▶ フラウンホーファー−ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デル・アンゲヴァンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェラインの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-30
(45)【発行日】2024-10-08
(54)【発明の名称】静電マイクロポンプ及び静電マイクロポンプを製造するプロセス
(51)【国際特許分類】
F04B 43/04 20060101AFI20241001BHJP
H10N 30/853 20230101ALI20241001BHJP
H10N 30/20 20230101ALI20241001BHJP
F04B 45/047 20060101ALI20241001BHJP
B81B 3/00 20060101ALI20241001BHJP
B81C 1/00 20060101ALI20241001BHJP
【ＦＩ】
F04B43/04 Z
H10N30/853
H10N30/20
F04B45/047 Z
B81B3/00
B81C1/00
【請求項の数】
35
(21)【出願番号】P 2023515684
(86)(22)【出願日】2020-09-09
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-10-20
(86)【国際出願番号】 EP2020075208
(87)【国際公開番号】W WO2022053132
(87)【国際公開日】2022-03-17
【審査請求日】2023-05-02
(73)【特許権者】
【識別番号】500341779
【氏名又は名称】フラウンホーファー－ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デル・アンゲヴァンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェライン
(74)【代理人】
【識別番号】100085660
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 均
(74)【代理人】
【識別番号】100149892
【弁理士】
【氏名又は名称】小川 弥生
(74)【代理人】
【識別番号】100185672
【弁理士】
【氏名又は名称】池田 雅人
(72)【発明者】
【氏名】ライストナー，ヘンリー
(72)【発明者】
【氏名】ヴァッケルレ，マルティン
(72)【発明者】
【氏名】リヒター，マルティン
(72)【発明者】
【氏名】ヴィーラント，ロベルト
【審査官】岸 智章
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第０５５４２８２１（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２００２－２４０２８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２８９９４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２６８４１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２２４９９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２４２６０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００８／００４８５２０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００５－３０７８７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表平０９－５０７２７９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０４Ｂ ４３／０４
Ｆ０４Ｂ ４５／０４７
Ｂ８１Ｂ ３／００
Ｂ８１Ｃ １／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
静電マイクロポンプ（１００、２００）であって、ダイヤフラムと第１の電極構造体（１０９、２１０）とを備えるダイヤフラム装置（１８０、２３０、１３１０、１７１０、１９１０）と、
入口逆止弁（１６０、２６０）と出口逆止弁（１７０、２７０）とを備えるバルブ装置（１２０、２２０、１５５０）であって、
前記ダイヤフラム装置及び前記バルブ装置が、前記静電マイクロポンプのポンプチャンバ（１１０、２０７、１５８０、１７３０）を少なくとも部分的に囲むバルブ装置と、
前記第１の電極構造体と共に前記静電マイクロポンプの静電駆動部を形成するように配置された第２の電極構造体であって、前記静電駆動部が前記ダイヤフラムを撓ませるように構成された第２の電極構造体（１０８、２１１）と、
前記静電マイクロポンプの前記第１の電極構造体及び前記第２の電極構造体の間に配置された少なくとも１つのスティクション防止バンプ（１０５、２０８）と、を備え、
前記静電マイクロポンプの非作動状態において、前記第１の電極構造体と前記第２の電極構造体との間の間隔が、前記ポンプチャンバの周辺領域から前記ポンプチャンバの中央領域（１９０、２９０、４０５）に向かって変動し、前記周辺領域が前記中央領域を囲み、
ステータ構造体であって、前記ダイヤフラム装置が前記バルブ装置と前記ステータ構造体（２４０、１７４０、１９２０）との間に配置され、前記ステータ構造体及び前記ダイヤフラム装置が前記静電マイクロポンプの電極チャンバ（２１２、９３０、１７５０、１８１０）を囲むようになっており、前記ステータ構造体が前記第２の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備えたステータ構造体と、
前記電極チャンバを前記静電マイクロポンプの環境と接続するように構成された前記ステータ構造体の通気口（５５０、１７２０、１８９０）であって、
前記通気口が前記電極チャンバの汚染を防止するように構成される通気口と、
を備える静電マイクロポンプ。
【請求項2】
前記第１の電極構造体及び／又は前記第２の電極構造体が可変高さ形状（１０７、２０９、５６０、１７８０）を備え、前記第１の電極構造体と前記第２の電極構造体との間の間隔を前記ポンプチャンバの前記周辺領域から前記中央領域に向かって増加させる、請求項１に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項3】
前記少なくとも１つのスティクション防止バンプが、前記可変高さ形状に対向する前記第２の電極構造体に配置された、請求項２に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項4】
前記第１の電極構造体と前記第２の電極構造体との間の前記間隔が、前記ポンプチャンバの前記周辺領域から前記中央領域に向かって複数のステップで段階的に増加する、請求項１から３のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項5】
前記周辺領域において、前記第１の電極構造体及び前記第２の電極構造体に機械的接触を提供し、前記第１の電極構造体と前記第２の電極構造体との間の電気的貫通の発生を防止する絶縁層（１０４、２０５、６１０）によって、前記第１の電極構造体及び前記第２の電極構造体が互いに絶縁される、請求項１から４のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項6】
前記静電駆動部が、前記第１の電極構造体と前記第２の電極構造体との間の電圧に基づいて前記ポンプチャンバ内の圧力及び／又は前記ポンプチャンバの容積を変化させるように構成された、請求項１から５のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項7】
前記バルブ装置が層装置であり、前記入口逆止弁及び前記出口逆止弁が前記バルブ装置に対して面内に配置され、
前記入口逆止弁及び前記出口逆止弁の両方が、入口トンネル（１３０）と、弁フラップ（１４０）と、出口トンネル（１５０）と、デッドボリューム（２０６）とを備え、前記入口トンネル、開状態の前記弁フラップ、及び前記出口トンネルを通るように流体の流れを導くように構成され、かつ、前記入口逆止弁を通る前記流体の流れの方向が前記出口逆止弁を通る前記流体の流れの方向と反対である、請求項１から６のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項8】
前記ダイヤフラム装置が、前記第１の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項9】
前記バルブ装置が半導体層のスタックを備え、前記バルブ装置の主面に垂直な４８０μｍ～５４０μｍの厚さを備え、かつ／又は前記ダイヤフラム装置が、前記バルブ装置の主面に垂直な１０μｍ～１２０μｍの厚さの半導体層を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項10】
前記静電駆動部が、作動されると、前記ダイヤフラム装置を前記ステータ構造体に向かって撓ませて前記ポンプチャンバを膨張させ、流体が前記入口逆止弁を通って前記ポンプチャンバ内に流れるように構成された、請求項１から９のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項11】
前記静電駆動部が、作動されると、前記ダイヤフラム装置を撓ませ、導電性又は非導電性の流体が前記入口逆止弁を通って前記ポンプチャンバ内に流れることを可能にするように構成された、請求項１０に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項12】
前記ステータ構造体がシリコン層を備え、前記バルブ装置の主面に垂直な４５０μｍの厚さを備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項13】
前記ステータ構造体が、前記ダイヤフラム装置と比較してより高い剛性を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項14】
前記通気口が前記電極チャンバの汚染を防止するように構成されたフィルタ（１８５０）及び／又はバッファボリューム（１８６０）を備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項15】
前記ダイヤフラム装置の前記ダイヤフラムが事前に撓んでいる、請求項１から１４のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項16】
前記ダイヤフラム装置が、前記静電駆動部の非作動状態で前記ステータ構造体との機械的接触を接触領域内で形成するように事前に撓んでおり、前記静電駆動部が作動状態で前記接触領域を増加させるように適合された、請求項１５に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項17】
前記第１の電極構造体の前記導電層及び前記第２の電極構造体の前記導電層が、導電性材料、又は金属材料の導電性を有する高濃度にドープされた半導体材料で作られた、請求項１から１６のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプ。
【請求項18】
静電マイクロポンプを製造するプロセスであって、ダイヤフラムと第１の電極構造体とを備えるようにダイヤフラム装置を配置するステップと、
入口逆止弁と出口逆止弁とを備えるようにバルブ装置を配置するステップであって、
前記ダイヤフラム装置及び前記バルブ装置がポンプチャンバを少なくとも部分的に囲むようにするステップと、
前記第１の電極構造体と共に前記ダイヤフラムを撓ませる静電駆動部を形成するように第２の電極構造体を配置するステップと、
前記第１の電極構造体と前記第２の電極構造体との間に少なくとも１つのスティクション防止バンプを配置するステップであって、
前記静電マイクロポンプの非作動状態において、前記第１の電極構造体と前記第２の電極構造体との間の間隔が、前記ポンプチャンバの周辺領域から前記ポンプチャンバの中央領域に向かって変動し、前記周辺領域が前記中央領域を囲むようにするステップと、
ステータ構造体を配置するステップであって、
前記ダイヤフラム装置が前記バルブ装置と前記ステータ構造体との間に配置され、
前記ステータ構造体及び前記ダイヤフラム装置が電極チャンバを囲み、かつ、
前記ステータ構造体が、前記第２の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備えるようにするステップと、
前記電極チャンバを前記静電マイクロポンプの環境と接続する通気口を配置し、前記通気口が前記電極チャンバの汚染を防止するようにするステップと、
を含む、静電マイクロポンプを製造するプロセス。
【請求項19】
前記ステータ構造体を配置することが、第１の層であって、前記第１の層の第１の主面上に可変高さ形状と絶縁溝とを有する前記第１の層を配置するステップと、
前記ステータ構造体を配置するために、前記第１の層の前記第１の主面上に絶縁層を形成するステップと、を含む、請求項１８に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。
【請求項20】
前記ダイヤフラム装置を配置することが、第２の層を設けるステップと、
前記第１の層の前記第１の主面を前記第２の層の第１の主面に取り付けて、前記第１の層の前記可変高さ形状と前記第２の層の前記第１の主面との間に電極チャンバを形成するステップと、
前記ダイヤフラム装置を配置するために、少なくとも前記電極チャンバの反対側の領域において、前記第１の主面に平行な前記第２の層の第２の主面を薄くするステップと、をさらに含む、請求項１９に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。
【請求項21】
前記第１の層の前記第１の主面上に可変高さ形状を生成する前記ステップが、前記第１の層に少なくとも１つの通気口を配置するステップであって、前記通気口が前記電極チャンバを前記静電マイクロポンプの環境と接続するようにするさらなるステップを含む、請求項２０に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。
【請求項22】
前記第１の層に少なくとも１つの通気口を配置する前記ステップが、前記通気口に少なくとも１つのフィルタ及び／又はバッファボリュームを配置するさらなるステップを含む、請求項２１に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。
【請求項23】
前記バルブ装置を配置することが、第１の基板を、前記第１の基板の第１の主面上の第１の溝構造と共に形成するステップと、
第２の基板を、前記第２の基板の第１の主面上の第２の溝構造と共に形成するステップと、
前記第１の基板の溝構造を有する前記第１の主面を前記第２の基板の溝構造を有する前記第１の主面に取り付けることによって基板のスタックを提供するステップであって、
第１及び／又は第２の溝構造が基板の前記スタック内に少なくとも１つのキャビティを形成するようにするステップと、
基板の前記スタックの第１の主面及び／又は第２の主面を薄くするステップと、
前記少なくとも１つのキャビティにおいて、前記第１の主面に平行な前記第１の主面及び前記第２の主面から基板の前記スタックを窪ませて、入口トンネル及び出口トンネル並びにその間の弁フラップを形成し、前記入口トンネル、開状態の前記弁フラップ、及び前記出口トンネルを通るように流体の流れを導くように構成し、
前記バルブ装置を生成するために、前記入口逆止弁を通る流体の流れの方向が、前記出口逆止弁を通る流体の流れの方向と反対であるステップとによって入口逆止弁及び出口逆止弁を製造することを含む、請求項１８から２２のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。
【請求項24】
第２の電極構造体を配置することが、電極材料又は絶縁体材料を堆積させるためのウェハ接合プロセスの実行又は堆積プロセスの実行を含む、請求項１８から２３のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。
【請求項25】
少なくとも１つのスティクション防止バンプを配置することが、第１の層の前記第１の主面上、及び／又は
前記第１の主面に平行な第２の層の第１の主面上及び／若しくは第２の主面上、及び／又は
前記ダイヤフラム装置に対向する前記バルブ装置の主面上において、
前記ポンプチャンバの領域に前記少なくとも１つのスティクション防止バンプを形成することを含む、請求項１８から２４のいずれか一項に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。
【請求項26】
前記ダイヤフラム装置及び前記バルブ装置がポンプチャンバを形成するように前記ダイヤフラム装置を前記バルブ装置に取り付けるステップと、前記絶縁溝で第１の層をダイシングするステップと、
前記ダイヤフラム装置の第１の層の第２の主面上、及び
前記ダイヤフラム装置の第２の層の第１の主面上、又は
前記バルブ装置の表面上に
導電層を堆積させるステップと、
マイクロポンプを製造するために前記第２の層をダイシングするステップと、を含む、請求項１９から２５のいずれか一項に記載のマイクロポンプを製造するプロセス。
