２個の安定撓み位置をもつ二重の安定性を
ダイアフラムに与えるためにあり，これはバイアスされ
ている。実施例では層732にはクロムの代わりにポリイ
ミドが使用されている。それは，ポリイミドが，弁座62
0/622と接触する時に良好なシーリング特性をもつから
である。ポリイミド層732は，それが表面に配される時
には緊張状態にある。これは，ダイアフラムをＹ軸の負
方向に撓ませ，面S2を弁座上に位置させる二重安定状態
をもつ傾向にある。他の二重安定状態はダイアフラムが
Ｙ軸の正方向に撓んでいる状態である。

もしダイアフラムがＹ軸の正方向に撓んでいる状態の
第２の二重安定状態へダイアフラムを撓ませるために入
力ポート616へ供給される圧力が不充分な場合は，第62
図の弁は閉の状態のままである。もし通常の操作圧力が
入力ポート616へ供給され，そしてポリイミド層732によ
り生じているバイアス力が入力ポートに供給される圧力
により生じた力から減じられた後に残った残余の力に打
ち勝つための蒸気圧を発生させるために充分な熱が室60
6内の液体に供給される場合もまた，弁は閉状態のまま
である。ポリイミド層により生じているバイアス力に打
ち勝つために充分な圧力が入力ポートへ供給され，そし
て室が液体の沸騰点より下の通常の操作温度にある時，
弁は開く。液体を沸騰点より上の温度まで上昇させる熱
が室に連結され蒸気圧が充分に高いレベルまで上昇した
時，ダアフラムは第１の二重安定状態に急に閉じる。

本発明はここで説明された実施例により述べられた
が，当業者はこの発明の精神と範囲からはずれることな
く他の変更を加えることができることを理解するであろ
う。そのような全ての変更はここに添付された特許請求
の範囲内に含まれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電気流体弁の１実施例の断面図であ
る。 第２図は本発明の弁と共に使用できる１ポート配置を示
した模式図である。 第３図Ａは，使用可能な他のポート配置法を示す模式図
である。 第3B図は，その断面図である。 第４図は，使用可能なさらに他のポートの配置法を示す
模式図である。 第５図から第14図は，第１図の弁を作るために使用され
る連続工程の各工程におけるウェハ１と２の断面図であ
る。 第15図はポリイミド薄膜弁の構成の他の実施例の断面図
である。 第16図から第27図は，第15図のポリイミド薄膜弁を形成
するのに必要な種々のウェハの処理の各工程の断面図で
ある。 第28A図と第28B図は，チャネルサイズに関係する薄膜構
成の他の配置例を示している第15図のポリイミド薄膜弁
の異なった２個の形状をそれぞれ示す平面図である。 第29図から第39図は，他のポリイミド薄膜弁を製作する
ための各工程をそれぞれ示す模式図である。 第40図から第48図は，「段付」ポリイミド薄膜を有する
他のポリイミド薄膜弁の実施例を製作するための各工程
をそれぞれ示す模式図である。 第49図は抵抗素子の１例を説明する平面図である。 第50図は第49図の線50−50′に沿う断面図である。 第51図は第49図の線51−51′に沿う断面図である。 第52図は各実施例の製造工程の１例を示す断面図であ
る。 第53図は固体熱ポンプ弁の実施例の断面図である。 体54図は薄膜の動きが対象の位置を決定するのに使われ
ている本発明の微小位置決定の実施例の説明図である。 第55図は本発明の教えに従った弁の好ましい実施例の断
面図である。 第56図は第55図に示された弁の下側のウェハに形成され
ているメサとチャネル様式を説明する平面図である。 第57図は第56図の構成よりも高いオフ抵抗をもった他の
メサ構造例を示す平面図である。 第58図はサスペンド抵抗素子の実施例を示す断面図であ
る。 第59図は，ここで述べられたいずれの実施例に用いるこ
とのできる抵抗素子を窒化ビームよりおおっている状態
を説明するための断面図である。 第60図は，第58図の各抵抗の平面図である。 第61図は第55図の弁または他のいずれかの実施例の弁を
双安定型とした実施例の断面図である。 第62図は第55図の弁または他のいずれかの実施例の弁を
双安定型とした他の実施例の断面図である。 10……薄膜室,12……シリコンウェハ.18……可撓性の薄
膜,20……抵抗素子,22……パイレックスウェハ,24……
