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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-24
(54)【発明の名称】微小電気機械システム流体制御
(51)【国際特許分類】
B81B 3/00 20060101AFI20240717BHJP
F16K 7/12 20060101ALI20240717BHJP
B81B 7/04 20060101ALI20240717BHJP
【ＦＩ】
B81B3/00
F16K7/12 B
B81B7/04
【審査請求】未請求
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2023576351
(86)(22)【出願日】2022-06-15
(85)【翻訳文提出日】2023-12-18
(86)【国際出願番号】 EP2022066267
(87)【国際公開番号】W WO2022263491
(87)【国際公開日】2022-12-22
(31)【優先権主張番号】2150773-6
(32)【優先日】2021-06-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】SE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523464761
【氏名又は名称】ウォーター、スタッフ、アンド、サン、ゲゼルシャフト、ミット、ベシュレンクテル、ハフツング
【氏名又は名称原語表記】Ｗａｔｅｒ Ｓｔｕｆｆ ＆ Ｓｕｎ ＧｍｂＨ
(74)【代理人】
【識別番号】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100107582
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100118843
【弁理士】
【氏名又は名称】赤岡 明
(74)【代理人】
【識別番号】100137523
【弁理士】
【氏名又は名称】出口 智也
(72)【発明者】
【氏名】ヨーアン、ベイェー
【テーマコード（参考）】
3C081
【Ｆターム（参考）】
3C081AA11
3C081BA11
3C081BA25
3C081BA45
3C081BA48
3C081CA32
3C081EA31
3C081EA33
(57)【要約】
流体制御デバイス（１）は、流れ構成要素（１０Ａ～Ｄ）が微小電気機械システム－ＭＥＭＳとして提供されるウエハ（２０）のスタックを含む。流れ構成要素（１０Ａ～Ｄ）は、流体制御構成要素（１１Ａ～Ｃ）および／または流体監視構成要素（１２）から選択される。流体制御デバイス（１）は、ウエハのスタックの主平面内で、第２の流れ構成要素（１０Ｂ）によって取り囲まれる第１の流れ構成要素（１０Ａ）を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
流れ構成要素（１０、１０Ａ～Ｆ）が微小電気機械システム－ＭＥＭＳとして提供されるウエハ（２０）のスタックを含む流体制御デバイス（１）であって、前記流れ構成要素（１０、１０Ａ～Ｆ）は、流体制御構成要素（１１、１１Ｆ）および流体監視構成要素（１２）のうちの少なくとも１つから選択され、第１の前記流れ構成要素（１０Ａ）は、前記ウエハ（２０）のスタックの主平面内で、第２の前記流れ構成要素（１０Ｂ）によって取り囲まれ、少なくとも２つの前記流れ構成要素（１０Ａ～Ｆ）は、それぞれの変形可能膜（３２、３８）を含む、ことを特徴とする、流体制御デバイス。
【請求項2】
第３の前記流れ構成要素（１０Ｃ）は、前記ウエハ（２０）のスタックの前記主平面内で、前記第２の前記流れ構成要素（１０Ｂ）を取り囲む、ことを特徴とする、請求項１に記載の流体制御デバイス。
【請求項3】
第４の前記流れ構成要素（１０Ｄ）は、前記ウエハ（２０）のスタックの前記主平面内で、前記第３の前記流れ構成要素（１０Ｃ）を取り囲む、ことを特徴とする、請求項２に記載の流体制御デバイス。
【請求項4】
ｎ個の前記流れ構成要素（１０、１０Ａ～Ｆ）を特徴とし、ｎは４よりも大きい整数であり、第ｋの前記流れ構成要素（１０Ｅ～Ｆ）は、前記ウエハ（２０）のスタックの前記主平面内で、第（ｋ－１）の前記流れ構成要素（１０Ｄ～Ｅ）を取り囲み、ｋは、ｎ以下であるが１よりも大きい整数である、請求項３に記載の流体制御デバイス。
【請求項5】
少なくとも２つの前記流れ構成要素（１０、１０Ａ～Ｆ）は、直列に流体接続される、ことを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項6】
前記直列に流体接続された流れ構成要素のうちの２つは、幾何学的に隣接する流れ構成要素である、ことを特徴とする、請求項５に記載の流体制御デバイス。
【請求項7】
前記直列に流体接続された流れ構成要素のうちの２つは、幾何学的に隣接しない流れ構成要素である、ことを特徴とする、請求項５または６に記載の流体制御デバイス。
【請求項8】
少なくとも１つの前記流れ構成要素（１０、１０Ａ～Ｆ）は、流体制御構成要素（１１、１１Ａ～Ｆ）である、ことを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項9】
少なくとも１つの前記流体制御構成要素（１１、１１Ａ～Ｆ）は、－圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）、
－弁（５１）、および
－フィルタ（５０）の群から選択される、ことを特徴とする、請求項８に記載の流体制御デバイス。
【請求項10】
少なくとも１つの前記流れ構成要素（１０、１０Ａ～Ｆ）は、流体監視構成要素（１２）である、ことを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項11】
少なくとも１つの前記流体モニタ（１２）は、－圧力センサ（５２）、および
－流れセンサの群から選択される、ことを特徴とする、請求項１０に記載の流体制御デバイス。
【請求項12】
少なくとも１つの圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）を含むことを特徴とし、前記圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）は、変形されるとシート構成体（３４）に対する密閉作用を可能にするように配置される高圧膜（３２）を有する、請求項１～１１のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項13】
上記シート構成体（３４）は、凹部（６５）によって分離される複数のシート表面ループ（６４）を含み、各シート表面ループ（６４）が、閉構造を形成し、これに対して上記高圧膜（３２）が密閉を形成することができる、ことを特徴とする、請求項１２に記載の流体制御デバイス。
【請求項14】
前記圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）は、調節圧膜（３８）、および高圧入口（３１）から前記高圧膜（３２）と前記シート構成体（３４）との間を通過し低圧出口（３９）までの接続チャネル（４０）を含む圧力調節器流路をさらに有し、前記調節圧膜（３８）第１の側は、前記圧力調節器流路の前記低圧出口（３９）と流体接触状態にある、ことを特徴とする、請求項１２または１３に記載の流体制御デバイス。
【請求項15】
前記調節圧膜（３８）の前記第１の側と前記圧力調節器流路の前記低圧出口（３９）との間の前記流体接触は、前記調節圧膜（３８）と接触状態にある流出圧力空洞（４１）を含み、前記流出圧力空洞（４１）は、前記流出圧力空洞（４１）の底部（６８）から提供される距離要素（６７）を有し、前記距離要素（６７）は、前記調節圧膜（３８）が前記底部（６８）に到達することを妨げるように構成される、ことを特徴とする、請求項１４に記載の流体制御デバイス。
【請求項16】
前記圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）は、前記高圧膜（３２）および前記調節圧膜（３８）を接続するピストン構成体（３６）をさらに有し、基準圧力チャンバ（３７）が、前記高圧膜（３２）と前記調節圧膜（３８）との間に形成されて、前記ピストン構成体（３６）を包囲する、ことを特徴とする、請求項１４または１５に記載の流体制御デバイス。
【請求項17】
前記ピストン構成体（３６）は、前記高圧膜（３２）または調節圧膜（３８）の径方向内側の境界よりも、上記高圧膜（３２）または調節圧膜（３８）の径方向外側の境界の近くにそれぞれ位置付けられる、ことを特徴とする、請求項１６に記載の流体制御デバイス。
【請求項18】
前記ピストン構成体（３６）の半径よりも小さい半径に位置する前記調節圧膜（３８）の面積は、前記ピストン構成体（３６）の半径よりも大きい半径に位置する前記調節圧膜（３８）の面積に等しい、および前記ピストン構成体（３６）の半径よりも小さい半径に位置する前記高圧膜（３２）の面積は、前記ピストン構成体（３６）の半径よりも大きい半径に位置する前記高圧膜（３２）の面積に等しい、のうちの少なくとも１つである、ことを特徴とする、請求項１７に記載の流体制御デバイス。
【請求項19】
２つの流れ構成要素（１０Ｆ、１０Ａ）の間の流体接続（４５ｂ）は、前記基準圧力チャンバ（３７）を通過する、ことを特徴とする、請求項１６～１８のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項20】
少なくとも２つの圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）を含むことを特徴とし、前記圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）は、高圧側および低圧側を有することを特徴とする、請求項１０～１９のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項21】
前記少なくとも２つの圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）の前記高圧側は、前記流体制御デバイス（１）の第１の側の近くに提供される、ことを特徴とする、請求項２０に記載の流体制御デバイス。
【請求項22】
前記少なくとも２つの圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）のうちの１つの前記高圧側および前記少なくとも２つの圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）のうちの別のものの前記低圧側は、前記流体制御デバイス（１）の第１の側の近くに提供される、ことを特徴とする、請求項２０に記載の流体制御デバイス。
【請求項23】
前記流体制御デバイス（１）への高圧入口（２）は、前記第１の流れ構成要素（１０Ａ）に対して中心に置かれる、ことを特徴とする、請求項１～２２のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項24】
前記流体制御デバイス（１）からの低圧出口（３）は、前記第１の流れ構成要素（１０Ａ）に対して中心に置かれる、ことを特徴とする、請求項１～２３のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項25】
前記流体制御デバイス（１）への高圧入口（２）は、前記第１の流れ構成要素（１０Ａ）の入口（３１）に流体接続される、ことを特徴とする、請求項１～２４のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項26】