【請求項27】
前記第１の層の前記第２の主面上に導電層を堆積する前に、前記ダイヤフラム装置の前記第１の層の前記第２の主面を薄くするステップを含む、請求項２６に記載の静電マイクロポンプを製造するプロセス。
【請求項28】
前記ダイヤフラム装置を前記バルブ装置に取り付ける前記ステップが、前記第２の層によって配置された前記ダイヤフラム装置を事前に撓ませるステップと、
前記ダイヤフラム装置を前記バルブ装置に取り付けるステップと、を含む、請求項２６から２７に記載のマイクロポンプを製造するプロセス。
【請求項29】
前記ダイヤフラム装置を前記バルブ装置に取り付ける前記ステップが、前記静電駆動部の非作動状態において、前記第１の層の機械的接触を接触領域内で形成するように、前記第２の層によって配置された前記ダイヤフラム装置を事前に撓ませるステップであって、前記静電駆動部が、作動状態において前記接触領域を増加させるように適合されたステップと、
前記ダイヤフラム装置を前記バルブ装置に取り付けるステップと、を含む、請求項２６から２８のいずれか一項に記載のマイクロポンプを製造するプロセス。
【請求項30】
前記第１の電極構造体の前記導電層及び前記第２の電極構造体の前記導電層が、導電性材料、又は金属材料の導電性を有する高濃度にドープされた半導体材料で作られた、請求項１８から２９に記載のマイクロポンプを製造するプロセス。
【請求項31】
静電マイクロポンプ（１００、２００）であって、ダイヤフラムと第１の電極構造体（１０９、２１０）とを備えるダイヤフラム装置（１８０、２３０、１３１０、１７１０、１９１０）と、
入口逆止弁（１６０、２６０）と出口逆止弁（１７０、２７０）とを備えるバルブ装置（１２０、２２０、１５５０）であって、
前記ダイヤフラム装置及び前記バルブ装置が前記静電マイクロポンプのポンプチャンバ（１１０、２０７、１５８０、１７３０）を少なくとも部分的に囲むバルブ装置と、
前記第１の電極構造体と共に前記静電マイクロポンプの静電駆動部を形成するように配置された第２の電極構造体（１０８、２１１）であって、前記静電駆動部が前記ダイヤフラムを撓ませるように構成された第２の電極構造体と、
前記静電マイクロポンプの前記第１の電極構造体及び前記第２の電極構造体の間に配置された少なくとも１つのスティクション防止バンプ（１０５、２０８）であって、
前記静電マイクロポンプの非作動状態において、前記第１の電極構造体と前記第２の電極構造体との間の間隔が、前記ポンプチャンバの周辺領域から前記ポンプチャンバの中央領域（１９０、２９０、４０５）に向かって変動し、前記周辺領域が前記中央領域を囲むスティクション防止バンプと、
ステータ構造体であって、前記ダイヤフラム装置が前記バルブ装置と前記ステータ構造体（２４０、１７４０、１９２０）との間に配置され、前記ステータ構造体及び前記ダイヤフラム装置が前記静電マイクロポンプの電極チャンバ（２１２、９３０、１７５０、１８１０）を囲むようになっており、前記ステータ構造体が、前記第２の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備えるステータ構造体と、
前記電極チャンバを前記静電マイクロポンプの環境と接続するように構成された前記ステータ構造体の通気口（５５０、１７２０、１８９０）であって、
前記通気口が蛇行部（１８３０）、高い流れ抵抗、及び／又は毛細管停止部（１８２０）を使用することにより前記電極チャンバの汚染を防止するように構成される通気口と、
を備える静電マイクロポンプ。
【請求項32】
静電マイクロポンプ（１００、２００）であって、ダイヤフラムと第１の電極構造体（１０９、２１０）とを備えるダイヤフラム装置（１８０、２３０、１３１０、１７１０、１９１０）と、
入口逆止弁（１６０、２６０）と出口逆止弁（１７０、２７０）とを備えるバルブ装置（１２０、２２０、１５５０）であって、
前記ダイヤフラム装置及び前記バルブ装置が前記静電マイクロポンプのポンプチャンバ（１１０、２０７、１５８０、１７３０）を少なくとも部分的に囲むバルブ装置と、
前記第１の電極構造体と共に前記静電マイクロポンプの静電駆動部を形成するように配置された第２の電極構造体（１０８、２１１）であって、
前記静電駆動部が前記ダイヤフラムを撓ませるように構成された第２の電極構造体と、
前記静電マイクロポンプの前記第１の電極構造体及び前記第２の電極構造体の間に配置された少なくとも１つのスティクション防止バンプ（１０５、２０８）であって、
前記静電マイクロポンプの非作動状態において、前記第１の電極構造体と前記第２の電極構造体との間の間隔が、前記ポンプチャンバの周辺領域から前記ポンプチャンバの中央領域（１９０、２９０、４０５）に向かって変動し、前記周辺領域が前記中央領域を囲むスティクション防止バンプと、
ステータ構造体であって、前記ダイヤフラム装置が前記バルブ装置と前記ステータ構造体（２４０、１７４０、１９２０）との間に配置され、前記ステータ構造体及び前記ダイヤフラム装置が前記静電マイクロポンプの電極チャンバ（２１２、９３０、１７５０、１８１０）を囲むようになっており、前記ステータ構造体が、前記第２の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備えるステータ構造体と、
前記電極チャンバを前記静電マイクロポンプの環境と接続するように構成された前記ステータ構造体の通気口（５５０、１７２０、１８９０）であって、
前記通気口がフィルタ（１８５０）及び／又はバッファボリューム（１８６０）を備えることにより前記電極チャンバの汚染を防止するように構成された通気口と、
を備える、静電マイクロポンプ。
【請求項33】
静電マイクロポンプ（１００、２００）であって、ダイヤフラムと第１の電極構造体（１０９、２１０）とを備えるダイヤフラム装置（１８０、２３０、１３１０、１７１０、１９１０）と、
入口逆止弁（１６０、２６０）と出口逆止弁（１７０、２７０）とを備えるバルブ装置（１２０、２２０、１５５０）であって、前記ダイヤフラム装置及び前記バルブ装置が前記静電マイクロポンプのポンプチャンバ（１１０、２０７、１５８０、１７３０）を少なくとも部分的に囲むバルブ装置と、
前記第１の電極構造体と共に前記静電マイクロポンプの静電駆動部を形成するように配置された第２の電極構造体（１０８、２１１）であって、前記静電駆動部が前記ダイヤフラムを撓ませるように構成された第２の電極構造体と、
前記静電マイクロポンプの前記第１の電極構造体及び前記第２の電極構造体の間に配置された少なくとも１つのスティクション防止バンプ（１０５、２０８）と、
ステータ構造体であって、前記ダイヤフラム装置が前記バルブ装置と前記ステータ構造体（２４０、１７４０、１９２０）との間に配置され、前記ステータ構造体及び前記ダイヤフラム装置が前記静電マイクロポンプの電極チャンバ（２１２、９３０、１７５０、１８１０）を囲むようになっており、前記ステータ構造体が前記第２の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備えるステータ構造体と、を備え、
前記静電マイクロポンプの非作動状態において、前記第１の電極構造体と前記第２の電極構造体との間の間隔が、前記ポンプチャンバの周辺領域から前記ポンプチャンバの中央領域（１９０、２９０、４０５）に向かって変動し、前記周辺領域が前記中央領域を囲み、かつ、
前記ダイヤフラム装置の前記ダイヤフラムが事前に撓んでいる、
静電マイクロポンプ。
【請求項34】
静電マイクロポンプ（１００、２００）であって、ダイヤフラムと第１の電極構造体（１０９、２１０）とを備えるダイヤフラム装置（１８０、２３０、１３１０、１７１０、１９１０）と、
入口逆止弁（１６０、２６０）と出口逆止弁（１７０、２７０）とを備えるバルブ装置（１２０、２２０、１５５０）であって、
前記ダイヤフラム装置及び前記バルブ装置がポンプチャンバ（１１０、２０７、１５８０、１７３０）を少なくとも部分的に囲むバルブ装置と、
前記第１の電極構造体と共に静電駆動部を形成するように配置された第２の電極構造体（１０８、２１１）であって、前記静電駆動部が前記ダイヤフラムを撓ませるように構成された第２の電極構造体と、
前記第１の電極構造体と前記第２の電極構造体との間に配置された少なくとも１つのスティクション防止バンプ（１０５、２０８）と、
ステータ構造体であって、前記ダイヤフラム装置が前記バルブ装置と前記ステータ構造体（２４０、１７４０、１９２０）との間に配置され、前記ステータ構造体及び前記ダイヤフラム装置が電極チャンバ（２１２、９３０、１７５０、１８１０）を囲むようになっており、前記ステータ構造体が、前記第２の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備えるステータ構造体と、を備え、
前記静電マイクロポンプの非作動状態において、前記第１の電極構造体と前記第２の電極構造体との間の間隔が、前記ポンプチャンバの周辺領域から前記ポンプチャンバの中央領域（１９０、２９０、４０５）に向かって変動し、前記周辺領域が前記中央領域を囲み、かつ、
前記ダイヤフラム装置の前記ダイヤフラムが事前に撓んでおり、接触領域で前記静電駆動部の不作動状態において前記ステータ構造体と機械的接触を形成し、前記静電駆動部が作動状態で前記接触領域を増加させるように適合された、
静電マイクロポンプ。
【請求項35】
静電マイクロポンプ（１００、２００）であって、
ダイヤフラムと第１の電極構造体（１０９、２１０）とを備えるダイヤフラム装置（１８０、２３０、１３１０、１７１０、１９１０）と、
入口逆止弁（１６０、２６０）と出口逆止弁（１７０、２７０）とを備えるバルブ装置（１２０、２２０、１５５０）であって、
前記ダイヤフラム装置及び前記バルブ装置が前記静電マイクロポンプのポンプチャンバ（１１０、２０７、１５８０、１７３０）を少なくとも部分的に囲むバルブ装置と、
前記第１の電極構造体と共に前記静電マイクロポンプの静電駆動部を形成するように配置された第２の電極構造体（１０８、２１１）であって、前記静電駆動部が前記ダイヤフラムを撓ませるように構成された第２の電極構造体と、
前記静電マイクロポンプの前記第１の電極構造体及び前記第２の電極構造体の間に配置された少なくとも１つのスティクション防止バンプ（１０５、２０８）であって、
前記静電マイクロポンプの非作動状態において、前記第１の電極構造体と前記第２の電極構造体との間の間隔が、前記ポンプチャンバの周辺領域から前記ポンプチャンバの中央領域（１９０、２９０、４０５）に向かって変動し、前記周辺領域が前記中央領域を囲むスティクション防止バンプと、
ステータ構造体であって、前記ダイヤフラム装置が前記バルブ装置と前記ステータ構造体（２４０、１７４０、１９２０）との間に配置され、前記ステータ構造体及び前記ダイヤフラム装置が前記静電マイクロポンプの電極チャンバ（２１２、９３０、１７５０、１８１０）を囲むようになっており、前記ステータ構造体が、前記第２の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備えるステータ構造体と、
前記電極チャンバを前記静電マイクロポンプの環境と接続するように構成された前記ステート構造体の通気口（５５０、１７２０、１８９０）であって、
前記通気口が前記電極チャンバの汚染を防止するように構成され、１μｍの直径を有する通気口と、
を備える静電マイクロポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明による実施形態は、マイクロメカニカルアクチュエータに関する。本発明によるさらなる実施形態は、マイクロメカニカルポンプに関する。本発明によるさらなる実施形態は、静電マイクロメカニカルポンプに関する。
【背景技術】
【0002】
垂直静電アクチュエータは、特徴的な電圧以上の静電力が電極間隔及び機械的復元力の静水圧を上回るため、動作中に不安定性を示す。電極の非動作距離が調整される場合、この非線形性はアクチュエータの動作に利用され、動作電圧を低下させ、使用エネルギーを少なくする。さらに、静電アクチュエータの動作は、電気的短絡さらには電気的破壊を防止するために、電界における電極及び／又は側壁の不動態化又は絶縁を常に必要とする。
静電力は短距離であるため、静電駆動マイクロポンプのストロークは比較的小さい。撓ませる力は、電極間距離に二次的に比例する。例えば、既知のマイクロポンプのストロークはわずか５μｍになり得るが、この結果、行程容積もわずか約４０ｎｌとなる。デッドボリュームが大きいと圧縮率が非常に小さくなる。既知のマイクロポンプは気泡耐性がなく、空気などの圧縮性媒体には適していないため、マイクロポンプは実際には実用的ではない。
さらに、既知のマイクロポンプは、必要とされる２００Ｖ以上の高い供給電圧を使用する際に対電極とダイヤフラムとの電気的接触や短絡を防止するために、人手で組み立てられる。人手でチップを組み立てるのは全く不経済である。
静電力は短距離であるため、静電駆動マイクロポンプのストロークは比較的小さい。撓ませる力は、電極間距離に二次的に比例する。例えば、既知のマイクロポンプのストロークはわずか５μｍになり得るが、この結果、行程容積もわずか約４０ｎｌとなる。デッドボリュームが大きいと圧縮率が非常に小さくなる。既知のマイクロポンプは気泡耐性がなく、空気などの圧縮性媒体には適していないため、マイクロポンプは実際には実用的ではない。
さらに、既知のマイクロポンプは、必要とされる２００Ｖ以上の高い供給電圧を使用する際に対電極とダイヤフラムとの電気的接触や短絡を防止するために、人手で組み立てられる。人手でチップを組み立てるのは全く不経済である。
【0003】
一方で、シリコン製の静電駆動マイクロポンプは圧電駆動マイクロポンプと比較して多くの利点を有し得る。
・標準的なＭＥＭＳ製造工場における完全なウェハレベル加工で圧電体の接着がない
・すべてのプロセスステップは、ウェハレベルでの確立されたシリコン微細加工技術である
・圧電体配置、接着剤投与、接着剤ガーデニングなどによる製造公差がない
・すべての機械部品はシリコン製でセラミックを使用しないため、長期動作中の疲労や微小クラックがない
・材料はシリコンのみ（ＰＺＴ圧電体のようにＰｂがなく、ＲｏＨＳを満足している）
・推定８００℃までの非常に高い温度での動作が可能（シリコンのみの場合、電気的界面の材料による）
・圧電体がないため、ヒステリシスが発生しない
・静電容量２ｎＦ（圧電体の場合）に対し１００ｐＦ：エネルギー消費が小さい
・標準的なＭＥＭＳ製造工場における完全なウェハレベル加工で圧電体の接着がない
・すべてのプロセスステップは、ウェハレベルでの確立されたシリコン微細加工技術である
・圧電体配置、接着剤投与、接着剤ガーデニングなどによる製造公差がない
・すべての機械部品はシリコン製でセラミックを使用しないため、長期動作中の疲労や微小クラックがない
・材料はシリコンのみ（ＰＺＴ圧電体のようにＰｂがなく、ＲｏＨＳを満足している）
・推定８００℃までの非常に高い温度での動作が可能（シリコンのみの場合、電気的界面の材料による）
・圧電体がないため、ヒステリシスが発生しない
・静電容量２ｎＦ（圧電体の場合）に対し１００ｐＦ：エネルギー消費が小さい
【0004】
・小型化の可能性：
○圧電駆動ではセラミックのピック＆プレースに限定されるため、３×３ｍｍ２より小さいものは実現できない
○静電駆動ポンプは、さらに小さいもの（２×２ｍｍ２、おそらく１×１ｍｍ２まで）が実現することができ、ピック＆プレースの必要はない
○静電作動のストローク（２００Ｖで約５μｍ）は、チップサイズからほぼ独立している。圧電駆動の場合、ストロークはチップサイズにも依存する。
・２×２ｍｍ２マイクロポンプ：
○８インチのウェハにつき８０００個のマイクロポンプ
○２００ｗｓｐｗを超える場合の製造コストは約１０セント
圧電駆動ポンプと比較して静電駆動マイクロポンプの利点は非常に多いが、静電駆動マイクロポンプは市販されていない。
短絡のリスクを最小限に抑えながら、ウェハレベルで製造されるように構成された静電マイクロポンプを実現することが求められている。本発明は、既知の静電駆動マイクロポンプの欠点を克服し、上述の利点を可能にするものである。
○圧電駆動ではセラミックのピック＆プレースに限定されるため、３×３ｍｍ２より小さいものは実現できない
○静電駆動ポンプは、さらに小さいもの（２×２ｍｍ２、おそらく１×１ｍｍ２まで）が実現することができ、ピック＆プレースの必要はない
○静電作動のストローク（２００Ｖで約５μｍ）は、チップサイズからほぼ独立している。圧電駆動の場合、ストロークはチップサイズにも依存する。
・２×２ｍｍ２マイクロポンプ：
○８インチのウェハにつき８０００個のマイクロポンプ
○２００ｗｓｐｗを超える場合の製造コストは約１０セント
圧電駆動ポンプと比較して静電駆動マイクロポンプの利点は非常に多いが、静電駆動マイクロポンプは市販されていない。
短絡のリスクを最小限に抑えながら、ウェハレベルで製造されるように構成された静電マイクロポンプを実現することが求められている。本発明は、既知の静電駆動マイクロポンプの欠点を克服し、上述の利点を可能にするものである。
【発明の概要】
【0005】
一般に、既知の静電駆動マイクロポンプの欠点を克服するために、静電的に作動されるダイヤフラムの行程容積はかなり高く、かつブロッキング圧力は十分高くするべきである。次に、プロセスによって、ポンプチャンバのデッドボリュームが十分小さいバルブユニットを作動ユニットに適合させて高い圧縮比が達成可能となるべきである。さらに、ポンプは、電気的に分離又は絶縁された電極に対して完全なウェハレベルで組み立てることが可能となるべきである。次に、ウェハをポンプチップにダイシングした後、電極にアクセスする必要があり、エッジでの短絡の危険が生じないようにすべきである。
