專利名稱：微觀機(jī)械裝置粘接到岐管的方法和由此制造的流體控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制流體的微觀機(jī)械裝置。具體地，本發(fā)明涉及在微觀機(jī)械裝置和流體岐管基礎(chǔ)物之間建立一個清潔、耐腐蝕和氣密的連接的技術(shù)。
背景技術(shù)：
微觀機(jī)械裝置(也稱為微觀機(jī)電(MEM)裝置，微觀加工裝置和納米結(jié)構(gòu))是使用半導(dǎo)體加工技術(shù)構(gòu)成的微米級的三維物體。在此使用的術(shù)語“微觀機(jī)械裝置”指至少部分依靠半導(dǎo)體加工技術(shù)構(gòu)成的任何三維物體。
微觀機(jī)械裝置被用作流體控制裝置。在此使用的術(shù)語“流體”涉及氣體或液體。精確的流體控制在從藥品輸送到半導(dǎo)體加工設(shè)備的許多應(yīng)用范圍內(nèi)都是重要的。
微觀機(jī)械裝置被用于形成各種流體流量控制裝置，包括節(jié)流閥、壓力傳感器、大流量控制器、過濾器、清潔器、壓力量表和類似物。圖1是現(xiàn)有技術(shù)裝置的側(cè)剖視圖，包括有輸入口22和輸出口24的岐管20。安裝在岐管20上的是通常打開的定量閥形式的一個第一微觀機(jī)械流體控制裝置30和壓力傳感器形式的第二微觀機(jī)械流體控制裝置32。在此涉及到的微觀機(jī)械流體控制裝置注視任何暴露于流體的裝置并且用于感應(yīng)和控制流體。
第一微觀機(jī)械流體控制裝置30包括一個膜34和一個膜控制腔36。在膜控制腔36內(nèi)的流體被選擇性地加熱，因此膜控制腔36的體積膨脹，進(jìn)而引起膜34偏斜而阻礙流體從輸入孔22流入。通過以這種方式控制膜34的偏斜，獲得一個定量閥的操作。
第二微觀機(jī)械流體控制裝置32也包括一個膜38。膜38的偏斜被用于測量被控制流體的壓力。這樣，第二微觀機(jī)械流體控制部件32用作壓力傳感器。
每個微觀機(jī)械流體控制部件(30，32)用一個軟的，屈從的材料40例如硅樹脂或環(huán)氧樹脂安裝于岐管20上。理想地，沒有來自岐管的應(yīng)力傳遞到流體控制部件。隔絕應(yīng)力對于壓力傳感器(例如壓阻、電容或應(yīng)力傳感器)是特別重要的。壓力傳感器對于支撐結(jié)構(gòu)(例如岐管)的應(yīng)力是敏感的。具體地，如果這個應(yīng)力的變化超時，由傳感器為一個給定的壓力產(chǎn)生的的信號將改變，這樣減少了傳感器的效用。
雖然軟的、屈從的材料已經(jīng)有一些成功地使用，但是這些材料對于廣泛的應(yīng)用是不適宜的，這些材料尤其不適于半導(dǎo)體加工中對氣體的控制和分配。在這里，氣體可能是腐蝕性或有毒的。岐管20和流體控制部件30、32之間的粘接劑40必須抵抗這些腐蝕和/或有毒的物質(zhì)，以便粘接劑的功能沒有可觀察到的改變。
此外，半導(dǎo)體加工設(shè)備也要求有高水平的清潔生產(chǎn)線。流體控制部件和它們的附加材料不必可測量程度地改變被控制的流體的性質(zhì)。這一限定從考慮作為部件附件的候選材料中排除了許多軟的、屈從的材料。
理想地，粘接劑是氣密的，然而氣密密封是相當(dāng)硬的，且因此直接傳遞填料的應(yīng)力到微觀流體控制部件。粘接劑也應(yīng)是穩(wěn)定的，以便信號的漂移不會超時。
根據(jù)前面所述，十分期望提供一種安裝流體控制部件的改進(jìn)的技術(shù)。理想地，這一技術(shù)提供一種在流體控制部件和岐管之間的穩(wěn)定的、氣密的、清潔的和耐腐蝕的界面。
發(fā)明概述本發(fā)明的方法包括形成一個圍繞微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間限定的孔的第一粘接劑的第一環(huán)。第一粘接劑形成在微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間的第一界面，其是清潔和耐腐蝕的。第二粘接劑的第二環(huán)圍繞第一環(huán)提供。第二粘接劑形成在微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間的第二界面，其是氣密的。
本發(fā)明的裝置是一個帶有圍繞微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間限定的孔形成的第一粘接環(huán)的微觀機(jī)械流體控制系統(tǒng)。第一粘接劑環(huán)形成在微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間的第一界面，其是清潔和耐腐蝕的。第二粘接環(huán)圍繞第一粘接劑環(huán)形成。第二粘接劑環(huán)形成在微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間的第二界面，其是氣密的。