前記流体制御デバイス（１）からの低圧出口（３）は、前記第１の流れ構成要素（１０Ａ）の出口（３９）に対して中心に流体接続される、ことを特徴とする、請求項１～２４のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本技術は、概して、流体制御システムに関し、および特に、微小電気機械システムとして実現される流体制御システムに関する。
【背景技術】
【0002】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、今日、多くの異なる種類のマイクロアクチュエータまたはマイクロセンサを、費用対効果が高くかつ空間を節約する方式で実現するために使用される。ＭＥＭＳがよく使用される１つの応用としては、マイクロ流体制御デバイスがある。異なるマイクロ流体応用の考察は、例えば、２０２０年１２月１０日のApplied Sciences 2020, 10, 8858におけるE. Chappelによる記事“A Review of Passive Constant Flow Regulators for Microfluidic Applications”に見ることができる。
【0003】
そのようなＭＥＭＳ応用の共通した取り組みは、流体制御デバイスをできる限り小さくすること、および製造を容易にすることである。ＭＥＭＳは、典型的には、ユニットとして一緒に接合される機械加工ウエハに基づく。その点で、流体制御動作を達成するために必要とされるウエハの数が重大なパラメータであることは通則である。必要とされるウエハが多いほど、接合はより困難になる。故に、一般的傾向は、ウエハの必要数を最小限にすることにある。
【0004】
典型的な流体制御デバイスは、いくつかの流れ構成要素を含む。そのような流れ構成要素は、例えば、フィルタ、弁、調節器などの流体制御構成要素、および／または圧力センサ、流れセンサなどの流体監視構成要素であり得る。そのような流れ構成要素は、要求される全体的な流れ機能性を達成するために、異なる構成で直列および／または並列に流体接続される。
【0005】
流体制御デバイスの一例は、高圧貯蔵タンクから低圧ガスの絶え間ない流れを提供するために設計される圧力調節器である。多くのソリューションが提案されるが、それらの大半は、いくつかの流れ構成要素、例えば、いくつかの減圧ステージを伴う。
【0006】
しかしながら、より多くの流れ構成要素の必要性が増加するとき、製造が容易である総合構成を達成するために、流れ構成要素を互いに対してどのように幾何学的に位置付けるかという問題が存在する。ＭＥＭＳの厚さ方向に流れ構成要素を積層することは、おそらく、概念上は最も容易なソリューションであるが、上に示したように、要求されるウエハの数の増加に伴って接合複雑性が大きく増加する。
【0007】
代替の方式は、流れ構成要素をウエハの主平面内に横並びに位置付けることである。しかしながら、ここでも、流れ構成要素の数の増加は、流体制御デバイス全体がウエハの平面内で比較的大きな広がりを提示することを引き起こす。これは、一般的に、生産費を増加させ、また、例えば、機械的強度問題を引き起こし得る。
【0008】
公開された米国特許第５，８３９，４６７号には、微細加工された流体処理デバイスが開示される。異なる膜含有構成要素が横並びに位置付けられる。
【0009】
公開された特許出願米国第２０１７／０１７６２６７７ Ａ１号には、圧力センサチップが開示される。高差圧ダイアフラムが、いくつかの低差圧ダイアフラムと同じ表面に横並びに位置付けられる。
【0010】
更なる代替の方式は、流れ構成要素の数を低減するために、各流れ構成要素内に２つ以上の特定の機能性を統合しようとすることである。しかしながら、そのような手法は、しばしば相当な構築努力を必要とし、典型的には、非常に応用特有であるソリューションをもたらし得る。したがって、そのような手法は、多くの場合、時間および費用がかかる。
【発明の概要】
【0011】
ここに提示される技術の全般的な目的は、開発および製造が容易かつ安価である流体制御デバイスを構成するための、および特に、多くのステップまたは構成要素を必要とする流体制御デバイスのための、新規概念を見出すことである。
【0012】
上の目的は、独立クレームに従う方法およびデバイスによって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項において規定される。
【0013】
一般的に言うと、第１の態様において、流体制御デバイスは、流れ構成要素が微小電気機械システム‐ＭＥＭＳとして提供されるウエハのスタックを含む。流れ構成要素は、流体制御構成要素および／または流体監視構成要素から選択される。流体制御デバイスは、ウエハのスタックの主平面内で、第２の流れ構成要素によって取り囲まれる第１の流れ構成要素を有する。流れ構成要素のうちの少なくとも２つは、それぞれの変形可能膜を含む。
【0014】
提案された技術の１つの利点は、ウエハのスタックの主平面内の流体制御デバイスの広がりが小さく保たれ得ることである。他の利点は、詳細な説明を読むときに理解されるものとする。
【0015】
本発明は、更なる目的およびその利点と共に、添付の図面と併せて以下の説明を参照することにより最良に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】ＭＥＭＳ圧力調節器の実施形態の概略断面図である。
【図2】２つの圧力調節器を有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの実施形態の概略断面図である。
【図3】２つの圧力調節器を有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの別の実施形態の概略断面図である。
【図4】流れ構成要素を横並びに置いている概略図である。
【図5】流れ構成要素を互いに取り囲んで置いている概略図である。
【図6】２つの圧力調節器を有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの更なる実施形態の概略断面図である。
【図7】２つの圧力調節器を有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの更なる実施形態の概略断面図である。
【図8】２つの圧力調節器およびフィルタを有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの実施形態の概略断面図である。
【図9】２つの圧力調節器およびフィルタを有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの別の実施形態の概略断面図である。
【図10A】流体制御構成要素および流体監視構成要素の両方を有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの実施形態の概略断面図である。
【図11A】一連の流れ構成要素を通る異なる流路を概略的に例証する図である。
【図11B】一連の流れ構成要素を通る異なる流路を概略的に例証する図である。
【図11C】一連の流れ構成要素を通る異なる流路を概略的に例証する図である。
【図12A】５つの圧力調節器および逆止弁を有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの実施形態の概略断面図である。
【図13】ピストン構成体の実施形態の断面図である。
【図14A】シート構成体の実施形態を例証する図である。
【図14B】シート構成体の実施形態を例証する図である。
【図14C】シート構成体の実施形態を例証する図である。
【図15A】距離要素の配置の実施形態を例証する図である。
【図15B】距離要素の配置の実施形態を例証する図である。
【図15C】距離要素の配置の実施形態を例証する図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
図面全体を通して、同じ参照番号が、同様または対応する要素のために使用される。
【0018】
提案された技術のより良好な理解のため、ＭＥＭＳ配置に伴う利点および問題の簡単な議論から始めることが有用であろう。背景技術において簡単に触れたように、ＭＥＭＳは、単流構成要素を提供するために非常に有利に使用される。しかしながら、より複雑なシステムの要求がなされるときには問題が生じる。互いに接合される２つまたは３つのウエハに基づいたウエハのＭＥＭＳスタックを使用することは、比較的容易であり、標準手順と見なされ得る。すでに４ウエハスタックは、追加の複雑性を作り出しており、非標準手順と見なされ得る。５ウエハスタックは、取り扱いがより困難になるが、多大な努力により依然として実現可能であり得る。６つ以上のウエハによるウエハスタックは、少なくとも今日利用可能な技術では、高度な特殊効果製造と見なされるべきである。故に、このような理由から、ＭＥＭＳ関連の仕事のほとんどは、低ウエハ数ＭＥＭＳスタックに好適な設計を見出すことに費やされる。
【0019】
本開示におけるモデルシステムとして、圧力調節器システムが使用され得る。高貯蔵タンクからのガス圧力をより低い動作圧力へと調節することが必要とされる多くの応用が存在する。多くの応用において、調節器は、一定出力圧力を送達すれば十分であるが、他の応用は、出口圧力を変化させる可能性を必要とする。調節器は、受動または能動のいずれかである。能動圧力調節器は、センサから読み出す圧力を監視し、弁の位置を調整して所望の圧力を達成するためにエネルギーを必要とする。受動調節器は、通常、圧力を調節するために膜またはばねの張力に依拠する。これは、外側から供給されるいかなるエネルギーも必要としないため、多くの応用において好まれる。
【0020】
図１は、流体制御デバイス１の実施形態を概略的に例証する。この実施形態は、流れ構成要素１０、この場合は流体制御構成要素１１および特に圧力調節器３０を提示する。流体制御デバイス１には、ＭＥＭＳ技術が設けられ、したがって、ウエハ２０のスタック内の構造体によって作成される。この設計では、小さい面積を有する高圧膜３２と大きい面積を有する調節圧膜３８とのバランスが利用される。
【0021】
この実施形態において、調節器入口３１は、高圧のガスが高圧膜密閉表面と接触状態になることを可能にする。高圧膜密閉表面３５とシート構成体３４との間には狭い流路３３が存在する。ガスは、高圧膜３２の片側と接触状態にある高圧側容積部４４を介して接続チャネル４０内へ流れ、最終的に調節器出口３９を通る。狭い流路３３は、流れ制限を引き起こし、したがって、高圧側容積部４４および接続チャネル４０内のガスは、低減された調節圧を有する。調節圧を有するこのガスは、調節圧膜３８の片側と接触状態にある調節圧空洞４１と流体連通される。調節圧膜３８および高圧膜３２は、基準圧力チャンバ３７により包囲されるピストン構成体３６によって接続される。流出圧力空洞４１内の圧力が基準圧力チャンバ３７内よりも高い場合、調節圧膜３８は、図内上方へ曲がり、ピストン構成体３６を上方へ押圧する傾向がある。しかしながら、高圧側容積部４４と基準圧力チャンバ３７との間の圧力差は、ピストン構成体３６を下方へ押圧する傾向があるが、高圧膜の面積が調節圧膜３８の面積よりもはるかに小さいことから、図内上方に向けられるピストン構成体３６に対する合力が結果となる。高圧膜密閉表面３５の中心部分に作用する高圧もまた、ピストン構成体３６を下方へ押圧することを助ける。上方に向けられた力が優性である場合、高圧膜密閉表面３５は、高圧膜密閉表面３５とシート構成体３４との間の狭い流路３３を閉じるよう促される。
【0022】
故に、狭い流路３３を通って流れるガスの間の平衡作用が存在し、以て、調節圧を構築し、調節圧空洞４１内の圧力がピストン構成体３６を図内上方へ動かして狭い流路３３を閉じようとする。調節器出口３９から外への流れが停止または制限される場合、狭い流路３３が閉じられるまで調節圧が高まる。増加した調節圧は、高圧膜３２の外側部分に対しても作用するが、増加した調節圧と接触状態にある調節圧膜３８の面積の方が典型的には大きいことから、合力は、狭い流路３３を閉じるように作用する。調節器出口３９から外への流れが再び許されるとき、調節圧は降下し、狭い流路３３が開かれる。
