L'invention concerne une microvanne et plus particulièrement une microvanne commandée électrostatiquement réalisée de façon intrégrée à partir d'un substrat semi-conducteur par la technologie de micro-usinage. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une telle microvanne.
La microvanne selon l'invention est destinée à contrôler de faibles flux de fluide et trouve notamment des applications dans le domaine médical et biomédical ainsi que dans les appareillages de mesure miniatures.
On connaît déjà une microvanne passive du type vanne anti-retour comprenant deux substrats micro-usinés et assemblés par collage. Un premier substrat comprend un canal pour le passage d'un fluide et un clapet intégré. Ce clapet a la configuration d'une lame élastique ayant une extrémité libre et qui s'étend sensiblement dans le plan du substrat. Par ailleurs, le second substrat comprend un canal micro-usiné qui après assemblage est disposé sensiblement en alignement avec le canal du premier substrat.
Une telle structure en deux parties présente des inconvénients. En effet, compte tenu des très faibles dimensions de ces vannes, la fabrication de ces dernières est délicate, en particulier la réalisation de l'étanchéité est peu aisée. De plus l'opération de collage peut engendrer des contraintes dans chacun des substrats ce qui fragilise la vanne.
On connaît aussi une microvanne active qui entre comme composant élémentaire dans un dispositif miniature de chromatographie en phase gazeuse. Cette microvanne est décrite dans une article de S.C. TERRY et T.B. ANGELL paru dans la revue "Theory, Desing and Biomedical Application of solid state Chemical Sensors" page 207. Il s'agit là encore d'une microvanne à diaphragme comprenant une pluralité d'éléments réalisés séparément par micro-usinage puis assemblés, présentant les mêmes inconvénients que la microvanne décrite ci-dessus. Toutefois, cette microvanne présente des inconvénients supplémentaires liés aux moyens de commande utilisés. En effet, la commande de la microvanne peut être réalisée des deux manières suivantes.
Une première manière consiste à commander le déplacement du diaphragme par voie thermique en dilatant le fluide contenu d'un côté de ce dernier. Compte tenu de l'inertie thermique du fluide, le temps de réponse de la microvanne est alors très important ce qui limite par conséquent son champs d'application.
Une seconde manière consiste à utiliser une commande externe telle qu'une commande piézoélectrique, cette dernière agit directement sur le diaphragme et permet d'obtenir des temps de réponse très faibles. En revanche, cela augmente considérablement l'encombrement, complique et renchérit le dispositif.
L'invention a donc pour but principal de remédier aux inconvénients de l'art antérieur susmentionné en fournissant une microvanne active réalisée de façon simple, fiable et économique.
A cet effet, la présente invention a pour objet une microvanne comprenant un siège de clapet, un clapet mobile entre une première position dans laquelle il est appliqué contre le siège, et une seconde position dans laquelle il autorise le passage d'un fluide à travers au moins un canal ménagé dans le siège, et des moyens de commande du clapet en réponse à un signal d'activation.
Conformément à l'invention, la microvanne est réalisée sous la forme d'un composant intégré comprenant un substrat en matériau semi-conducteur sur lequel sont déposées et gravées une pluralité de couches, le canal étant ménagé dans le substrat, et en ce que le siège, le clapet et les moyens de commande sont formés par lesdites couches.
Ainsi, on obtient une microvanne intégrée ayant une grande compacité et que l'on peut réaliser grâce aux techniques classiques de micro-usinage des matériaux semi-conducteurs.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la pluralité de couches comprend au moins une première couche électriquement conductrice solidaire du clapet, une seconde couche électriquement conductrice solidaire du siège, les moyens de commande étant constitués par lesdites couches conductrices formant respectivement une électrode et une contre-électrode, ces dernières étant reliées à un circuit de commande.
Ainsi, on réalise aisément des moyens de commande à faible temps de réponse, ayant un fonctionnement fiable et simple sans augmenter l'encombrement de l'ensemble du dispositif.
De préférence, la microvanne selon l'invention comprend en outre des moyens de rappel élastiques du clapet dans une de ses deux positions.