【0006】
本発明による一実施形態は、ダイヤフラムと第１の電極構造体とを含むダイヤフラム装置を備える静電マイクロポンプである。静電マイクロポンプは、入口逆止弁及び出口逆止弁を含むバルブ装置をさらに備え、ダイヤフラム装置及びバルブ装置は、少なくとも部分的にポンプチャンバを囲む。静電マイクロポンプは、第１の電極構造体と共に静電駆動部を形成するように配置された第２の電極構造体をさらに備える。静電駆動部は、ダイヤフラムを撓ませるように構成される。マイクロポンプは、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間に配置された少なくとも１つのスティクション防止バンプをさらに備え、マイクロポンプの非動作状態では、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の間隔は、ポンプチャンバの周辺領域からポンプチャンバの中央領域に向かって変動し、周辺領域は中央領域を取り囲む。
マイクロポンプの動作状態では、ダイヤフラムは、第１の電極構造体及び第２の電極構造体によって形成された静電駆動部によって撓むように構成される。
少なくとも１つのスティクション防止バンプは、ダイヤフラムが第２の電極構造体に固着するのを防止するために、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間に配置される。
マイクロポンプの動作状態では、ダイヤフラムは、第１の電極構造体及び第２の電極構造体によって形成された静電駆動部によって撓むように構成される。
少なくとも１つのスティクション防止バンプは、ダイヤフラムが第２の電極構造体に固着するのを防止するために、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間に配置される。
【0007】
好ましい実施形態では、第１の電極構造体及び／又は第２の電極構造体は可変高さ形状を備え、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の間隔をポンプチャンバの周辺領域から中央領域に向かって増加させる。
２つの電極構造体の少なくとも一方の可変高さ形状は、ポンプチャンバ及び／又はポンプチャンバの行程容積を拡大するように構成される。さらに、可変高さ形状は、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の最短距離を減少させ、その結果、静電駆動部の必要な電圧及び／又はエネルギー使用量を低減させ得る。
対電極の可変高さ形状は、機械的なストッパを形成するため、理論的には行程容積に対する効果は限られている。したがって、動作電圧を低下させ、かつ、行程容積を減少させずむしろ増加させる高さ形状を選択することが重要である。
作動状態における電極間、すなわち可動電極と剛性電極との間の容積は、非作動状態における電極間の容積の約半分の値とすることができる。
２つの電極構造体の少なくとも一方の可変高さ形状は、ポンプチャンバ及び／又はポンプチャンバの行程容積を拡大するように構成される。さらに、可変高さ形状は、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の最短距離を減少させ、その結果、静電駆動部の必要な電圧及び／又はエネルギー使用量を低減させ得る。
対電極の可変高さ形状は、機械的なストッパを形成するため、理論的には行程容積に対する効果は限られている。したがって、動作電圧を低下させ、かつ、行程容積を減少させずむしろ増加させる高さ形状を選択することが重要である。
作動状態における電極間、すなわち可動電極と剛性電極との間の容積は、非作動状態における電極間の容積の約半分の値とすることができる。
【0008】
一実施形態によれば、少なくとも１つのスティクション防止バンプは、可変高さ形状に対向する第１又は第２の電極構造体に配置される。
少なくとも１つのスティクション防止バンプは、第１の電極構造体でもダイヤフラム装置でもない第２の電極構造体に配置されてもよい。少なくとも１つのスティクション防止バンプは、可変高さ形状に対向する第２の電極構造体に配置されてもよい。スティクション防止バンプは、例えば、供給電圧が引き込み電圧を超える場合、及び／又は、例えば、ダイヤフラムが静水圧によって対電極に押し付けられる場合に、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の固着（スティッキング）の発生のリスクを低減する。少なくとも１つのスティクション防止バンプは、引き込み電圧を超えた場合の静電固着、及び静水圧によって引き起こされるファンデルワールス固着の両方の発生を低減する。
可変高さ形状に対向するように、例えば平坦な表面にスティクション防止バンプを配置することにより、スティクション防止バンプの容易な配置又は生成が可能となり、かつ可変高さ形状の精度がスティクション防止バンプの生成によって影響されないようにすることができる。
静電作動を使用する１つの問題は、静電固着である。高電圧が印加されると、２つの部分は互いに接触する。そうした状況では、絶縁層内に非常に高い電界が発生し、（この高電界によって駆動される）電荷が２つの部分の境界を超えて絶縁層内に緩和され得る。その後、電圧を解除すると、電荷が絶縁層に留まって静電固着を発生する。その状況を克服するために、１つの有望な戦略は、例えばスティクション防止バンプによって高電界が印加される接触面積を減少させることである。スティクション防止バンプの機能は、硬質材同士の接触面積を減少させ、電荷が緩和され得る面積を減少させることである。静電固着は、バンプとの接触面積とポンプなしの接触面積との比によって低減される。さらに、有益な比率によってファンデルワールス固着も低減される。さらに、アクチュエータ又はマイクロポンプのバイポーラ（例えば、－２００Ｖ～２００Ｖ）駆動電圧も、静電固着の影響を低減する。
少なくとも１つのスティクション防止バンプは、第１の電極構造体でもダイヤフラム装置でもない第２の電極構造体に配置されてもよい。少なくとも１つのスティクション防止バンプは、可変高さ形状に対向する第２の電極構造体に配置されてもよい。スティクション防止バンプは、例えば、供給電圧が引き込み電圧を超える場合、及び／又は、例えば、ダイヤフラムが静水圧によって対電極に押し付けられる場合に、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の固着（スティッキング）の発生のリスクを低減する。少なくとも１つのスティクション防止バンプは、引き込み電圧を超えた場合の静電固着、及び静水圧によって引き起こされるファンデルワールス固着の両方の発生を低減する。
可変高さ形状に対向するように、例えば平坦な表面にスティクション防止バンプを配置することにより、スティクション防止バンプの容易な配置又は生成が可能となり、かつ可変高さ形状の精度がスティクション防止バンプの生成によって影響されないようにすることができる。
静電作動を使用する１つの問題は、静電固着である。高電圧が印加されると、２つの部分は互いに接触する。そうした状況では、絶縁層内に非常に高い電界が発生し、（この高電界によって駆動される）電荷が２つの部分の境界を超えて絶縁層内に緩和され得る。その後、電圧を解除すると、電荷が絶縁層に留まって静電固着を発生する。その状況を克服するために、１つの有望な戦略は、例えばスティクション防止バンプによって高電界が印加される接触面積を減少させることである。スティクション防止バンプの機能は、硬質材同士の接触面積を減少させ、電荷が緩和され得る面積を減少させることである。静電固着は、バンプとの接触面積とポンプなしの接触面積との比によって低減される。さらに、有益な比率によってファンデルワールス固着も低減される。さらに、アクチュエータ又はマイクロポンプのバイポーラ（例えば、－２００Ｖ～２００Ｖ）駆動電圧も、静電固着の影響を低減する。
【0009】
バンプの設計に関して、以下の境界条件がある。バンプの高さはアクチュエータのストロークを減少させるため、この高さは可能な限り小さくすべきである。エッチング技術に関しては、１０ナノメートル～２００ナノメートルの高さが実現可能である。これらの領域で電荷緩和を回避するには、小さな間隙で十分である。
すべてのバンプの接触面積は、（固着を低減するために、）バンプなしの接触面積と比較してはるかに小さくなければならない。しかしながら、すべてのバンプの合計の接触面積が小さすぎると、全体の力がこの小さい面積に集中し、バンプの機械的安定性を超える可能性がある。バンプへの静電圧縮力によってバンプが損傷を受ける可能性がある。そのために、この接触領域は、加えられ得る最大機械的応力を大幅に下回るように選択されるべきである。単結晶シリコンの場合、この値は約４ＧＰａであり、酸化シリコンではより小さい値となる。
すべてのバンプの接触面積は、（固着を低減するために、）バンプなしの接触面積と比較してはるかに小さくなければならない。しかしながら、すべてのバンプの合計の接触面積が小さすぎると、全体の力がこの小さい面積に集中し、バンプの機械的安定性を超える可能性がある。バンプへの静電圧縮力によってバンプが損傷を受ける可能性がある。そのために、この接触領域は、加えられ得る最大機械的応力を大幅に下回るように選択されるべきである。単結晶シリコンの場合、この値は約４ＧＰａであり、酸化シリコンではより小さい値となる。
【0010】
実施形態によれば、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の間隔は、ポンプチャンバの周辺領域から中央領域に向かって複数のステップで段階的に増加する。
ポンプ及び／又は電極チャンバの周辺領域から中央領域に向かって段階的に増加する高さ形状は、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の最短距離を減少させることができ、その結果、供給電圧の必要量が低下するため、マイクロポンプのエネルギー使用量が低減され、高電圧生成のための小型で確立された回路の使用が可能になる。
好ましい実施形態では、周辺領域において、第１の電極構造体及び第２の電極構造体に機械的接触を提供し、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の電気的貫通の発生を防止する絶縁層によって、第１の電極構造体及び第２の電極構造体が互いに絶縁される。
第１の電極構造体及び第２の電極構造体がダイヤフラムを撓ませるための静電駆動部を形成するので、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間に電気的貫通が発生すると、ダイヤフラムを撓ませるための静電力が小さくなり得る。すなわち、２つの電極構造体間の電気的貫通は好ましくなく、２つの電極構造体間の絶縁層によって防止される。
ポンプ及び／又は電極チャンバの周辺領域から中央領域に向かって段階的に増加する高さ形状は、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の最短距離を減少させることができ、その結果、供給電圧の必要量が低下するため、マイクロポンプのエネルギー使用量が低減され、高電圧生成のための小型で確立された回路の使用が可能になる。
好ましい実施形態では、周辺領域において、第１の電極構造体及び第２の電極構造体に機械的接触を提供し、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の電気的貫通の発生を防止する絶縁層によって、第１の電極構造体及び第２の電極構造体が互いに絶縁される。
第１の電極構造体及び第２の電極構造体がダイヤフラムを撓ませるための静電駆動部を形成するので、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間に電気的貫通が発生すると、ダイヤフラムを撓ませるための静電力が小さくなり得る。すなわち、２つの電極構造体間の電気的貫通は好ましくなく、２つの電極構造体間の絶縁層によって防止される。
【0011】
好ましい実施形態では、静電駆動部は、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の電圧に基づいて、ポンプチャンバ内の圧力及び／又はポンプチャンバの容積を変化させるように構成される。
第１及び第２の電極構造体によって形成された静電駆動部はポンプチャンバに圧力を加え、その力は、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の電圧に依存する。第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の電圧は小さなステップで変更することができるため、マイクロポンプは、ポンプチャンバの容積及び／又は圧力を小さなステップで意図的に設定できる実用的な装置となる。
第１及び第２の電極構造体によって形成された静電駆動部はポンプチャンバに圧力を加え、その力は、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の電圧に依存する。第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の電圧は小さなステップで変更することができるため、マイクロポンプは、ポンプチャンバの容積及び／又は圧力を小さなステップで意図的に設定できる実用的な装置となる。
【0012】
好ましい実施形態では、バルブ装置は層装置である。入口逆止弁及び出口逆止弁は、バルブ装置に対して面内に配置される。入口逆止弁と出口逆止弁の両方は、入口トンネルと、弁フラップと、出口トンネルと、デッドボリュームとを備え、入口トンネル、開状態の弁フラップ、及び出口トンネルを通るように流体の流れを導くように構成される。入口逆止弁を通る流体の流れの方向は、出口逆止弁を通る流体の流れの方向と反対である。
静電マイクロポンプは、少なくとも１つの入口逆止弁と、少なくとも１つの出口逆止弁とを備える。迅速かつ／又は安価な製造に到達するために、入口逆止弁及び出口逆止弁は層装置に配置されてもよく、入口逆止弁及び出口逆止弁はこの層と同一面内に配置される。バルブ装置の複雑さをさらに低減するために、入口逆止弁及び出口逆止弁に同じ又は類似の逆止弁を使用することができ、入口逆止弁の入口トンネルは、出口逆止弁の入口トンネルの反対方向を向いている。
好ましい実施形態では、ダイヤフラム装置は、第１の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備える。
ダイヤフラム装置のダイヤフラムが非導電性材料で作られる場合、ダイヤフラム装置は、第１の電極構造体の一部である追加の導電層を備える。
好ましい実施形態では、バルブ装置は半導体層のスタックを備え、バルブ装置の主面に垂直な例えば４８０μｍ～５４０μｍの厚さを備え、かつ／又はダイヤフラム装置は、ダイヤフラム装置の主面に垂直な例えば１０μｍ～１２０μｍの厚さの半導体層を備える。
静電マイクロポンプは、少なくとも１つの入口逆止弁と、少なくとも１つの出口逆止弁とを備える。迅速かつ／又は安価な製造に到達するために、入口逆止弁及び出口逆止弁は層装置に配置されてもよく、入口逆止弁及び出口逆止弁はこの層と同一面内に配置される。バルブ装置の複雑さをさらに低減するために、入口逆止弁及び出口逆止弁に同じ又は類似の逆止弁を使用することができ、入口逆止弁の入口トンネルは、出口逆止弁の入口トンネルの反対方向を向いている。
好ましい実施形態では、ダイヤフラム装置は、第１の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備える。
ダイヤフラム装置のダイヤフラムが非導電性材料で作られる場合、ダイヤフラム装置は、第１の電極構造体の一部である追加の導電層を備える。
好ましい実施形態では、バルブ装置は半導体層のスタックを備え、バルブ装置の主面に垂直な例えば４８０μｍ～５４０μｍの厚さを備え、かつ／又はダイヤフラム装置は、ダイヤフラム装置の主面に垂直な例えば１０μｍ～１２０μｍの厚さの半導体層を備える。
【0013】
好ましい実施形態では、バルブ装置は、第２の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備える。本発明の一実施形態は、ダイヤフラム装置をバルブ装置に取り付けることによって実現することができる。ダイヤフラム装置及びバルブ装置の両方は、第１の電極構造体又は第２の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備えるか、又はそのような導電性材料で作られる。ポンプチャンバは、バルブ装置及びダイヤフラム装置によって形成される。
好ましい実施形態では、静電駆動部は、作動されると、ダイヤフラムをバルブ装置に向かって撓ませてポンプチャンバを圧縮し、流体がポンプチャンバから出口逆止弁を通って環境に流れるように構成される。
一実施形態によれば、ポンプチャンバから出口逆止弁を通って流れる流体は非導電性流体である。
非導電性流体は、ポンプチャンバを形成する第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の電気的貫通の発生を防止する。電気的貫通はポンプチャンバを圧縮する力を低下させるため、好ましくない。
好ましい実施形態では、バルブ装置はシリコン層などの半導体層のスタックを備え、バルブ装置の主面に垂直な例えば４８０μｍ～５４０μｍの厚さを備え、かつ／又はダイヤフラム装置は、バルブ装置の主面に垂直な例えば１０μｍ～１２０μｍの厚さのシリコン層などの半導体層を備える。
