[发明专利]正比微机械装置

说明书

本发明一般涉及半导体微机械的微装置，具体涉及这样一种微装置，这种微装置具有很高形态比(aspect ratio)的几何形状以及连同传感器一起移动的部件。

流体阀一般包括流体出入口、致动器以及响应致动器而移动到使流体出入口打开或关闭的阀部件。已有许多种流体阀。流体阀的例子包括螺线阀以及用微机加工半导体材料制作的微阀例如双金属微阀和封装的流体微阀。然而这些种阀门或微阀分别存在许多问题。

螺线阀利用圆筒形线圈，一般具有铁芯，当电流流过线圈时该铁芯由形成的磁场吸入该圆筒。螺线阀通常用在例如常规的防抱死制动器系统上。然后螺线阀一般很大而且沉。另外，电磁阀例如螺线阀常常要求很大的电流，导致供电尖脉冲。螺线管还表现出滞后现象，因此不能线性响应电输入。另外，电磁阀例如螺线阀的操作相当慢，因为在向阀送电流和产生磁场与相应力之间有很长的时滞。而且在实际上很难只局部地打开或关闭螺线阀，所以螺线阀通常只用作开/关阀而不能用作正比阀。

示范性的双金属微阀使用用两种材料作的致动器，这两种材料具有不同的热膨胀系数。致动器由于热膨胀系数不同在加热或冷却时将变弯或伸直，从而打开或关闭流体孔。美国专利No. 5 058 856公开了具有第一和第二基板的这种微阀。第一基板形成流体孔和阀座。第二基板形成对准该流体孔的阀门面，还形成活动的致动器，该活动致动器包括其热膨胀系统很不同的第一层和第二层例如硅层和镍层。致动器还包括加热部件，并且其一端被固定，使选择性加热制动器便可使致动器因热膨胀系数的差别而弯曲。致动器的弯曲将使阀门面移离或靠着阀座，从而打开或关闭阀门，控制流体流过流体孔。

然而这种双金属微阀的一个问题是，因为致动器响应温度的变化而致动，所以外界温度的变化也会无意地使微阀操作。另外，加热部件和制动器与流体流接触，因此可能造成不希望地加热流路中的流体、冷却加热器以及使致动器动作。而且，制动器的位移也相当小，一般约为10ppm/℃。

美国专利No.4 824 073中公开了封装流体的微阀例子。封装流体微阀应用了在一个密封腔中一定量的流体或气体加热时该流体膨胀和压力升高而使形成该腔一个或多个壁的软薄膜或隔膜变位的原理。当密封的流体或气体加热时，隔膜移动而打开和关闭流体口，由此控制流体流过流体口。可以利用该腔中的电阻加热元件加热密封的流体或气体，可使电流流过加热元件产生的热量加热流体或气体。

密封流体的微阀可以产生相当大的力，因而它们可以用作大型流体控制器，例如用于控制大体积流体流。密封流体微阀还可成正比地操作，提供流体控制的正比范围，即可以根据控制信号的幅值控制阀门，调节流过阀门的流体流量。

然而由于需要加热和冷却流体的时间，所以密封流体微阀其响应时间相当慢。另外，密封流体微阀的变位膜与流体或气体的流道接触。因此变位膜的温度可能影响流路中流体或气体的温度，反之亦然。

另外，上述阀中没有一个阀提供流动力补偿和/或压力补偿，以尽量减小流体流过微阀的影响。

因此需要一种小型的、重量轻的、成本低的、容易制造的和响应时间快的微阀。也需要一种可以进行准确的正比流量控制的微阀，在这种阀中，对输入控制信号的响应基本上是线性的而没有时滞，而且可以进行流动力补偿和/或压力补偿，以尽量减小流体流过微阀的影响。还需要一种在阀门操作时不会造成显著加热流过阀门的流体或气体的阀门。另外，还需要一种其功能不依赖于外界温度的微阀。本发明可以满足这些需要。

在本发明的一个方面中，半导体微机械装置包括大体平面的第一层和大体平面的第二半导体层。第一和第二部件悬挂在第二层上，而且各个部件悬挂在由第二层形成的腔中。第一层也可形成一部分腔。移动部件悬挂于该腔中的第一和第二悬挂部件上。致动器在操作上连接于第一悬挂部件，使得致动器可以施加使移动部件移动的力。