マニホールド室,28……シーリングリング,30……シリコ
ンウェハ,32……ノズル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−208676（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−96945（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−127217（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−56465（ＪＰ，Ａ) 実公 昭48−42344（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ある量の気体または流体（Ｍ）と、 薄膜室10を有する第１の半導体基板12と、ここで薄膜室
   10は少なくとも１個の可撓性の半導体薄膜18を有し、そ
   の空洞は前記気体または流体（Ｍ）を含み、 前記気体または流体（Ｍ）を加熱するための加熱素子20
   を有し、前記気体または流体（Ｍ）が捕獲される薄膜室
   10を密封するようにして封止された容器を形成するよう
   に、第１の半導体基板12に接続される第２の基板22と、 前記第１の半導体基板12に接続された第３の基板30とを
   有し、 ここでマニホールド室24が第３の基板30に形成され、マ
   ニホールド室24は可撓性半導体薄膜18に隣接しており、
   そしてノズル32を有し、前記ノズル32はその周囲の回り
   に形成されたシーリング面28を形成する弁座を有し、前
   記ノズル32はポート34と共に流体の通路にあり、前記シ
   ーリング面28と前記可撓性半導体薄膜18との間の間隔
   が、流体がそこを通って制御された流れとなる断面積を
   有する間隙部を規定し、 前記薄膜室10の内部に捕獲された前記気体または流体
   （Ｍ）の蒸気圧を上げる前記加熱素子が前記可撓性半導
   体薄膜18を前記シーリング面28の方に湾曲させて前記間
   隙部の前記断面積を減少させることにより、および前記
   薄膜室10に捕獲された前記気体または流体（Ｍ）が冷さ
   れて前記間隙部の前記断面積を増加させることにより、
   可撓性半導体薄膜18は前記マニホールド室24、前記間隙
   部、前記ノズル32、および前記ポート34を通る流体の流
   れを制御するためにシーリング面28と協動することを特
   徴とする流体制御装置。
2. 【請求項２】前記薄膜室10が、薄膜室10の内部に捕獲さ
   れた前記気体または流体（Ｍ）に対し非浸透性の１の薄
   い可撓性半導体膜18と、４つの他の壁（例えば14、16）
   と、第２の基板22の底部面により定められる第６の壁
   （21）を有するように、前記第１の半導体基板12にエッ
   チングにより形成された凹部を有することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の流体制御装置。
3. 【請求項３】前記第２の基板22がパイレックスウェハよ
   り成り、前記第１の半導体基板12が単結晶シリコンより
   成り、前記第３の基板30が単結晶シリコンより成ること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の流体制御装
   置。
4. 【請求項４】前記加熱素子20が、前記薄膜室10の壁とし
   て作用する第２の基板の表面にフォトリソグラフ法によ
   り形成された抵抗パターン20であり、抵抗パターン20か
   ら第２の基板の表面のコンタクトパッドにつながる導電
   体を有し、ここで前記導電体は外部に配置された電源か
   ら抵抗パターン20を通る電流を流すことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の流体制御装置。
5. 【請求項５】前記薄膜室10に捕獲された前記気体または
   流体（Ｍ）を加熱するための加熱素子20が光エネルギー
   を導く光パイプ19であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の流体制御装置。