好ましい実施形態では、静電駆動部は、作動されると、ダイヤフラムをバルブ装置に向かって撓ませてポンプチャンバを圧縮し、流体がポンプチャンバから出口逆止弁を通って環境に流れるように構成される。
一実施形態によれば、ポンプチャンバから出口逆止弁を通って流れる流体は非導電性流体である。
非導電性流体は、ポンプチャンバを形成する第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の電気的貫通の発生を防止する。電気的貫通はポンプチャンバを圧縮する力を低下させるため、好ましくない。
好ましい実施形態では、バルブ装置はシリコン層などの半導体層のスタックを備え、バルブ装置の主面に垂直な例えば４８０μｍ～５４０μｍの厚さを備え、かつ／又はダイヤフラム装置は、バルブ装置の主面に垂直な例えば１０μｍ～１２０μｍの厚さのシリコン層などの半導体層を備える。
【0014】
一実施形態によれば、静電ポンプはステータ構造体を備える。ダイヤフラム装置は、ステータ構造体及びダイヤフラム装置が電極チャンバを取り囲むように、バルブ構造体とステータ構造体との間に配置される。ステータ構造体は、第２の電極構造体の少なくとも一部である導電層を備える。
静電マイクロポンプは、ステータ構造体と、ダイヤフラム装置と、バルブ装置とを備えてもよい。ステータ構造体はダイヤフラム装置に取り付けられ、電極チャンバを形成する。ダイヤフラム装置はさらにバルブ構造体に取り付けられてポンプチャンバを形成し、ダイヤフラム装置はステータ構造体とバルブ装置との間にある。本実施形態では、ダイヤフラム装置は第１の電極構造体を備え、ステータ構造体は第２の電極構造体を備える。
一実施形態では、静電駆動部は、作動されると、ダイヤフラム装置をステータ構造体に向かって撓ませてポンプチャンバを膨張させ、流体が入口逆止弁を通ってポンプチャンバ内に流れるように構成される。
静的駆動部は、第１及び第２の電極構造体、すなわちステータ構造体及びダイヤフラム装置によって形成される。ステータ構造体は作動時も機械的に安定したままであり、ダイヤフラム装置はステータ構造体に向かって撓むため、電極チャンバは圧縮されポンプチャンバは膨張する。ポンプチャンバが膨張するとポンプチャンバ内の圧力が低下するため、流体が環境から入口逆止弁を通ってポンプチャンバに流入する。
静電マイクロポンプは、ステータ構造体と、ダイヤフラム装置と、バルブ装置とを備えてもよい。ステータ構造体はダイヤフラム装置に取り付けられ、電極チャンバを形成する。ダイヤフラム装置はさらにバルブ構造体に取り付けられてポンプチャンバを形成し、ダイヤフラム装置はステータ構造体とバルブ装置との間にある。本実施形態では、ダイヤフラム装置は第１の電極構造体を備え、ステータ構造体は第２の電極構造体を備える。
一実施形態では、静電駆動部は、作動されると、ダイヤフラム装置をステータ構造体に向かって撓ませてポンプチャンバを膨張させ、流体が入口逆止弁を通ってポンプチャンバ内に流れるように構成される。
静的駆動部は、第１及び第２の電極構造体、すなわちステータ構造体及びダイヤフラム装置によって形成される。ステータ構造体は作動時も機械的に安定したままであり、ダイヤフラム装置はステータ構造体に向かって撓むため、電極チャンバは圧縮されポンプチャンバは膨張する。ポンプチャンバが膨張するとポンプチャンバ内の圧力が低下するため、流体が環境から入口逆止弁を通ってポンプチャンバに流入する。
【0015】
一実施形態によれば、入口逆止弁を通ってポンプチャンバ内に流れる流体は導電性又は非導電性流体である。
本発明のマイクロポンプが別個の電極チャンバと別個のポンプチャンバとを備える場合、第１及び第２の電極構造体は電極チャンバを形成する。この場合、ポンプチャンバ内を流れる流体は両電極構造体に接触しないため、流体の導電率は静電マイクロポンプのポンプ性能に影響を与えない。
一実施形態によれば、ステータ構造体はシリコン層などの半導体層を備え、バルブ装置の主面に垂直な例えば４５０μｍの厚さを備える。
好ましい実施形態では、ステータ構造体はダイヤフラム装置と比較して高い剛性を備える。
剛性のあるステータ構造体、又は少なくともダイヤフラム装置よりも剛性のあるステータ構造体を有する静電マイクロポンプは、作動されると、ステータ構造体が安定又は機械的に安定したままである一方でダイヤフラム装置が可動部分となるという利点を有する。
本発明のマイクロポンプが別個の電極チャンバと別個のポンプチャンバとを備える場合、第１及び第２の電極構造体は電極チャンバを形成する。この場合、ポンプチャンバ内を流れる流体は両電極構造体に接触しないため、流体の導電率は静電マイクロポンプのポンプ性能に影響を与えない。
一実施形態によれば、ステータ構造体はシリコン層などの半導体層を備え、バルブ装置の主面に垂直な例えば４５０μｍの厚さを備える。
好ましい実施形態では、ステータ構造体はダイヤフラム装置と比較して高い剛性を備える。
剛性のあるステータ構造体、又は少なくともダイヤフラム装置よりも剛性のあるステータ構造体を有する静電マイクロポンプは、作動されると、ステータ構造体が安定又は機械的に安定したままである一方でダイヤフラム装置が可動部分となるという利点を有する。
【0016】
一実施形態によれば、静電マイクロポンプは、電極チャンバを静電マイクロポンプの環境と流体接続するように構成された通気口を備える。
電極チャンバを環境と接続する通気口は、電極チャンバと環境との間の圧力平衡器として作用する。この場合、大気圧は、ダイヤフラムのゼロ位置、すなわち非作動状態の位置を変化させない。すなわち、平坦なダイヤフラムによって高い圧縮比を達成でき、ダイヤフラムが移動するときに電極チャンバ内に背圧が発生しない。
好ましい実施形態では、通気口は、蛇行部、高い流れ抵抗、又は毛細管停止部を使用することによって電極チャンバの汚染を防止するように構成される。
電極チャンバの汚染は、ダイヤフラムの移動性を低下させる可能性があり、電極チャンバの容積を減少させる可能性があり、かつ／又は第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の電気的貫通を引き起こす可能性があり、ダイヤフラムを撓ませるのに２つの電極構造体の間に必要な電圧及び／又は静電力を増加させる。蛇行部、高い流れ抵抗、及び／又は毛細管停止部などの様々な方法は電極チャンバの汚染を防止する。
一実施形態によれば、通気口は、電極チャンバの汚染を防止するように構成されたフィルタ及び／又はバッファボリュームを備える。
電極チャンバの代わりに汚染されるバッファボリューム及び／又は汚染を除去するフィルタを使用することにより、電極チャンバの汚染をさらに防止することができる。
電極チャンバを環境と接続する通気口は、電極チャンバと環境との間の圧力平衡器として作用する。この場合、大気圧は、ダイヤフラムのゼロ位置、すなわち非作動状態の位置を変化させない。すなわち、平坦なダイヤフラムによって高い圧縮比を達成でき、ダイヤフラムが移動するときに電極チャンバ内に背圧が発生しない。
好ましい実施形態では、通気口は、蛇行部、高い流れ抵抗、又は毛細管停止部を使用することによって電極チャンバの汚染を防止するように構成される。
電極チャンバの汚染は、ダイヤフラムの移動性を低下させる可能性があり、電極チャンバの容積を減少させる可能性があり、かつ／又は第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の電気的貫通を引き起こす可能性があり、ダイヤフラムを撓ませるのに２つの電極構造体の間に必要な電圧及び／又は静電力を増加させる。蛇行部、高い流れ抵抗、及び／又は毛細管停止部などの様々な方法は電極チャンバの汚染を防止する。
一実施形態によれば、通気口は、電極チャンバの汚染を防止するように構成されたフィルタ及び／又はバッファボリュームを備える。
電極チャンバの代わりに汚染されるバッファボリューム及び／又は汚染を除去するフィルタを使用することにより、電極チャンバの汚染をさらに防止することができる。
【0017】
一実施形態によれば、ダイヤフラム装置のダイヤフラムは事前に撓んでいる。
通気口を使用する代わりに、ダイヤフラム装置を事前に撓ませてもよい。事前に撓ませたダイヤフラム装置は、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の距離をさらに減少させ、電極チャンバを圧縮し、ポンプチャンバを膨張させるのに必要な力及び／又は電圧を低減させることができる。ダイヤフラム装置は、真空中でステータ構造体に接合されてもよい。事前の撓みの程度は、加える真空に依存してもよい。
好ましい実施形態では、ダイヤフラム装置は、接触領域における静電駆動部の非作動状態でステータ構造体と機械的接触を形成するように事前に撓んでおり、静電駆動部は作動状態で接触領域を増加させるように適合される。
静電力は、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の距離に二次的に依存する。事前に撓ませたダイヤフラム装置は、電極構造体間の距離を減少させ、ダイヤフラム装置を撓ませるのに必要な供給電圧をはるかに少なくし得る。ステータ構造体に接触する事前に撓ませたダイヤフラム装置のさらなる利点は、電極チャンバの高さが増加され得ること、すなわち、マイクロポンプが作動されるときにポンプチャンバの容積が増加されることである。
通気口を使用する代わりに、ダイヤフラム装置を事前に撓ませてもよい。事前に撓ませたダイヤフラム装置は、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の距離をさらに減少させ、電極チャンバを圧縮し、ポンプチャンバを膨張させるのに必要な力及び／又は電圧を低減させることができる。ダイヤフラム装置は、真空中でステータ構造体に接合されてもよい。事前の撓みの程度は、加える真空に依存してもよい。
好ましい実施形態では、ダイヤフラム装置は、接触領域における静電駆動部の非作動状態でステータ構造体と機械的接触を形成するように事前に撓んでおり、静電駆動部は作動状態で接触領域を増加させるように適合される。
静電力は、第１の電極構造体と第２の電極構造体との間の距離に二次的に依存する。事前に撓ませたダイヤフラム装置は、電極構造体間の距離を減少させ、ダイヤフラム装置を撓ませるのに必要な供給電圧をはるかに少なくし得る。ステータ構造体に接触する事前に撓ませたダイヤフラム装置のさらなる利点は、電極チャンバの高さが増加され得ること、すなわち、マイクロポンプが作動されるときにポンプチャンバの容積が増加されることである。
【0018】
好ましい実施形態では、第１の電極構造体の導電層及び第２の電極構造体の導電層は、金属材料などの導電性材料、又は金属材料の導電性を有するホウ素若しくはリン光体及びシリコンなどの高濃度ドープ半導体材料で作られる。
本発明によるさらなる実施形態は、それぞれの方法を生み出す。
しかしながら、方法は、対応する装置と同じ考慮に基づくことに留意されたい。さらに、方法は、特徴又は機能のいずれかによって補足され、装置に関して個別にかつ組み合わせて本明細書に記載され得る。
以下では、本開示の実施形態が、図面を参照してより詳細に説明される。
本発明によるさらなる実施形態は、それぞれの方法を生み出す。
しかしながら、方法は、対応する装置と同じ考慮に基づくことに留意されたい。さらに、方法は、特徴又は機能のいずれかによって補足され、装置に関して個別にかつ組み合わせて本明細書に記載され得る。
以下では、本開示の実施形態が、図面を参照してより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】一実施形態による、３つの層を備える静電マイクロポンプの概略側面図である。
【図2】一実施形態による、４つの層を備える静電マイクロポンプの概略側面図である。
【図3】一実施形態による、静電マイクロポンプを製造するステップによって提供される第１の層及び第２の層の概略側面図である。
【図4】マイクロポンプを製造するための一実施形態による、第２の層を最初にエッチングしたときに得られ得る第２の層の概略側面図、及びエッチングマスクの上面図である。
【図5】マイクロポンプを製造するための一実施形態による、通気口有り又は無しで第２の層を２回目にエッチングしたときに得られ得る第２の層の概略側面図、及びエッチングマスクの上面図である。
【図6】マイクロポンプを製造するための一実施形態による、第１の層及び第２の層を酸化したときに得られ得る絶縁された第１の層及び絶縁された第２の層の概略側面図である。
【図7】マイクロポンプを製造するための一実施形態による、絶縁された第２の層内のスティクション防止バンプをエッチングしたときに得られ得る、スティクション防止バンプを有する絶縁された第２の層の概略側面図、及びドットパターンを有するエッチングマスクの上面図である。
【図8】マイクロポンプを製造するための一実施形態による、絶縁された第１の層のフレーム領域をエッチング除去したときに得られ得る絶縁された第１の層の概略側面図、及びフレーム形状を有するエッチングマスクの上面図である。
【図9a】マイクロポンプを製造するための一実施形態による、絶縁された第１の層を絶縁された第２の層に取り付けたときに得られ得るチップレベルでのアクチュエータ装置の概略側面図である。
【図9b】マイクロポンプを製造するための一実施形態による、絶縁された第１の層のウェハを絶縁された第２の層のウェハに取り付けたときに得られ得るウェハレベルでの複数のアクチュエータ装置の概略側面図である。
【図10】マイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置の主面から絶縁層を除去したときに得られ得るアクチュエータ装置の概略側面図である。
【図11】マイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置の第１の層を薄くしたときに得られ得るアクチュエータ装置の概略側面図である。
【図12】マイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置の第１の層を有する主面上に導電性材料を堆積させたときに得られ得るアクチュエータ装置の概略側面図である。
【図13】マイクロポンプを製造するための一実施形態による、周辺領域から導電性材料を除去したときに得られ得るアクチュエータ装置の概略側面図である。
【図14】一実施形態による、アクチュエータ装置を試験するように構成されたウェハ試験装置の概略側面図である。
【図15a】一実施形態によるアクチュエータ装置の概略側面図である。
【図15b】一実施形態による、アクチュエータ装置の全ループ変形例の概略側面図である。
【図15c】一実施形態によるマイクロポンプの概略側面図である。
【図16】実施形態による静電マイクロポンプ設計のシミュレートされた値の表を示す。
【図17】一実施形態による、通気口を有するマイクロポンプの概略側面図である。
【図18a】一実施形態による、バッファボリューム及び毛細管停止部を有する通気口の概略上面図である。
【図18b】一実施形態による、断面が縮小された通気口の概略上面図である。
【図18c】一実施形態による、蛇行部を有する通気口の概略上面図である。
【図18d】一実施形態による、フィルタを有する通気口の概略上面図である。
【図18e】一実施形態による、バッファボリュームを有する通気口の概略上面図である。
【図19a】一実施形態による、非作動状態における事前撓みダイヤフラムを有するマイクロポンプの概略側面図である。
【図19b】一実施形態による、作動状態における事前撓みダイヤフラムを有するマイクロポンプの概略側面図である。
【図20】既知のマイクロポンプを示す。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下では、本発明の種々の実施形態及び態様について説明する。また、さらなる実施形態が添付の特許請求の範囲によって定義される。
特許請求の範囲によって定義される任意の実施形態は、本明細書に記載の詳細、特徴、及び機能のいずれかによって補足され得ることに留意されたい。また、本明細書に記載の実施形態は個別に使用され、かつ、特許請求の範囲に含まれる詳細、特徴、及び機能のいずれかによって任意選択的に補足され得る。
また、本明細書に記載の個々の態様は、個別に又は組み合わせて使用され得ることに留意されたい。したがって、前記個々の態様のうちの別のものに詳細を追加することなく、前記態様の各々に詳細が追加され得る。本開示は、静電マイクロポンプで使用可能な特徴を明示的又は暗黙的に記載することにも留意されたい。したがって、本明細書に記載のいずれの特徴も、静電マイクロポンプの文脈で使用され得る。さらに、方法に関連して本明細書で開示される特徴及び機能も、そのような機能を実行するように構成された装置で使用され得る。
さらに、装置に関して本明細書に開示された任意の特徴及び機能は、対応する方法で使用され得る。言い換えれば、本明細書に開示された方法は、装置に関して説明された特徴及び機能のいずれかによって補足され得る。
本発明は、以下に記載される詳細な説明及び本発明の実施形態の添付の図面からより完全に理解されるが、これらは本発明を記載される特定の実施形態に限定するものと解釈されるべきではなく、説明及び理解のためのものにすぎない。
特許請求の範囲によって定義される任意の実施形態は、本明細書に記載の詳細、特徴、及び機能のいずれかによって補足され得ることに留意されたい。また、本明細書に記載の実施形態は個別に使用され、かつ、特許請求の範囲に含まれる詳細、特徴、及び機能のいずれかによって任意選択的に補足され得る。