Cela permet d'obtenir un contrôle de la position du clapet après arrêt de la commande afin par exemple d'utiliser la microvanne pour des applications spécifiques.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une microvanne comprenant un siège de clapet, un clapet mobile entre une première position dans laquelle il est appliqué contre le siège, et une seconde position dans laquelle il autorise le passage d'un fluide à travers un canal ménagé dans le siège et des moyens de commande du clapet en réponse à un signal d'activation.
Conformément à l'invention, le procédé comprend les opérations successives consistant à:
- former sur la face supérieure du substrat une zone conductrice définissant une contre-électrode de commande;
- recouvrir ladite zone conductrice d'une couche sacrificielle pour définir la course du clapet;
- déposer une pluralité de couches pour former le clapet, ladite pluralité de couches comprenant au moins une première couche électriquement isolante, une couche électriquement conductrice pour former l'électrode de commande, cette dernière présentant au moins une partie en regard de la contre-électrode, et une seconde couche électriquement isolante;
- attaquer sélectivement et successivement la face supérieure et inférieure du substrat pour former le canal et éliminer la couche sacrificielle, l'attaque se poursuivant jusqu'à la première couche électriquement isolante.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation non-limitatif en liaison avec les dessins ci-joints parmi lesquels:
- la fig. 1 montre une vue schématique partielle, en coupe d'un drain à section carrée dans lequel est monté une microvanne selon l'invention;
- la fig. 2 est une vue en perspective d'ensemble, en arraché d'une microvanne selon l'invention;
- la fig. 3 est une vue en perspective d'ensemble en éclaté et en arraché d'une microvanne selon l'invention;
- les fig. 4a et 4b sont des vues en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 2 représentant la microvanne selon l'invention dans une position d'ouverture et de fermeture respectivement;
- les fig. 5a et 5b sont des vues en coupe selon la ligne V-V de la figure 2 représentant la microvanne selon l'invention dans une position d'ouverture et de fermeture respectivement;
- la fig. 6 est un schéma bloc de fonctionnement d'un débimètre incluant une microvanne selon l'invention;
- les fig. 7a à 17a sont des vues en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 2 de la microvanne représentée à différentes étapes du procédé de fabrication de celle-ci.
- les fig. 7b à 17b sont des vues en coupe selon la ligne V-V de la figure 2 de la microvanne, représentée à différentes étapes du procédé de fabrication de celle-ci.
En se référant tout d'abord à la figure 1, on voit une vue partielle en coupe d'un drain 1 ayant une section carrée dans laquelle est montée une microvanne électrostatique selon l'invention désignée par la référence numérique générale 2.
A titre d'exemple et pour fixer les idées, ce drain a une section sensiblement égale à 2 x 2 mm<2> et la microvanne 2 a une épaisseur d'environ 400 mu m. Cet ensemble peut être avantageusement utilisé dans des dispositifs d'injection d'insuline.
On notera qu'une telle microvanne peut être également utilisée avantageusement à basse température par exemple dans un liquéfacteur d'azote miniature.
En se référant aux figures 2 et 3, on voit une vue d'ensemble en perspective d'un mode de réalisation de la microvanne 2 seule. Cette microvanne électrostatique de forme générale parallélépipédique comprend de façon classique un siège de clapet 3, un clapet 4 mobile entre une première position dans laquelle il est appliqué contre le siège 3 et une seconde position dans laquelle il autorise le passage d'un fluide à travers au moins un canal 5. Cette première partie du canal ménagée dans le siège 3 présente un orifice 6. En outre, la microvanne comprend des moyens de commande 7 du clapet 4. Ces moyens de commande activent le clapet 4 en réponse à un signal de commande électrique délivré par un circuit de commande extérieur (non représenté).
Selon l'invention, la microvanne est réalisée sous la forme d'un composant élémentaire intégré comprenant un substrat 8 semi-conducteur monocristallin sur lequel sont déposées et gravées une pluralité de couches conductrices et isolantes afin de former le siège 3, le clapet 4, le canal 5 et les moyens de commande 7.