【0023】
ピストン構成体３６の運動を制限するため、調節圧膜支持表面４３が、低圧支持構造体４２によって停止されるように配置される。Ｒによって示されるような回転対称は、接続チャネル４０を除くすべての部材に当てはまり、接続チャネル４０は、むしろ、中央構造体の周りに分布される１つまたは複数の別個のチャネルとして存在し得る。
【0024】
圧力調節器３０の臨界寸法は、高圧膜３２の半径、調節圧膜３８の半径、および狭い流路３３の弁間隙である。
【0025】
適度な圧力差が圧力調節器に要求される場合、特に、中圧の場合、上記概念は、ピストンの変位への高圧寄与が典型的には小さいことから、元の圧力に対して独立した一定出力流でほとんど動作するように設計され得る。しかしながら、高減圧および／または高入力圧力が必要とされる場合、元の高圧のレベルは、最終出力流を決定するのにより重要になる。したがって、多くの応用において、２段減圧、または多段減圧さえ使用することが要求され、この場合、圧力調節器は直列に提供され、２つ以上のステップで圧力を低減する。
【0026】
２段ＭＥＭＳ圧力調節器アセンブリ１３の設計の１つの実施形態は、図２に例証される。ここでは、第１の圧力調節器３０Ａの調節器出口３９は、第２の圧力調節器３０Ｂの調節器入口３１に接続される。しかしながら、そのような設計は、ウエハ２０のスタック内へと互いに接続されるべき多くのウエハの使用を要求するということを直ちに認識されたい。したがって、そのようなデバイスの製造は、可能であるとしても、非常に困難である。
【0027】
２段ＭＥＭＳ圧力調節器アセンブリ１３の設計の別の実施形態は、図３に例証される。ここでは、圧力調節器３０Ａおよび３０Ｂは、流体的に見て直列様式で依然として提供される。各調節器３０Ａ、３０Ｂは、いくつかの接続通路を除き、それぞれの線Ｒの周りに独自の回転対称を有する。しかしながら、物理的に、調節器は、ウエハ２０のスタック内に横並びに置かれる。これは、スタック内のウエハの必要数を低減し、圧力調節器３０Ａと３０Ｂとの間の接続通路４５に起因して、単一圧力調節器と比較して１つのみの追加ウエハが必要とされると現在考えられている。しかしながら、横方向の占有空間は、単一圧力調節器と比較して２倍になる。故に、この実施形態は、より魅力的であるが、その更なる流れ構成要素の観点では、流体制御構成要素、例えば、追加の減圧ステップ、弁、またはフィルタ、および流体監視構成要素、例えば、流れ圧力センサの両方が、異なる応用において必要とされ得、全システムの横方向の広がりは、不都合に大きくなり得る。
【0028】
大半の流れ構成要素、少なくとも、膜の動作に基づいた流れ構成要素は、円対称性を有する。図４は、第１の流れ構成要素１０Ａへの主要入口２を有する流体制御デバイス１を概略的に例証する。これは、ウエハ２０スタックの主平面を示して、すなわち、ＭＥＭＳを作成するために使用されるウエハの延長平面に垂直に、例証される。後続の流れ構成要素１０Ｂ～Ｄは、次いで、主要出口３（ウエハ２０のスタックの裏側における）に到達するまで直列に接続される。そのような設計の幾何学的寸法は、単流構成要素設計の場合よりもはるかに大きくなる。
【0029】
しかしながら、本技術によると、流れ構成要素、また膜ベースの流れ構成要素も、円形形状で、しかしながら“受動的な”中心部分を伴って、設計することが可能であると結論付けられている。すなわち、能動的な構造体は、内半径および外半径によって画定される空間内に設計され得る。言い換えると、能動的な構造体は、環状に対称の形状の中心まで到達する必要はない。対称軸の周りの空間は、必ずしも使用されない。
【0030】
このような識見は、２つ以上の流れ構成要素を有する流れ制御デバイスを設計する新規概念をもたらす。図５は、図４に例証されるものと機能が同様の、流体制御デバイス１の実施形態の概略図である。これはまた、ウエハ２０のスタックの主平面を示して例証される。ここでは、第１の流れ構成要素１０Ａが中央に提供される。この第１の流れ構成要素１０Ａの周りに、第２の流れ構成要素１０Ｂが提供される。流れ構成要素１０Ｂの作用面積は、流れ構成要素１０Ａの作用面積に等しいが、それがより大きい半径で提供されることから、作用面積の幅は、より小さい。流れ構成要素１０Ａおよび１０Ｂは、以て、利用可能な領域を効率的に利用して、能動的に利用される領域部分の密度を増加させる。さらに２つの流れ構成要素１０Ｃおよび１０Ｄが、次いで、内側のものの外側に同心円状に提供される。流れ構成要素が変形可能膜を伴う場合、起こり得る最も内側のものを除くすべての流れ構成要素は、リング形状の膜を利用した。リング形状は、図内では円形リングである。しかしながら、リング形状は、任意の閉じた幾何形状、例えば、楕円形または多角形のものであり得る。
【0031】
作用面積をあまり狭くすることができない場合にさえ、正確に合致する流れ構成要素１０Ａ～Ｄを互いの外側に同心円状に置くことによって得られる空間節約は明白である。外側の流れ構成要素は、内側の流れ構成要素を取り囲む。言い換えると、内側の流れ構成要素は、外側の流れ構成要素によって完全に包囲される領域内に完全に提供される。多くの応用において、流れ構成要素間の接続路は、既存のウエハスタック厚さ内に提供され得、そのような応用において、余分のウエハが接続路を確実にするために必要とされない。
【0032】
故に、言い換えると、１つの実施形態において、流れ構成要素がＭＥＭＳとして提供されるウエハのスタックを含む流体制御デバイス、第１の流れ構成要素は、ウエハのスタックの主平面内で、第２の流れ構成要素によって取り囲まれる。流れ構成要素の各々は、流体制御構成要素または流体監視構成要素のいずれかである。
【0033】
更なる実施形態において、第３の流れ構成要素が、ウエハのスタックの主平面内で、第２の流れ構成要素を取り囲む。
【0034】
依然として更なる実施形態において、第４の流れ構成要素が、ウエハのスタックの主平面内で、第３の流れ構成要素を取り囲む。
【0035】
一般化した実施形態において、これは、任意の数ｎの流れ構成要素の場合、ｎ個の流れ構成要素を有する流体制御デバイスとして表現され得る。第ｋの流れ構成要素は、ウエハのスタックの主平面内で、第（ｋ－１）の流れ構成要素を取り囲み、ｋは、ｎ以下であるが１よりも大きい整数である。数ｎは、４よりも大きくてもよい。
【0036】
これらの考えは、圧力調節器の応用例に有利に適用され得る。
【0037】
図６は、流体制御デバイス１、この実施形態では圧力調節器システム、の実施形態の断面を概略的に例証する。流体制御デバイス１は、２つの流れ構成要素１０を含み、それらの両方は、流体制御構成要素１１、ならびに特に第１の圧力調節器３０Ａおよび第２の圧力調節器３０Ｂである。第２の圧力調節器３０Ｂがウエハ２０のスタックの主平面内で第１の圧力調節器３０Ａを取り囲むことから、第２の圧力調節器３０Ｂの部分は、図内で第１の調節器３０Ａの両側に現れるということに留意されたい。第１および第２の調節器３０Ａ、３０Ｂは、高圧側と低圧側との間の接続チャネル４０および調節器３０Ａ、３０Ｂの間の接続通路４５を除く大半の部分では共通対称軸Ｒを有する。流体制御デバイス１は、横並びの圧力調節器を用いた設計よりも小さい合計半径を有し、単一圧力調節器と同じ数のウエハで実現することが可能である。
【0038】
故に、第２の圧力調節器３０Ｂは、内部が他の目的のために使用される余地を残して、略円筒形状を有する。この場合、第１の圧力調節器３０Ａは、この容積部を占有し、故に、第２の圧力調節器３０Ｂによって取り囲まれる。上に説明されたものと類似して、および他の流れ構成要素と共通して、第２の圧力調節器３０Ｂは、変形可能膜を含む。第２の圧力調節器３０Ｂは、変形されるとシート構成体３４に対する密閉作用を可能にするように配置される高圧膜３２を有する。
【0039】
第２の圧力調節器３０Ｂは、調節圧膜３８、および高圧入口６１から、高圧膜３２とシート構成体３４との間を通過する、すなわち、狭い流路３３を通って、低圧出口までの接続チャネル４０を含む圧力調節器流路をさらに有する。調節圧膜３８の図内下方を向く第１の側は、圧力調節器流路の低圧出口６２と流体接触状態にある。
【0040】
調節圧膜３８の上で述べた第１の側と圧力調節器流路の低圧出口６１との間の流体接触は、流出圧力空洞４１を含む。流出圧力空洞４１は、調節圧膜３８と接触状態にある。
【0041】
第２の圧力調節器３０Ｂは、第１の圧力調節器３０Ａと類似して、高圧膜３２および調節圧膜３８を接続するピストン構成体３６をさらに有する。以て、基準圧力チャンバ３７が、高圧膜３２と調節圧膜３８との間に形成されて、ピストン構成体３６を包囲する。言い換えると、少なくとも２つの流れ構成要素１０は、それぞれの変形可能膜３２、３８を含む。
【0042】
図６において、第１の圧力調節器３０Ａは、対称軸内まで作用部分を有する円形対称を伴う“従来の”タイプのものであったが、第２の圧力調節器３０Ｂは、代わりに、非作用中心容積部を伴う円筒形状を有する。対称軸Ｒの周りの容積部は、しばしば多くの他の機能のために有用であり、また、この容積部の少なくとも一部は未使用のままにしておくことが有利であり得る。言い換えると、円筒形状で実装することが可能である構成要素は、さらに外へ置かれ得、中心の容積部を、そこに置かれることを必要とし得る構成要素または接続のために取っておく。図７は、そのような実施形態の断面図を概略的に例証する。ここでは、第１の圧力調節器３０Ａおよび第２の圧力調節器３０Ｂの両方が、それぞれの内部容積部を未使用のままにした円筒タイプのものである。
【0043】
上の実施形態において、少なくとも１つの流れ構成要素は、流体制御構成要素である。更なる実施形態において、流体制御構成要素は、圧力調節器、弁、またはフィルタであるように選択される。
【0044】
図８に概略的に例証される１つの実施形態において、フィルタ５０の機能にある第１の流体制御構成要素１１Ａは、対称線Ｒの周りにウエハ２０のスタックの中心容積部内に提供される。第１の圧力調節器３０Ａの形態にある第２の流体制御構成要素１１Ｂは、フィルタ５０を取り囲んで提供される。第２の圧力調節器３０Ｂの形態にある第３の流体制御構成要素１１Ｃは、第１の圧力調節器３０Ａを取り囲んで提供される。
【0045】
図８の実施形態は、故に、２つの圧力調節器３０Ａおよび３０Ｂを含む。圧力調節器３０Ａ、３０Ｂは、高圧側および低圧側を有する。２つの圧力調節器３０Ａ、３０Ｂの高圧側は、流体制御デバイス１の第１の側の近くに提供される。
【0046】
図９は、流体制御デバイス１のさらに別の実施形態を例証する。ここでは、２つの圧力調節器３０Ａおよび３０Ｂの高圧側は、ウエハ２０のスタックの反対側に近接して提供される。言い換えると、２つの圧力調節器のうちの一方の高圧側および２つの圧力調節器のうちの他方の低圧側は、流体制御デバイス１の第１の側の近くに提供される。高圧側と低圧側との間の接続チャネル４０および調節器３０Ａ、３０Ｂの間の接続通路４５は、このとき、異なって配置され得、これにより設計をより柔軟にする。
【0047】
図１０Ａは、流体制御デバイス１の別の実施形態を例証する。ここでは、デバイスの約半分のみが例証され、対称線Ｒは図内の最も左に位置するということに留意されたい。この実施形態において、流体制御デバイス１は、４つの流れ構成要素１０Ａ～１０Ｄを含む。流れ構成要素１０Ａは、第１の圧力調節器３０Ａの形態にある第１の流体制御構成要素１１Ａである。流れ構成要素１０Ｂは、第２の圧力調節器３０Ｂの形態にある第２の流体制御構成要素１１Ｂである。流れ構成要素１０Ｃは、圧力センサ５２の形態にある流体監視構成要素１２である。流れ構成要素１０Ｄは、逆止弁５１の形態にある第３の流体制御構成要素１１Ｃである。
