流体ＭＥＭＳデバイス
流体微小電気機械システム(MEMS)デバイス(200)が説明される。基板(120)上に堆積されたポリマー層(42)上に、少なくとも１つの少なくとも部分的に覆われた流体チャネル(124)が形成される。一態様では、部分的に覆われた流体チャネル(124)は単一の構造体として製造される。一具現化形態では、ポリマー層(42)に強い露光工程(706)が適用され、深く架橋されたポリマー領域(620)が作成される。ポリマー層(42)に弱い露光工程(708)が適用され、浅く架橋されたポリマー領域(622)が作成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に関し、より詳細には流体を収容又は輸送することができるＭＥＭＳに関する。
【０００２】
背景
多くのタイプの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）が、電気的な検出、制御、及び計算を提供する。ＭＥＭＳ技術は、絶えず小型化されるシステムに適用されつつあり、最近では、ナノスケールシステムに適用されている。絶えず小型化されるデバイス、特にナノスケール寸法まで、及びナノスケール以下の寸法まで小型化されるデバイスのための設計は、相当な設計上の課題をもたらす。
【０００３】
ＭＥＭＳデバイス及び回路が過酷な環境に適用される場合には、かなり複雑なことが生じる。ＭＥＭＳ又は任意の電子回路が設計対象とされ、又は適用される可能性がある最も困難な環境のうちの１つが、流体（より詳細には、血液、他の体液、又は取り扱うのが困難な流体）である。ＭＥＭＳは、人体内、及び多くの他の応用形態における種々のパラメータを検出又はモニタするように構成され得る。その電子デバイスは、流体の正確な測定値を与えるために、そのような過酷な環境から保護されなければならない。
【０００４】
図１に示されるような、ＭＥＭＳデバイス２９の１つの従来技術の実施形態は、或る特定の化学分析システム内に組み込まれ得る。そのＭＥＭＳデバイス２９は、複数の基板３４及び３６を含む。２つの個々の基板３４、３６の個々のエッチング面３０、３２のうちの一方又は両方内に、溝及び／又は流路２８がエッチング形成されている。２つの基板のそれぞれのエッチング面は、図２に示されるように、結合領域３８において、互いに向かい合って配置されるように結合される。エッチング面は互いに向かい合って取り付けられるので、エッチング形成された一対の溝（即ち、エッチング面のそれぞれにある１つの溝）が、１つになって、それぞれの側面が一方の基板によって包囲された導管を形成することができる。
【０００５】
基板３４、３６はガラス（例えば、パイレックス（登録商標）−コーニング社の商標）又はシリコンのような半導体から製造され得る。基板のエッチング面３０、３２の一方又は両方にある、エッチング形成された流路（チャネル）及び／又は溝２８（図１に示される）が、流体連絡を提供する導管を形成するように、それらの基板は互いに結合される。それらの基板は、陽極ボンディング技術を用いて、又はガラスフリット中間層でもって結合され得る。流体連絡を提供する導管は、流体Ｉ／Ｏポート及び流体チャネルを含む。
【０００６】
係る従来技術の技術は、既知の製造法を用いて、数十ナノメートルまで、及び数十ナノメートルを含む所望の寸法を有する、図１に示されるようなエッチング形成された流路及び／又は溝２８を形成することができる。しかしながら、エッチング形成された流路及び／又は溝２８を、結合される基板対の上で位置合わせすることは、多大な時間と労力を要する。そういうものだから、大量生産において、そのようにぴったり合わせられる基板構成を用いることは難しい。さらに、そのように結合される基板対は製造するのにコストがかかる。
【０００７】
図面全体を通して、類似の機構及び構成要素を参照するために同じ番号が使用される。
【０００８】
詳細な説明
流体微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス２００は、流体を運び、流体を保持し、及び／又は流体と連係することができるＭＥＭＳデバイスである。本開示は、流体ＭＥＭＳデバイス２００の種々の実施形態を提供する。本開示は、流体ＭＥＭＳデバイスを確実に、良好なコスト効率で、及び接続されなければならない部品をほとんど用いることなく製造することができる仕組みを提供する。ＭＥＭＳデバイスの１つの例示的な応用形態は、血液のような人又は動物の体液を輸送／モニタすることを含む。流体ＭＥＭＳデバイス２００が、有効に外部世界と接続し、ＭＥＭＳ内部に流体を分配して、その流体と相互作用しなければならない場合があることを考えると、流体ＭＥＭＳデバイス２００のパッケージングは極めて難しい可能性がある。係る流体ＭＥＭＳデバイス２００の例は、化学分析システム及びマイクロアレイを含む。全て同じチップ上に配置される、マイクロスケールの化学的及び生物学的分析システムの集合体の一実施形態は、「ラボオンチップ」設計を提供する。
【０００９】
一態様では、流体ＭＥＭＳデバイス２００は、直接描画工程を用いることにより形成され得る。直接描画工程の一実施形態は、Ｓｕ８のような感光性ポリマーを含む（Ｓｕ８を用いることは半導体産業において一般に知られており、Ｓｕ８は市販されている）。
【００１０】
以下に限定はしないが、流体チャネル、流体ポンプ、流体フィルタ、物質分離器（電気泳動を使用する）、化学物質検出器、反応器、及び流体コネクタを含む、流体ＭＥＭＳデバイス２００の多くの様々な実施形態を製造することができる。さらに、本開示は、そのような種々のＭＥＭＳデバイスを相互接続された様式で製造する複数の実施形態を説明する。