Ce siège 3 est obtenu à partir d'une couche 9 réalisée par diffusion superficielle d'atomes de phosphore selon une configuration déterminée à la surface supérieure 8a du substrat. Cette surface supérieure est ensuite micro-usinée dans les zones non diffusées. Ce siège constitue ainsi une contre-électrode 3 formant une première partie des moyens de commande 7. En outre, dans le mode de réalisation décrit, on définit simultanément des moyens de rappel élastiques 10 du clapet 4 dans une de ses deux positions. Ces moyens de rappel élastiques 10 comprennent deux bras 10a, 10b s'étendant en porte-à-faux, suivant une des diagonales du substrat au-dessus d'une seconde partie 5b du canal 5 constituée par une pluralité de fenêtres ménagées à la surface supérieure 8a du substrat.
Ces fenêtres, définissant la partie 5b du canal 5 communiquent avec la première partie du canal au moyen de l'orifice 6 quand le clapet 4 est en position haute.
On notera que, de manière avantageuse, les bras de rappel élastiques ont une structure monocristalline leur conférant une très grande élasticité, sans plasticité.
La microvanne 2 comprend en outre trois couches 12, 13, 14 partiellement suspendues par quatre bras 15 de liaison. Ces couches 12, 13, 14 forment une membrane mobile définissant le clapet 4.
La couche 12 est une couche isolante de Si3N4 ayant une géométrie déterminée pour ne pas obturer la seconde partie 5b du canal quelle que soit la position du clapet 4.
La couche 13 est une couche électriquement conductrice, par exemple une couche de polysilicium. Cette couche forme une électrode 16 qui définit la seconde partie des moyens de commande 7. L'électrode 16 est disposée sensiblement en regard de la contre-électrode 3.
Enfin, la couche 14 est une couche isolante de même nature que la couche 12, cette dernière étant indispensable pour éviter les courts-circuits.
On notera également que les couches 12, 14 ont chacunes des ouvertures 17, 18 ménagées de façon appropriées pour permettre la connexion électriques des électrodes 3, 16.
Dans le mode de réalisation décrit, la microvanne comprend des moyens de contrôle 19 de l'état de l'ouverture et de fermeture de l'orifice. Ces moyens de contrôle sont définis par une électrode 20 indépendante de l'électrode de commande 16 disposée entre les deux couches isolantes 12, 14 afin de coopérer avec une partie de la contre-électrode 3.
Ainsi, par une simple mesure de la capacité entre ces deux électrodes 20, 3 on détermine si la membrane est appliquée contre le siège 3 ou si elle se trouve au-dessus de ce dernier.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et l'on peut prévoir des variantes sans sortir de son cadre. On peut notamment prévoir une microvanne présentant des orifices multiples ou encore une microvanne dite normalement fermée, les moyens de rappel appliquant en permanence le clapet contre son siège quand aucun signal de la commande n'est délivré.
Dans ce cas il est nécessaire de prévoir des couches supplémentaires.
Les figures 4a, 4b et 5a, 5b illustrent clairement les positions d'ouverture et de fermeture de la microvanne respectivement.
Aux figures 4a, 5a aucune tension électrique n'existe aux bornes des électrodes de commande, les électrodes ne sont pas chargées, et par conséquent la force d'attraction électrostatique Fe entre ces dernières est nulle. Par ailleurs, les bras 10a, 10b constituant les moyens de rappel élastiques 10 agissent afin de rappeler la partie de la membrane formant le clapet 4 dans une direction indiquée par la flèche R. La membrane occupe alors une position déterminée, et l'orifice 6 est ouvert si bien que le fluide (symbolisé par les flèches C) peut circuler librement dans le canal 5.
On notera que grâce aux moyens de rappel élastiques 10, l'électrode de contrôle 20 est toujours à une distance sensiblement constante de la contre-électrode 3 si bien que la valeur de la capacité mesurée indique de façon sûre l'état d'ouverture de la microvanne 2.
Aux figures 4b, 5b une tension électrique est appliquée aux bornes des électrodes de commande 3, 16. En raison du phénomène d'attraction entre conducteur chargés la partie de la membrane formant le clapet 4 est appliquée contre le siège 3 obturant ainsi l'orifice 6 et déformant les moyens de rappel élastiques 10.