また、本明細書に記載の個々の態様は、個別に又は組み合わせて使用され得ることに留意されたい。したがって、前記個々の態様のうちの別のものに詳細を追加することなく、前記態様の各々に詳細が追加され得る。本開示は、静電マイクロポンプで使用可能な特徴を明示的又は暗黙的に記載することにも留意されたい。したがって、本明細書に記載のいずれの特徴も、静電マイクロポンプの文脈で使用され得る。さらに、方法に関連して本明細書で開示される特徴及び機能も、そのような機能を実行するように構成された装置で使用され得る。
さらに、装置に関して本明細書に開示された任意の特徴及び機能は、対応する方法で使用され得る。言い換えれば、本明細書に開示された方法は、装置に関して説明された特徴及び機能のいずれかによって補足され得る。
本発明は、以下に記載される詳細な説明及び本発明の実施形態の添付の図面からより完全に理解されるが、これらは本発明を記載される特定の実施形態に限定するものと解釈されるべきではなく、説明及び理解のためのものにすぎない。
【0021】
図１は、一実施形態による、３つの層１０１、１０２、１０３を備える静電マイクロポンプ１００の概略側面図を示す。層１０１、１０２、１０３を１つの層として説明しているが、それらのうちの１つ又は複数が、同じ又は異なる材料の複数の積層によって形成されてもよい。層１０１、層１０２及び層１０３は、例えばシリコン材料などの半導体材料を含んでもよい。層１０１、層１０２及び層１０３は、任意の適切な厚さを含んでもよく、好ましい値は、すなわち約±５０％、±３０又は±２０％の許容範囲内の層厚で、例えば層１０１は４５０μｍ、層１０２は３０～９０μｍ、層１０３は１０～１２０μｍであってもよい。
層１０１の主面は、入口逆止弁１６０及び出口逆止弁１７０を備えるバルブ装置１２０を形成するために層１０２の主面に取り付けられる。入口逆止弁１６０及び出口逆止弁１７０は、バルブ装置１２０に対して面内に配置される。入口逆止弁１６０及び出口逆止弁１７０は同様の構造を有してもよく、開状態において流体が反対方向に流れることを可能にする。
層１０１の主面は、入口逆止弁１６０及び出口逆止弁１７０を備えるバルブ装置１２０を形成するために層１０２の主面に取り付けられる。入口逆止弁１６０及び出口逆止弁１７０は、バルブ装置１２０に対して面内に配置される。入口逆止弁１６０及び出口逆止弁１７０は同様の構造を有してもよく、開状態において流体が反対方向に流れることを可能にする。
【0022】
層１０１及び１０２は、互いに取り付けられたときに弁１６０及び１７０を形成する特定の構造を備えてもよい。例えば、層１０１及び１０２によって形成された構造は、開口並びに入口トンネル１３０及び／又は出口トンネル１５０などの流体を導く流路などのうちの１つ又は複数を備えてもよい。例えば、例えば弁フラップ１４０などの部品のいくつかは、流体の流れ及び／又は流体の圧力に応答して撓み可能であってもよい。例えば、デッドボリューム１０６などの一部の部分は、撓み可能部品の撓みを可能にする空の空間によって形成されてもよい。
バルブ装置１２０の主面は、ダイヤフラム装置１８０の第１の主面１８５に取り付けられる。
バルブ装置１２０の主面は、ダイヤフラム装置１８０の第１の主面１８５に取り付けられる。
【0023】
ダイヤフラム装置１８０は、ダイヤフラム装置１８０の第１の主面１８５上の絶縁層１０４、例えば二酸化ケイ素層又は窒化ケイ素層によってバルブ装置１２０から絶縁され得る層１０３を備える。凹部１９５は、図１４に関連して説明されるように、例えばダイシングを容易にするのに使用される絶縁間隙の跡であってもよい。
バルブ装置１２０とダイヤフラム装置１８０の両方は、電極構造体を備えてもよい。ダイヤフラム装置１８０は第１の電極構造体１０９を備え、バルブ装置１２０は第２の電極構造体１０８を備え、第１の電極構造体は絶縁層１０４によって第２の電極構造体から絶縁されている。第１の電極構造体１０９及び第２の電極構造体１０８は、ダイヤフラム装置１８０を撓ませるように構成された静電駆動部を形成する。電極構造体は、図１に示すように別個の層であってもよいが、例えば、例えば金属材料若しくはドープされた半導体材料又はこれらの組合せなどの導電性材料を含むように少なくとも１つの層の材料を提供することによって実施されてもよい。
バルブ装置１２０とダイヤフラム装置１８０の両方は、電極構造体を備えてもよい。ダイヤフラム装置１８０は第１の電極構造体１０９を備え、バルブ装置１２０は第２の電極構造体１０８を備え、第１の電極構造体は絶縁層１０４によって第２の電極構造体から絶縁されている。第１の電極構造体１０９及び第２の電極構造体１０８は、ダイヤフラム装置１８０を撓ませるように構成された静電駆動部を形成する。電極構造体は、図１に示すように別個の層であってもよいが、例えば、例えば金属材料若しくはドープされた半導体材料又はこれらの組合せなどの導電性材料を含むように少なくとも１つの層の材料を提供することによって実施されてもよい。
【0024】
入口弁１６０及び出口弁１７０を備えるマイクロポンプ１００の中央領域１９０において、層１０３又はダイヤフラム装置１８０の第１の主面１８５は、階段状可変高さ形状（プロファイル）１０７と、１つ又は複数のスティクション防止バンプ１０５とを備える。ダイヤフラム装置１８０の第１の主面１８５上の可変高さ形状１０７によって少なくとも部分的に得られるダイヤフラム装置１８０とバルブ装置１２０の層との間の距離は、ポンプチャンバ１１０と呼ばれ得るボリュームを生成し得る。代替的又は追加的に、スティクション防止バンプ１０５は、ポンプチャンバ１１０の反対側、すなわちバルブ装置１２０にも配置されてもよい。
【0025】
静電マイクロポンプ１００は、第１の電極構造体１０９と第２の電極構造体１０８との間に電圧を印加することにより作動するように構成される。電極構造体間の電圧は、ポンプチャンバ１１０を圧縮する力を生成する。力は、第１の電極構造体１０９と第２の電極構造体１０８との間の距離に二次的に依存する。
階段状可変高さ形状１０７は、特に事前撓みなしの膜構造を実施するときに一定の距離の高さ形状でポンプチャンバを圧縮するのに必要な電圧及び／又はエネルギー使用量と比較して、ポンプチャンバ１１０を圧縮するのに必要な電圧及び／又はエネルギー使用量を低減し得る。電極構造体１０８、１０９間の電圧が高く、引き込み電圧よりも高い場合、ダイヤフラム装置１８０がバルブ装置１２０に接触し得るように、第１の電極構造体１０９は第２の電極構造体１０８に引き付けられる。ダイヤフラム装置１８０のバルブ装置１２０への固着（スティッキング）を防止するために、少なくとも１つのスティクション防止バンプ１０５は、第１の電極構造体１０９と第２の電極構造体１０８との間に配置される。例えば、図１のスティクション防止バンプ１０５は、入口逆止弁及び出口逆止弁を含む領域１９０内のダイヤフラム装置１８０上に配置される。しかしながら、１つ又は複数のスティクション防止バンプ１０５が、代替又は追加として、例えば層１０２及びバルブ装置１２０のそれぞれにおいて可変高さ形状に対向するように配置されてもよい。
階段状可変高さ形状１０７は、特に事前撓みなしの膜構造を実施するときに一定の距離の高さ形状でポンプチャンバを圧縮するのに必要な電圧及び／又はエネルギー使用量と比較して、ポンプチャンバ１１０を圧縮するのに必要な電圧及び／又はエネルギー使用量を低減し得る。電極構造体１０８、１０９間の電圧が高く、引き込み電圧よりも高い場合、ダイヤフラム装置１８０がバルブ装置１２０に接触し得るように、第１の電極構造体１０９は第２の電極構造体１０８に引き付けられる。ダイヤフラム装置１８０のバルブ装置１２０への固着（スティッキング）を防止するために、少なくとも１つのスティクション防止バンプ１０５は、第１の電極構造体１０９と第２の電極構造体１０８との間に配置される。例えば、図１のスティクション防止バンプ１０５は、入口逆止弁及び出口逆止弁を含む領域１９０内のダイヤフラム装置１８０上に配置される。しかしながら、１つ又は複数のスティクション防止バンプ１０５が、代替又は追加として、例えば層１０２及びバルブ装置１２０のそれぞれにおいて可変高さ形状に対向するように配置されてもよい。
【0026】
マイクロポンプ１００の静電駆動部を作動させることによって、ダイヤフラム装置１８０はポンプチャンバ１１０を圧縮しながらバルブ装置１２０に向かって引き付けられる。ポンプチャンバ１１０の圧縮により、ポンプチャンバ１１０内の圧力が上昇し、出口逆止弁１７０の弁フラップ１４０が開き、流体がポンプチャンバ１１０から出口逆止弁１７０を通って環境に流出できるようになる。
第１の電極構造体１０９と第２の電極構造体１０８との間の電圧を低下させると、ダイヤフラム装置１８０は、ポンプチャンバ１１０を膨張させながら、その初期位置又はゼロ位置に向かって、又はその中に戻るように移動し得る。ポンプチャンバ１１０の膨張により、入口逆止弁１６０の弁フラップ１４０が開き、流体が環境から入口逆止弁１６０を通ってポンプチャンバ１１０に流入できるようになる。同時に、弁フラップ１４０によって出口トンネル１５０を通る流体の流れを遮断することによって、逆止弁１７０は出口トンネルを通る流体の流れを遮断し得る。
第１の電極構造体１０９と第２の電極構造体１０８との間の電圧を低下させると、ダイヤフラム装置１８０は、ポンプチャンバ１１０を膨張させながら、その初期位置又はゼロ位置に向かって、又はその中に戻るように移動し得る。ポンプチャンバ１１０の膨張により、入口逆止弁１６０の弁フラップ１４０が開き、流体が環境から入口逆止弁１６０を通ってポンプチャンバ１１０に流入できるようになる。同時に、弁フラップ１４０によって出口トンネル１５０を通る流体の流れを遮断することによって、逆止弁１７０は出口トンネルを通る流体の流れを遮断し得る。
【0027】
図１の静電マイクロポンプ１００は、従来技術のマイクロポンプと比較していくつかの利点を有する。ポンプチャンバ１１０の階段状可変高さ形状１０７は、従来技術のマイクロポンプの供給電圧と比較して、低い供給電圧で動作し得る。この低い供給電圧は、依然として高電圧範囲内にあるとはいえ、従来技術のマイクロポンプの供給電圧と比較すれば低いと考えられる。この低い供給電圧により、静電マイクロポンプ１００のエネルギー使用量が低減し、小型で確立された高電圧回路の使用が可能となる。
さらなる利点として、静電マイクロポンプ１００を動作させることはある程度の背圧を克服し得る。背圧は、ダイヤフラム装置１８０の動きを妨げる。供給電圧の増加により、背圧に打ち勝つ静電圧が増加する。
空気などの非導電性流体のための静電マイクロポンプ１００は圧縮比が高く、図２のマイクロポンプ２００などの導電性流体のための静電マイクロポンプよりも圧縮比が高くなり得るが、これはダイヤフラム装置１８０の撓みがポンプチャンバ１１０を向いており、追加のデッドボリューム１０６を減少させ得るためである。
さらなる利点として、静電マイクロポンプ１００を動作させることはある程度の背圧を克服し得る。背圧は、ダイヤフラム装置１８０の動きを妨げる。供給電圧の増加により、背圧に打ち勝つ静電圧が増加する。
空気などの非導電性流体のための静電マイクロポンプ１００は圧縮比が高く、図２のマイクロポンプ２００などの導電性流体のための静電マイクロポンプよりも圧縮比が高くなり得るが、これはダイヤフラム装置１８０の撓みがポンプチャンバ１１０を向いており、追加のデッドボリューム１０６を減少させ得るためである。
【0028】
図２は、一実施形態による、４つの層２０１～２０４を備える静電マイクロポンプ２００の概略側面図を示す。層２０１～２０４を１つの層として説明しているが、それらのうちの１つ又は複数が、同じ又は異なる材料の複数の積層によって形成されてもよい。層２０１～２０４は、例えばシリコン材料などの半導体材料を含んでもよい。層２０１～２０４は、それぞれ例えば４５０μｍ、３０～９０μｍ、１０～１２０μｍ及び４５０μｍの厚さであり、場合によっては例えば±５０％、±３０又は±２０％の許容範囲内であってもよい。
領域２９５は、例えば図１との関連で説明したように、ダイシングを容易にするために使用又は生成されたトレンチ構造の跡であってもよい。
層２０１の主面は、図１のバルブ装置１２０と同様のバルブ装置２２０を形成するために層２０２の主面に取り付けられる。バルブ装置２２０は、層装置に配置された入口逆止弁２６０及び出口逆止弁２７０を備え、入口逆止弁２６０及び出口逆止弁２７０の入口トンネルは、図１の入口逆止弁１６０及び出口逆止弁１７０と同様に、反対方向を向いている。
領域２９５は、例えば図１との関連で説明したように、ダイシングを容易にするために使用又は生成されたトレンチ構造の跡であってもよい。
層２０１の主面は、図１のバルブ装置１２０と同様のバルブ装置２２０を形成するために層２０２の主面に取り付けられる。バルブ装置２２０は、層装置に配置された入口逆止弁２６０及び出口逆止弁２７０を備え、入口逆止弁２６０及び出口逆止弁２７０の入口トンネルは、図１の入口逆止弁１６０及び出口逆止弁１７０と同様に、反対方向を向いている。
【0029】
バルブ装置２２０の主面は、層２０３及び第１の電極構造体２１０を備えるダイヤフラム装置２３０の第１の面２８５に取り付けられる。バルブ装置２２０及びダイヤフラム装置２３０は、入口逆止弁２６０及び出口逆止弁２７０を備えるマイクロポンプ２００の少なくとも中央領域２９０にポンプチャンバ２０７を形成するように取り付けられる。
ダイヤフラム装置２３０は、バルブ装置２２０とステータ構造体２４０との間に配置される。ステータ構造体は、層２０４と、第２の電極構造体２１１とを備える。層２０４の第１の主面２４５は、絶縁層２０５によって絶縁されている。絶縁された層２０４は、ダイヤフラム装置２３０の第２の主面２８８に取り付けられている。
層２０４の第１の面２４５は、入口逆止弁２６０、出口逆止弁２７０、及び階段状可変高さ形状２０９を少なくとも部分的に含む、マイクロポンプ２００の中央領域２９０において、階段状可変高さ形状２０９と、少なくとも１つのスティクション防止バンプ２０８とを含む。ダイヤフラム装置２３０の第２の主面２８８及びステータ構造体２４０の第１の主面２４５は、階段状可変高さ形状２０９を含む領域２９０において電極チャンバ２１２を形成する。
ダイヤフラム装置２３０は、バルブ装置２２０とステータ構造体２４０との間に配置される。ステータ構造体は、層２０４と、第２の電極構造体２１１とを備える。層２０４の第１の主面２４５は、絶縁層２０５によって絶縁されている。絶縁された層２０４は、ダイヤフラム装置２３０の第２の主面２８８に取り付けられている。
層２０４の第１の面２４５は、入口逆止弁２６０、出口逆止弁２７０、及び階段状可変高さ形状２０９を少なくとも部分的に含む、マイクロポンプ２００の中央領域２９０において、階段状可変高さ形状２０９と、少なくとも１つのスティクション防止バンプ２０８とを含む。ダイヤフラム装置２３０の第２の主面２８８及びステータ構造体２４０の第１の主面２４５は、階段状可変高さ形状２０９を含む領域２９０において電極チャンバ２１２を形成する。
【0030】
第１の電極構造体２１０及び第２の電極構造体２１１は、ダイヤフラム装置２３０を撓ませるために静電駆動部を形成する。電極構造体は、図２に示すように別個の層であってもよいが、例えば、例えば金属材料若しくはドープされた半導体材料又はこれらの組合せなどの導電性材料を含むように少なくとも１つの層の材料を提供することによって実施されてもよい。
作動時、第１の電極構造体２１０と第２の電極構造体２１１との間に電圧が印加されると、ダイヤフラム装置２３０がステータ構造体２４０に向かって撓む。ステータ構造体２４０はダイヤフラム装置２３０よりも剛性が高いため、ダイヤフラム装置２３０が例えばステータ構造体２４０に向かって撓む一方でステータ構造体は撓まないと考えることができる。マイクロポンプ２００が作動されると、ダイヤフラム装置２３０は電極チャンバ２１２を圧縮し、ポンプチャンバ２０７を膨張させる。ポンプチャンバ２０７の膨張により入口逆止弁２６０が開き、流体が環境から入口逆止弁２６０を通って流入できるようになる。
作動時、第１の電極構造体２１０と第２の電極構造体２１１との間に電圧が印加されると、ダイヤフラム装置２３０がステータ構造体２４０に向かって撓む。ステータ構造体２４０はダイヤフラム装置２３０よりも剛性が高いため、ダイヤフラム装置２３０が例えばステータ構造体２４０に向かって撓む一方でステータ構造体は撓まないと考えることができる。マイクロポンプ２００が作動されると、ダイヤフラム装置２３０は電極チャンバ２１２を圧縮し、ポンプチャンバ２０７を膨張させる。ポンプチャンバ２０７の膨張により入口逆止弁２６０が開き、流体が環境から入口逆止弁２６０を通って流入できるようになる。
【0031】
第１の電極構造体２１０と第２の電極構造体２１１との間の電圧を低下させると、ダイヤフラム装置２３０はその初期位置又はゼロ位置に向かって、又はそこに戻るように撓み、電極チャンバ２１２が膨張しポンプチャンバ２０７が圧縮され得る。ポンプチャンバ２０７の圧縮により、ポンプチャンバ２０７内の圧力が上昇し、出口逆止弁２７０が開き、流体がポンプチャンバ２０７から出口逆止弁２７０を通って環境に流出できるようになる。同時に、弁フラップで入口トンネルを遮断することによって、入口逆止弁２６０は、入口トンネルを通る流体の流れを遮断し得る。
図１の高さ形状１０７と同様の階段状可変高さ形状２０９は、第１の電極構造体２１０と第２の電極構造体２１１との間の距離を減少させ、一定の距離の高さ形状を有するポンプチャンバを備えるマイクロポンプと比較してダイヤフラム装置２３０を撓ませるのに必要な電圧及び／又はエネルギー使用量を低減させる。
ダイヤフラム装置２３０のステータ構造体２４０への固着は、図１のスティクション防止バンプ１０５と同様の少なくとも１つのスティクション防止バンプ２０８によって防止される。スティクション防止バンプ又は追加のスティクション防止バンプ２０８は、層２０４の可変高さ形状に対向して、ダイヤフラム装置２３０の第２の面２８８に配置されてもよい。