【0048】
【0049】
１つの実施形態において、少なくとも１つの流れ構成要素は、流体監視構成要素である。更なる実施形態において、その流体監視構成要素は、圧力センサまたは流れセンサであるように選択される。
【0050】
図内で、主要入口および主要出口は、ウエハのスタックの反対側に位置するように例証される。これが、ＭＥＭＳベースの流体制御デバイスを配置する典型的な方式であるのは、それが、流体制御デバイスを通過する前後のガス容積部をウエハのスタック自体によって分離するからである。しかしながら、特定の応用では、ウエハのスタックの同じ側にある入口および出口が有益であり得、本技術は、そのような設計を実装することにも十分に適応される。
【0051】
当業者は、変異形が原則的に無制限であり、様々な種類の異なる流れ構成要素が互いに対して同心円形形状で位置付けられ得ることを認識する。多くの応用において、異なる流れ構成要素が、上記実施形態の場合のように、直列に流体接続される。しかしながら、並列分岐を伴う流体制御デバイスを設計する可能性も存在する。
【0052】
直列に流体接続された流れ構成要素の場合、しばしば、それらを幾何学的に隣接する流れ構成要素として置くことも簡便である。これは、例えば、上に提示した実施形態の場合であった。しかしながら、さらに下のいくつかの実施形態における場合のように、いくつかの応用において、直列に流体接続された流れ構成要素のうちの２つ以上は、幾何学的に隣接しない流れ構成要素であり得る。これは、例えば、いくつかの流れ構成要素が、同じデバイス内の他の流れ構成要素よりも、より有利には小さい半径で提供される、またはより有利には大きい半径で提供される場合であり得る。
【0053】
図１１Ａは、流体制御デバイス１のウエハ２０のスタックの実施形態の概略図である。いくつかの流れ構成要素１０Ａ～１０Ｇが、対称軸Ｒの周りに互いを取り囲んで提供される。矢印は、異なる流れ構成要素間の流体接続を例証している。ここでは、流れは、中心流れ構成要素１０Ａ内へ入り始め、その後、円筒形状の流れ構成要素１０Ｂ～１０Ｇを連続して通り抜け続け、最終的に流れ構成要素１０Ｇから出るということが分かる。
【0054】
図１１Ａの実施形態において、流体制御デバイス１への高圧入口、すなわち主要入口２は、第１の流れ構成要素１０Ａに対して中心に置かれる。
【0055】
流体制御デバイス１への高圧入口は、ここでは、第１の流れ構成要素１０Ａの入口に流体接続される。
【0056】
図１１Ｂにおいて、別の実施形態の類似した図が示される。ここでは、流れは、流れ構成要素１０Ｂ内で開始し、流れ構成要素１０Ｇへと連続して続いた後、流れは、中心流れ構成要素１０Ａへと戻り、そこから最終的に出る。
【0057】
この実施形態において、流体制御デバイスからの低圧出口、すなわち主要出口３は、第１の流れ構成要素１０Ａに対して中心に位置する。
【0058】
流体制御デバイス１からの低圧出口は、ここでは、第１の流れ構成要素１０Ａの出口に流体接続される。
【0059】
代替の実施形態において、実際の高圧入口は、第１の流れ構成要素１０Ａの容積部内にも提供され得るが、しかしながら、第１の作用構成要素として流れ構成要素１０Ｂに接続される。
【0060】
図１１Ｃにおいて、さらにより変則的な実施形態が例証される。ここでは、流体接続は、流れ構成要素１０Ｇと１０Ｆとの間のみの近隣流れ構成要素に対してなされる。直列に流体接続された流れ構成要素の大半は、幾何学的に隣接しない流れ構成要素である。
【0061】
幾何学的に非近隣の順序にある流れ構成要素の流体接続は、１つまたは複数のウエハをウエハのスタックに追加することによって、提供され得る。しかしながら、特定の応用において、他のソリューションも可能であり得る。
【0062】
図１２Ａは、５つの圧力調節器３０Ａ～３０Ｅおよび逆止弁５１を有する流体制御デバイス１の実施形態を例証する。図は、２つの部分に分けられ、左部分は上部に、右部分は下部に例証される。この実施形態において、流れ構成要素１０Ａ～Ｆの幾何学的順序は、中心から開始し、外側へ進む。しかしながら、主要入口２、またはむしろ複数の主要入口２が、第１の圧力調節器３０Ａ、すなわち流れ構成要素１０Ｂに接続される。流体接続は、このとき、流れ構成要素の番号に関しては、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、および１０Ａの順にあり、これは、圧力調節器３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、および最後に逆止弁５１に対応する。
【0063】
１：３程度の圧力調節が５つの圧力調節器の各ステージで容易に達成され得、圧力調節は、下方絶対圧力ではさらに大きくなり得るということが分かっている。これは、２５０倍超の合計圧力調節が、そのような配置によって達成され得ることを意味する。
【0064】
圧力調節器３０Ｅと逆止弁５１との間には接続通路４５Ｂが存在する。この接続通路４５Ｂは、この実施形態においては、圧力調節器３０Ａ～Ｄの基準圧力チャンバ３７を通過するように設計される。圧力調節器３０Ａ～Ｄの動作は、接続通路４５Ｂ内の圧力が、この実施形態においては、ほぼ大気圧にあることが意図され、動作中にそれほど変化しないことから、少しも影響を及ぼされない。しかしながら、この設計は、追加のウエハの使用を省く。
【0065】
【0066】
言い換えると、１つの実施形態において、２つの流れ構成要素の間の流体接続は、基準圧力チャンバを通過する。
【0067】
流れ構成要素の円筒形状もまた、設計の好ましい詳細事項に影響を及ぼし得る。圧力調節器の場合、ピストン構成体が基準圧力チャンバの径方向外側の壁と径方向内側の壁との間にちょうど半分提供される場合、（円筒）ピストンの径方向外側の膜の領域は、ピストンの径方向内側の膜の領域よりもわずかに大きい。径方向外側の膜領域に印加される合力は、以て、径方向内側の膜領域に印加される合力よりも高くなる。そのような力の不均等な分布は、異なる応用において利用され得るが、他の場合には望ましくない場合がある。
【0068】
しかしながら、これは、ピストン構成体を、高圧膜または調節圧膜の径方向内側の境界よりも高圧膜または調節圧膜の径方向外側の境界の近くにそれぞれ位置付けることによって軽減され得る。１つの好ましい構成は、ピストン構成体の半径よりも小さい半径に位置する調節圧膜の面積が、ピストン構成体の半径よりも大きい半径に位置する調節圧膜の面積に等しいことである。別の好ましい構成は、ピストン構成体の半径よりも小さい半径に位置する高圧膜の面積が、上記ピストン構成体の半径よりも大きい半径に位置する高圧膜の面積に等しいことである。
【0069】
図１３は、ピストン構成体３６、高圧膜３２、および調節圧膜３８の実施形態の断面図の一部を例証する。半径は、図内右側に向かって増加する。膜の中間点は、矢印で示される。この実施形態において、ピストン構成体３６は中心において膜に装着される必要がないことに気付かれたい。高圧側へのピストン構成体３６は、低圧側へのピストン構成体３６と同じ幅を有するべきではない。これは、膜の剛性を微調整するために使用され得る別の設計パラメータである。さらには、ピストン構成体の異なる部分は、それらのそれぞれの中心で合流すべきではない。この特定の実施形態において、高圧膜３２および調節圧膜３８は、同じ厚さを有する。しかしながら、代替の実施形態において、それは、異なる厚さを有し得る。また、これは、正しい膜剛性を達成するために使用されることになる設計パラメータである。
【0070】
特定の実施形態において、ピストン構成体は、高圧ピストン部分と低圧ピストン部分とに分割され、これらは、弛緩状態では、小さい距離だけ分離される。これは、動作中、２つの部分が実際に機械的に接触する前に、調節圧膜のわずかな曲げが発生しなければならないことを意味する。動作の点では、これは、高圧膜の制御がいくらか遅延されることを意味する。
【0071】
圧力降下を適応させるために使用され得る圧力調節器の別の詳細事項は、シート構成体および高圧膜密閉表面の設計および寸法である。
【0072】
高減圧が取り扱われることになるとき、ピストン構成体、高圧膜、およびシート構成体に対する力はかなりのものになり得る。変形を回避するため、負荷を支えるシート構成体の領域は増加され得る。
【0073】
シート構成体の設計に関する１つの更なる懸念は、破片粒子が、時として、ガス流の後に続き、シート構成体と高圧膜密閉表面との間に詰まり得、これにより圧力調節器内の狭い流路の完全な閉塞を妨げることである。より幅広のシート構成体の使用は、シート構成体と高圧膜密閉表面との間に粒子を捕捉するリスクを増加させる。
【0074】
そのようなリスクを軽減するために設計される１つの実施形態において、シート構成体は、凹部によって分離される複数のシート表面ループを含む。以て、各シートループが、閉構造を形成し、これに対して高圧膜が密閉を形成し得る。粒子が高圧膜密閉表面とシート表面ループのうちの１つとの間に詰まったとしても、高圧膜密閉表面は、依然として、他のシート表面ループに対して密閉することができる。さらには、粒子はまた、シート表面ループ間の空間内へ押圧され得る。複数のシート表面ループはまた、合計接触面積を増加させ、以て、接触圧力をさらに下げる。
【0075】
図１４Ａは、圧力調節器３０のためのシート構成体を提供することが意図されるウエハの一部を例証する。シート構成体３４は、凹部６５によって分離されるいくつかのシート表面ループ６４を含む。シート表面ループ６４は、全周を構成し、以て、各々がシート表面ループ６４に対して外側の容積部から内側の容積部を密閉することができる。接続通路４５は、いくつかの角度で提供され、最も内側のシート表面ループ６４に至るまでガスを提供する。接続チャネル４０も同様に、最も外側のシート表面ループ６４の外側に提供される。シート表面ループ６４の数は、密閉を提供することが意図される高圧膜の性質および寸法に適応され得る。接続チャネル４０は、接続通路４５と同じ角度に必ずしも提供されない。さらには、代替の実施形態において、流れ方向は、反対であってもよく、すなわち、接続通路４５が外側に、および接続チャネル４０が内側に提供される。
【0076】
図１４Ｂは、図１４Ａに例証されるような構造体に基づいた流体制御デバイス１の実施形態の断面図の一部を例証する。断面は、図１４Ａ内の矢印によって示される方向に取られる。高圧膜密閉表面３５は、シート構成体３４の方を向いて提供され、それらを分離する狭い流路３３を伴う。図１４Ｃは、高圧膜３２にわたる圧力差が変形を引き起こし、以て、高圧膜密閉表面３５とシート構成体３４との接触を引き起こし、以て、密閉作用を提供する状況を例証する。概念粒子６６は、凹部６５に捕捉され、密閉粒子に影響を及ぼさないということに留意されたい。
【0077】
上にさらに述べられるように、さらに、調節圧膜は、好ましくは、相互作用するための固体構造を有する。高圧膜における圧力と調節圧膜における圧力との間の高い圧力差では、調節圧膜は、それが調節圧空洞の底部において固体構造に到達するほど変形され得る。膜は、次いで、この表面に対して密閉し得、流出圧力空洞は、条件が再び変化されるとき、正しい圧力基準を提供することができない。調節圧膜は、したがって、調節圧空洞にくっつき得る。この問題を解決するために、調節圧空洞は、好ましくは、空洞の底部から提供される距離要素を有する。これらの距離要素は、調節圧膜が底部に到達することを妨げるように構成される。同時に、距離要素は、ガスが調節圧空洞内を連続して流れることを可能にし、正しい圧力基準を提供する。
【0078】
それは、別途膜内のひびのリスクを増加させ得る大きすぎる変形を伴わずに、調節圧膜６７の停止位置を提供するのにも有益である。
【0079】