本發(fā)明在流體控制部件和岐管之間提供了一個穩(wěn)定的、氣密的、清潔的和耐腐蝕的界面。


參考下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說明可以更好地理解本發(fā)明，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的帶有一組安裝在其上的微觀機(jī)械流體控制部件的岐管的視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例實施的工藝步驟。
圖3是用本發(fā)明的同心粘結(jié)技術(shù)將微觀流體控制部件安裝于其上的岐管。
圖4是沿圖3的4-4線的剖面圖。
貫穿附圖類似的參考符號涉及相應(yīng)的部件。
本發(fā)明的詳細(xì)說明圖2示出了結(jié)合本發(fā)明實施例的工藝步驟。圖2中的第一工藝步驟是圍繞一個液流口形成一個清潔、耐腐蝕粘結(jié)環(huán)(步驟50)。該操作可參考圖3理解。
圖3是流體岐管形式的基礎(chǔ)物64的橫截面圖。粘接到基礎(chǔ)物64上的是作為壓力傳感器的流體控制裝置62?？?6限定在流體控制裝置62和基礎(chǔ)物64之間?？?6允許流體通過基礎(chǔ)物64并且使流體流通到流體控制裝置62。
圖3也示出了圍繞孔66形成的第一環(huán)70。第一環(huán)位于基礎(chǔ)物64和流體控制裝置62之間。第一環(huán)70由第一粘接劑形成。第一環(huán)70形成清潔和耐腐蝕的第一界面。第一粘接劑是清潔的，因為它不能可測量地改變供給流體控制裝置62的流體的化學(xué)和物理性質(zhì)。換言之，第一粘接劑是一種材料(“浸濕了的”材料)，其不能可測量地改變被控制的流體(“增濕”流體)的效用，也就是對于被控制的流體的化學(xué)或物理要素和性質(zhì)的增加或減少。
第一粘接劑是耐腐蝕的，因為第一界面暴露于供給流體控制裝置62的流體的情況下，界面的功能性沒有產(chǎn)生可察覺到的改變。例如，滲透性和剝離強(qiáng)度沒有產(chǎn)生可察覺到的改變。其它相關(guān)的參數(shù)包括流體的溶解性、屈服強(qiáng)度、延展性和溫度膨脹系數(shù)。歷史上沒有可察覺到的改變意味著沒有視覺上的改變，例如蝕損斑。隨著新的測試要求的出現(xiàn)，意味著在物理或其它性質(zhì)上，例如強(qiáng)度、延展性、成分等類似性質(zhì)沒有改變。
較佳地，第一粘接劑是聚合物成分。在本發(fā)明的一個實施例中，聚合物成分是一種添加了以粘接劑為基礎(chǔ)的bismaleimide的聚四氟乙烯，例如加利福尼亞San Diego的QUANTUM MATERIALS，INC.，銷售的QMI561或QMI536。QMI536是為粘接整體環(huán)形到聚合物表面而特別研制的。對于QMI536而言，在粘接劑內(nèi)的濕氣的溶解性是很低的，而其滲透性是高的。這個特性使得在安裝整體環(huán)形時允許排出的水從型模粘接區(qū)域溢出而不產(chǎn)生缺陷。
粘接劑的高滲透性已經(jīng)暗示該物質(zhì)不適宜安置微觀流體控制裝置。粘接劑的清潔和耐腐蝕特性在安裝整體環(huán)形的范圍內(nèi)通常不能被利用，但在有關(guān)微觀流體控制裝置的安裝中被充分利用。這樣，如前所述，粘接劑的一些特性(如清潔和耐腐蝕)在現(xiàn)有技術(shù)中沒被注意，而其他特性(如滲透性)已被告知不利于在安裝微型流體控制裝置時使用粘接劑。
第一粘接劑70可以用于基礎(chǔ)物64或微觀流體控制裝置62。第一粘接劑可以根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的任意數(shù)量、包括使用計算機(jī)控制的壓力分配器的單一或多個針點進(jìn)行堆積。
轉(zhuǎn)到圖2，第二工藝步驟是圍繞清潔和耐腐蝕環(huán)提供一個氣密的粘接環(huán)(步驟52)。圖3是氣密粘接環(huán)72的橫截面圖，其圍繞第一清潔、耐腐蝕環(huán)70放置且位于基礎(chǔ)物64和微觀流體控制裝置62之間。
圖4是沿圖3的4-4線的斷面圖。該圖所示的孔66中止于流體控制裝置62的基面，如圖3所示。應(yīng)記得，孔66是使流體在基礎(chǔ)物64和微觀流體控制裝置62之間保持聯(lián)系的空間，該圖也示出了圍繞孔66的第一粘接環(huán)。圖4也表示了圍繞第一粘接環(huán)70的第二粘接環(huán)72。