Enfin, à la figure 6, est représenté un schéma de bloc simplifié d'un débimètre désigné généralement par la référence numérique 21. Le débimètre 21 comprend une microvanne 2 selon l'invention associée à un circuit de régulation 22 délimité par un trait interrompu. Ce circuit de régulation comprend un circuit de mesure 23 du débit réel moyen passant à travers la microvanne 2. Ce circuit de mesure 23 a une entrée 24 reliée aux électrodes de contrôle de la microvanne 2 et délivre sur une sortie 25 reliée à une première entrée 26 d'un circuit de commande 27 un signal D1 représentatif du débit réel moyen. Par ailleurs, le circuit de commande 27 a une seconde entrée 28 recevant un signal de consigne D2 représentatif d'un débit souhaité. Enfin, une sortie S du circuit de commande est reliée aux électrodes de commande de la microvanne 2 pour commander l'ouverture ou la fermeture de celle-ci.
On va maintenant successivement décrire les différentes étapes d'un procédé particulier de fabrication d'une microvanne selon l'invention en référence aux figures 7a à 17a, 7b à 17b.
On notera tout d'abord que compte tenu des faibles dimensions des microvannes, et pour des raisons pratiques que l'on comprend aisément, le procédé de fabrication s'applique simultanément à la fabrication d'un grand nombre de microvannes à partir d'une même plaquette définissant le substrat.
Par ailleurs, il est important de noter que les valeurs des différents paramètres tels que la température, la présence, le temps, des réactifs utilisés etc... décrites dans le procédé ne sont nullement limitatives, et dépendent essentiellement des matériaux et des appareillages utilisés. Ces valeurs peuvent être par conséquent facilement déterminées par l'homme du métier.
Les plaquettes (non représentées) définissant le substrat 8 et à partir desquelles les microvannes 2 sont obtenues ont les caractéristiques suivantes. Il s'agit de plaquettes de silicium monocristallin de type ayant une orientation cristalline < 100 > et une résistivité électrique d'environ 5 à 7 OMEGA .cm. Pour fixer les idées, l'épaisseur et le diamètre des plaquettes est de 400 mu m et 7,5 cm respectivement.
En se référant plus particulièrement aux figures 7a, 7b à 9a, 9b on voit le substrat 8 à différentes étapes successives de la réalisation de la contre-électrode (le siège du clapet), et de la préparation en vue d'un usinage ultérieur des moyens de rappel élastiques du clapet par la création de zones diffusées de type n dans le substrat Si.
Aux figures 7a, 7b, le substrat préalablement poli sur ses deux faces 8a, 8b est oxydé dans un four à une température de 1100 DEG C pendant 1 heure. On obtient une fine couche 29 ayant une épaisseur de 130 à 150 mu m de SiO2.
On définit par photolithographie un masque pour l'étape suivante de dopage du substrat.
Ce dopage est obtenu par dépôt d'une pleine couche 30 de SiO2 dopé au phosphore par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur une épaisseur de 100nm environ. Ce dopage est suivi d'une diffusion à haute température 1100 DEG C du phosphore dans le substrat et définit une zone diffusée 9 (figures 8a 8b).
On élimine par attaque chimique les couches 29, 30 de SiO2 et SiO2 : P (figures 9a, 9b).
L'étape suivante illustrée aux figures 10a, 10b consiste à réaliser la couche sacrificielle 31 qui définit la course du clapet.
Cette étape consiste en un dépôt chimique en phase vapeur à 350 DEG C d'une couche de 50nm de SiO2 suivi du dépôt d'une couche de 90Onm d'oxyde de silicium fortement dopé au phosphore (PSG : Phosphosilicate glass).
Cette couche 31 est ensuite gravée par photolithographie pour ne recouvrir que la contre-électrode 3 (figures 10a, 10b).
Dans l'étape suivante, illustrée aux figures 11a à 13a, 11b à 13b on réalise le clapet 4 et l'électrode 16 associée et le cas échéant l'électrode de contrôle 20 (voir figures 2 et 3).
Pour ce faire, on dépose successivement
- une couche 12 de 100nm de Si3N4 par LPCVD ( déposition chimique en phase gazeuse à basse pression) à 800 DEG C, sur les deux faces du substrat (figure 11a, 11b);
- une couche 13 de 20nm de polysilicium par LPCVD à 625 DEG C sur la face supérieure 8a du substrat, gravée suivant le motif désiré (figure 12a, 12b);
- une couche 14 de 100nm de Si3N4 par LPCVD à 800 DEG C sur les deux faces du substrat (figure 13a, 13b).