6. 【請求項６】前記加熱素子20が、薄膜室10に捕獲された
   前記気体または流体（Ｍ）に前記第１の半導体基板12を
   通して周囲から熱を伝導する手段を含むことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の流体制御装置。
7. 【請求項７】前記可撓性半導体薄膜18が単結晶シリコン
   で形成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の流体制御装置。
8. 【請求項８】前記第２の基板22がパイレックスであり、
   加熱素子20が前記薄膜室10の境界部内に実質的に封入さ
   れたフォトリソグラフ法によりエッチングされた抵抗を
   形成する金属パターンであることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の流体制御装置。
9. 【請求項９】薄膜室10は単結晶シリコンウェハ12にエッ
   チングを行うことによって形成され、そして第２の基板
   22が前記単結晶シリコンウェハ12に結合されたパイレッ
   クスウェハであり、前記第３の基板がパイレックスまた
   は単結晶シリコンのいずれかであり、前記薄膜室10はハ
   ロメタン、ハロエタン、またはフッ化炭素を含むグルー
   プから選択された液体により部分的にのみ充填され、前
   記加熱素子は抵抗パターンに抵抗パターンが破壊された
   り損傷したりしない電流レベルで電流が流れたとき前記
   薄膜の空洞に捕獲された気体または流体（Ｍ）を沸点に
   まで上げるに十分な抵抗を有するアルミニウム、クロ
   ム、金、チタン、タングステン、ニクロムを含むグルー
   プから、または、該グループの金属の組合わせによる積
   層体または合金から選択された金属のフォトリソグラフ
   法により形成されたパターンであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の流体制御装置。
10. 【請求項１０】流体制御装置であって、 ある量の気体または流体（Ｍ）と、 薄膜室10を有する第１の半導体基板12、102と、ここで
    薄膜室10は前記気体または流体（Ｍ）に対し非浸透性の
    薄膜18、90を有する少なくとも１個の可撓性の壁を有
    し、薄膜室10は前記気体または流体（Ｍ）を含み、 前記気体または流体（Ｍ）を加熱するための加熱素子20
    を有し、前記気体または流体（Ｍ）が捕獲される薄膜室
    10を密封するようにして封止された容器を形成するよう
    に第１の半導体基板12に接続され、さらに封入された前
    記気体または流体（Ｍ）を加熱するための加熱素子20、
    82を含む第２の基板22、80と、ここで前記加熱素子は前
    記薄膜の空洞の境界内に実質的に封入される位置に配置
    され、 前記流体制御装置を通る気体または流体を導く流体通路
    手段と、ここで前記流体通路手段は第１の半導体基板12
    に接続される第３の基板30、49に形成されたシーリング
    面28、98を有し、そこを通って制御される気体または流
    体が流れる間隙を定めるように流体通路手段のシーリン
    グ面28、98は可撓性薄膜18に隣接しており、間隙は可撓
    性薄膜18、90とシーリング面28、98との間の間隔により
    規定され、 ここで、第１の半導体基板12、102は単結晶シリコン基
    板であり、そして第２の基板はその上に抵抗パターン2
    0、82の形成されたパイレックス基板22、80であり、パ
    イレックス基板22、80および第１の半導体基板12、102
    が互いに接続されたとき、抵抗パターンが密封された薄
    膜室10の中に配置され、 前記可撓性薄膜18、90は、前記封入された気体または流
    体（Ｍ）が前記抵抗パターンによって加熱されたとき前
    記流体通路手段を通る流体の流れを低減または排除する
    ようにシーリング面28、98と協動することを特徴とする
    流体制御装置。
11. 【請求項１１】（１）位置と横方向の大きさを定めるた
    めにマスキング部材52を用いて第１および第２の面を有