氣密性粘接環(huán)72對氣體有低滲透性，具體地，當(dāng)確定在一個附著狀態(tài)時氣密性粘接環(huán)對氦的滲透性少于1×10-9atm*scc/sec。氣密性粘接環(huán)72可以由環(huán)氧樹脂軟膏形成。作為例子，帶有嵌入的Boron Nitride比如由在Billerica，Massachusetts的EPOXY TECHNOLOGY，INC.，銷售的EPOTEK T7109的環(huán)氧樹脂軟膏可以是導(dǎo)熱不導(dǎo)電的環(huán)氧樹脂軟膏。這種環(huán)氧樹脂最初被設(shè)計用于與整體環(huán)形有關(guān)的加熱水槽和散熱的應(yīng)用。在這里，它的低滲透性不被利用。
第二粘接劑72可以位于基礎(chǔ)物64或流體控制裝置62兩者之一上。第二粘接劑可以根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的任意數(shù)量、包括使用計算機(jī)控制的壓力分配器的單一或多個針點進(jìn)行堆積。在粘接劑堆積之后，基礎(chǔ)物64和流體控制裝置62相粘接并固化，如粘接劑的制造商所指明的那樣。
本發(fā)明使用第一和第二粘接劑來實施，該粘接劑被供給和固化到少于25微米的厚度，最好在10-15微米之間。理想地，在應(yīng)用時，兩種粘接劑相隔0.001英寸的最小尺寸。特殊尺寸和成分的小珠子(例如10微米的玻璃珠)和SiO2可以添加到型模粘接材料，以幫助在傳感器和基礎(chǔ)物之間獲得均勻的間隔。
由第一和第二粘接環(huán)建立的界面是很穩(wěn)定的。實施的裝置已經(jīng)經(jīng)歷了伴隨著15℃到50℃的溫度漂移而產(chǎn)生少于每年0.5％的信號漂移(FS)。
該領(lǐng)域的技術(shù)人員能理解到，該微觀流體控制裝置可以是很多裝置的形式，包括壓阻壓力傳感器、容量壓力傳感器、應(yīng)力敏感傳導(dǎo)器、節(jié)流閥、大流量控制器、過濾器、清潔器，和類似物。其上安裝微觀流體控制器的基礎(chǔ)物典型的是流體岐管，意味著一個帶有一組通道的物體，該通道包括一個入口通道和一個出口通道，以及微觀流體控制裝置入口通道。
有時候微觀流體控制裝置安置在一個基座上，以使裝置隔離基礎(chǔ)物應(yīng)力。本發(fā)明的粘接結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于這樣一種基座，在該情況下，基座應(yīng)視為形成微觀流體控制裝置的一部分。
為了解釋的目的，前面使用特殊術(shù)語的描述以提供貫穿本發(fā)明的理解。然而顯然，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，為了實踐本發(fā)明，并不要求該特定的部件。在另一些例子里，為了避免對潛在的發(fā)明不必需的分心，公知的回路和裝置以框圖的形式表示。這樣，前述的本發(fā)明的特殊實施例代表了解釋和說明的目的。它們不是為了詳盡的或?qū)⒈景l(fā)明限定于所公開的精確形式，明顯地，根據(jù)前面的教導(dǎo)，許多改變和變化是可能的。實施例的選擇和描述，為的是最好地解釋本發(fā)明的原理和它的實際應(yīng)用，從而使得本領(lǐng)域的其它技術(shù)人員最好地應(yīng)用本發(fā)明并且?guī)в懈鞣N改變的各種實施例適于期望的具體使用。本發(fā)明的范圍由下面的權(quán)利要求和其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種粘接微觀機(jī)械流體控制裝置到基礎(chǔ)物的方法，包括如下步驟形成一個圍繞微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間限定的孔的第一粘接劑的第一環(huán)，第一粘接劑形成在微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間的第一界面，其是清潔和耐腐蝕的；圍繞第一環(huán)提供第二粘接劑的第二環(huán)，第二粘接劑形成在微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間的第二界面，其是氣密的。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述的形成步驟包括形成第一界面的步驟，該步驟使所述第一界面清潔成不能可測量地改變供給流體控制裝置的流體的化學(xué)和物理性質(zhì)。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述的形成步驟包括形成第一界面的步驟，該步驟使所述第一界面耐腐蝕達(dá)到在所述的第一界面暴露于提供給微型流體控制裝置的流體時，第一界面的功能性不產(chǎn)生可觀察到的改變。