Dans l'étape susdécrite, la couche électriquement conductrice 13 peut être remplacée par une métallisation.
Pour réaliser l'ouverture de la première et seconde partie 5a, 5b du canal 5, ainsi que les ouvertures 17, 18 nécessaires aux connexions des électrodes 3, 16, 20, on attaque les couches 12, 14 de Si3N4 par une attaque sèche ou humide (figures 14a, 14b).
A l'étape illustrée aux figures 15a, 15b on procède à l'attaque, par une solution d'hydroxyde de potasium (KOH) à 40% à une température de 60 DEG C, de la face inférieure 8b du substrat afin de former la première partie 5a du canal . Pendant cette étape, la face supérieure 8a du substrat 8 est protégée. On arrête l'attaque quand l'épaisseur résiduelle du substrat 8 est égale à la profondeur de la seconde partie du canal 5b que l'on désire obtenir.
- Aux figures 16a, 16b on retire la protection de la face supérieure 8a du substrat 8, et l'attaque se poursuit sur les deux faces, 8a, 8b.
Au cours de cette attaque, on élimine une partie du substrat se trouvant sous les bras 10a, 10b constituant les moyens de rappels élastiques 14.
Afin de protéger ces derniers de l'attaque chimique, on polarise, selon la méthode décrite dans l'article H.A. Naggener et al, la jonction couche 9 - substrat 8 et on termine également l'usinage de la première partie 5a du canal 5.
Il ne reste donc plus qu'à libérer le clapet 4 en éliminant la couche sacrificielle 31 et à éliminer les couches 12 et 14 restant sur la face inférieure 8b, par exemple par une attaque sèche. L'élimination de la couche sacrificielle est réalisée par une attaque chimique par une solution de BHF, (figures 17a, 17b).
The invention relates to a microvalve and more particularly to an electrostatically controlled microvalve produced in an integrated manner from a semiconductor substrate by micromachining technology. The invention also relates to a method of manufacturing such a microvalve.
The microvalve according to the invention is intended to control low fluid flows and finds in particular applications in the medical and biomedical field as well as in miniature measuring devices.
There is already known a passive microvalve of the non-return valve type comprising two micromachined substrates and assembled by bonding. A first substrate comprises a channel for the passage of a fluid and an integrated valve. This valve has the configuration of an elastic blade having a free end and which extends substantially in the plane of the substrate. Furthermore, the second substrate comprises a micro-machined channel which after assembly is disposed substantially in alignment with the channel of the first substrate.
Such a two-part structure has drawbacks. Indeed, given the very small dimensions of these valves, the manufacture of the latter is delicate, in particular the production of the seal is not very easy. In addition, the bonding operation can generate stresses in each of the substrates, which weakens the valve.
There is also known an active microvalve which enters as an elementary component in a miniature gas chromatography device. This microvalve is described in an article by SC TERRY and TB ANGELL published in the journal "Theory, Desing and Biomedical Application of solid state Chemical Sensors" page 207. It is again a diaphragm microvalve comprising a plurality of elements produced separately by micromachining and then assembled, having the same drawbacks as the microvalve described above. However, this microvalve has additional drawbacks linked to the control means used. Indeed, the control of the microvalve can be carried out in the following two ways.
A first way consists in controlling the movement of the diaphragm thermally by expanding the fluid contained on one side of the latter. Given the thermal inertia of the fluid, the response time of the microvalve is then very long, which consequently limits its field of application.
A second way consists in using an external control such as a piezoelectric control, the latter acts directly on the diaphragm and makes it possible to obtain very short response times. On the other hand, this considerably increases the bulk, complicates and increases the cost of the device.
The main object of the invention is therefore to remedy the drawbacks of the above-mentioned prior art by providing an active microvalve produced in a simple, reliable and economical manner.
To this end, the subject of the present invention is a microvalve comprising a valve seat, a valve movable between a first position in which it is applied against the seat, and a second position in which it allows the passage of a fluid through at least one channel formed in the seat, and means for controlling the valve in response to an activation signal.