    する第１の半導体基板12に薄膜室の凹部10をエッチング
    し、ここで薄膜室の凹部は薄膜室の凹部の底部と第２の
    面で定まる可撓性ダイヤフラム18が残るような深さ有
    し、 （２）第１および第２の面を有する第２の半導体基板の
    第１の面に、位置と横方向の大きさを定めるマスキング
    部材64を用いてノズル凹部68をエッチングし、 （３）第２の半導体基板の第２の面のシーリング面領域
    28の配置と大きさをマスキング部材70により定め、マス
    キング部材70が除去されたときにシーリング面28が第２
    の面からメサ状に突出するように前記第２の半導体基板
    の第２の面をエッチバックし、ここでシーリング面28は
    前記ノズル凹部の周囲部の内部に位置するエッチバック
    された窪みを有し、前記周囲部が第２の半導体基板の第
    ２の面上に突出させられるように形成されかつ配置され
    ており、 （４）シーリング面のマスクキング部材66を除去せず
    に、第２の半導体基板の第２の面のマニホールド凹部領
    域24の配置と大きさをマスキング部材74、76により定
    め、そしてシーリング面28のまわりの第２の面にマニホ
    ールド凹部24を形成するために第２の半導体基板の第２
    の面を十分にエッチングし、ここでエッチングはまた、
    マニホールド凹部24から前記ノズル凹部68への流体の流
    路を成す流体通路のノズル32を形成するように、第２の
    半導体基板の第２の面をエッチングする十分に深いエッ
    チングであり、 （５）第２の半導体基板の第２の面からすべてのマスク
    材料を除去し、 （６）可撓性のダイヤフラムが第２の半導体基板へ向か
    って十分に撓んだ場合に、可撓性のダイヤフラムがシー
    リング面上に載りノズル32を貫流する物質の流れを遮断
    するようにシーリング面28とノズル32が配置されるよう
    に、第２の半導体基板の第２の面を第１の半導体基板の
    第２の面に取付け、 （７）抵抗パターン20を絶縁性基板の下側に形成し、 （８）前記絶縁性基板を前記第１の半導体基板に取付け
    ることにより密封された薄膜室10を形成し、ここで前記
    抵抗パターンが前記密封された薄膜室10内に封入され、
    そして薄膜室10を、温度変化に伴って蒸気圧が変化する
    物質Ｍで満たし、薄膜室10内で物質を封止する工程を含
    むことを特徴とする流体制御装置の製造方法。
12. 【請求項１２】前記第２の半導体基板の第２の面を第１
    の半導体基板の第２の面に取付ける工程（６）がさら
    に、 （１）前記取り付けの前に、前記第１の半導体基板12の
    前記第２の面に移動防止物質による移動阻止層を形成
    し、ここで前記移動防止物質は前記第１の半導体基板の
    半導体中に金属層を形成する工程のために選択された金
    属が移動するのを防止し、 （２）半導体へ拡散する傾向を有する金属層を、前記第
    １の半導体基板12の前記第２の面の前記移動阻止層の上
    に形成し、 （３）前記第１の半導体基板12の第２の面および前記第
    ２の半導体基板30の第２の面を合わせおき、そしてその
    構造体を前記金属層が前記第２の半導体基板30へ十分に
    拡散して陽極結合が生じるのに十分な高温に十分長い時
    間さらす工程とを含んでいる特許請求の範囲第11項記載
    の流体制御装置の製造方法。
13. 【請求項１３】移動防止物質による移動阻止層を形成す
    る工程が、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素また
    は他の半導体の第１基板の第２の面上に酸化物、タング
    ステン、チタンまたは他の拡散防止物質による移動阻止
    層を形成する工程と、前記移動阻止層上にアルミニウム
    層を付着する工程を含む前記移動阻止層上に半導体へ拡
    散する傾向を有する金属層を形成する工程を含むことを
    特徴とする特許請求の範囲第12項に記載の流体制御装置
    の製造方法。
14. 【請求項１４】（１）頂部表面と底部表面を有する第１
    の半導体基板12の頂部表面に凹部を形成し、ここで前記