4.權(quán)利要求1的方法，其中供給步驟包括提供第二界面，第二界面是氣密的，因為其對于氦有少于1×10-9atm*scc/sec的滲透性。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述形成和供給步驟用具有壓力傳感器形式的微觀機(jī)械流體控制裝置來實施。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述形成和供給步驟用具有壓阻壓力傳感器形式的微觀機(jī)械流體控制裝置來實施。
7.權(quán)利要求5的方法，其中所述形成和供給步驟用具有容積壓力傳感器形式的微觀機(jī)械流體控制裝置來實施。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述形成和供給步驟用具有應(yīng)力敏感傳導(dǎo)器形式的微觀機(jī)械流體控制裝置來實施。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述形成和供給步驟用具有流體岐管形式的基礎(chǔ)物來實施。
10.一種微觀機(jī)械流體控制系統(tǒng)，包括一個圍繞微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間限定的孔形成的第一粘接環(huán)，第一粘接環(huán)形成在微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間的第一界面，其是清潔和耐腐蝕的；圍繞第一粘接環(huán)形成第二粘接環(huán)，第二粘接環(huán)在微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間形成第二界面，其是氣密的。
11.權(quán)利要求10的微觀機(jī)械流體控制系統(tǒng)，其中第一粘接環(huán)是清潔的，因為它不能可測量地改變供給流體控制裝置的流體的化學(xué)和物理性質(zhì)。
12.權(quán)利要求10的微觀機(jī)械流體控制系統(tǒng)，其中所述第一粘接環(huán)是耐腐蝕的，因為在所述的第一粘接環(huán)暴露于提供給微型流體控制裝置的流體時，第一粘接環(huán)的功能性不產(chǎn)生可觀察到的改變。
13.權(quán)利要求10的微觀機(jī)械流體控制系統(tǒng)，其中所述第二粘接環(huán)是氣密的，因為其對于氦有少于1×10-9atm*scc/sec的滲透性。
14.權(quán)利要求10的微觀機(jī)械流體控制系統(tǒng)，其中所述的微觀機(jī)械流體控制裝置是壓力傳感器。
15.權(quán)利要求10的微觀機(jī)械流體控制系統(tǒng)，其中所述的微觀機(jī)械流體控制裝置是壓阻壓力傳感器。
16.權(quán)利要求10的微觀機(jī)械流體控制系統(tǒng)，其中所述的微觀機(jī)械流體控制裝置是容積壓力傳感器。
17.權(quán)利要求10的微觀機(jī)械流體控制系統(tǒng)，其中所述的微觀機(jī)械流體控制裝置是應(yīng)力敏感傳導(dǎo)器。
18.權(quán)利要求10的微觀機(jī)械流體控制系統(tǒng)，其中所述的基礎(chǔ)物是流體岐管。
全文摘要
一種粘接微觀機(jī)械裝置(62)到基礎(chǔ)物(64)的方法包括形成一個圍繞微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間限定的孔(66)的第一粘接劑(70)的第一環(huán)步驟。第一粘接劑形成在微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間的第一界面，其是清潔和耐腐蝕的。圍繞第一環(huán)提供第二粘接劑(72)的第二環(huán)。第二粘接劑形成在微觀機(jī)械流體控制裝置和基礎(chǔ)物之間的第二界面，其是氣密的。
文檔編號C09J5/00GK1426352SQ01804983
公開日2003年6月25日 申請日期2001年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月14日
發(fā)明者J·M·哈里斯, M·J·塞爾賽, W·A·韋伯 申請人:紅木微系統(tǒng)公司