図１の高さ形状１０７と同様の階段状可変高さ形状２０９は、第１の電極構造体２１０と第２の電極構造体２１１との間の距離を減少させ、一定の距離の高さ形状を有するポンプチャンバを備えるマイクロポンプと比較してダイヤフラム装置２３０を撓ませるのに必要な電圧及び／又はエネルギー使用量を低減させる。
ダイヤフラム装置２３０のステータ構造体２４０への固着は、図１のスティクション防止バンプ１０５と同様の少なくとも１つのスティクション防止バンプ２０８によって防止される。スティクション防止バンプ又は追加のスティクション防止バンプ２０８は、層２０４の可変高さ形状に対向して、ダイヤフラム装置２３０の第２の面２８８に配置されてもよい。
【0032】
非導電性流体を圧送するように構成された図１のマイクロポンプ１００とは異なり、静電マイクロポンプ２００は、流体が電極構造体に接触しないため、導電性流体と非導電性流体の両方を圧送するように構成される。図１のポンプチャンバ１１０は、第１の電極構造体１０９と第２の電極構造体１０８とによって形成される。ポンプチャンバ１１０内の導電性流体は、図１の第１の電極構造体１０９と第２の電極構造体１０８との間に電気的貫通を引き起こし得る。これに対して、図２では、静電マイクロポンプ２００が導電性流体及び非導電性流体の両方を圧送するように構成される。第１の電極構造体２１０及び第２の電極構造体２１１は電極チャンバ２１２を形成し、流体はポンプチャンバ２０７内を流れる。ポンプチャンバ２０７と電極チャンバ２１２との間には流体接続がないため、静電マイクロポンプ２００は導電性流体も圧送することができる。
【0033】
さらなる実施形態で説明するように、必要な供給電圧及び／又はエネルギー使用量は、電極チャンバ２１２を環境と流体接続して電極チャンバ２１２内の圧力補償を可能にする通気口によってさらに低減され得る。
静電マイクロポンプは、気泡耐性がある場合は合理的になり得るし、ウェハレベルで完全に製造することができ、短絡のリスクなしに電気的に接続することができる。ダイヤフラムを備える静電マイクロポンプは、圧電駆動マイクロポンプと同様に実際の使用に適しているが、圧電マイクロポンプと比較していくつかの追加の利点を持つ。
例えば、静電ダイヤフラムを有する静電マイクロポンプは、エネルギー消費が低い。ダイヤフラムを有する静電駆動マイクロポンプの電荷容量（capacity to be charged）は、圧電駆動マイクロポンプの電荷容量よりも約１オーダー小さくてもよい。
静電マイクロポンプは、気泡耐性がある場合は合理的になり得るし、ウェハレベルで完全に製造することができ、短絡のリスクなしに電気的に接続することができる。ダイヤフラムを備える静電マイクロポンプは、圧電駆動マイクロポンプと同様に実際の使用に適しているが、圧電マイクロポンプと比較していくつかの追加の利点を持つ。
例えば、静電ダイヤフラムを有する静電マイクロポンプは、エネルギー消費が低い。ダイヤフラムを有する静電駆動マイクロポンプの電荷容量（capacity to be charged）は、圧電駆動マイクロポンプの電荷容量よりも約１オーダー小さくてもよい。
【0034】
同等の層材料で組み立てられ、圧電セラミック駆動部によって駆動されるマイクロポンプと比較すると、実施形態は、静電駆動部がシリコン駆動部などの半導体駆動部の場合は温度膨張を１つだけ有するが、圧電セラミック駆動装置の場合は追加の温度膨張を有さないため、温度安定性がより高いポンプが可能となる。
本開示の主題は、静電駆動部の電界力が温度によって変化しないため、圧電セラミック駆動部と比較して温度への付随性がより高いことである。対照的に、圧電セラミックの分極は、キュリー温度に達するとなくなる。
本開示の主題は、静電駆動部が、欠陥のある多結晶圧電セラミック及び接着剤とは対照的に例えば理想的には弾性単結晶シリコンを含むため、機械的抵抗がより高いことである。
圧電セラミック駆動部によって駆動されるマイクロポンプと比較すると、本出願の主題は、静電駆動部がフロントエンド製造プラントのＭＥＭＳ標準プロセスによって製造することが可能なため、製造が容易なことである。
本出願の主題は、静電駆動部及び電極表面の物理的原理が独立して、有利には短い距離でスケーリングできるため、小型化が可能なことである。
本出願の主題は、静電駆動部の製造のプロセスステップがほとんどなくかつ／又はサプライチェーン参加者がほとんどいないため、サプライチェーンコストが低く、経済的なことである。
図１及び図２のマイクロポンプの実施形態を紹介した後、以下の図を参照して、マイクロポンプの実施形態の製造ステップを説明する。
本開示の主題は、静電駆動部の電界力が温度によって変化しないため、圧電セラミック駆動部と比較して温度への付随性がより高いことである。対照的に、圧電セラミックの分極は、キュリー温度に達するとなくなる。
本開示の主題は、静電駆動部が、欠陥のある多結晶圧電セラミック及び接着剤とは対照的に例えば理想的には弾性単結晶シリコンを含むため、機械的抵抗がより高いことである。
圧電セラミック駆動部によって駆動されるマイクロポンプと比較すると、本出願の主題は、静電駆動部がフロントエンド製造プラントのＭＥＭＳ標準プロセスによって製造することが可能なため、製造が容易なことである。
本出願の主題は、静電駆動部及び電極表面の物理的原理が独立して、有利には短い距離でスケーリングできるため、小型化が可能なことである。
本出願の主題は、静電駆動部の製造のプロセスステップがほとんどなくかつ／又はサプライチェーン参加者がほとんどいないため、サプライチェーンコストが低く、経済的なことである。
図１及び図２のマイクロポンプの実施形態を紹介した後、以下の図を参照して、マイクロポンプの実施形態の製造ステップを説明する。
【0035】
図３は、図２のマイクロポンプ２００などの静電マイクロポンプを製造するための一実施形態の第１のステップによって得られた第１の層及び第２の層の概略側面図を示す。第１のステップは、第１の層３０１及び第２の層３０２を提供することである。第１のステップ、第２のステップなどの用語は、必ずしも最初のステップを示すものではなく、ステップを区別するために使用される。同様に、このような表現によってステップの順序は必ずしも限定されない。
第１の層３０１は、図２のダイヤフラム装置２３０と同様のダイヤフラム装置になり、第２の層３０２は、図２のステータ構造体２４０と同様のステータ構造体になり得る。
例えば、両方の層は、理想的には研磨された単結晶シリコンで作られたウェハの一部であってもよく、Ｘは所与の層の研磨された表面を表す。シリコンウェハと同様に、両方のウェハは、表３０３に示すようにＰ＋又はＮ＋ドープされてもよい。したがって、両方の層がＮ＋又はＰ＋ドープされてもよく、又は第１の層がＮ＋ドープ、第２の層がＰ＋ドープされてもよい。
両方のウェハは、例えば、例えば７５０μｍの厚さ及び例えば０．００１～０．１オームセンチメートルの抵抗率を有する片面研磨（ＳＳＰ）８インチの高濃度にドープされたウェハであってもよい。エッチングプロセスなどのさらなるプロセスのための調整マーキング又は接合マーキングなどのマーキングが、ウェハの研磨面に適用されてもよい。
第１の層３０１は、図２のダイヤフラム装置２３０と同様のダイヤフラム装置になり、第２の層３０２は、図２のステータ構造体２４０と同様のステータ構造体になり得る。
例えば、両方の層は、理想的には研磨された単結晶シリコンで作られたウェハの一部であってもよく、Ｘは所与の層の研磨された表面を表す。シリコンウェハと同様に、両方のウェハは、表３０３に示すようにＰ＋又はＮ＋ドープされてもよい。したがって、両方の層がＮ＋又はＰ＋ドープされてもよく、又は第１の層がＮ＋ドープ、第２の層がＰ＋ドープされてもよい。
両方のウェハは、例えば、例えば７５０μｍの厚さ及び例えば０．００１～０．１オームセンチメートルの抵抗率を有する片面研磨（ＳＳＰ）８インチの高濃度にドープされたウェハであってもよい。エッチングプロセスなどのさらなるプロセスのための調整マーキング又は接合マーキングなどのマーキングが、ウェハの研磨面に適用されてもよい。
【0036】
図４は、図２のマイクロポンプ２００などの静電マイクロポンプを製造するための一実施形態による、第２の層３０２を最初にエッチングすることによって得られ得る第２の層３０２の概略側面図を示す。図４は、研磨された主面において第２の層３０２をエッチングするのに使用されるように構成されたエッチングマスクの上面図をさらに示す。
第２の層は、後にダイシングされるマイクロポンプの中心領域となることが意図されたウェハの領域４０５において、例えば、円形のポンプチャンバ又はその中の段差を生成するために円形形状を有し得るマスク４２０を使用して、例えば約３μｍの深さでエッチングされる。エッチングの深さ及び／又はマスクの形状は、ウェハ属性及び／又はポンプ要件などによって異なり得る。エッチングされた領域４０５は、図２の階段状可変高さ形状２０９と同様の階段状可変高さ形状の第１のステップとなる。
第２の層は、後にダイシングされるマイクロポンプの中心領域となることが意図されたウェハの領域４０５において、例えば、円形のポンプチャンバ又はその中の段差を生成するために円形形状を有し得るマスク４２０を使用して、例えば約３μｍの深さでエッチングされる。エッチングの深さ及び／又はマスクの形状は、ウェハ属性及び／又はポンプ要件などによって異なり得る。エッチングされた領域４０５は、図２の階段状可変高さ形状２０９と同様の階段状可変高さ形状の第１のステップとなる。
【0037】
図５は、図２のマイクロポンプ２００などの静電マイクロポンプを製造するための一実施形態による、第２の層３０２を２回目にエッチングすることによって得られ得る第２の層３０２の概略側面図を示す。図５は、第２の層３０２を２回目にエッチングするのに使用されるように構成された様々なエッチングマスク５１０、５２０、５３０、５４０の上面図をさらに示す。
図４の第２の層３０２は、後にダイシングされるマイクロポンプの中心領域となることが意図されたウェハの領域５０５において、例えば、図４のマスク４２０の形状と同様の形状、例えば円形形状を有するマスク５１０を使用して、研磨された主面上で、約３μｍの深さで再びエッチングされる。エッチングされた領域５０５及び／又はマスク５１０は、図４の中央領域４０５及び／又はマスク４２０とは直径が異なる。エッチングされた領域５０５は、エッチングされた領域４０５と共に、図２の階段状可変高さ形状２０９と同様の階段状可変高さ形状５６０を形成する。
図４の第２の層３０２は、後にダイシングされるマイクロポンプの中心領域となることが意図されたウェハの領域５０５において、例えば、図４のマスク４２０の形状と同様の形状、例えば円形形状を有するマスク５１０を使用して、研磨された主面上で、約３μｍの深さで再びエッチングされる。エッチングされた領域５０５及び／又はマスク５１０は、図４の中央領域４０５及び／又はマスク４２０とは直径が異なる。エッチングされた領域５０５は、エッチングされた領域４０５と共に、図２の階段状可変高さ形状２０９と同様の階段状可変高さ形状５６０を形成する。
【0038】
あるいは、第２の層３０２は、マスク５２０、マスク５３０又はマスク５４０によって研磨された主面上でエッチングされてもよい。マスク５２０、５３０及び５４０は、通気口５５０を有する円形チャンバをエッチング又は形成するように構成されている点で同様である。通気口５５０は、電極チャンバを静電マイクロポンプの環境と接続するように構成される。
エッチングマスク５２０及び５３０は、通気口の異なる角度の例を示している。エッチングマスク５４０は、１よりも多い例えば４つのマイクロポンプを形成するために、それぞれの通気口５５０を有する、１よりも多い例えば４つの電極チャンバをエッチングするように構成される。エッチングプロセスは、ＳＰＴＳ非スイッチングプロセス管理を使用してもよい。エッチングされるチャンバの深さは、ウェハごとに異なり得る。
エッチングマスク５２０及び５３０は、通気口の異なる角度の例を示している。エッチングマスク５４０は、１よりも多い例えば４つのマイクロポンプを形成するために、それぞれの通気口５５０を有する、１よりも多い例えば４つの電極チャンバをエッチングするように構成される。エッチングプロセスは、ＳＰＴＳ非スイッチングプロセス管理を使用してもよい。エッチングされるチャンバの深さは、ウェハごとに異なり得る。
【0039】
図６は、図２の静電マイクロポンプ２００などの静電マイクロポンプを製造するための一実施形態による、第１の層３０１及び第２の層３０２を酸化することによって得られ得る絶縁された第１の層３０１及び絶縁された第２の層３０２の概略側面図を示す。
第１の層３０１及びエッチングされた第２の層３０２の両方の層が酸化され、それらの両方の主面に酸化物層が形成される。酸化物層の目標厚さは例えば４００ｎｍであり、これにより２つの電極構造体間の絶縁層として作用し、例えば２００Ｖ未満の電圧値で電極構造体間の電気的貫通を防止する。酸化プロセスにより、図２の絶縁酸化物層２０５と同様の絶縁酸化物層６１０が層３０２及び３０１の主面の両側に形成される。
第１の層３０１及びエッチングされた第２の層３０２の両方の層が酸化され、それらの両方の主面に酸化物層が形成される。酸化物層の目標厚さは例えば４００ｎｍであり、これにより２つの電極構造体間の絶縁層として作用し、例えば２００Ｖ未満の電圧値で電極構造体間の電気的貫通を防止する。酸化プロセスにより、図２の絶縁酸化物層２０５と同様の絶縁酸化物層６１０が層３０２及び３０１の主面の両側に形成される。
【0040】
図７は、図２の静電マイクロポンプ２００などの静電マイクロポンプを製造するための一実施形態による、エッチングされた第２の層３０２の可変高さ形状５６０上で絶縁酸化物層６１０にスティクション防止バンプ７０８をエッチングすることによって得られ得るスティクション防止バンプ７０８を有する絶縁された第２の層３０２の概略側面図を示す。
図７は、スティクション防止バンプ７０８をエッチングするのに使用されるように構成されたエッチングマスク７１０の上面図をさらに示す。スティクション防止バンプ７０８をエッチングするのに使用されるエッチングマスク７１０は、ドットパターン７３０を有する円形形状７２０を備える。
スティクション防止バンプ７０８は、ＫＯＨを使用するドライエッチングプロセス又はウェットエッチングプロセスによって、非常に小さい目標深さ（例えば２０ｎｍ～２００ｎｍの間。スティクション防止バンプ７０８の目標直径は、例えば２０μｍ）でエッチングされてもよい。スティクション防止バンプ７０８は、図２のスティクション防止バンプ２０８と同様である。
図７は、スティクション防止バンプ７０８をエッチングするのに使用されるように構成されたエッチングマスク７１０の上面図をさらに示す。スティクション防止バンプ７０８をエッチングするのに使用されるエッチングマスク７１０は、ドットパターン７３０を有する円形形状７２０を備える。
スティクション防止バンプ７０８は、ＫＯＨを使用するドライエッチングプロセス又はウェットエッチングプロセスによって、非常に小さい目標深さ（例えば２０ｎｍ～２００ｎｍの間。スティクション防止バンプ７０８の目標直径は、例えば２０μｍ）でエッチングされてもよい。スティクション防止バンプ７０８は、図２のスティクション防止バンプ２０８と同様である。
【0041】
図８は、図２のマイクロポンプ２００などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、絶縁された第１の層３０１のフレーム領域８３０をエッチング除去したときに得られ得る絶縁された第１の層３０１の概略側面図を示す。例えば、フレーム形状８２０を有するエッチングマスク８１０を使用することによって、第１の層３０１の研磨された表面上の例えば３６μｍの深さのフレーム領域８３０がエッチング除去される。
第１の層３０１のフレーム領域８３０をエッチング除去又は薄くすることにより、第１の層をダイシングプロセスに向けて準備する。例えば、ダイシング・バイ・シンニング・プロセスのドライエッチングプロセスにより、３６μｍ程度の深さをエッチングしてもよい。
さらに、フレーム領域８３０は、隣接するダイヤフラム装置間に絶縁間隙を提供し、製造プロセスにおいてマイクロポンプをウェハレベルで試験できるようにする。
第１の層３０１のフレーム領域８３０をエッチング除去又は薄くすることにより、第１の層をダイシングプロセスに向けて準備する。例えば、ダイシング・バイ・シンニング・プロセスのドライエッチングプロセスにより、３６μｍ程度の深さをエッチングしてもよい。
さらに、フレーム領域８３０は、隣接するダイヤフラム装置間に絶縁間隙を提供し、製造プロセスにおいてマイクロポンプをウェハレベルで試験できるようにする。
【0042】
図９ａ及び図９ｂは、図２のマイクロポンプ２００などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、絶縁された第１の層３０１を絶縁された第２の層３０２に取り付けたときに得られ得るアクチュエータ装置の概略側面図を示す。図９ａは、チップレベル９１０のアクチュエータ装置の概略側面図を示し、図９ｂは、ウェハレベル９４０の複数のアクチュエータ装置の概略側面図を示す。
第２の層３０２の階段状高さ形状５６０及びスティクション防止バンプ７０８を有する主表面は、第１の層３０１のエッチングされた主表面に取り付けられる。第１及び第２の層３０１、３０２は、例えば１０５０℃のウェハ接合を例えば４時間行うことにより取り付けられる。第１及び第２の層３０１、３０２は、図２の電極チャンバ２１２と同様の電極チャンバ９３０を形成する。
第１の層３０１及び第２の層３０２は、アクチュエータ装置９２０を形成するために互いに接合される。２つの層３０１、３０２は、ウェハレベル９４０で互いに接合され、個々のチップ９１０はまだダイシングされていない。