    凹部は前記第１の半導体基板12の殆どを穿つように十分
    に深く、そして少なくとも１の可撓性半導体薄膜18を残
    すように前記底部表面に延び、前記可撓性半導体薄膜18
    は前記凹部の底部と前記第１の半導体基板12の前記底部
    表面によって規定され、 （２）頂部表面と底部表面を有する第２の半導体基板30
    について、前記頂部表面をエッチングしたマニホールド
    室24を形成する第１の流体流れチャネルと、前記底部表
    面をエッチングしたポート34を形成する第２の流体流れ
    チャネルと、それを通して前記第１の流体流れチャネル
    が前記第２の流体流れチャネルに結合するノズル32を有
    するシーリング面28を形成する弁座とを有する流体通路
    を形成し、ここで前記シーリング面28は頂部表面の一部
    および前記流体通路の前記第１および第２の流体流れチ
    ャネルの境界部を形成し、 （３）前記第２の半導体基板30の頂部表面に形成された
    前記第１の流体流れチャネルを塞がないように、そして
    前記ノズル32を塞がないように前記シーリング面28以外
    の部分において前記第１の半導体基板の前記底部表面を
    前記第２の半導体基板30の前記頂部表面に結合し、 ここで、前記第１の流れチャネルが前記第２の流れチャ
    ネルに結合する前記流体通路の一部を規定するように前
    記シーリング面28は前記可撓性薄膜18と協動し、前記部
    分は前記シーリング面と前記可撓性薄膜間の間隔によっ
    て定められ、前記シーリング面に対する前記可撓性薄膜
    18の位置によって断面積が変化し、 （４）第３の基板22の底部表面に形成された抵抗パター
    ン形の加熱素子20を形成し、ここで第３の基板22は頂部
    表面と底部表面を有し、そして前記抵抗パターンに電流
    が流れ前記抵抗パターンを加熱した場合に生ずる温度に
    耐えることのできる絶縁材料を具備し、前記抵抗パター
    ンは前記凹部と前記第１の半導体基板の前記頂部表面と
    の交差によって決定される周囲部の中に入るような寸法
    であり、 （５）前記第３の基板の底部表面を前記第１の半導体基
    板12の頂部表面に結合することにより前記凹部の開口部
    を封止して封止薄膜室10を形成し、その結果として封止
    薄膜室10の中に前記抵抗パターン20を封入し、 （６）前記封止薄膜室10の中の温度変化によりその蒸気
    圧が変化する気体または流体（Ｍ）を所定量封入する工
    程を含む流体制御装置製造方法。
15. 【請求項１５】所定量の気体または流体（Ｍ）を封入す
    る工程は、前記封止薄膜室10の中に捕獲される気体また
    は流体を含む小室の中に前記第１の半導体基板12を据え
    る工程と、そして、前記封止薄膜室10は封入される前記
    気体または流体（Ｍ）により充填され、それから前記第
    ３の基板22を前記第１の半導体基板12に陽極結合して前
    記封止薄膜室10を覆い前記封止薄膜室10を密封する工程
    とを含む特許請求の範囲第14項に記載の流体制御装置の
    製造方法。
16. 【請求項１６】前記封止薄膜室10の中に前記気体または
    流体（Ｍ）を封入する工程および前記第３の基板22の底
    部表面に抵抗パターンを形成する工程は、 前記第３の基板22の前記底部表面の抵抗材料のパターン
    をエッチングし、ここで前記抵抗材料のパターンは前記
    抵抗材料から前記凹部と前記第１の半導体基板の前記頂
    部表面とが交差する周囲部の外側に配設されているボン
    ディングパッドへ導く金属リードを有し、 真空中で抵抗材料の前記パターンが前記封止薄膜室10の
    中に実質的に配置されるように前記第３の基板22の前記
    底部表面を前記第１の半導体基板12の頂部表面に結合
    し、ここで前記結合により前記ボンディングパッドへ連
    結する前記金属リードの側部の小さな漏出路を除いて実
    質的に完全な密閉が形成され、 前記封止薄膜10に封入すべき気体または流体（Ｍ）を含
    む小室に、結合された構造体を浸し、必要ならば前記小