【００１１】
流体ＭＥＭＳデバイス２００の一態様は、各流体ＭＥＭＳデバイス２００内の異なる構成要素間で流体を運ぶ１つ又は複数の流体チャネル１２４を形成することに関連する。流体チャネル１２４は、深さがかなり浅くなるように構成され得る（例えば、或る特定の実施形態では、１００ナノメートル未満）。種々の流体ＭＥＭＳデバイス２００を含む、組み立てられたシステムは、図３にブロック形態で示されるように、ポリマー材料を含む、図４及び図５に示されるようなポリマー層構造体４２を用いて製造され得る。単一のポリマー層構造体４２は、図７に記載された技術を用いて、図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ、及び図６ｅに関連して説明されるように製造され得る。
【００１２】
流体ＭＥＭＳデバイス２００の或る特定の実施形態は、フィルタ構造体を含むように構成され得る。別の実施形態では、流体ＭＥＭＳデバイス２００は、反応チャンバ（例えば、一体化された平坦なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チャンバ）を提供することができる。
【００１３】
図３は、単一のポリマー層構造体４２上に構成される複数の流体ＭＥＭＳデバイス２００の一実施形態の平面図を示す。単一のポリマー層構造体４２は、ポリマー層内に完全に形成されるか、又は代案としてポリマー層内及び基板の上側表面に形成される種々のデバイスを含む。図３に示されるような、単一のポリマー層構造体４２の一実施形態は、（流体ＭＥＭＳデバイス２００として）入口４４と、フィルタ４６と、弁４８と、反応器（ヒータ）５０と、分離器５２と、光学的な検出用の導波路５４と、ポンプ５６と、出口５８とを含む。複数の流体チャネル１２４が、図３に示される種々の流体ＭＥＭＳデバイス２００を接続する。フィルタ４６は、少なくとも１箇所の寸法が所定の寸法よりも大きな要素をフィルタリングして除去するための役割を果たす。導波路５４は、液体のようなサンプル内の１つ又は複数の化学物質の濃度に関連する濃度情報を伝達する。弁４８は、反応器５０に入力されることになる流体を選択する（その流体は、入口４４及び／又はフィルタ４６から供給される）。反応器５０は流体チャネルを含み、その流体チャネルは、１つのバージョンでは、反応器の流体チャネルの長さを増して、熱伝達を高めるように蛇行した形状で構成される。
【００１４】
１つのバージョンでは、複数の加熱素子（各加熱素子が異なる加熱領域を有する）が、加熱チャネルに隣接して配置される。異なる加熱領域を有する加熱素子は、流体素子を通過する流体を異なる時刻に異なる加熱温度まで加熱し、ＰＣＲプロセスを効果的に実行するように選択的に、且つ個別に付勢され得る。ＰＣＲプロセスにおいては、異なる時刻に異なる温度レベルまで流体を加熱することが一般に知られている。代替の実施形態では、単一（又は２つ以上）の加熱素子を通過する電流の量を変更して、流体素子を通過する流体に異なる加熱レベルを適用し、異なる温度にして、ＰＣＲプロセスを実行することができる。
【００１５】
分離器は、サンプルの種々の成分に適用される電荷に基づいて、種々の成分をサンプルから分離する。種々の成分は、それらの成分の特性に基づいて、チャネルに沿って異なる長さだけ移動する。流体チャネル１２４は、図３に示されるように、デバイス４４、４６、４８、５０、５２、５４、５６及び５８のうちの特定のデバイス間を接続し、各流体チャネル１２４は、図示されるように、特定のデバイス間に１つの流体経路だけを提供する。流体チャネル１２４に入る流体の概ね全てが、チャネル内に留まるか、又はチャネルを出るかのいずれかである。
【００１６】
本明細書に記載されるような単一のポリマー層技術を用いて製造されるデバイスの任意の組み合わせが本開示の意図された範囲内にあるので、図３に示される特定のデバイス４４、４６、４８、５０、５２、５４、５６及び５８は、本質的に例示であり、その範囲を限定しない。
【００１７】
生物学的又は化学的な分析システムにおいて役に立つ可能性がある多くの技術には、以下に限定はしないが、電気泳動、フリーフロー電気泳動、電界流動分別（electrical field-flow fractionation：ＥＦＦＦ）、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）、ガスクロマトグラフィ、液体クロマトグラフィ、及び複合システムが含まれる。流体ＭＥＭＳデバイス２００は、これらの技術の多くに適用され得る。
【００１８】
単一のポリマー層構造体４２の実施形態に関連して説明された技術を用いる場合、複数の流体ＭＥＭＳデバイス２００は、或る特定の実施形態では、集積化された導波路を用いて化学的又は生物学的な分析を提供するように構成されたシングルチップ上に製造される。従って、集積化された総合化学分析システムは、直接描画工程を用いることにより製造され得る。多くの従来技術のシステムはウェーハボンディング工程に依存する。化学的又は生物学的な分析システムの一実施形態は、合焦レンズ及び機械的なファイバアライメントガイドを組み込む。
【００１９】
図１に関して本開示の「背景」の部分において説明されたような、ＭＥＭＳをパッケージングするための一般的な従来技術の技術は、一対のシリコン又はパイレックス（登録商標）（コーニング社の商標）ガラス基板３４、３６上に形成された面３０、３２内に、溝及び／又は流路２８をエッチング形成することである。基板３４、３６は、図２に示されるように、互いに結合されて結合領域３８が形成され、その結果、エッチング面３０、３２内の溝及び流路２８は流体Ｉ／Ｏポート及び構成要素間の流体チャネルを形成する。陽極ボンディング技術（又はガラスフリット中間層の使用）によって、微細加工されたチップ内の領域３８を結合することができる。