According to the invention, the microvalve is produced in the form of an integrated component comprising a substrate of semiconductor material on which are deposited and etched a plurality of layers, the channel being formed in the substrate, and in that the seat, the valve and the control means are formed by said layers.
Thus, an integrated microvalve having a high compactness is obtained which can be produced by conventional techniques of micro-machining of semiconductor materials.
According to an advantageous characteristic of the invention, the plurality of layers comprises at least a first electrically conductive layer secured to the valve, a second electrically conductive layer secured to the seat, the control means being constituted by said conductive layers respectively forming an electrode and a counter-electrode, the latter being connected to a control circuit.
Thus, control means with low response time are easily produced, having a reliable and simple operation without increasing the overall dimensions of the device.
Preferably, the microvalve according to the invention further comprises elastic return means of the valve in one of its two positions.
This makes it possible to obtain a control of the position of the valve after stopping the control in order for example to use the microvalve for specific applications.
The invention also relates to a method of manufacturing a microvalve comprising a valve seat, a valve movable between a first position in which it is applied against the seat, and a second position in which it allows the passage of a fluid through a channel formed in the seat and control means of the valve in response to an activation signal.
According to the invention, the method comprises the successive operations consisting in:
- Form on the upper face of the substrate a conductive area defining a control counter electrode;
- cover said conductive area with a sacrificial layer to define the stroke of the valve;
depositing a plurality of layers to form the valve, said plurality of layers comprising at least a first electrically insulating layer, an electrically conductive layer to form the control electrode, the latter having at least one part facing the counter-electrode , and a second electrically insulating layer;
- Selectively and successively attack the upper and lower face of the substrate to form the channel and eliminate the sacrificial layer, the attack continuing until the first electrically insulating layer.
Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description of a non-limiting embodiment in conjunction with the attached drawings, among which:
- fig. 1 shows a partial schematic view, in section of a square section drain in which a microvalve according to the invention is mounted;
- fig. 2 is an overall perspective view, broken away of a microvalve according to the invention;
- fig. 3 is an exploded and exploded perspective view of a microvalve according to the invention;
- figs. 4a and 4b are sectional views along line IV-IV of Figure 2 showing the microvalve according to the invention in an open and closed position respectively;
- figs. 5a and 5b are sectional views along the line V-V of Figure 2 showing the microvalve according to the invention in an open and closed position respectively;
- fig. 6 is a block diagram of the operation of a flow meter including a microvalve according to the invention;
- figs. 7a to 17a are sectional views along line IV-IV of Figure 2 of the microvalve shown at different stages of the manufacturing process thereof.
- figs. 7b to 17b are sectional views along line V-V of FIG. 2 of the microvalve, represented at different stages of the manufacturing process thereof.
Referring first to FIG. 1, there is seen a partial sectional view of a drain 1 having a square section in which is mounted an electrostatic microvalve according to the invention designated by the general reference numeral 2.
By way of example and to fix ideas, this drain has a section substantially equal to 2 x 2 mm <2> and the microvalve 2 has a thickness of approximately 400 μm. This set can advantageously be used in insulin injection devices.
It should be noted that such a microvalve can also be advantageously used at low temperature, for example in a miniature nitrogen liquefier.
Referring to Figures 2 and 3, there is an overall perspective view of an embodiment of the microvalve 2 alone. This electrostatic microvalve of generally parallelepipedal shape conventionally comprises a valve seat 3, a valve 4 movable between a first position in which it is applied against the seat 3 and a second position in which it allows the passage of a fluid through at least one channel 5. This first part of the channel formed in the seat 3 has an orifice 6. In addition, the microvalve comprises control means 7 for the valve 4. These control means activate the valve 4 in response to a signal from electrical control delivered by an external control circuit (not shown).
According to the invention, the microvalve is produced in the form of an integrated elementary component comprising a monocrystalline semiconductor substrate 8 on which are deposited and etched a plurality of conductive and insulating layers in order to form the seat 3, the valve 4, the channel 5 and the control means 7.