    さな漏出路を通しての前記薄膜室10への充填速度を増大
    させるために小室を加圧し、 薄膜室10が所望のレベルに充填された後、電気メッキ浴
    槽を含む金属電気メッキシステムにボンディングパッド
    と金属リードとを陰極として装着し、該ボンディングパ
    ッドと金属リードとの上に十分な量の金属をメッキする
    ことによって前記小さい漏出路をふさぎ前記薄膜室を密
    閉する工程とを含む特許請求の範囲第14項に記載の流体
    制御装置の製造方法。
17. 【請求項１７】前記薄膜室を形成する工程および前記封
    止薄膜室10に所定量の気体および流体（Ｍ）を封入する
    工程が、 前記凹部の開口部を塞ぎ、そして前記凹部を密封し、そ
    れによって前記封止薄膜室10を形成するように、前記第
    ３の基板22を前記第１の半導体基板12の上に結合し、 前記凹部へ流体が達することを可能にするための充填穴
    を前記第３の基板22に形成し、 前記充填穴を用いて前記薄膜室10に使用者によって定め
    られた量の封入すべき気体または流体を充填し、 前記充填穴を密閉する工程とを含む特許請求の範囲第14
    項に記載の流体制御装置の製造方法。
18. 【請求項１８】前記充填穴がレーザによって穿たれ、前
    記充填穴を経て前記流体または気体が通るように、前記
    充填工程が封入すべき流体または気体を含む小室を加圧
    する工程を含む特許請求の範囲第17項に記載の流体制御
    装置の製造方法。
19. 【請求項１９】前記第３の基板22を前記第１の半導体基
    板12に結合する工程が、前記封止薄膜室を形成するため
    に前記第３の基板22を前記第１の半導体基板12の前記凹
    部の開口部を覆つて陽極結合する工程を含む特許請求の
    範囲第14項に記載の流体制御装置の製造方法。
20. 【請求項２０】１の表面上にエッチングによって形成さ
    れた抵抗パターン82を有する第１のパイレックス基板80
    と、 第１および第２の平行な面を有し、前記第１および第２
    の面を貫通し前記第１の面において前記抵抗パターン82
    を取り囲むに十分な幅をもつ開口部とを有するシリコン
    基板102と、 ここで前記第１の面が、前記抵抗パターンおよび前記パ
    イレックス基板80によって前記開口部の一端においてふ
    たが形成されるように前記第１のパイレックス基板に結
    合されており、前記開口部の他の一端が、前記シリコン
    基板102からエッチングによって切り出されているが前
    記開口部のいずれかの側で前記シリコン基板に接続しな
    おかつ前記第１の面に平行な実質的に平らなシーリング
    面を形成するような形状および向きを有し前記開口部を
    架橋している、シリコンのシーリングブロックを有して
    おり、 前記開口部の壁の一部分に結合されているスペーサ材料
    の層87と、 可撓性のポリイミド薄膜90であって、前記ポリイミド薄
    膜90が前記スペーサ材料87と前記開口部の両側において
    前記第１のパイレックス基板80とに結合しており、ポリ
    イミド薄膜90と前記第１のパイレックス基板80と抵抗パ
    ターン82とによって定められる薄膜空洞84が形成されて
    おり、前記ポリイミド薄膜90の前記シリコン基板102の
    前記第１の面から最も離れた外表面が前記薄膜の撓んで
    いない状態では前記シーリングブロック98の前記シーリ
    ング面から離れており、前記シーリング面と前記ポリイ
    ミド薄膜90との間に流体通路穴が形成されている可撓性
    のポリイミド薄膜90と、 前記シーリングブロック98と前記ポリイミド薄膜90との
    間で流体流れ間隙部を形成するように前記シーリングブ
    ロック98の底部面126に結合されている第２のパイレッ
    クス基板94と、ここでこのために形成された前記第２の
    パイレックス基板94と前記シリコン基板が、前記流体流
    れ間隙部を有する流体移送路に、前記シーリングブロッ
    ク98と前記ポリイミド薄膜90との間に流体通路を形成す
    るような方法で互いに結合されており、前記流体通路は