【００２０】
複数の面３０、３２がそれぞれエッチングされる場合、それぞれの基板３４、３６は、一方の基板３４上にある溝及び／又は流路が別の基板３６上の溝及び／又は流路と位置合わせされるように、図１及び図２の従来技術の構成において示されるように位置合わせされる。多数の結合領域が形成されることになる（例えば、多層の構造体を形成することになる）場合には、それぞれ連続した結合領域３８において実行される、連続した結合基板対を位置合わせして結合する工程が、後続の基板毎に繰り返される。
【００２１】
図３に示されるように、本開示は、種々の流体ＭＥＭＳデバイス２００を、基板１２０上に配置されるポリマー層内に形成される単一のポリマー層構造体４２として製造することができる仕組みを提供する。それにより、流体チャネル１２４は、複数の組の流体ＭＥＭＳデバイス２００間を流れる流体を搬送することができる搬送手段を形成する。他のチャネル以外の流体ＭＥＭＳデバイス２００（例えば、流体ポンプ、流体フィルタ、流体反応器）は、流体を収容し、その流体がデバイス自体の機能的な構成要素の中を通って流れるように導く流体チャネル１２４を組み込むものと見なすことができる。
【００２２】
流体ＭＥＭＳデバイスは、本明細書に記載されるように、単一のポリマー層構造体４２として製造され得る。図４及び図５は、単一のポリマー層構造体４２の一実施形態を示す。図５に示されるように、単一のポリマー層構造体４２（本開示において説明されるように露光／現像工程を用いる）は基板１２０に固定される。直接描画の場合、弱い露光及び強い露光の２つの露光工程が用いられる。単一のポリマー層構造体４２は、基板１２０とともに、１つ又は複数の流体ＭＥＭＳデバイス２００を接続する１つ又は複数の流体チャネル１２４を形成する。その後、露光されていない材料が現像され、それにより除去される。多くの場合に、ポリマー層を形成するポリマー材料内に凹部が形成され、それにより、露光されていない材料が除去されることが可能になる（それらの凹部の多くは、直接描画工程後に塞がれ、液密の流体チャネルが形成される）。現像して除去される、露光されていない材料の場所は一般に、流体チャネル１２４に対応する。次いで、ポリマー材料は、熱、及び／又は紫外線（ＵＶ）光の露光を用いて硬化される。個々のポリマーの硬化工程は一般に知られており、ポリマーによって多少異なるので、本明細書においてこれ以上は説明されない。
【００２３】
一実施形態では、単一のポリマー層構造体を形成するためのポリマー材料は、光描画可能なエポキシ（例えば、市販されているＳＵ８など）、光描画可能なポリマー、又は感光性シリコーン誘電体（例えば、ShinEtsu（商標）によって製造されるＳＩＮＲ−３０１０など）のような、迅速に架橋するポリマーを含む。
【００２４】
或る特定の流体チャネル１２４は、スルーホール１２６に連通しており、スルーホール１２６によって、ポリマー構造体領域１２２の上（図４のとおりに見た方向）から流体を流体チャネル１２４内に導入するか、又は流体チャネル１２４から排出することができる。流体チャネル１２４及びスルーホール１２６を互いに組み合わせて、本明細書において部分的に覆われたチャネル１２４として説明されるパターンが形成される（用語「部分的に」は、任意の被覆の中にスルーホール１２６のための開口部を設けることができることに関連する）。
【００２５】
単一のポリマー層構造体４２は流体閉じ込め材料１３０を含む。流体閉じ込め材料１３０は、接合部１２１において基板１２０と接合され、流体のための意図された経路に沿って所定の流体チャネル１２４内に流体を導くように流体チャネル１２４を形成する（そして、流体チャネルからの１つの排出経路としてスルーホール１２６が設けられる）。それ故に、流体閉じ込め材料１３０、流体チャネル１２４、及びスルーホール１２６は、図５に示されるように、基板１２０の上にポリマー層構造体４２を形成するように結合される。従って、一実施形態では、流体チャネル１２４は、単一のポリマー層構造体４２と基板１２０との間の境界として形成される。それにより、或る特定の実施形態では、流体閉じ込め材料１３０、流体チャネル１２４及びスルーホール１２６を製造するために用いられる単一のポリマー層構造体４２の部分は、単一の構造体として製造され得る。
【００２６】
本明細書に説明される単一のポリマー層構造体４２は、１つ又は２つのガラス基板内にＭＥＭＳデバイスを微細加工し（従来技術のウェーハボンディング工程と同様）、その後、２つの基板を互いに結合して、所望のチャネル構造を形成することに関連した費用、時間、及び労力を削減する。流体ＭＥＭＳデバイス２００の特定の実施形態は、比較的容易に製造されることができ、それ故に、関連する製造コストが削減される。多数の流体ＭＥＭＳ構成要素を製造することに関連する製造技術も簡略化されて改善される。
【００２７】
一実施形態では、ポリマー層構造体４２は、基板に取り付けて流体ＭＥＭＳデバイス２００を作成する単一の部材として形成される。従って、本明細書において説明されるように、或る特定の部分（必ずしも以下に限定はしないが、流体閉じ込め材料１３０、流体チャネル１２４、及びスルーホール１２６のうちの１つ又は複数を含む）が、単一のポリマー層構造体４２として、基板１２０とともに形成される。単一のポリマー層構造体４２を用いることにより、いくつかの利点がもたらされる。
【００２８】