This seat 3 is obtained from a layer 9 produced by surface diffusion of phosphorus atoms in a configuration determined at the upper surface 8a of the substrate. This upper surface is then micro-machined in the non-diffused areas. This seat thus constitutes a counter-electrode 3 forming a first part of the control means 7. Furthermore, in the embodiment described, elastic return means 10 of the valve 4 are simultaneously defined in one of its two positions. These elastic return means 10 comprise two arms 10a, 10b extending in cantilever, along one of the diagonals of the substrate above a second part 5b of the channel 5 constituted by a plurality of windows provided on the surface upper 8a of the substrate.
These windows, defining the part 5b of the channel 5 communicate with the first part of the channel by means of the orifice 6 when the valve 4 is in the high position.
It will be noted that, advantageously, the elastic return arms have a monocrystalline structure giving them very high elasticity, without plasticity.
The microvalve 2 further comprises three layers 12, 13, 14 partially suspended by four link arms 15. These layers 12, 13, 14 form a mobile membrane defining the valve 4.
The layer 12 is an insulating layer of Si3N4 having a determined geometry so as not to block the second part 5b of the channel whatever the position of the valve 4.
Layer 13 is an electrically conductive layer, for example a polysilicon layer. This layer forms an electrode 16 which defines the second part of the control means 7. The electrode 16 is arranged substantially opposite the counter-electrode 3.
Finally, the layer 14 is an insulating layer of the same nature as the layer 12, the latter being essential to avoid short circuits.
It will also be noted that the layers 12, 14 each have apertures 17, 18 formed in an appropriate manner to allow the electrical connection of the electrodes 3, 16.
In the embodiment described, the microvalve comprises means 19 for controlling the state of the opening and closing of the orifice. These control means are defined by an electrode 20 independent of the control electrode 16 disposed between the two insulating layers 12, 14 in order to cooperate with part of the counter electrode 3.
Thus, by a simple measurement of the capacity between these two electrodes 20, 3 it is determined whether the membrane is applied against the seat 3 or whether it is located above the latter.
Of course, the invention is not limited to the embodiment described and it is possible to provide variants without departing from its scope. One can in particular provide a microvalve having multiple orifices or a so-called normally closed microvalve, the return means permanently applying the valve against its seat when no command signal is delivered.
In this case it is necessary to provide additional layers.
Figures 4a, 4b and 5a, 5b clearly illustrate the opening and closing positions of the microvalve respectively.
In FIGS. 4a, 5a no electrical voltage exists at the terminals of the control electrodes, the electrodes are not charged, and consequently the electrostatic attraction force Fe between the latter is zero. Furthermore, the arms 10a, 10b constituting the elastic return means 10 act in order to return the part of the membrane forming the valve 4 in a direction indicated by the arrow R. The membrane then occupies a determined position, and the orifice 6 is open so that the fluid (symbolized by the arrows C) can circulate freely in channel 5.
It will be noted that, thanks to the elastic return means 10, the control electrode 20 is always at a substantially constant distance from the counter-electrode 3 so that the value of the capacitance measured safely indicates the opening state of the microvalve 2.
In FIGS. 4b, 5b an electric voltage is applied to the terminals of the control electrodes 3, 16. Due to the phenomenon of attraction between charged conductors, the part of the membrane forming the valve 4 is applied against the seat 3 thus closing the orifice. 6 and deforming the elastic return means 10.
Finally, in Figure 6, there is shown a simplified block diagram of a flow meter generally designated by the reference numeral 21. The flow meter 21 comprises a microvalve 2 according to the invention associated with a regulation circuit 22 delimited by a broken line. This regulation circuit includes a measurement circuit 23 of the average actual flow rate passing through the microvalve 2. This measurement circuit 23 has an input 24 connected to the control electrodes of the microvalve 2 and delivers on an output 25 connected to a first input 26 of a control circuit 27 a signal D1 representative of the average real flow. Furthermore, the control circuit 27 has a second input 28 receiving a reference signal D2 representative of a desired flow. Finally, an output S of the control circuit is connected to the control electrodes of the microvalve 2 to control the opening or closing of the latter.
We will now successively describe the different stages of a particular method of manufacturing a microvalve according to the invention with reference to Figures 7a to 17a, 7b to 17b.
First of all, it will be noted that, given the small dimensions of the microvalves, and for practical reasons that are easily understood, the manufacturing process applies simultaneously to the manufacture of a large number of microvalves from a same plate defining the substrate.