アクチュエータ装置９２０は、その主面の両方に絶縁酸化物層６１０を備えてもよい。
第２の層３０２の階段状高さ形状５６０及びスティクション防止バンプ７０８を有する主表面は、第１の層３０１のエッチングされた主表面に取り付けられる。第１及び第２の層３０１、３０２は、例えば１０５０℃のウェハ接合を例えば４時間行うことにより取り付けられる。第１及び第２の層３０１、３０２は、図２の電極チャンバ２１２と同様の電極チャンバ９３０を形成する。
第１の層３０１及び第２の層３０２は、アクチュエータ装置９２０を形成するために互いに接合される。２つの層３０１、３０２は、ウェハレベル９４０で互いに接合され、個々のチップ９１０はまだダイシングされていない。
アクチュエータ装置９２０は、その主面の両方に絶縁酸化物層６１０を備えてもよい。
【0043】
図１０は、図２のマイクロポンプ２００などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置９２０の主面から絶縁層６１０を除去することによって得られ得るアクチュエータ装置の概略側面図を示す。
酸化物層の除去は、ＨＦ－Ｄｉｐなどの湿式化学プロセスによって行われてもよい。アクチュエータ装置９２０の主面の絶縁層を除去することにより、第１の層及び／又は第２の層３０１、３０２との電気的接触を形成することができる。
酸化物層の除去は、ＨＦ－Ｄｉｐなどの湿式化学プロセスによって行われてもよい。アクチュエータ装置９２０の主面の絶縁層を除去することにより、第１の層及び／又は第２の層３０１、３０２との電気的接触を形成することができる。
【0044】
図１１は、図２のマイクロポンプ２００などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置９２０の第１の層３０１を薄くしたときに得られ得るアクチュエータ装置９２０の概略側面図を示す。第１の層３０１からダイヤフラムを形成するために、すなわち、層３０１を撓み可能にし、かつ、撓んだときに破損しないように機械的に十分に安定させるために、第１の層３０１の厚さを減少させる。例えば、第１の層３０１は、例えば７５０μｍから例えば３０μｍまで薄くしてもよい。
例えば、薄くするプロセスは、第１の層３０１を７５０μｍから１００μｍまで研削し、次いで化学機械研磨（ＣＭＰ）を適用して例えば５０μｍの厚さに到達させることによって行われてもよい。残りの例えば２０μｍは、ドライエッチングによってエッチング除去され得る。第１の層３０１は、厚さが図２のダイヤフラム装置２３０と同じ範囲にあるダイヤフラムとなる。
第１の層３０１から形成されたダイヤフラムが非導電性ダイヤフラムである場合、ダイヤフラム上への電極構造体の堆積が推奨される。
例えば、薄くするプロセスは、第１の層３０１を７５０μｍから１００μｍまで研削し、次いで化学機械研磨（ＣＭＰ）を適用して例えば５０μｍの厚さに到達させることによって行われてもよい。残りの例えば２０μｍは、ドライエッチングによってエッチング除去され得る。第１の層３０１は、厚さが図２のダイヤフラム装置２３０と同じ範囲にあるダイヤフラムとなる。
第１の層３０１から形成されたダイヤフラムが非導電性ダイヤフラムである場合、ダイヤフラム上への電極構造体の堆積が推奨される。
【0045】
図１２は、図２のマイクロポンプ２００などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、アクチュエータ装置９２０の第１の層３０１を有する主面上に導電性材料１２１０を堆積させることによって得られ得るアクチュエータ装置９２０の概略側面図を示す。
堆積は、例えば、アクチュエータ装置９２０の第１の層３０１から形成されたダイヤフラムを有する表面上に、アルミニウムなどの導電性材料１２１０をスパッタリングすることによって行ってもよい。導電性材料１２１０は、図２のダイヤフラム装置２３０の第２の電極構造体２１０として作用してもよい。
スパッタリングプロセスは、第１の層３０１から形成されたダイヤフラムの真上だけではなく、アクチュエータ装置９２０の表面全体に導電性材料１２１０を堆積させ得るため、図１３に示すように、ダイヤフラム間の導電性材料１２１０を除去することが好ましい。
堆積は、例えば、アクチュエータ装置９２０の第１の層３０１から形成されたダイヤフラムを有する表面上に、アルミニウムなどの導電性材料１２１０をスパッタリングすることによって行ってもよい。導電性材料１２１０は、図２のダイヤフラム装置２３０の第２の電極構造体２１０として作用してもよい。
スパッタリングプロセスは、第１の層３０１から形成されたダイヤフラムの真上だけではなく、アクチュエータ装置９２０の表面全体に導電性材料１２１０を堆積させ得るため、図１３に示すように、ダイヤフラム間の導電性材料１２１０を除去することが好ましい。
【0046】
図１３は、図２のマイクロポンプ２００などのマイクロポンプを製造するための一実施形態による、ダイヤフラムを含まないマイクロポンプの周辺領域から導電性材料を除去することによって得ることができるアクチュエータ装置の概略側面図を示す。
後にダイシングされるマイクロポンプの周辺領域、すなわち第１の層３０１から形成されたダイヤフラムの間から導電性材料１２１０を除去することは、隣接するダイヤフラムからダイヤフラムを絶縁することである。導電性材料の除去は、スプレーコーティング及び湿式化学エッチングによって行ってもよい。
第１の層３０１及び導電層１２１０は、層２０３及び第２の電極構造体２１０によって形成された図２のダイヤフラム装置２３０と同様のダイヤフラム装置１３１０を形成する。
ダイヤフラム装置１３１０は隣接するダイヤフラム装置１３１０から絶縁されてもよく、これにより、図１４に示すようにウェハ試験装置１４００におけるウェハレベルでの試験が可能となる。例えば、跡１９５及び／又は２９５となり得るトレンチを形成してもよい。
後にダイシングされるマイクロポンプの周辺領域、すなわち第１の層３０１から形成されたダイヤフラムの間から導電性材料１２１０を除去することは、隣接するダイヤフラムからダイヤフラムを絶縁することである。導電性材料の除去は、スプレーコーティング及び湿式化学エッチングによって行ってもよい。
第１の層３０１及び導電層１２１０は、層２０３及び第２の電極構造体２１０によって形成された図２のダイヤフラム装置２３０と同様のダイヤフラム装置１３１０を形成する。
ダイヤフラム装置１３１０は隣接するダイヤフラム装置１３１０から絶縁されてもよく、これにより、図１４に示すようにウェハ試験装置１４００におけるウェハレベルでの試験が可能となる。例えば、跡１９５及び／又は２９５となり得るトレンチを形成してもよい。
【0047】
図１４は、アクチュエータ装置９２０をウェハレベルで試験するように構成された、ウェハ試験装置１４００の概略側面図を示す。試験装置１４００は、試験中にアクチュエータ装置９２０を保持するように構成されたチャック１４５０を備える。試験装置１４００は、アクチュエータ装置９２０を試験するように構成されたプローブ１４２０又はウェハプローブをさらに備える。
試験は、アクチュエータ装置９２０の第２の層３０２をチャック１４５０に取り付けることを含み、アクチュエータ装置９２０は、第２の層３０２のウェハ及び複数のダイヤフラム装置１３１０を備える。
試験は、プローブ１４２０をダイヤフラム装置１３１０上に１つずつ配置することと、アクチュエータ装置９２０又はダイヤフラム装置１３１０に試験電圧を印加することによってアクチュエータ装置９２０を試験又はプロービングすることとをさらに含む。
ダイヤフラム装置１３１０は、ダイヤフラム装置１３１０を含まず、後にダイシングされるマイクロポンプの周辺領域で絶縁間隙１４８０によって隣接するダイヤフラム装置１３１０から絶縁される。
試験は、アクチュエータ装置９２０の第２の層３０２をチャック１４５０に取り付けることを含み、アクチュエータ装置９２０は、第２の層３０２のウェハ及び複数のダイヤフラム装置１３１０を備える。
試験は、プローブ１４２０をダイヤフラム装置１３１０上に１つずつ配置することと、アクチュエータ装置９２０又はダイヤフラム装置１３１０に試験電圧を印加することによってアクチュエータ装置９２０を試験又はプロービングすることとをさらに含む。
ダイヤフラム装置１３１０は、ダイヤフラム装置１３１０を含まず、後にダイシングされるマイクロポンプの周辺領域で絶縁間隙１４８０によって隣接するダイヤフラム装置１３１０から絶縁される。
【0048】
側壁絶縁部又は絶縁間隙１４８０は、本発明のマイクロポンプの本質的な特徴と考えることができる。側壁絶縁部は、２つの電極表面の間の絶縁部及び／又は少なくとも１つの電極表面の周りのフレームであり、分離部のエッチング及び酸化などの後続の層変換によって、並びに／又はＰＥＣＶＤ、ＰＶＤなどの物理的及び／若しくは化学的プロセスを使用して絶縁層を堆積することによって生成される。
アクチュエータ又はダイヤフラム装置１３１０の絶縁及び分離は、製造プロセスを高速化するという利点を有し、ウェハレベルベースの測定による試験を可能にする。
静電マイクロポンプは、隣接するダイヤフラム装置１３１０から絶縁を行わない既知のマイクロポンプとは異なる。マイクロポンプ１００などの本実施形態では、隣接するダイヤフラム装置１３１０からの絶縁が実施される。隣接するダイヤフラム装置１３１０からの絶縁は、図２のマイクロポンプ２００などの導電性液体用のマイクロポンプの製造において、わずかに変更された形態で実施することもできる。
アクチュエータ装置９２０の上述の製造は、アクチュエータ装置９２０のいわゆる短ループ変形例を生成するものである。あるいは、アクチュエータ装置９２０の全ループ変形例もある。全ループ変形例の製造の一部を図１５ａ～図１５ｃに示す。
アクチュエータ又はダイヤフラム装置１３１０の絶縁及び分離は、製造プロセスを高速化するという利点を有し、ウェハレベルベースの測定による試験を可能にする。
静電マイクロポンプは、隣接するダイヤフラム装置１３１０から絶縁を行わない既知のマイクロポンプとは異なる。マイクロポンプ１００などの本実施形態では、隣接するダイヤフラム装置１３１０からの絶縁が実施される。隣接するダイヤフラム装置１３１０からの絶縁は、図２のマイクロポンプ２００などの導電性液体用のマイクロポンプの製造において、わずかに変更された形態で実施することもできる。
アクチュエータ装置９２０の上述の製造は、アクチュエータ装置９２０のいわゆる短ループ変形例を生成するものである。あるいは、アクチュエータ装置９２０の全ループ変形例もある。全ループ変形例の製造の一部を図１５ａ～図１５ｃに示す。
【0049】
図１５ａは、階段状高さ形状５６０とスティクション防止バンプ７０８とを有する第２の層３０２の主面を第１の層３０１に取り付けることによって形成されたアクチュエータ装置９２０の概略側面図を示す。第２の層３０２は、図１５ａに示すように既にダイシングされていてもよいし、図１５ｂに示すように、薄くしたフレーム領域によってダイシングに向けて準備されていてもよい。
【0050】
図１５ｂは、アクチュエータ装置９２０の全ループ変形例の概略側面図を示し、第１の層３０１は全領域で薄くされ、階段状高さ形状５６０の領域１５１０でさらに薄くされている。第１の層３０１は導電性材料を含んでもよい。エッチング１５１０は、電圧が印加されずダイヤフラムが圧力平衡される場合のポンプチャンバ高さを画定する。マイクロポンプの良好な圧縮比を達成し、ポンプが気泡耐性を持てるようにするために、このポンプチャンバ高さは非常に小さく選択されるべきである。この高さ（１５１０の深さ）は、静電マイクロポンプの重要な設計パラメータと考えることができる。高い気泡耐性又は高いガス背圧が要求される場合、このポンプチャンバ高さは非常に小さく（ドライエッチング又はＫＯＨエッチングなどのエッチング技術に応じて）選択することができる。例えば、５０ナノメートル～１μｍである。
ポンプチャンバの高さが低いときの欠点は、ポンプチャンバ内の流体抵抗が高くなることである。そのために、流体（液体又は気体）に高い流量が要求される場合、ポンプチャンバ高さ１５１０はアクチュエータストロークに応じて１μｍから最大２０μｍまで選択することができる。ポンプチャンバが高いほど流体抵抗は小さくなり、ポンプ速度は高くなるが、圧縮比と気泡耐性は低下する。
ポンプチャンバの高さが低いときの欠点は、ポンプチャンバ内の流体抵抗が高くなることである。そのために、流体（液体又は気体）に高い流量が要求される場合、ポンプチャンバ高さ１５１０はアクチュエータストロークに応じて１μｍから最大２０μｍまで選択することができる。ポンプチャンバが高いほど流体抵抗は小さくなり、ポンプ速度は高くなるが、圧縮比と気泡耐性は低下する。
【0051】
図１５ｃはマイクロポンプ１５７０の概略側面図を示す。図２のマイクロポンプ２００と同様のマイクロポンプ１５７０を製造することは、バルブ装置１５５０をアクチュエータ装置９２０に取り付けることによって得られる。マイクロポンプ１５７０のポンプチャンバ１５８０は、二重エッチングされた領域１５１０及びバルブ装置１５５０によって形成される。
短ループ変形例と全ループ変形例との間のいくつかの違いを認識することができる。短ループ変形例では、層３０１から生成されたダイヤフラムが隣接するダイヤフラムからダイシングされ、かつ／又は絶縁されるが、全ループ変形例では、ステータ構造体が隣接するステータ構造体からダイシングされ、かつ／又は絶縁される。
さらに、全ループ変形例では、ポンプチャンバ１５８０は第１の層３０１にエッチングされるが、ショートループ変形例ではそうする必要はなく、ポンプチャンバはダイヤフラム装置及びバルブ装置によって形成される。
さらに、全ループ変形例では、アクチュエータ装置９２０をバルブ装置に取り付け、例えば接合するが、短ループ変形例ではそうする必要はない。
短ループ変形例と全ループ変形例との間のいくつかの違いを認識することができる。短ループ変形例では、層３０１から生成されたダイヤフラムが隣接するダイヤフラムからダイシングされ、かつ／又は絶縁されるが、全ループ変形例では、ステータ構造体が隣接するステータ構造体からダイシングされ、かつ／又は絶縁される。
さらに、全ループ変形例では、ポンプチャンバ１５８０は第１の層３０１にエッチングされるが、ショートループ変形例ではそうする必要はなく、ポンプチャンバはダイヤフラム装置及びバルブ装置によって形成される。
さらに、全ループ変形例では、アクチュエータ装置９２０をバルブ装置に取り付け、例えば接合するが、短ループ変形例ではそうする必要はない。
【0052】
図１６は、静電駆動マイクロポンプ設計のシミュレートされた可能な実装形態の表を示す。例示的なシミュレートされた実施形態は本発明を限定するものではなく、静電駆動マイクロポンプは膨大な範囲のチップサイズで製造することができる。図１６は、１０×１０ｍｍ２から１×１ｍｍ２までの異なるチップサイズのシミュレーション結果を示す。ポンプチャンバ及び作動チャンバは円形であり、正方形のチップ縁部までの最小距離は１００μｍである。結果は二次的なチップサイズに関連して説明されているが、チップはその側面でアスペクト比が異なっていてもよく、例えば１：１とは異なり、例えば長方形形状であってもよい。あるいは、楕円形若しくは円形又はそれらとは異なる任意の他の形状が実施されてもよい。
静電駆動マイクロポンプ設計の重要な属性の可能な値を以下に列挙する。
静電駆動マイクロポンプ設計の重要な属性の可能な値を以下に列挙する。
【0053】
バルブユニットのデッドボリュームを計算するために、（ＫＯＨエッチングされた）確立された圧電マイクロポンプのデータを使用した。３×３ｍｍ２未満のチップサイズについては、デッドボリュームが小さいドライエッチングされた弁を想定した。
このシミュレーションでは、設計の直径及び厚さは、約３０～５３ｋＰａのブロッキング圧力を有するように適合された。スイッチング電圧及びブロッキング圧力は、Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ ＥＭＦＴで既に実現されている基準設計と比較された。作動間隙チャンバの高さはすべての設計について５μｍが選択されており、スイッチング電圧及び行程容積を増減させることでより高い又はより低い値に変動させることができる。
シミュレーションの１つの関連する結果は、圧縮比及び作動ダイヤフラムの剛性によってポンプが達成できる最小及び最大空気圧である。この理論は、静電駆動ポンプのこのシミュレーションにおいて適合されている。バルブの毛細管圧を考慮すると、気泡耐性マイクロポンプは、１０ｋＰａ近く又は１０ｋＰａを超える空気背圧を有するべきであると推定することができる。これにより、上記の表によれば、１．５×１．５ｍｍ２までのチップサイズを有し、液体及び気体を圧送するだけでなく気泡耐性もある静電作動マイクロポンプを実現できると結論付けることができる。最適化された作動チャンバ（シミュレーションではまだ実装されていない）を用いれば、この目標は１×１ｍｍ２の設計でも達成され得る。
このシミュレーションでは、設計の直径及び厚さは、約３０～５３ｋＰａのブロッキング圧力を有するように適合された。スイッチング電圧及びブロッキング圧力は、Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ ＥＭＦＴで既に実現されている基準設計と比較された。作動間隙チャンバの高さはすべての設計について５μｍが選択されており、スイッチング電圧及び行程容積を増減させることでより高い又はより低い値に変動させることができる。