図１及び図２に示されるような、剛性の張り合わせられた基板３２、３４の従来技術の実施形態の場合、個々のチャネルを封止することはさらに難しい。即ち、一般に、本明細書に記載される技術を用いて、図５に示されるように、単一のポリマー層構造体４２と基板１２０との間に安定したチャネルを形成することよりも、図１及び図２の従来技術のシステムにおいて示される、２つの剛性の基板プレート部材３４、３６内の流路２８を用いて安定したチャネルを形成するほうが難しい。この概念は、ナノスケール、メソスケール、マクロスケール、及びマイクロスケールの流体ＭＥＭＳデバイス２００のような比較的小さなスケールのデバイスにも当てはまる。
【００２９】
さらに、単一のポリマー層構造体４２は、接続された複合部材に比べて、封止の有効性が確実に改善される。そのように封止の有効性を改善することは、流体ＭＥＭＳデバイスのための耐用時間を長くし、動作を改善し、感度を高めることに繋がる。さらに、単一のポリマー層構造体４２の特定の実施形態を用いる場合のように、単一の基板上に溝及び／又は基板を形成することによって、複数の基板を位置合わせして流体導管を形成する必要がなくなる。そのような位置合わせ工程は一般に、費用がかかり、手間がかかる可能性があり、間違いを犯しやすい。
【００３０】
本明細書に記載されるような流体ＭＥＭＳデバイス２００は、複数の基板３４と３６との間の位置合わせ技術を用いることなくパッケージングされ得る（その位置合わせは、図１及び図２に示される従来技術の構造に関連して説明された）。基板の単層上に単一のポリマー層構造体４２を製造することは、ポリマー材料及び直接描画工程に依存する。本明細書に記載されるような単一のポリマー層技術を用いて、多種多様な流体ＭＥＭＳデバイスを製造することができる。
【００３１】
図５に示される構造について検討すると、単一のポリマー層構造体４２は、その形状に起因して、頂冠（top-hat）構造と呼ぶことができる。図５に示されるような種々の垂直方向の深さを有する流体ＭＥＭＳデバイスの種々の部分は、異なる強さの直接描画処理技術を用いて製造され得る。頂冠構造は、単一の流体ＭＥＭＳデバイス２００を保護するだけでなく、流体を搬送するための内蔵流体チャネル１２４も形成する。ポリマー材料は、単一の流体ＭＥＭＳが外部世界と連絡するためのＩ／Ｏポートを提供することができる。この新たな技術は、単一のＭＥＭＳのパッケージコストを大幅に削減することができ、流体ＭＥＭＳデバイス２００の種々の実施形態の機能性を高めることができる。
【００３２】
単一のポリマー層技術は、種々の流体ＭＥＭＳデバイス２００を提供する。基板によって一方の面に、ポリマー層によって他方の面に形成される或る特定の流体ＭＥＭＳデバイス内に、密閉されたキャビティを形成することができる。ポリマー層は単一の構造体として形成され、密閉されたキャビティ内にある内容物がポリマー層の外部にある内容物と混合することによって生じる場合がある、流体の漏れ、汚染などの可能性を低減する。一実施形態では、流体ＭＥＭＳデバイスは、総合化学分析又は他の流体ＭＥＭＳデバイス２００（及び／又は構成要素）を完全に集積化することができ、コストを大幅に下げ、及び／又は信頼性を高める。
【００３３】
ウェーハボンディングの代わりに、本明細書に記載される単一のポリマー層技術は、直接描画処理技術を用いて、単一のポリマー層構造体４２のポリマー材料（例えば、ＳＵ８など）と基板１２０との間で、単一の流体ＭＥＭＳデバイス２００を主として包囲することができることを提案する。頂冠構造は、個々の流体ＭＥＭＳデバイス２００（及びその構成要素）を保護し、それらの間の完全性を提供するだけでなく、本明細書に記載されるように接着剤／エポキシを用いて固定され得る、流体を搬送するための内蔵流体キャビティ及び／又は流体チャネル１２４も形成する。また、ポリマー材料をパターニングして、外部世界への接続ポートを形成することもできる。この新たな技術はパッケージングのコストを大幅に削減し、流体ＭＥＭＳデバイス２００の機能性を高めることができる。
【００３４】
図４及び図５に示されるような単一のポリマー層構造体４２は、図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ、図６ｅ及び図７に関して説明されるような直接描画工程を用いて製造され得る。本開示は、直接描画工程を用いて、ポリマー材料（例えば、ＳＵ８など）によって多種多様な流体ＭＥＭＳデバイス２００をパッケージングできることを示す。単一のポリマー層技術によって提供される頂冠構造は、流体ＭＥＭＳデバイス２００を保護するだけでなく、流体を搬送するための内蔵流体チャネル１２４も提供する。また、ポリマー材料をスルーホール１２６とともにパターニングして、流体ＭＥＭＳデバイスの外部への接続ポートを形成することもできる。
【００３５】
直接描画工程を用いて、流体ＭＥＭＳデバイス２００及び流体導管内に収容される内蔵流体チャネル１２４の封止を改善することができる頂冠構造を、ポリマーから生み出すことができる。また、頂冠構造は、流体導管に対して流体ＭＥＭＳデバイスを固定するための、より安定した構造も提供する。図４及び図５はそれぞれ、直接描画工程を用いて形成される例示的な流体ＭＥＭＳデバイス構造体の平面図及び断面図を示す。ＳＵ８レジストがウェーハ又は基板１２０に付着され、その後、適切な回数の露光が行われて、スルーホール１２６、流体チャネル１２４、及び頂冠構造が形成される。
【００３６】