Furthermore, it is important to note that the values of the various parameters such as the temperature, the presence, the time, of the reagents used, etc. described in the process are in no way limiting, and essentially depend on the materials and the equipment used. . These values can therefore be easily determined by a person skilled in the art.
The plates (not shown) defining the substrate 8 and from which the microvalves 2 are obtained have the following characteristics. These are monocrystalline silicon wafers of the type having a crystalline orientation <100> and an electrical resistivity of approximately 5 to 7 OMEGA .cm. To fix the ideas, the thickness and the diameter of the plates is 400 μm and 7.5 cm respectively.
With particular reference to FIGS. 7a, 7b to 9a, 9b, the substrate 8 can be seen at different successive stages in the production of the counter-electrode (the seat of the valve), and in preparation for subsequent machining of the elastic return means of the valve by the creation of n-type diffused zones in the substrate Si.
In FIGS. 7a, 7b, the substrate previously polished on its two faces 8a, 8b is oxidized in an oven at a temperature of 1100 DEG C for 1 hour. A thin layer 29 is obtained having a thickness of 130 to 150 μm of SiO2.
A mask is defined by photolithography for the next step of doping the substrate.
This doping is obtained by depositing a full layer 30 of SiO2 doped with phosphorus by chemical vapor deposition (CVD) over a thickness of approximately 100 nm. This doping is followed by a high temperature diffusion 1100 DEG C of the phosphorus in the substrate and defines a diffused zone 9 (FIGS. 8a 8b).
The layers 29, 30 of SiO2 and SiO2: P are removed by chemical attack (Figures 9a, 9b).
The next step illustrated in FIGS. 10a, 10b consists in producing the sacrificial layer 31 which defines the stroke of the valve.
This step consists of a chemical vapor deposition at 350 DEG C of a 50nm layer of SiO2 followed by the deposition of a 90Onm layer of highly phosphorus doped silicon oxide (PSG: Phosphosilicate glass).
This layer 31 is then etched by photolithography so as to cover only the counter-electrode 3 (FIGS. 10a, 10b).
In the next step, illustrated in FIGS. 11a to 13a, 11b to 13b, the valve 4 and the associated electrode 16 and, where appropriate, the control electrode 20 (see FIGS. 2 and 3) are produced.
To do this, we successively deposit
- a layer 12 of 100nm of Si3N4 by LPCVD (chemical deposition in gas phase at low pressure) at 800 DEG C, on the two faces of the substrate (FIG. 11a, 11b);
a layer 13 of 20 nm of polysilicon by LPCVD at 625 DEG C on the upper face 8a of the substrate, etched according to the desired pattern (FIG. 12a, 12b);
- a layer 14 of 100nm of Si3N4 by LPCVD at 800 DEG C on the two faces of the substrate (FIG. 13a, 13b).
In the step described above, the electrically conductive layer 13 can be replaced by a metallization.
To make the opening of the first and second part 5a, 5b of the channel 5, as well as the openings 17, 18 necessary for the connections of the electrodes 3, 16, 20, the layers 12, 14 of Si3N4 are attacked by a dry attack or wet (Figures 14a, 14b).
At the stage illustrated in FIGS. 15a, 15b, the attack is carried out, with a solution of potassium hydroxide (KOH) at 40% at a temperature of 60 DEG C, on the underside 8b of the substrate in order to form the first part 5a of the canal. During this step, the upper face 8a of the substrate 8 is protected. The attack is stopped when the residual thickness of the substrate 8 is equal to the depth of the second part of the channel 5b which it is desired to obtain.
- In Figures 16a, 16b is removed the protection of the upper face 8a of the substrate 8, and the attack continues on both sides, 8a, 8b.
During this attack, part of the substrate under the arms 10a, 10b constituting the elastic return means 14 is eliminated.
In order to protect the latter from chemical attack, the layer 9 - substrate 8 junction is polarized, according to the method described in the article by H.A. Naggener et al, and the machining of the first part 5a of the channel 5 is also completed.
It therefore remains only to release the valve 4 by eliminating the sacrificial layer 31 and to eliminate the layers 12 and 14 remaining on the lower face 8b, for example by a dry attack. The elimination of the sacrificial layer is carried out by a chemical attack with a BHF solution, (Figures 17a, 17b).