シミュレーションの１つの関連する結果は、圧縮比及び作動ダイヤフラムの剛性によってポンプが達成できる最小及び最大空気圧である。この理論は、静電駆動ポンプのこのシミュレーションにおいて適合されている。バルブの毛細管圧を考慮すると、気泡耐性マイクロポンプは、１０ｋＰａ近く又は１０ｋＰａを超える空気背圧を有するべきであると推定することができる。これにより、上記の表によれば、１．５×１．５ｍｍ２までのチップサイズを有し、液体及び気体を圧送するだけでなく気泡耐性もある静電作動マイクロポンプを実現できると結論付けることができる。最適化された作動チャンバ（シミュレーションではまだ実装されていない）を用いれば、この目標は１×１ｍｍ２の設計でも達成され得る。
【0054】
チップサイズが２×２ｍｍ２以下の静電マイクロポンプは、例えば使い捨てのラボ・オン・チップシステム又はスマート電子薬物ピルに使用できる低コストで持続可能かつ使い捨ての装置に向けた大きなステップである。
・低コスト：８インチウェハでは８０００個近くの２×２ｍｍ２ポンプが実現でき、これにより、例えば週当たり１００個を超えるウェハのスタートといった非常に大量での製造コストが１０セントを下回り、安価で有利となる。また、圧電素子が使用されないので、このポンプにはピック＆プレースや接着が必要でなくなる。
・持続可能な使い捨て装置：シリコン層のスタックのみからなるシリコンマイクロポンプは、圧電ＰＺＴの鉛のような有毒物質を全く含まない。シリコン及び酸化ケイ素は、砂と同じ材料と、その上の金又はアルミニウムのような非常に薄い金属層とからなる。これにより、この装置を廃棄物にすることは問題なく、完全に持続可能な構成要素となる。
・低コスト：８インチウェハでは８０００個近くの２×２ｍｍ２ポンプが実現でき、これにより、例えば週当たり１００個を超えるウェハのスタートといった非常に大量での製造コストが１０セントを下回り、安価で有利となる。また、圧電素子が使用されないので、このポンプにはピック＆プレースや接着が必要でなくなる。
・持続可能な使い捨て装置：シリコン層のスタックのみからなるシリコンマイクロポンプは、圧電ＰＺＴの鉛のような有毒物質を全く含まない。シリコン及び酸化ケイ素は、砂と同じ材料と、その上の金又はアルミニウムのような非常に薄い金属層とからなる。これにより、この装置を廃棄物にすることは問題なく、完全に持続可能な構成要素となる。
【0055】
図１７は、通気口１７２０を有する、図２のマイクロポンプ２００と同様のマイクロポンプ１７００の概略側面図を示す。マイクロポンプは、バルブ装置１７６０と、ダイヤフラム装置１７１０と、ステータ構造体１７４０とを備える。バルブ装置１７６０の主面はダイヤフラム装置１７１０の主面に取り付けられ、ポンプチャンバ１７３０を形成する。ポンプチャンバに対向するダイヤフラム装置の主面はステータ構造体１７４０に取り付けられる。ステータ構造体は、階段状可変高さ形状１７８０と、通気口１７２０とを備える。ダイヤフラム装置１７１０は、バルブ装置１７６０とステータ構造体１７４０との間にある。ダイヤフラム装置は、ステータ構造体１７４０と共に電極チャンバ１７５０を形成する。ステータ構造体１７４０の通気口１７２０は、電極チャンバ１７５０を環境と接続する。
【0056】
通気口１７２０の利点は、電極チャンバ１７５０内の圧力が常に周囲圧力であること、すなわちダイヤフラムのゼロ位置が例えば大気圧の変動に依存しないことである。
通気口のさらなる利点は平坦なダイヤフラムである。仮にポンプチャンバの高さが０であれば、最大圧縮比が達成される。しかしながら特定のポンプチャンバ高さが必要であり、そうでなければ、ポンプチャンバ内の流れ抵抗が非常に高くなってしまう。
通気口の利点は、ダイヤフラムの圧力が常に平衡であり、大気圧がダイヤフラムのゼロ位置を変化させず、平坦なダイヤフラムによって高い圧縮比を達成でき、ダイヤフラムが移動するときに電極チャンバ内に背圧が発生しないという事実を含む。
しかしながら、通気口の使用は、製造、加工、ソーイング中、及び／又は動作による汚染のリスクにつながり得る。汚染は、粒子輸送又はベローズ粒子輸送の形態で、又は凝縮した水分の形態で現れ得る。図１８は、通気口の欠点を回避するために適用される設計措置を示す。図１８で適用される設計措置は、個別に適用してもよいし、組み合わせてもよい。
通気口のさらなる利点は平坦なダイヤフラムである。仮にポンプチャンバの高さが０であれば、最大圧縮比が達成される。しかしながら特定のポンプチャンバ高さが必要であり、そうでなければ、ポンプチャンバ内の流れ抵抗が非常に高くなってしまう。
通気口の利点は、ダイヤフラムの圧力が常に平衡であり、大気圧がダイヤフラムのゼロ位置を変化させず、平坦なダイヤフラムによって高い圧縮比を達成でき、ダイヤフラムが移動するときに電極チャンバ内に背圧が発生しないという事実を含む。
しかしながら、通気口の使用は、製造、加工、ソーイング中、及び／又は動作による汚染のリスクにつながり得る。汚染は、粒子輸送又はベローズ粒子輸送の形態で、又は凝縮した水分の形態で現れ得る。図１８は、通気口の欠点を回避するために適用される設計措置を示す。図１８で適用される設計措置は、個別に適用してもよいし、組み合わせてもよい。
【0057】
図１８ａは、毛細管停止部を有する通気口の概略上面図を示す。電極チャンバ１８１０は通気口１８９０を介して環境と接続され、通気口はバッファボリューム１８６０と組み合わせた毛細管停止部１８２０を備える。
図１８ｂ及び図１８ｃの措置は、著しい空気流が通気口を流れることができず、ダイヤフラムが移動するストローク時間中に粒子を吸い込めないように、通気口１８９０の流れ抵抗を増加させている。ストローク時間は、ポンプ設計及び媒体の粘度に応じて１ｍｓ～１００ｍｓの間であってもよい。
図１８ｂは、断面が縮小された通気口の概略上面図を示す。主に通気口の断面１８４０を縮小することによって流れ抵抗を増加させている。
図１８ｃは、蛇行部を有する通気口の概略上面図を示す。通気距離を増加させ、蛇行部１８３０を適用することによって流れ抵抗を増加させている。
図１８ｄは、フィルタを有する通気口１８９０の概略上面図を示す。横方向フィルタ１８５０が通気口１８９０に設けられており、粒子に対する最も簡単な措置の１つとなり得る。
図１８ｅは、行程容積よりもかなり大きいバッファボリューム１８６０を有し、例えば４つのバッファボリュームを有する通気口又は電極チャンバ１８１０の概略上面図を示す。この場合、環境との直接的な体積交換はなく、周囲空気がバッファボリューム１８６０に入るだけである。バッファボリュームは、対電極又は非移動電極構造体における深さのエッチングによって実現することができる。
図１８ｂ及び図１８ｃの措置は、著しい空気流が通気口を流れることができず、ダイヤフラムが移動するストローク時間中に粒子を吸い込めないように、通気口１８９０の流れ抵抗を増加させている。ストローク時間は、ポンプ設計及び媒体の粘度に応じて１ｍｓ～１００ｍｓの間であってもよい。
図１８ｂは、断面が縮小された通気口の概略上面図を示す。主に通気口の断面１８４０を縮小することによって流れ抵抗を増加させている。
図１８ｃは、蛇行部を有する通気口の概略上面図を示す。通気距離を増加させ、蛇行部１８３０を適用することによって流れ抵抗を増加させている。
図１８ｄは、フィルタを有する通気口１８９０の概略上面図を示す。横方向フィルタ１８５０が通気口１８９０に設けられており、粒子に対する最も簡単な措置の１つとなり得る。
図１８ｅは、行程容積よりもかなり大きいバッファボリューム１８６０を有し、例えば４つのバッファボリュームを有する通気口又は電極チャンバ１８１０の概略上面図を示す。この場合、環境との直接的な体積交換はなく、周囲空気がバッファボリューム１８６０に入るだけである。バッファボリュームは、対電極又は非移動電極構造体における深さのエッチングによって実現することができる。
【0058】
図１８で説明した構造を組み合わせることも可能である。これらの構造はまた、マイクロポンプの層に垂直に面する通気口をドライエッチングすることによって横方向に実現されてもよい。層に垂直な孔は箔で覆うことができるが、側孔はソーイング、ダイシングプロセスによって汚染される可能性がある。
例えば、１μｍの直径を有する通気口は、間に広がる毛細管停止部を有し、おそらく汚染のリスクを大幅に低減する。同時に、例えば、直径１μｍの狭い穴は、１μｍを超える粒子が電極チャンバに入るのを防止する。平坦なダイヤフラム、高い圧縮比、及び大気圧補正の選択などの通気口の主な利点が得られる。
さらに、ポンピング周波数が十分に高い場合、高速移動中に電極チャンバ内に蓄積する過圧を使用して、マイクロポンプの背圧能力を高めることができる。
例えば、１μｍの直径を有する通気口は、間に広がる毛細管停止部を有し、おそらく汚染のリスクを大幅に低減する。同時に、例えば、直径１μｍの狭い穴は、１μｍを超える粒子が電極チャンバに入るのを防止する。平坦なダイヤフラム、高い圧縮比、及び大気圧補正の選択などの通気口の主な利点が得られる。
さらに、ポンピング周波数が十分に高い場合、高速移動中に電極チャンバ内に蓄積する過圧を使用して、マイクロポンプの背圧能力を高めることができる。
【0059】
図１９は、図１９ａに示す非作動状態、及び図１９ｂに示す作動状態における、事前撓みダイヤフラム１９１０を有する図２のマイクロポンプと同様のマイクロポンプの概略側面図を示す。
図１９ａにおいて、事前撓みダイヤフラム１９１０とステータ構造体１９２０との間の距離は、電極チャンバの中央領域において最小である。場合によっては、事前撓みダイヤフラム１９１０はステータ構造体１９２０に接触してもよい。ステータ構造体１９２０は通気口を備えていない。ダイヤフラム１９１０の撓みは、ウェハ接合中の負圧によってもたらされる。ダイヤフラム１９１０のプレート剛性と共にウェハ接合中の真空を使用して、ダイヤフラム１９１０の撓み率を規定の方法で調整することができる。電極チャンバの圧力と大気圧との間の圧力比の賢明な選択、並びにダイヤフラムの表面及び厚さの選択によって事前撓みが発生し得るが、接触はダイヤフラムを作動させることによってのみ確立されることに留意することが重要である。この場合、事前撓みダイヤフラムが非作動状態でステータ構造体に接触するマイクロポンプと比較すると、動作電圧はわずかに高くなるが、行程容積はわずかに大きい。
図１９ａにおいて、事前撓みダイヤフラム１９１０とステータ構造体１９２０との間の距離は、電極チャンバの中央領域において最小である。場合によっては、事前撓みダイヤフラム１９１０はステータ構造体１９２０に接触してもよい。ステータ構造体１９２０は通気口を備えていない。ダイヤフラム１９１０の撓みは、ウェハ接合中の負圧によってもたらされる。ダイヤフラム１９１０のプレート剛性と共にウェハ接合中の真空を使用して、ダイヤフラム１９１０の撓み率を規定の方法で調整することができる。電極チャンバの圧力と大気圧との間の圧力比の賢明な選択、並びにダイヤフラムの表面及び厚さの選択によって事前撓みが発生し得るが、接触はダイヤフラムを作動させることによってのみ確立されることに留意することが重要である。この場合、事前撓みダイヤフラムが非作動状態でステータ構造体に接触するマイクロポンプと比較すると、動作電圧はわずかに高くなるが、行程容積はわずかに大きい。
【0060】
これにより、通気口が必要とされないという利点がもたらされ、すなわち、研磨からのスラリーなどが出る加工中、毛細管力を介して浸入するソーダストなどが出るダイシング中、空気を吸い込んだり吸い出したりするためのベローズ粒子が出ない空気中での動作中、また、通気口に浸透する水滴などの特別な動作条件下においても、粒子汚染のリスクがないことを意味する。
ウェハ接合中に負圧によってダイヤフラム１９１０を事前に撓ませることのさらなる利点は、湾曲した曲げ線である。湾曲した曲げ線により、断面的に平坦なステータ構造体と共に形状的ウェッジ１９４０が形成され、移動ウェッジ効果が発生して駆動電圧が低下する。
ウェハ接合中に負圧によってダイヤフラム１９１０を事前に撓ませることのさらなる利点は、湾曲した曲げ線である。湾曲した曲げ線により、断面的に平坦なステータ構造体と共に形状的ウェッジ１９４０が形成され、移動ウェッジ効果が発生して駆動電圧が低下する。
【0061】
図１９ｂに示すように、マイクロポンプを作動させると、ダイヤフラム１９１０はステータ構造体１９２０に向かって引き付けられ、その結果、ダイヤフラム装置１９１０は中央領域でステータ構造体１９２０に接触し、ウェッジ１９４０は中央領域から周辺領域に向かって移動する。
事前撓みダイヤフラムの計画又は設計中に、真空又は低圧の使用によって事前に撓ませたダイヤフラムが非常に強く撓んでいるためにプレート理論のフック領域を離れて剛性が高くなることを考慮に入れなければならない。
接合プロセス中の真空又は圧力を使用して事前撓みを調整することができ、必要に応じて、ダイヤフラムのプレート剛性によって電極チャンバの形状を調整することができる。
事前撓みダイヤフラムの計画又は設計中に、真空又は低圧の使用によって事前に撓ませたダイヤフラムが非常に強く撓んでいるためにプレート理論のフック領域を離れて剛性が高くなることを考慮に入れなければならない。
接合プロセス中の真空又は圧力を使用して事前撓みを調整することができ、必要に応じて、ダイヤフラムのプレート剛性によって電極チャンバの形状を調整することができる。
【0062】
図２０は、厚さが例えば４０μｍ及び辺の長さが例えば５ｍｍのシリコンダイヤフラムを有するＺｅｎｇｅｒｌｅらの既知の静電マイクロポンプ２０００を示す。このマイクロポンプは、水などの非圧縮性流体において、０．３バールに相当する約３０ｋＰａの背圧に打ち勝つことができる。そのダイヤフラムが真空によって事前に負荷がかけられている場合、電極チャンバはかなり多くの空間を必要とする。
Ｚｅｎｇｅｒｌｅポンプでは、ダイヤフラム層とステータ構造体との間の距離は例えば５μｍである。Ｚｅｎｇｅｒｌｅポンプの欠点は、例えばわずか４０ｎｌの低容量であり、例えば少なくとも２００ボルトの高電圧が必要であり、かつ通気チャンバを使用することである。
移動ウェッジの利点は、ウェッジ領域の電界強度が高いために必要な電圧が低いことと、移動ウェッジを巻くことによってボリュームストロークが大きいこととを含む。欠点としては、事前撓みダイヤフラムがない場合と比較して行程容積が小さいことである。
ウェハ接合中の負圧の調整により、他の形態の構造が可能になる。事前撓みダイヤフラムのゼロ距離は、負圧及び電極チャンバの設計によって調整することができる。これにより、移動ウェッジポンプと通常のポンプとの混合形態を実現することができる。
Ｚｅｎｇｅｒｌｅポンプでは、ダイヤフラム層とステータ構造体との間の距離は例えば５μｍである。Ｚｅｎｇｅｒｌｅポンプの欠点は、例えばわずか４０ｎｌの低容量であり、例えば少なくとも２００ボルトの高電圧が必要であり、かつ通気チャンバを使用することである。
移動ウェッジの利点は、ウェッジ領域の電界強度が高いために必要な電圧が低いことと、移動ウェッジを巻くことによってボリュームストロークが大きいこととを含む。欠点としては、事前撓みダイヤフラムがない場合と比較して行程容積が小さいことである。
ウェハ接合中の負圧の調整により、他の形態の構造が可能になる。事前撓みダイヤフラムのゼロ距離は、負圧及び電極チャンバの設計によって調整することができる。これにより、移動ウェッジポンプと通常のポンプとの混合形態を実現することができる。
【0063】
既知のマイクロポンプ２０００は、現在の出願とは製造及び機能が異なる。
まず、既知のマイクロポンプの、層３と絶縁層８のダイヤフラムの撓みは電極又はアクチュエータチャンバ１０内で層２に向かって、かつポンプチャンバ１９から離れて発生する。
さらなる違いは、既知のマイクロポンプの電気絶縁が絶縁層８及び電気的貫通保護スペーサ９によってもたらされることである。
さらなる違いは、ソーイング及び／又はダイシングが側壁絶縁を破壊するため、既知のマイクロポンプの側壁絶縁は実用的ではなく、ダイシング後に個々のピースを１つずつ加工することによってのみ可能であることである。
さらに、供給電圧を低下させるために電極構造体間の距離を調整することがない。また、スティクション防止バンプも既知のマイクロポンプにはない。
まず、既知のマイクロポンプの、層３と絶縁層８のダイヤフラムの撓みは電極又はアクチュエータチャンバ１０内で層２に向かって、かつポンプチャンバ１９から離れて発生する。
さらなる違いは、既知のマイクロポンプの電気絶縁が絶縁層８及び電気的貫通保護スペーサ９によってもたらされることである。
さらなる違いは、ソーイング及び／又はダイシングが側壁絶縁を破壊するため、既知のマイクロポンプの側壁絶縁は実用的ではなく、ダイシング後に個々のピースを１つずつ加工することによってのみ可能であることである。
さらに、供給電圧を低下させるために電極構造体間の距離を調整することがない。また、スティクション防止バンプも既知のマイクロポンプにはない。
【0064】
実施の代替案
いくつかの態様を装置の文脈で説明したが、これらの態様は対応する方法の説明も表すことは明らかであり、ブロック又はデバイスは方法ステップ又は方法ステップの特徴に対応する。同様に、方法ステップの文脈で説明される態様はまた、対応する装置の対応するブロック又は項目又は特徴の説明を表す。
いくつかの態様を装置の文脈で説明したが、これらの態様は対応する方法の説明も表すことは明らかであり、ブロック又はデバイスは方法ステップ又は方法ステップの特徴に対応する。同様に、方法ステップの文脈で説明される態様はまた、対応する装置の対応するブロック又は項目又は特徴の説明を表す。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9a-9b】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15a】
【図15b】
【図15c】
【図16】
【図17】
【図18a】
【図18b】
【図18c】
【図18d】
【図18e】
【図19a】
【図19b】
【図20】