直接描画工程によって、種々の構成要素又はセルを接続する単一のポリマー層を含む、内蔵流体チャネル１２４を形成できるようになる。直接描画工程は一般に、厚いＳＵ８材料をスピンコーティング堆積することを含む。ＳＵ８材料の種々の実施形態は、一般に通常２〜２００μｍである（これらの寸法外にある材料を製造することもできる）。複数の頂冠及びチャンバマスク並びに関連する架橋工程を用いて、複数の直接描画露光工程を形成することができる。この直接描画工程は、流体チャネル１２４及び頂冠構造の種々の構成を形成する。流体チャネル１２４に加えて、本明細書に記載されるような直接描画工程を用いて、種々の流体ＭＥＭＳデバイス２００を製造することができる。
【００３７】
図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ、及び図６ｅは、図７に示されるような直接描画工程７００を用いて、基板１２０上に製造される流体ＭＥＭＳデバイス２００の一実施形態を示す。図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ及び図６ｅでは、製造される流体ＭＥＭＳデバイス２００は流体チャネル１２４であり、その多くが図３のブロック図に示される。流体チャネル１２４は１つの場所から別の場所に流体を搬送する。流体ＭＥＭＳデバイス２００の中を流体が流れるのに応じて（その流体が、それぞれの特定の流体ＭＥＭＳデバイスの動作を受けている場合であっても）、流体の流れは一般に制御される必要があるので、本明細書に記載されるような各流体ＭＥＭＳデバイス２００は流体チャネル部分を組み込む。図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ及び図６ｅに関連して説明される全体的な製造技術は、流体ＭＥＭＳデバイス２００の種々の実施形態に関連する。
【００３８】
流体ＭＥＭＳデバイス２００の種々の実施形態が、図７に関連して説明されるような直接描画工程７００を用いて製造され得る。これらの実施形態のうちの或る特定の例示的な実施形態が説明されるが、その実施形態には限定されない。図７に関連して説明されるような直接描画工程７００の一実施形態が、図２５に関連して説明されるような、工程部分８０２を制御するコンピュータ／コントローラ８００の一実施形態を用いて実行され得る。その工程部分８０２は、例えば、基板上で種々の工程を実行することができる１つ又は複数の製造チャンバ又は工程チャンバを用いることができる。図７に関連して説明されるような直接描画工程７００は、処理前に基板が所望のように構成される７０１を含む。基板の構成は概ね、流体ＭＥＭＳデバイス２００の意図された機能に依存する。例えば、流体ＭＥＭＳデバイス２００が加熱又は電気導体機能を有する場合には、その基板にそれぞれ、加熱素子又は電気導体を設けることができる。
【００３９】
代案として、流体ＭＥＭＳデバイス２００の別の実施形態として、電気センサ、光学センサ、又は電気機械センサを設けることができる。流体ＭＥＭＳデバイス２００の基板が、特定のエッチング又は堆積された領域又は他の構成（例えば、図８ｅにエッチングされた状態で示されるような、エッチングされた凹部７５２）で構成される場合には、その基板は７０１において構成される。７０１は、７０２においてポリマー層を堆積する前に行われるので、その基板は、架橋中に露光及びハードベークによって硬化されることになるポリマーの堆積前に所望のように構成される。
【００４０】
図６ａでは、図７に関連して説明される直接描画工程７００の７０２に記載されるように、基板１２０（その一部だけが例示される）が、１つ又は複数の工程チャンバ（図示せず）に導入される。図６ｂでは、直接描画工程７００の７０４に示されるように、ポリマー層６０８が基板１２０上に堆積される。スピンコーティングのような、ポリマー層を基板上に堆積する任意の技術を用いることができる。図３、図４及び図５に関連して説明されるような単一のポリマー層構造体４２は、ポリマー層６０８内に完全に製造されるか、又は代案として、基板１２０との接合部上にあるポリマー層内に形成され、部分的には基板１２０も含む。ポリマー層６０８の一実施形態は感光性ポリマー（市販されているＳｕ８など）を含む。
【００４１】
ポリマー層６０８のポリマーは、本明細書において説明されるような種々の直接描画工程中に適用されるような架橋工程において、複数（一実施形態では２つ）のレベルの露光及び現像をすることができる。マスクを用いる２つの直接描画露光工程は、本明細書では、「強い直接描画露光工程」７０６及び「弱い直接描画露光工程」７０８として区別される。それゆえ、ポリマー層のポリマーは、強い直接描画露光工程７０６及び弱い直接描画露光工程７０８と呼ばれる異なる強度又は持続時間を有する１つ又は複数の光源（例えば、その光源は特定のポリマーのために設計された紫外光を放射する）によって露光され得る。強い直接描画露光工程７０６によれば、露光後のポリマーは、弱い直接描画露光工程７０８よりも深い深さまで、ポリマー層のポリマーを架橋する。一実施形態では、強い直接描画露光工程７０６によって、ポリマー層はその深さ全体にわたって架橋される。弱い直接描画露光工程では、深さ全体にまで架橋されない。そういうものだから、ポリマー層は、露光の強度及び／又は露光の持続時間の関数として、種々の垂直方向の深さまで選択的に露光され得る。
【００４２】
一実施形態では、ポリマー層６０８のポリマーは一般に、図７に示されるような直接描画工程７００中に、マスクを用いる２つの直接描画露光工程を受ける。図６ｃに示されるような、強い直接描画露光工程７０６は、ポリマー層６０８の深さ全体にわたって、又は概ねその深さ全体にわたってポリマーを架橋することができる。「弱い直接描画露光工程」（図６ｄに示される）は、ポリマー層６０８の深さの或る部分までのみポリマーを架橋することができる。