    入力ポート92と出力ポート100を有し、前記流体流れ間
    隙部を通るすべての流体の流れを導くように形成されて
    おり、前記ポリイミド薄膜90と前記第１のパイレックス
    基板80により形成される前記薄膜キャビティ84に封入さ
    れる温度変化に伴って変化する蒸気圧を有する所定量の
    物質とを具備したことを特徴とする流体制御装置。
21. 【請求項２１】流体制御装置であって、 第３の半導体基板12を間に挟む第１の基板22および第２
    の半導体基板30と、 ここで、第３の半導体基板12は薄膜室10を形成するよう
    に前記第１の基板22に封止される可撓性薄膜18の支持体
    を形成し、前記薄膜室10は温度変化により蒸気圧が変化
    する所定の量の気体または流体（Ｍ）を含み、前記第２
    の半導体基板30と第３の半導体基板12が前記可撓性の薄
    膜の撓みによって挟められ、閉じられる前記装置を貫く
    流体通路24、32、34を形成するように配列され、前記室
    内の気体または流体（Ｍ）に熱的に結合し前記室内の気
    体または流体（Ｍ）を周囲温度よりも高く加熱するため
    の加熱手段19、20とを含む流体制御装置。
22. 【請求項２２】第１および第２の平行な面を有する第１
    の基板102の第１の面に窪み106をエッチングによって形
    成する工程と、 該第１の面にスペーサ層112を付着させる工程と、 該スペーサ層の上にポリイミドの層114を造る工程と、 該窪み内のポリイミドをおおうフォトレジストのマスク
    116を形成する工程と、 該マスクでおおわれている部分以外のポリイミドをエッ
    チングによって除去する工程と、 少なくとも第１および第２の平行な面を有する第２の基
    板の第１の面に導電性物質の層82を付着させる工程と、 ボンディングパッドへ延びる金属導線を含む抵抗パター
    ンを該導電性物質の層にエッチングによって形成する工
    程と、 空洞が形成され該抵抗パターンが該空洞内に位置するよ
    うに該第２の基板80を該第１の基板102に結合する工程
    と、 該第１の基板の該第２の面の、該第１の基板の該窪みの
    幅を橋わたしするシーリングブロック部分98をマスクす
    る工程と、 該第２の面の該マスクによっておおわれている部分以外
    のシリコンを該スペーサ層112が露出するまでエッチン
    グによって除去する工程と、 該スペーサ層112の一部分をエッチングによって除去す
    る工程と、 第３の基板を該シーリングブロックに結合して、すべて
    流体の流れが該シーリングブロックと該ポリイミド薄膜
    との間の空間を含む穴を通過せしめられる流体通路を該
    結合によって生じる構造物を貫いて形成する工程とを含
    む流体制御装置の製造方法。
23. 【請求項２３】前記第２の基板80を前記第１の基板102
    に結合する前記工程が、結合によって形成される空洞に
    封入すべき物質の存在において該第１の基板および該第
    ２の基板を陽極結合する工程を含むことを特徴とする特
    許請求の範囲第22項に記載の流体制御装置の製造方法。
24. 【請求項２４】前記第１の基板80と第２の基板102とを
    結合する工程が、 真空の存在において前記抵抗パターンを82内側に向けて
    該第２の基板を該第１の基板に結合し該抵抗パターンを
    前記窪み84内に位置づけ、該結合によって前記ボンディ
    ングパッドのわきにおける小さい漏出路を除いて実質的
    に完全な密閉を行う工程と、 封入すべき液体を含む小室に第１および第２の基板を含
    む構造物を浸し、該小漏出路を通じての該空洞への充填
    率を増大させるために必要ならば該小室を与圧する工程
    と、 該空洞が使用者によって定められた程度に充填された
    後、電気メッキ液層を含む金属電気メッキシステムに該
    ボンディングパッドと金属リードとを陰極として装着
    し、該ボンディングパッドと金属リードとの上に十分な
    量の金属をメッキすることによって該小漏出路をふさぎ
    該空洞を密閉する工程とを含むことを特徴とする特許請
    求の範囲第22項に記載の流体制御装置の製造方法。