図１５Ａは、圧力調節器３０のための低圧支持構造体４２を提供することが意図されるウエハの一部を概略的に例証する。いくつかの距離要素６７が、調節圧空洞４１の底部６８から提供される。接続チャネル４０は、調節された圧力のガスを提供する役割を果たす。調節圧膜が距離要素６７と接触状態にあるときにもガスを分布させるために、距離要素は、いくつかの場所では破断され、シート構成体とは対照的に、全３６０度を取り囲まない。
【0080】
距離要素６７は、異なって、例えば、異なる種類の形状の柱として、設計され得る。距離要素６７は、それらが調節圧膜のための支持を提供すると同時に、距離要素６７の間にガスを流すように画定されるべきである。低密度表面、すなわち、支持構造体の間のより大きい空間、を提示する支持もまた、調節圧膜の大部分が調節圧のために利用可能であることを確実にすることに貢献する。
【0081】
図１５Ｂは、図１５Ａに例証されるような構造体に基づいた流体制御デバイス１の実施形態の断面図の一部を例証する。断面は、図１５Ａ内の矢印によって示される方向に取られる。ここでは、個々の距離要素６７の間にガスのための空間が存在することが分かる。図１５Ｃは、調節圧膜３８が変形され、距離要素６７に対して支持している状況を例証する。調節圧膜３８と接触状態にある調節圧空洞４１は、依然として、接続チャネル４０と流体接触状態にある。
【0082】
上に説明される実施形態は、本発明のいくつかの例証的な例と理解されるべきである。様々な修正形態、組み合わせ、および変更が、本発明の範囲から逸脱することなく、実施形態に対してなされ得ることは、当業者により理解されるものとする。特に、異なる実施形態内の異なる部分ソリューションは、技術的に可能な場合には、他の構成において組み合わされ得る。しかしながら、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【手続補正書】
【提出日】2024-02-09
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本技術は、概して、流体制御システムに関し、および特に、微小電気機械システムとして実現される流体制御システムに関する。
【背景技術】
【0002】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、今日、多くの異なる種類のマイクロアクチュエータまたはマイクロセンサを、費用対効果が高くかつ空間を節約する方式で実現するために使用される。ＭＥＭＳがよく使用される１つの応用としては、マイクロ流体制御デバイスがある。異なるマイクロ流体応用の考察は、例えば、２０２０年１２月１０日のApplied Sciences 2020, 10, 8858におけるE. Chappelによる記事“A Review of Passive Constant Flow Regulators for Microfluidic Applications”に見ることができる。
【0003】
そのようなＭＥＭＳ応用の共通した取り組みは、流体制御デバイスをできる限り小さくすること、および製造を容易にすることである。ＭＥＭＳは、典型的には、ユニットとして一緒に接合される機械加工ウエハに基づく。その点で、流体制御動作を達成するために必要とされるウエハの数が重大なパラメータであることは通則である。必要とされるウエハが多いほど、接合はより困難になる。故に、一般的傾向は、ウエハの必要数を最小限にすることにある。
【0004】
典型的な流体制御デバイスは、いくつかの流れ構成要素を含む。そのような流れ構成要素は、例えば、フィルタ、弁、調節器などの流体制御構成要素、および／または圧力センサ、流れセンサなどの流体監視構成要素であり得る。そのような流れ構成要素は、要求される全体的な流れ機能性を達成するために、異なる構成で直列および／または並列に流体接続される。
【0005】
流体制御デバイスの一例は、高圧貯蔵タンクから低圧ガスの絶え間ない流れを提供するために設計される圧力調節器である。多くのソリューションが提案されるが、それらの大半は、いくつかの流れ構成要素、例えば、いくつかの減圧ステージを伴う。
【0006】
しかしながら、より多くの流れ構成要素の必要性が増加するとき、製造が容易である総合構成を達成するために、流れ構成要素を互いに対してどのように幾何学的に位置付けるかという問題が存在する。ＭＥＭＳの厚さ方向に流れ構成要素を積層することは、おそらく、概念上は最も容易なソリューションであるが、上に示したように、要求されるウエハの数の増加に伴って接合複雑性が大きく増加する。
【0007】
代替の方式は、流れ構成要素をウエハの主平面内に横並びに位置付けることである。しかしながら、ここでも、流れ構成要素の数の増加は、流体制御デバイス全体がウエハの平面内で比較的大きな広がりを提示することを引き起こす。これは、一般的に、生産費を増加させ、また、例えば、機械的強度問題を引き起こし得る。
【0008】
公開された米国特許第５，８３９，４６７号には、微細加工された流体処理デバイスが開示される。異なる膜含有構成要素が横並びに位置付けられる。
【0009】
公開された特許出願米国第２０１７／０１７６２６７７ Ａ１号には、圧力センサチップが開示される。高差圧ダイアフラムが、いくつかの低差圧ダイアフラムと同じ表面に横並びに位置付けられる。
【0010】
更なる代替の方式は、流れ構成要素の数を低減するために、各流れ構成要素内に２つ以上の特定の機能性を統合しようとすることである。しかしながら、そのような手法は、しばしば相当な構築努力を必要とし、典型的には、非常に応用特有であるソリューションをもたらし得る。したがって、そのような手法は、多くの場合、時間および費用がかかる。
【発明の概要】
【0011】
ここに提示される技術の全般的な目的は、開発および製造が容易かつ安価である流体制御デバイスを構成するための、および特に、多くのステップまたは構成要素を必要とする流体制御デバイスのための、新規概念を見出すことである。
【0012】
上の目的は、独立クレームに従う方法およびデバイスによって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項において規定される。
【0013】
一般的に言うと、第１の態様において、流体制御デバイスは、流れ構成要素が微小電気機械システム‐ＭＥＭＳとして提供されるウエハのスタックを含む。流れ構成要素は、流体制御構成要素および／または流体監視構成要素から選択される。流体制御デバイスは、ウエハのスタックの主平面内で、第２の流れ構成要素によって取り囲まれる第１の流れ構成要素を有する。第１および第２の流れ構成要素は、それぞれの変形可能膜を含む。
【0014】
提案された技術の１つの利点は、ウエハのスタックの主平面内の流体制御デバイスの広がりが小さく保たれ得ることである。他の利点は、詳細な説明を読むときに理解されるものとする。
【0015】
本発明は、更なる目的およびその利点と共に、添付の図面と併せて以下の説明を参照することにより最良に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】
従来技術のＭＥＭＳ圧力調節器の実施形態の概略断面図である。
【図2】２つの圧力調節器を有する従来技術のＭＥＭＳ流れ制御デバイスの実施形態の概略断面図である。
【図3】２つの圧力調節器を有する従来技術のＭＥＭＳ流れ制御デバイスの別の実施形態の概略断面図である。
【図4】
文字通り、本特許請求の範囲には含まれない、流れ構成要素を横並びに置いている概略図である。
【図5】流れ構成要素を互いに取り囲んで置いている概略図である。
【図6】２つの圧力調節器を有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの更なる実施形態の概略断面図である。
【図7】２つの圧力調節器を有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの更なる実施形態の概略断面図である。
【図8】２つの圧力調節器およびフィルタを有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの実施形態の概略断面図である。
【図9】２つの圧力調節器およびフィルタを有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの別の実施形態の概略断面図である。
【図10A】流体制御構成要素および流体監視構成要素の両方を有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの実施形態の概略断面図である。
【図11A】一連の流れ構成要素を通る異なる流路を概略的に例証する図である。
【図11B】一連の流れ構成要素を通る異なる流路を概略的に例証する図である。
【図11C】一連の流れ構成要素を通る異なる流路を概略的に例証する図である。
【図12A】５つの圧力調節器および逆止弁を有するＭＥＭＳ流れ制御デバイスの実施形態の概略断面図である。
【図13】ピストン構成体の実施形態の断面図である。
【図14A】シート構成体の実施形態を例証する図である。
【図14B】シート構成体の実施形態を例証する図である。
【図14C】シート構成体の実施形態を例証する図である。
【図15A】距離要素の配置の実施形態を例証する図である。
【図15B】距離要素の配置の実施形態を例証する図である。
【図15C】距離要素の配置の実施形態を例証する図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
図面全体を通して、同じ参照番号が、同様または対応する要素のために使用される。
【0018】
提案された技術のより良好な理解のため、ＭＥＭＳ配置に伴う利点および問題の簡単な議論から始めることが有用であろう。背景技術において簡単に触れたように、ＭＥＭＳは、単流構成要素を提供するために非常に有利に使用される。しかしながら、より複雑なシステムの要求がなされるときには問題が生じる。互いに接合される２つまたは３つのウエハに基づいたウエハのＭＥＭＳスタックを使用することは、比較的容易であり、標準手順と見なされ得る。すでに４ウエハスタックは、追加の複雑性を作り出しており、非標準手順と見なされ得る。５ウエハスタックは、取り扱いがより困難になるが、多大な努力により依然として実現可能であり得る。６つ以上のウエハによるウエハスタックは、少なくとも今日利用可能な技術では、高度な特殊効果製造と見なされるべきである。故に、このような理由から、ＭＥＭＳ関連の仕事のほとんどは、低ウエハ数ＭＥＭＳスタックに好適な設計を見出すことに費やされる。
【0019】
本開示におけるモデルシステムとして、圧力調節器システムが使用され得る。高貯蔵タンクからのガス圧力をより低い動作圧力へと調節することが必要とされる多くの応用が存在する。多くの応用において、調節器は、一定出力圧力を送達すれば十分であるが、他の応用は、出口圧力を変化させる可能性を必要とする。調節器は、受動または能動のいずれかである。能動圧力調節器は、センサから読み出す圧力を監視し、弁の位置を調整して所望の圧力を達成するためにエネルギーを必要とする。受動調節器は、通常、圧力を調節するために膜またはばねの張力に依拠する。これは、外側から供給されるいかなるエネルギーも必要としないため、多くの応用において好まれる。
【0020】
図１は、文字通り、本特許請求の範囲には含まれない、従来技術の流体制御デバイス１の実施形態を概略的に例証する。この実施形態は、流れ構成要素１０、この場合は流体制御構成要素１１および特に圧力調節器３０を提示する。流体制御デバイス１には、ＭＥＭＳ技術が設けられ、したがって、ウエハ２０のスタック内の構造体によって作成される。この設計では、小さい面積を有する高圧膜３２と大きい面積を有する調節圧膜３８とのバランスが利用される。
【0021】