【００４３】
直接描画工程７００の特定の実施形態は、強い直接描画露光工程７０６及び弱い直接描画露光工程７０８の組み合わせを用いて、ポリマー層６０８内に種々の断面形状のポリマー層構造体４２を提供する。そういうものだから、ポリマー層６０８は、強い直接描画露光工程７０６及び弱い直接描画露光工程７０８の両方に適切に応答できるように選択される。
【００４４】
図６ｃは、強い直接描画露光工程７０６の一実施形態を示しており、光源６１２（一実施形態では紫外光源）が、十分な光子エネルギーを、マスク６１４を介してポリマー層６０８のポリマー内に照射する。強い直接描画露光工程７０６は、マスク６１４の輪郭に対応する、１つ又は複数の深く架橋されたポリマー領域６２０を（架橋後に）生成する。強い直接描画露光工程７０６は、ポリマー層の概ね深さ全体にわたってポリマー層６０８の特定の領域を硬化させるのに十分な、比較的強い線量の光子エネルギーを加えるものと見なすことができる。強い直接描画露光工程７０６は、直接描画工程７００の図６ｃに示される。深く架橋されたポリマー領域６２０はそれぞれ、ポリマー領域６０８の垂直方向の高さの概ね全体にわたって概ね完全に延在する。深く架橋されたポリマー領域６２０の底部では、特定の実施形態が基板１２０に固定されるが、他の実施形態は基板には固定されない。
【００４５】
図６ｃに示されるような、深く架橋されたポリマー領域６２０の或る特定の実施形態の特定の構成は、流体チャネル１２４の横方向の外側境界（長さ及び幅の両方）を画定するように構成される。架橋されたポリマー領域６２０及び６２２（図６ｃ及び図６ｄに関連して説明される）を製造する２つのステップは露光及び現像を含む。深く架橋されたポリマー領域６２０が露光される図６ｃでは、ポリマー層６０８の垂直方向の深さ全体が（強い露光工程を用いて）露光される。
【００４６】
強い露光工程は、ポリマー層の深さ全体にわたって露光されている、これらの領域内のポリマー層の特性を変更する。そういうものだから、深く架橋されたポリマー領域６２０をさらに離して配置することにより、さらに幅が広いチャネルが設けられるであろう。その場合に、図６ｃに示されるようなマスク６１４内の多くの開口部が、流体チャネル１２４の経路（垂直な平面内にある）の横方向の境界を決定するであろう。代案として、深く架橋されたポリマー領域６２０の或る特定の実施形態は、図８ｃに示されるような流体ポンプのフラッパブレードなどの、流体ＭＥＭＳデバイス内の構造的な構成要素を画定する。
【００４７】
図６ｄは、弱い直接描画露光工程７０８の一実施形態を示す（それは、図６ｃに関連して説明されたような強い直接描画露光工程７０６よりも弱い露光強度において、及び／又は短い持続時間で実行される）。弱い直接描画露光工程７０８を用いる場合、光源６１２（一実施形態では紫外光源）は、十分な光子エネルギーを、マスク６１５を介してポリマー層６０８のポリマー内に照射し、ポリマー層の特定の選択された領域内に、比較的浅く架橋されたポリマー領域６２２を作成する。架橋することにより、小さなポリマー高分子が結合して、増加した分子量を有する、より大きな分子になる。架橋された分子の硬化は、これらの分子及びポリマー材料自体を固める働きをする。この硬化した状態において、固められた架橋された分子を溶剤の中に入れて、固められていないポリマー領域を現像して除去することができる。架橋、硬化、及び現像除去は当業界において一般的に知られており、本明細書においてさらに詳しくは説明されない。弱い直接描画露光工程７０８のために選択される領域の形状は、マスク６１５の形状に基づく。
【００４８】
弱い直接描画露光工程７０８は、ポリマー層の深さ全体の一部のみにわたってポリマーを硬化させるのに十分な、比較的（強い直接描画露光工程７０６の高い線量と比べて）低い線量の光子エネルギーと見なすことができる。図６ｄに示されるような弱い直接描画露光工程７０８は、直接描画工程７００の７０８に記載される。強い直接描画露光工程７０６及び弱い直接描画露光工程７０８は、流体チャネル１２４を単一の構造体（基板１２０の上側表面と組んで）として画定するように構成される。図７に示される直接描画工程７００の実施形態では、７０６の強い露光工程は、弱い露光工程７０８の前に実行されるが、７０８に対する７０６の順序は本質的に例示であり、範囲を限定しない。
【００４９】
図６ｄに示されるような浅く架橋された各ポリマー領域６２２は、元のポリマー領域６０８の垂直方向の高さのうちの或る割合だけにわたって延在する。浅く架橋されたポリマー領域６２２の形状は、流体チャネル１２４の上側の水平方向の境界の場所に対応する。そういうものだから、収容されている流体チャネル内を移動する流体は、浅く架橋されたポリマー領域６２２のポリマーに基づく。浅く架橋されたポリマー領域の輪郭は、図６ｄに示されるように、マスク６１５の形状によって決定される。図６ｅに示されるようなスルーホール１２６は、浅く架橋されたポリマー領域内に形成される。
【００５０】
図６ｅは、ポリマー層６０８から、架橋されていないポリマー材料を除去することを示す。図６ｅに示されるように、架橋されていないポリマー材料を除去することにより、流体ＭＥＭＳデバイス２００（図６ｅに示される実施形態では、スルーホール１２６を有する流体チャネル１２４）の最終的な輪郭が与えられる。直接描画工程７００の７１０は、架橋工程中に、露光されていないポリマー材料を現像して除去することを含み、現像液が露光されていないポリマー材料に適用されて、露光されたポリマー材料から露光されていないポリマー材料が洗い流される。現像して除去した後に、流体ＭＥＭＳデバイス２００（その最終的な形態）が、ポリマー層と基板との間に製造される。ポリマー層６０８が現像液に入れられる際に、架橋されていないポリマーは、その現像工程中に除去される。
【００５１】
従って、例えば、架橋されていないポリマー層６０８の部分は、図７に示されるような７１０において除去され、それは図４及び図５に示されるような流体チャネル１２４及び／又はスルーホール１２６に対応する。架橋されたポリマー材料は、図６ｃに示されるような強い直接描画露光工程７０６中に、又は図６ｄに示されるような弱い直接描画露光工程７０８中に架橋される。従って、架橋されたポリマー材料は、流体チャネル１２４の基板の上側表面及び横方向表面とともに境界を形成する。スルーホール１２６は架橋されたポリマー材料の一部の中に形成される。架橋されたポリマー層の個々の厚みは、流体ＭＥＭＳデバイスの所望の応用形態、製造業者の設計手法、及び／又は他の設計又は規定上の制約に基づいて選択され得る。
【００５２】
その後、ポリマー層は７１２において硬化される。ポリマー層のポリマーの硬化は、ハードベークによって、又は紫外（ＵＶ）光を照射することによって行うことができる。硬化の詳細は、使用されるポリマーによって異なるので、これ以上は詳述されない。多くの市販のポリマーは、ポリマーの硬化プロセスに関する指示書と共に提供される。
【００５３】
深く架橋されたポリマー領域６２０を製造するための強い直接描画露光工程７０６の詳細、及び浅く架橋されたポリマー領域６２２を製造するための弱い直接描画露光工程７０８の詳細は、本明細書においてさらに詳細には与えられない。多種多様なポリマー材料、基板構造、及びポリマー層の深さの製造物は、本明細書に記載されるような満足のいく層を製造するために種々の要件を有することは理解されたい。従って、本開示は、任意の個々のポリマー、及び／又はポリマー層構造体について詳述しない。強い直接描画露光工程７０６及び弱い直接描画露光工程７０８を用いて、ポリマー層６０８内に、多種多様な流体ＭＥＭＳデバイス２００を製造することができる。本明細書では、これらの流体ＭＥＭＳデバイス２００のわずかな例だけが説明される。ポリマー層内に製造される任意の単一のポリマー層構造体４２が、本開示の意図された範囲内にあるものと考えられる。
【００５４】
図４及び図５に示される構成に加えて、図６ｅに示されるような流体ＭＥＭＳデバイス２００の構成について検討してみると、スルーホール１２６の寸法は比較的小さくなるように設計され得る。スルーホール１２６は、ポリマー層内の流体チャネルと流体ＭＥＭＳデバイス２００の外部との間で流体連絡のみを提供する。図６ｅに示されるような特定の実施形態では、ポリマー層６０８は、流体ＭＥＭＳデバイス２００を組み込む単一のポリマー層構造体４２を含む。
【００５５】
図８ａ、図８ｂ、図８ｃ、図８ｄ、及び図８ｅは、基板１２０上に製造される流体ＭＥＭＳデバイス２００の別の実施形態を示す。図８ａ、図８ｂ、図８ｃ、図８ｄ、及び図８ｅに示されるような流体ＭＥＭＳデバイス２００は、流体ポンプ５６（図３に示される）としての役割を果たす。図８ａ、図８ｂ、図８ｃ、図８ｄ、及び図８ｅはそれぞれ、個々の図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ、及び図６ｅに関連して説明されるような製造工程に対応するが、図８ｃに示されるように、別個の深く架橋されたポリマー領域６２０として超小型逆止め弁７５０が製造されることが異なる。
【００５６】
流体ＭＥＭＳデバイス２００の一態様では、ＭＥＭＳポンプは、超小型逆止め弁７５０及び抵抗７６０の対を含む。図８ｃには抵抗７６０が示されるが、抵抗７６０の代わりに圧電デバイスを用いることができるものと考えられる。膜上にある圧電デバイスが用いられるそれらのバージョンでは、流体ポンプの動きは、圧電デバイスに電圧を制御可能に印加し、それにより圧電デバイスが、印加される電圧に応じて膨張及び収縮することにより提供され得る。集積化されたＭＥＭＳポンプは、直接描画工程を用いて、流体がＭＥＭＳポンプのチャネルの中を通って流れないように、又は流れるようにする一対の超小型逆止め弁を形成することにより製造され得る。抵抗の両端に電圧が印加され（図示されないが、制御可能な電流源又は電圧源から）、ＭＥＭＳポンプを通過する流体に熱を加えることができるように、ポリマー層６０８を堆積する前に、抵抗７６０が基板１２０内に形成されるか、又は基板１２０に取り付けられる。ＭＥＭＳポンプを通過する流体に選択的に熱を加えることにより、本明細書に記載されるようなポンピング動作をもたらすことができる。抵抗７６０は電圧パルスを印加され、ポンピングのために使用され得るように流体を移動させることができるバブルを生成することができる。そのようなバブル生成によるポンピングは局所的に加熱することを含み、一般に、流体の温度は所定のレベルに維持される。これらのバブルを生成することは、流体ＭＥＭＳデバイスを通過する流体の温度全体に大きな影響を及ぼすことなく、局所的に熱を加えることを含む。抵抗７６０の個々の構成は設計上の選択事項である。
【００５７】