この実施形態において、調節器入口３１は、高圧のガスが高圧膜密閉表面と接触状態になることを可能にする。高圧膜密閉表面３５とシート構成体３４との間には狭い流路３３が存在する。ガスは、高圧膜３２の片側と接触状態にある高圧側容積部４４を介して接続チャネル４０内へ流れ、最終的に調節器出口３９を通る。狭い流路３３は、流れ制限を引き起こし、したがって、高圧側容積部４４および接続チャネル４０内のガスは、低減された調節圧を有する。調節圧を有するこのガスは、調節圧膜３８の片側と接触状態にある調節圧空洞４１と流体連通される。調節圧膜３８および高圧膜３２は、基準圧力チャンバ３７により包囲されるピストン構成体３６によって接続される。流出圧力空洞４１内の圧力が基準圧力チャンバ３７内よりも高い場合、調節圧膜３８は、図内上方へ曲がり、ピストン構成体３６を上方へ押圧する傾向がある。しかしながら、高圧側容積部４４と基準圧力チャンバ３７との間の圧力差は、ピストン構成体３６を下方へ押圧する傾向があるが、高圧膜の面積が調節圧膜３８の面積よりもはるかに小さいことから、図内上方に向けられるピストン構成体３６に対する合力が結果となる。高圧膜密閉表面３５の中心部分に作用する高圧もまた、ピストン構成体３６を下方へ押圧することを助ける。上方に向けられた力が優性である場合、高圧膜密閉表面３５は、高圧膜密閉表面３５とシート構成体３４との間の狭い流路３３を閉じるよう促される。
【0022】
故に、狭い流路３３を通って流れるガスの間の平衡作用が存在し、以て、調節圧を構築し、調節圧空洞４１内の圧力がピストン構成体３６を図内上方へ動かして狭い流路３３を閉じようとする。調節器出口３９から外への流れが停止または制限される場合、狭い流路３３が閉じられるまで調節圧が高まる。増加した調節圧は、高圧膜３２の外側部分に対しても作用するが、増加した調節圧と接触状態にある調節圧膜３８の面積の方が典型的には大きいことから、合力は、狭い流路３３を閉じるように作用する。調節器出口３９から外への流れが再び許されるとき、調節圧は降下し、狭い流路３３が開かれる。
【0023】
ピストン構成体３６の運動を制限するため、調節圧膜支持表面４３が、低圧支持構造体４２によって停止されるように配置される。Ｒによって示されるような回転対称は、接続チャネル４０を除くすべての部材に当てはまり、接続チャネル４０は、むしろ、中央構造体の周りに分布される１つまたは複数の別個のチャネルとして存在し得る。
【0024】
圧力調節器３０の臨界寸法は、高圧膜３２の半径、調節圧膜３８の半径、および狭い流路３３の弁間隙である。
【0025】
適度な圧力差が圧力調節器に要求される場合、特に、中圧の場合、上記概念は、ピストンの変位への高圧寄与が典型的には小さいことから、元の圧力に対して独立した一定出力流でほとんど動作するように設計され得る。しかしながら、高減圧および／または高入力圧力が必要とされる場合、元の高圧のレベルは、最終出力流を決定するのにより重要になる。したがって、多くの応用において、２段減圧、または多段減圧さえ使用することが要求され、この場合、圧力調節器は直列に提供され、２つ以上のステップで圧力を低減する。
【0026】
文字通り、本特許請求の範囲には含まれない、従来技術の２段ＭＥＭＳ圧力調節器アセンブリ１３の設計の１つの実施形態は、図２に例証される。ここでは、第１の圧力調節器３０Ａの調節器出口３９は、第２の圧力調節器３０Ｂの調節器入口３１に接続される。しかしながら、そのような設計は、ウエハ２０のスタック内へと互いに接続されるべき多くのウエハの使用を要求するということを直ちに認識されたい。したがって、そのようなデバイスの製造は、可能であるとしても、非常に困難である。
【0027】
文字通り、本特許請求の範囲には含まれない、従来技術の２段ＭＥＭＳ圧力調節器アセンブリ１３の設計の別の実施形態は、図３に例証される。ここでは、圧力調節器３０Ａおよび３０Ｂは、流体的に見て直列様式で依然として提供される。各調節器３０Ａ、３０Ｂは、いくつかの接続通路を除き、それぞれの線Ｒの周りに独自の回転対称を有する。しかしながら、物理的に、調節器は、ウエハ２０のスタック内に横並びに置かれる。これは、スタック内のウエハの必要数を低減し、圧力調節器３０Ａと３０Ｂとの間の接続通路４５に起因して、単一圧力調節器と比較して１つのみの追加ウエハが必要とされると現在考えられている。しかしながら、横方向の占有空間は、単一圧力調節器と比較して２倍になる。故に、この実施形態は、より魅力的であるが、その更なる流れ構成要素の観点では、流体制御構成要素、例えば、追加の減圧ステップ、弁、またはフィルタ、および流体監視構成要素、例えば、流れ圧力センサの両方が、異なる応用において必要とされ得、全システムの横方向の広がりは、不都合に大きくなり得る。
【0028】
大半の流れ構成要素、少なくとも、膜の動作に基づいた流れ構成要素は、円対称性を有する。図４は、文字通り、本特許請求の範囲には含まれない、従来技術の、第１の流れ構成要素１０Ａへの主要入口２を有する流体制御デバイス１を概略的に例証する。これは、ウエハ２０スタックの主平面を示して、すなわち、ＭＥＭＳを作成するために使用されるウエハの延長平面に垂直に、例証される。後続の流れ構成要素１０Ｂ～Ｄは、次いで、主要出口３（ウエハ２０のスタックの裏側における）に到達するまで直列に接続される。そのような設計の幾何学的寸法は、単流構成要素設計の場合よりもはるかに大きくなる。
【0029】
しかしながら、本技術によると、流れ構成要素、また膜ベースの流れ構成要素も、円形形状で、しかしながら“受動的な”中心部分を伴って、設計することが可能であると結論付けられている。すなわち、能動的な構造体は、内半径および外半径によって画定される空間内に設計され得る。言い換えると、能動的な構造体は、環状に対称の形状の中心まで到達する必要はない。対称軸の周りの空間は、必ずしも使用されない。
【0030】
このような識見は、２つ以上の流れ構成要素を有する流れ制御デバイスを設計する新規概念をもたらす。図５は、図４に例証されるものと機能が同様の、流体制御デバイス１の実施形態の概略図である。これはまた、ウエハ２０のスタックの主平面を示して例証される。ここでは、第１の流れ構成要素１０Ａが中央に提供される。この第１の流れ構成要素１０Ａの周りに、第２の流れ構成要素１０Ｂが提供される。流れ構成要素１０Ｂの作用面積は、流れ構成要素１０Ａの作用面積に等しいが、それがより大きい半径で提供されることから、作用面積の幅は、より小さい。流れ構成要素１０Ａおよび１０Ｂは、以て、利用可能な領域を効率的に利用して、能動的に利用される領域部分の密度を増加させる。さらに２つの流れ構成要素１０Ｃおよび１０Ｄが、次いで、内側のものの外側に同心円状に提供される。流れ構成要素が変形可能膜を伴う場合、起こり得る最も内側のものを除くすべての流れ構成要素は、リング形状の膜を利用した。リング形状は、図内では円形リングである。しかしながら、リング形状は、任意の閉じた幾何形状、例えば、楕円形または多角形のものであり得る。
【0031】
作用面積をあまり狭くすることができない場合にさえ、正確に合致する流れ構成要素１０Ａ～Ｄを互いの外側に同心円状に置くことによって得られる空間節約は明白である。外側の流れ構成要素は、内側の流れ構成要素を取り囲む。言い換えると、内側の流れ構成要素は、外側の流れ構成要素によって完全に包囲される領域内に完全に提供される。多くの応用において、流れ構成要素間の接続路は、既存のウエハスタック厚さ内に提供され得、そのような応用において、余分のウエハが接続路を確実にするために必要とされない。
【0032】
故に、言い換えると、１つの実施形態において、流れ構成要素がＭＥＭＳとして提供されるウエハのスタックを含む流体制御デバイス、第１の流れ構成要素は、ウエハのスタックの主平面内で、第２の流れ構成要素によって取り囲まれる。流れ構成要素の各々は、流体制御構成要素または流体監視構成要素のいずれかである。
【0033】
更なる実施形態において、第３の流れ構成要素が、ウエハのスタックの主平面内で、第２の流れ構成要素を取り囲む。
【0034】
依然として更なる実施形態において、第４の流れ構成要素が、ウエハのスタックの主平面内で、第３の流れ構成要素を取り囲む。
【0035】
一般化した実施形態において、これは、任意の数ｎの流れ構成要素の場合、ｎ個の流れ構成要素を有する流体制御デバイスとして表現され得る。第ｋの流れ構成要素は、ウエハのスタックの主平面内で、第（ｋ－１）の流れ構成要素を取り囲み、ｋは、ｎ以下であるが１よりも大きい整数である。数ｎは、４よりも大きくてもよい。
【0036】
これらの考えは、圧力調節器の応用例に有利に適用され得る。
【0037】
図６は、流体制御デバイス１、この実施形態では圧力調節器システム、の実施形態の断面を概略的に例証する。流体制御デバイス１は、２つの流れ構成要素１０を含み、それらの両方は、流体制御構成要素１１、ならびに特に第１の圧力調節器３０Ａおよび第２の圧力調節器３０Ｂである。第２の圧力調節器３０Ｂがウエハ２０のスタックの主平面内で第１の圧力調節器３０Ａを取り囲むことから、第２の圧力調節器３０Ｂの部分は、図内で第１の調節器３０Ａの両側に現れるということに留意されたい。第１および第２の調節器３０Ａ、３０Ｂは、高圧側と低圧側との間の接続チャネル４０および調節器３０Ａ、３０Ｂの間の接続通路４５を除く大半の部分では共通対称軸Ｒを有する。流体制御デバイス１は、横並びの圧力調節器を用いた設計よりも小さい合計半径を有し、単一圧力調節器と同じ数のウエハで実現することが可能である。
【0038】
故に、第２の圧力調節器３０Ｂは、内部が他の目的のために使用される余地を残して、略円筒形状を有する。この場合、第１の圧力調節器３０Ａは、この容積部を占有し、故に、第２の圧力調節器３０Ｂによって取り囲まれる。上に説明されたものと類似して、および他の流れ構成要素と共通して、第２の圧力調節器３０Ｂは、変形可能膜を含む。第２の圧力調節器３０Ｂは、変形されるとシート構成体３４に対する密閉作用を可能にするように配置される高圧膜３２を有する。
【0039】
第２の圧力調節器３０Ｂは、調節圧膜３８、および高圧入口６１から、高圧膜３２とシート構成体３４との間を通過する、すなわち、狭い流路３３を通って、低圧出口までの接続チャネル４０を含む圧力調節器流路をさらに有する。調節圧膜３８の図内下方を向く第１の側は、圧力調節器流路の低圧出口６２と流体接触状態にある。
【0040】
調節圧膜３８の上で述べた第１の側と圧力調節器流路の低圧出口６１との間の流体接触は、流出圧力空洞４１を含む。流出圧力空洞４１は、調節圧膜３８と接触状態にある。
【0041】
第２の圧力調節器３０Ｂは、第１の圧力調節器３０Ａと類似して、高圧膜３２および調節圧膜３８を接続するピストン構成体３６をさらに有する。以て、基準圧力チャンバ３７が、高圧膜３２と調節圧膜３８との間に形成されて、ピストン構成体３６を包囲する。言い換えると、少なくとも２つの流れ構成要素１０は、それぞれの変形可能膜３２、３８を含む。
【0042】
図６において、第１の圧力調節器３０Ａは、対称軸内まで作用部分を有する円形対称を伴う“従来の”タイプのものであったが、第２の圧力調節器３０Ｂは、代わりに、非作用中心容積部を伴う円筒形状を有する。対称軸Ｒの周りの容積部は、しばしば多くの他の機能のために有用であり、また、この容積部の少なくとも一部は未使用のままにしておくことが有利であり得る。言い換えると、円筒形状で実装することが可能である構成要素は、さらに外へ置かれ得、中心の容積部を、そこに置かれることを必要とし得る構成要素または接続のために取っておく。図７は、そのような実施形態の断面図を概略的に例証する。ここでは、第１の圧力調節器３０Ａおよび第２の圧力調節器３０Ｂの両方が、それぞれの内部容積部を未使用のままにした円筒タイプのものである。
【0043】
上の実施形態において、少なくとも１つの流れ構成要素は、流体制御構成要素である。更なる実施形態において、流体制御構成要素は、圧力調節器、弁、またはフィルタであるように選択される。
【0044】
図８に概略的に例証される１つの実施形態において、フィルタ５０の機能にある第１の流体制御構成要素１１Ａは、対称線Ｒの周りにウエハ２０のスタックの中心容積部内に提供される。第１の圧力調節器３０Ａの形態にある第２の流体制御構成要素１１Ｂは、フィルタ５０を取り囲んで提供される。第２の圧力調節器３０Ｂの形態にある第３の流体制御構成要素１１Ｃは、第１の圧力調節器３０Ａを取り囲んで提供される。
【0045】
図８の実施形態は、故に、２つの圧力調節器３０Ａおよび３０Ｂを含む。圧力調節器３０Ａ、３０Ｂは、高圧側および低圧側を有する。２つの圧力調節器３０Ａ、３０Ｂの高圧側は、流体制御デバイス１の第１の側の近くに提供される。
【0046】
図９は、流体制御デバイス１のさらに別の実施形態を例証する。ここでは、２つの圧力調節器３０Ａおよび３０Ｂの高圧側は、ウエハ２０のスタックの反対側に近接して提供される。言い換えると、２つの圧力調節器のうちの一方の高圧側および２つの圧力調節器のうちの他方の低圧側は、流体制御デバイス１の第１の側の近くに提供される。高圧側と低圧側との間の接続チャネル４０および調節器３０Ａ、３０Ｂの間の接続通路４５は、このとき、異なって配置され得、これにより設計をより柔軟にする。
【0047】
図１０Ａは、流体制御デバイス１の別の実施形態を例証する。ここでは、デバイスの約半分のみが例証され、対称線Ｒは図内の最も左に位置するということに留意されたい。この実施形態において、流体制御デバイス１は、４つの流れ構成要素１０Ａ～１０Ｄを含む。流れ構成要素１０Ａは、第１の圧力調節器３０Ａの形態にある第１の流体制御構成要素１１Ａである。流れ構成要素１０Ｂは、第２の圧力調節器３０Ｂの形態にある第２の流体制御構成要素１１Ｂである。流れ構成要素１０Ｃは、圧力センサ５２の形態にある流体監視構成要素１２である。流れ構成要素１０Ｄは、逆止弁５１の形態にある第３の流体制御構成要素１１Ｃである。
【0048】
【0049】
１つの実施形態において、少なくとも１つの流れ構成要素は、流体監視構成要素である。更なる実施形態において、その流体監視構成要素は、圧力センサまたは流れセンサであるように選択される。
【0050】
図内で、主要入口および主要出口は、ウエハのスタックの反対側に位置するように例証される。これが、ＭＥＭＳベースの流体制御デバイスを配置する典型的な方式であるのは、それが、流体制御デバイスを通過する前後のガス容積部をウエハのスタック自体によって分離するからである。しかしながら、特定の応用では、ウエハのスタックの同じ側にある入口および出口が有益であり得、本技術は、そのような設計を実装することにも十分に適応される。
【0051】
当業者は、変異形が原則的に無制限であり、様々な種類の異なる流れ構成要素が互いに対して同心円形形状で位置付けられ得ることを認識する。多くの応用において、異なる流れ構成要素が、上記実施形態の場合のように、直列に流体接続される。しかしながら、並列分岐を伴う流体制御デバイスを設計する可能性も存在する。
【0052】
直列に流体接続された流れ構成要素の場合、しばしば、それらを幾何学的に隣接する流れ構成要素として置くことも簡便である。これは、例えば、上に提示した実施形態の場合であった。しかしながら、さらに下のいくつかの実施形態における場合のように、いくつかの応用において、直列に流体接続された流れ構成要素のうちの２つ以上は、幾何学的に隣接しない流れ構成要素であり得る。これは、例えば、いくつかの流れ構成要素が、同じデバイス内の他の流れ構成要素よりも、より有利には小さい半径で提供される、またはより有利には大きい半径で提供される場合であり得る。
【0053】
図１１Ａは、流体制御デバイス１のウエハ２０のスタックの実施形態の概略図である。いくつかの流れ構成要素１０Ａ～１０Ｇが、対称軸Ｒの周りに互いを取り囲んで提供される。矢印は、異なる流れ構成要素間の流体接続を例証している。ここでは、流れは、中心流れ構成要素１０Ａ内へ入り始め、その後、円筒形状の流れ構成要素１０Ｂ～１０Ｇを連続して通り抜け続け、最終的に流れ構成要素１０Ｇから出るということが分かる。
【0054】
図１１Ａの実施形態において、流体制御デバイス１への高圧入口、すなわち主要入口２は、第１の流れ構成要素１０Ａに対して中心に置かれる。
【0055】
流体制御デバイス１への高圧入口は、ここでは、第１の流れ構成要素１０Ａの入口に流体接続される。
【0056】
図１１Ｂにおいて、別の実施形態の類似した図が示される。ここでは、流れは、流れ構成要素１０Ｂ内で開始し、流れ構成要素１０Ｇへと連続して続いた後、流れは、中心流れ構成要素１０Ａへと戻り、そこから最終的に出る。
【0057】
この実施形態において、流体制御デバイスからの低圧出口、すなわち主要出口３は、第１の流れ構成要素１０Ａに対して中心に位置する。
【0058】
流体制御デバイス１からの低圧出口は、ここでは、第１の流れ構成要素１０Ａの出口に流体接続される。
【0059】
代替の実施形態において、実際の高圧入口は、第１の流れ構成要素１０Ａの容積部内にも提供され得るが、しかしながら、第１の作用構成要素として流れ構成要素１０Ｂに接続される。
【0060】
図１１Ｃにおいて、さらにより変則的な実施形態が例証される。ここでは、流体接続は、流れ構成要素１０Ｇと１０Ｆとの間のみの近隣流れ構成要素に対してなされる。直列に流体接続された流れ構成要素の大半は、幾何学的に隣接しない流れ構成要素である。
【0061】
幾何学的に非近隣の順序にある流れ構成要素の流体接続は、１つまたは複数のウエハをウエハのスタックに追加することによって、提供され得る。しかしながら、特定の応用において、他のソリューションも可能であり得る。
【0062】
図１２Ａは、５つの圧力調節器３０Ａ～３０Ｅおよび逆止弁５１を有する流体制御デバイス１の実施形態を例証する。図は、２つの部分に分けられ、左部分は上部に、右部分は下部に例証される。この実施形態において、流れ構成要素１０Ａ～Ｆの幾何学的順序は、中心から開始し、外側へ進む。しかしながら、主要入口２、またはむしろ複数の主要入口２が、第１の圧力調節器３０Ａ、すなわち流れ構成要素１０Ｂに接続される。流体接続は、このとき、流れ構成要素の番号に関しては、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、および１０Ａの順にあり、これは、圧力調節器３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、および最後に逆止弁５１に対応する。
【0063】
１：３程度の圧力調節が５つの圧力調節器の各ステージで容易に達成され得、圧力調節は、下方絶対圧力ではさらに大きくなり得るということが分かっている。これは、２５０倍超の合計圧力調節が、そのような配置によって達成され得ることを意味する。
【0064】
圧力調節器３０Ｅと逆止弁５１との間には接続通路４５Ｂが存在する。この接続通路４５Ｂは、この実施形態においては、圧力調節器３０Ａ～Ｄの基準圧力チャンバ３７を通過するように設計される。圧力調節器３０Ａ～Ｄの動作は、接続通路４５Ｂ内の圧力が、この実施形態においては、ほぼ大気圧にあることが意図され、動作中にそれほど変化しないことから、少しも影響を及ぼされない。しかしながら、この設計は、追加のウエハの使用を省く。
【0065】
【0066】
言い換えると、１つの実施形態において、２つの流れ構成要素の間の流体接続は、基準圧力チャンバを通過する。
【0067】
流れ構成要素の円筒形状もまた、設計の好ましい詳細事項に影響を及ぼし得る。圧力調節器の場合、ピストン構成体が基準圧力チャンバの径方向外側の壁と径方向内側の壁との間にちょうど半分提供される場合、（円筒）ピストンの径方向外側の膜の領域は、ピストンの径方向内側の膜の領域よりもわずかに大きい。径方向外側の膜領域に印加される合力は、以て、径方向内側の膜領域に印加される合力よりも高くなる。そのような力の不均等な分布は、異なる応用において利用され得るが、他の場合には望ましくない場合がある。
【0068】
しかしながら、これは、ピストン構成体を、高圧膜または調節圧膜の径方向内側の境界よりも高圧膜または調節圧膜の径方向外側の境界の近くにそれぞれ位置付けることによって軽減され得る。１つの好ましい構成は、ピストン構成体の半径よりも小さい半径に位置する調節圧膜の面積が、ピストン構成体の半径よりも大きい半径に位置する調節圧膜の面積に等しいことである。別の好ましい構成は、ピストン構成体の半径よりも小さい半径に位置する高圧膜の面積が、上記ピストン構成体の半径よりも大きい半径に位置する高圧膜の面積に等しいことである。
【0069】
図１３は、ピストン構成体３６、高圧膜３２、および調節圧膜３８の実施形態の断面図の一部を例証する。半径は、図内右側に向かって増加する。膜の中間点は、矢印で示される。この実施形態において、ピストン構成体３６は中心において膜に装着される必要がないことに気付かれたい。高圧側へのピストン構成体３６は、低圧側へのピストン構成体３６と同じ幅を有するべきではない。これは、膜の剛性を微調整するために使用され得る別の設計パラメータである。さらには、ピストン構成体の異なる部分は、それらのそれぞれの中心で合流すべきではない。この特定の実施形態において、高圧膜３２および調節圧膜３８は、同じ厚さを有する。しかしながら、代替の実施形態において、それは、異なる厚さを有し得る。また、これは、正しい膜剛性を達成するために使用されることになる設計パラメータである。
【0070】
特定の実施形態において、ピストン構成体は、高圧ピストン部分と低圧ピストン部分とに分割され、これらは、弛緩状態では、小さい距離だけ分離される。これは、動作中、２つの部分が実際に機械的に接触する前に、調節圧膜のわずかな曲げが発生しなければならないことを意味する。動作の点では、これは、高圧膜の制御がいくらか遅延されることを意味する。
【0071】
圧力降下を適応させるために使用され得る圧力調節器の別の詳細事項は、シート構成体および高圧膜密閉表面の設計および寸法である。
【0072】
高減圧が取り扱われることになるとき、ピストン構成体、高圧膜、およびシート構成体に対する力はかなりのものになり得る。変形を回避するため、負荷を支えるシート構成体の領域は増加され得る。
【0073】
シート構成体の設計に関する１つの更なる懸念は、破片粒子が、時として、ガス流の後に続き、シート構成体と高圧膜密閉表面との間に詰まり得、これにより圧力調節器内の狭い流路の完全な閉塞を妨げることである。より幅広のシート構成体の使用は、シート構成体と高圧膜密閉表面との間に粒子を捕捉するリスクを増加させる。
【0074】
そのようなリスクを軽減するために設計される１つの実施形態において、シート構成体は、凹部によって分離される複数のシート表面ループを含む。以て、各シートループが、閉構造を形成し、これに対して高圧膜が密閉を形成し得る。粒子が高圧膜密閉表面とシート表面ループのうちの１つとの間に詰まったとしても、高圧膜密閉表面は、依然として、他のシート表面ループに対して密閉することができる。さらには、粒子はまた、シート表面ループ間の空間内へ押圧され得る。複数のシート表面ループはまた、合計接触面積を増加させ、以て、接触圧力をさらに下げる。
【0075】
図１４Ａは、圧力調節器３０のためのシート構成体を提供することが意図されるウエハの一部を例証する。シート構成体３４は、凹部６５によって分離されるいくつかのシート表面ループ６４を含む。シート表面ループ６４は、全周を構成し、以て、各々がシート表面ループ６４に対して外側の容積部から内側の容積部を密閉することができる。接続通路４５は、いくつかの角度で提供され、最も内側のシート表面ループ６４に至るまでガスを提供する。接続チャネル４０も同様に、最も外側のシート表面ループ６４の外側に提供される。シート表面ループ６４の数は、密閉を提供することが意図される高圧膜の性質および寸法に適応され得る。接続チャネル４０は、接続通路４５と同じ角度に必ずしも提供されない。さらには、代替の実施形態において、流れ方向は、反対であってもよく、すなわち、接続通路４５が外側に、および接続チャネル４０が内側に提供される。
【0076】
図１４Ｂは、図１４Ａに例証されるような構造体に基づいた流体制御デバイス１の実施形態の断面図の一部を例証する。断面は、図１４Ａ内の矢印によって示される方向に取られる。高圧膜密閉表面３５は、シート構成体３４の方を向いて提供され、それらを分離する狭い流路３３を伴う。図１４Ｃは、高圧膜３２にわたる圧力差が変形を引き起こし、以て、高圧膜密閉表面３５とシート構成体３４との接触を引き起こし、以て、密閉作用を提供する状況を例証する。概念粒子６６は、凹部６５に捕捉され、密閉粒子に影響を及ぼさないということに留意されたい。
【0077】
上にさらに述べられるように、さらに、調節圧膜は、好ましくは、相互作用するための固体構造を有する。高圧膜における圧力と調節圧膜における圧力との間の高い圧力差では、調節圧膜は、それが調節圧空洞の底部において固体構造に到達するほど変形され得る。膜は、次いで、この表面に対して密閉し得、流出圧力空洞は、条件が再び変化されるとき、正しい圧力基準を提供することができない。調節圧膜は、したがって、調節圧空洞にくっつき得る。この問題を解決するために、調節圧空洞は、好ましくは、空洞の底部から提供される距離要素を有する。これらの距離要素は、調節圧膜が底部に到達することを妨げるように構成される。同時に、距離要素は、ガスが調節圧空洞内を連続して流れることを可能にし、正しい圧力基準を提供する。
【0078】
それは、別途膜内のひびのリスクを増加させ得る大きすぎる変形を伴わずに、調節圧膜６７の停止位置を提供するのにも有益である。
【0079】
図１５Ａは、圧力調節器３０のための低圧支持構造体４２を提供することが意図されるウエハの一部を概略的に例証する。いくつかの距離要素６７が、調節圧空洞４１の底部６８から提供される。接続チャネル４０は、調節された圧力のガスを提供する役割を果たす。調節圧膜が距離要素６７と接触状態にあるときにもガスを分布させるために、距離要素は、いくつかの場所では破断され、シート構成体とは対照的に、全３６０度を取り囲まない。
【0080】
距離要素６７は、異なって、例えば、異なる種類の形状の柱として、設計され得る。距離要素６７は、それらが調節圧膜のための支持を提供すると同時に、距離要素６７の間にガスを流すように画定されるべきである。低密度表面、すなわち、支持構造体の間のより大きい空間、を提示する支持もまた、調節圧膜の大部分が調節圧のために利用可能であることを確実にすることに貢献する。
【0081】
図１５Ｂは、図１５Ａに例証されるような構造体に基づいた流体制御デバイス１の実施形態の断面図の一部を例証する。断面は、図１５Ａ内の矢印によって示される方向に取られる。ここでは、個々の距離要素６７の間にガスのための空間が存在することが分かる。図１５Ｃは、調節圧膜３８が変形され、距離要素６７に対して支持している状況を例証する。調節圧膜３８と接触状態にある調節圧空洞４１は、依然として、接続チャネル４０と流体接触状態にある。
【0082】
上に説明される実施形態は、本発明のいくつかの例証的な例と理解されるべきである。様々な修正形態、組み合わせ、および変更が、本発明の範囲から逸脱することなく、実施形態に対してなされ得ることは、当業者により理解されるものとする。特に、異なる実施形態内の異なる部分ソリューションは、技術的に可能な場合には、他の構成において組み合わされ得る。しかしながら、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。
【手続補正2】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
流れ構成要素（１０、１０Ａ～Ｆ）が微小電気機械システム－ＭＥＭＳとして提供されるウエハ（２０）のスタックを含む流体制御デバイス（１）であって、前記流れ構成要素（１０、１０Ａ～Ｆ）は、流体制御構成要素（１１、１１Ｆ）および流体監視構成要素（１２）のうちの少なくとも１つから選択され、第１の前記流れ構成要素（１０Ａ）は、前記ウエハ（２０）のスタックの主平面内で、第２の前記流れ構成要素（１０Ｂ）によって取り囲まれ、少なくとも第１および第２の前記流れ構成要素（１０Ａ、１０Ｂ）は、それぞれの変形可能膜（３２、３８）を含む、ことを特徴とする、流体制御デバイス。
【請求項2】
第３の前記流れ構成要素（１０Ｃ）は、前記ウエハ（２０）のスタックの前記主平面内で、前記第２の前記流れ構成要素（１０Ｂ）を取り囲む、ことを特徴とする、請求項１に記載の流体制御デバイス。
【請求項3】
第４の前記流れ構成要素（１０Ｄ）は、前記ウエハ（２０）のスタックの前記主平面内で、前記第３の前記流れ構成要素（１０Ｃ）を取り囲む、ことを特徴とする、請求項２に記載の流体制御デバイス。
【請求項4】
ｎ個の前記流れ構成要素（１０、１０Ａ～Ｆ）を特徴とし、ｎは４よりも大きい整数であり、第ｋの前記流れ構成要素（１０Ｅ～Ｆ）は、前記ウエハ（２０）のスタックの前記主平面内で、第（ｋ－１）の前記流れ構成要素（１０Ｄ～Ｅ）を取り囲み、ｋは、ｎ以下であるが１よりも大きい整数である、請求項３に記載の流体制御デバイス。
【請求項5】
少なくとも２つの前記流れ構成要素（１０、１０Ａ～Ｆ）は、直列に流体接続される、ことを特徴とする、請求項１に記載の流体制御デバイス。
【請求項6】
前記直列に流体接続された流れ構成要素のうちの２つは、幾何学的に隣接する流れ構成要素である、ことを特徴とする、請求項５に記載の流体制御デバイス。
【請求項7】
前記直列に流体接続された流れ構成要素のうちの２つは、幾何学的に隣接しない流れ構成要素である、ことを特徴とする、請求項５に記載の流体制御デバイス。
【請求項8】
少なくとも１つの前記流れ構成要素（１０、１０Ａ～Ｆ）は、流体制御構成要素（１１、１１Ａ～Ｆ）である、ことを特徴とする、請求項１に記載の流体制御デバイス。
【請求項9】
少なくとも１つの前記流体制御構成要素（１１、１１Ａ～Ｆ）は、－圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）、
－弁（５１）、および
－フィルタ（５０）の群から選択される、ことを特徴とする、請求項８に記載の流体制御デバイス。
【請求項10】
少なくとも１つの前記流れ構成要素（１０、１０Ａ～Ｆ）は、流体監視構成要素（１２）である、ことを特徴とする、請求項１に記載の流体制御デバイス。
【請求項11】
少なくとも１つの前記流体モニタ（１２）は、－圧力センサ（５２）、および
－流れセンサの群から選択される、ことを特徴とする、請求項１０に記載の流体制御デバイス。
【請求項12】
少なくとも１つの圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）を含むことを特徴とし、前記圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）は、変形されるとシート構成体（３４）に対する密閉作用を可能にするように配置される高圧膜（３２）を有する、請求項１に記載の流体制御デバイス。
【請求項13】
上記シート構成体（３４）は、凹部（６５）によって分離される複数のシート表面ループ（６４）を含み、各シート表面ループ（６４）が、閉構造を形成し、これに対して上記高圧膜（３２）が密閉を形成することができる、ことを特徴とする、請求項１２に記載の流体制御デバイス。
【請求項14】
前記圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）は、調節圧膜（３８）、および高圧入口（３１）から前記高圧膜（３２）と前記シート構成体（３４）との間を通過し低圧出口（３９）までの接続チャネル（４０）を含む圧力調節器流路をさらに有し、前記調節圧膜（３８）第１の側は、前記圧力調節器流路の前記低圧出口（３９）と流体接触状態にある、ことを特徴とする、請求項１２に記載の流体制御デバイス。
【請求項15】
前記調節圧膜（３８）の前記第１の側と前記圧力調節器流路の前記低圧出口（３９）との間の前記流体接触は、前記調節圧膜（３８）と接触状態にある流出圧力空洞（４１）を含み、前記流出圧力空洞（４１）は、前記流出圧力空洞（４１）の底部（６８）から提供される距離要素（６７）を有し、前記距離要素（６７）は、前記調節圧膜（３８）が前記底部（６８）に到達することを妨げるように構成される、ことを特徴とする、請求項１４に記載の流体制御デバイス。
【請求項16】
前記圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）は、前記高圧膜（３２）および前記調節圧膜（３８）を接続するピストン構成体（３６）をさらに有し、基準圧力チャンバ（３７）が、前記高圧膜（３２）と前記調節圧膜（３８）との間に形成されて、前記ピストン構成体（３６）を包囲する、ことを特徴とする、請求項１４に記載の流体制御デバイス。
【請求項17】
前記ピストン構成体（３６）は、前記高圧膜（３２）または調節圧膜（３８）の径方向内側の境界よりも、上記高圧膜（３２）または調節圧膜（３８）の径方向外側の境界の近くにそれぞれ位置付けられる、ことを特徴とする、請求項１６に記載の流体制御デバイス。
【請求項18】
前記ピストン構成体（３６）の半径よりも小さい半径に位置する前記調節圧膜（３８）の面積は、前記ピストン構成体（３６）の半径よりも大きい半径に位置する前記調節圧膜（３８）の面積に等しい、および前記ピストン構成体（３６）の半径よりも小さい半径に位置する前記高圧膜（３２）の面積は、前記ピストン構成体（３６）の半径よりも大きい半径に位置する前記高圧膜（３２）の面積に等しい、のうちの少なくとも１つである、ことを特徴とする、請求項１７に記載の流体制御デバイス。
【請求項19】
２つの流れ構成要素（１０Ｆ、１０Ａ）の間の流体接続（４５ｂ）は、前記基準圧力チャンバ（３７）を通過する、ことを特徴とする、請求項１６に記載の流体制御デバイス。
【請求項20】
少なくとも２つの圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）を含むことを特徴とし、前記圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）は、高圧側および低圧側を有することを特徴とする、請求項１０～１９のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項21】
前記少なくとも２つの圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）の前記高圧側は、前記流体制御デバイス（１）の第１の側の近くに提供される、ことを特徴とする、請求項２０に記載の流体制御デバイス。
【請求項22】
前記少なくとも２つの圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）のうちの１つの前記高圧側および前記少なくとも２つの圧力調節器（３０、３０Ａ～Ｅ）のうちの別のものの前記低圧側は、前記流体制御デバイス（１）の第１の側の近くに提供される、ことを特徴とする、請求項２０に記載の流体制御デバイス。
【請求項23】
前記流体制御デバイス（１）への高圧入口（２）は、前記第１の流れ構成要素（１０Ａ）に対して中心に置かれる、ことを特徴とする、請求項１に記載の流体制御デバイス。
【請求項24】
前記流体制御デバイス（１）からの低圧出口（３）は、前記第１の流れ構成要素（１０Ａ）に対して中心に置かれる、ことを特徴とする、請求項１に記載の流体制御デバイス。
【請求項25】
前記流体制御デバイス（１）への高圧入口（２）は、前記第１の流れ構成要素（１０Ａ）の入口（３１）に流体接続される、ことを特徴とする、請求項１に記載の流体制御デバイス。
【請求項26】
前記流体制御デバイス（１）からの低圧出口（３）は、前記第１の流れ構成要素（１０Ａ）の出口（３９）に対して中心に流体接続される、ことを特徴とする、請求項１に記載の流体制御デバイス。
【国際調査報告】