超小型逆止め弁７５０の機能性を与えるために、図８ａに示される基板１２０は、それぞれ個々の超小型逆止め弁７５０が連係するエッチングされた凹部７５２を含む。ポンピング動作を生み出す際の超小型逆止め弁７５０の動作は、図９ａ、図９ｂ、図９ｃ、及び図９ｄに関連して説明されるとおりである。エッチングされた凹部７５２によって、超小型逆止め弁７５０は横方向に動くことができるようになるが、横方向への過度の動きは制限される。超小型逆止め弁７５０は、所望の耐久性を与えるのに十分に厚いが、図９ａ、図９ｂ、図９ｃ、及び図９ｄに示されるように流体ポンプ５６を動作させるための所望の可撓性を与えるのに十分に薄くなるように構成される。各超小型逆止め弁７５０は、エッチングされた凹部に対して自由に動くことができるように構成される（超小型逆止め弁はエッチングされた凹部の底面に取り付けられない）。そういうものだから、超小型逆止め弁７５０を形成するポリマーは、エッチングされた凹部７５２に至るまで、全ての深さにわたって下方にポリマー層を架橋するのに十分なレベルまで露光されない。これは、ポリマー層の露光される部分がエッチングされた凹部７５２の底面まで達しないように、エッチングされた凹部が十分に深くなるように形成することにより達成され得る。代案として、超小型逆止め弁内の露光の線量を変更して、各超小型逆止め弁の厳密な高さを正確に制御することができる。確実に超小型逆止め弁７５０が、エッチングされた凹部に接触しないようにして、連続した単一の構造体を形成するためのこれら２つの技術は、組み合わせて、又は別々に実行され得る。
【００５８】
図９ａ、図９ｂ、図９ｃ、及び図９ｄは、図８ａ、図８ｂ、図８ｃ、図８ｄ、及び図８ｅに示されるように製造された流体ＭＥＭＳデバイス２００の流体ポンプ５６の実施形態の動作の一実施形態を示す。複数の超小型逆止め弁７５０が存在し、入力超小型逆止め弁及び出力超小型逆止め弁のそれぞれは、符号７５０ａ及び７５０ｂによって参照される。一般に、流体ポンプ５６の実施形態における超小型逆止め弁７５０ａ及び７５０ｂの対は、３つの位置、即ちａ）図９ａに示されるような消勢された状態、ｂ）図９ｂに示されるように離れるように動いた状態、及びｃ）図９ｃに示されるように一緒になるように動いた状態のうちの１つをとる。
【００５９】
複数のスルーホール１２６が存在し、入力スルーホール及び出力スルーホールのそれぞれは、符号１２６ａ及び１２６ｂによって参照される。流体ポンプ５６は、入力スルーホール１２６ａ及び出力スルーホール１２６ｂが流体連絡する流体チャネル部分１２４を用いて構成される。一般的な流体ポンプと同様に、流体ポンプ５６の一般的な目的は、流体チャネル部分１２４を介して、入力スルーホール１２６ａから出力スルーホール１２６ｂまで流体を輸送することである。図９ａは初期（消勢された）状態にある流体ポンプを示しており、その状態では、入力超小型逆止め弁７５０ａ及び出力超小型逆止め弁７５０ｂはいずれも消勢された状態にある。２つの超小型逆止め弁７５０は一方向にだけ、例えば図９ａに示されるような方向では右側にだけ開くことができる。
【００６０】
図９ｂでは、バブル９３２が、入力超小型逆止め弁７５０ａと出力超小型逆止め弁７５０ｂとの間の流体チャネル部分１２４内に生成される。そのバブルは、一実施形態では、抵抗７６０に電流又は電圧を加えることにより熱的に生成され得る。バブル９３２を生成することは、超小型逆止め弁７５０ａと７５０ｂとの間の流体チャネル部分１２４内の流体の流体圧力を高める効果を有し、それ故に、超小型逆止め弁７５０ｂが、図９ｂに示されるように右側に開かれる。本明細書において述べられたように、抵抗の代わりに圧電デバイスを用いて、流体ポンプ５６内のポンピング動作を行うことができる。このように超小型逆止め弁７５０ｂを右側に開くことは、出力スルーホール１２６ｂから矢印９３４によって示されるような方向に流体（流体チャネル部分１２４内にある）を押し出す効果を有する。
【００６１】
図９ｃでは、図９ｂに示されたバブル９３２が崩壊する。バブル９３２を崩壊させることは、超小型逆止め弁７５０ａと７５０ｂとの間にある流体チャネル部分１２４内の流体の流体圧力を下げる効果を有し、それ故に、超小型逆止め弁７５０ａが、図９ｃに示されるように右側に開く。入力超小型逆止め弁７５０ａを、図９ｃに示されるように右側に動かすことは、入力スルーホール１２６ａを介して矢印９３６によって示されるような方向に、流体を流体チャネル部分１２４の中へ引き込む効果を有する。
【００６２】
図９ｄは、両方の超小型逆止め弁７５０ａ及び７５０ｂが、それらの消勢された状態、即ち図９ａに示されるような状態と同様の状態に戻ることを示す。流体ポンプ５６が図９ｄに示されるような、その消勢された状態にある場合、流体ポンプは、図９ａ、図９ｂ、図９ｃ、及び図９ｄに示されたような別のポンピングサイクルを開始するように配置される。
【００６３】
ここで、図８ｃに関連して説明されたように露光される深く架橋されたポリマー領域６２０、及び図８ｄに関連して説明されたように露光される浅く架橋されたポリマー領域６２２を用いて製造され得る種々のＭＥＭＳデバイスが説明される。図１０は、スルーホール１２６を含まない流体チャネル部分１２４として構成される流体ＭＥＭＳデバイス２００の一実施形態を示す。スルーホールを有さない流体チャネル部分１２４の特定の実施形態を用いて、流体ＭＥＭＳデバイス２００の対、又は組の間で流体を輸送することができる。スルーホールを有さない流体チャネル部分１２４の他の実施形態を用いて、図３に示されるような、フィルタ４６、超小型逆止め弁４８、反応器５０、分離器５２、導波路５４、及びポンプ５６のような、或る特定のタイプの流体ＭＥＭＳデバイスを収容することができる。露光されていないポリマー層材料が現像して除去され、流体チャネルが形成される。直接描画を用いる場合、露光されないままにされる多数の穴が存在し、露光後に、流体チャネル内の露光されない材料がそれらの穴を通って排出できるようにし、それにより流体チャネルが作成される。直接描画工程の後に、これらの穴は、封止用の接着剤又はエポキシ（それは、液滴の配置及び液滴サイズにおいて必要な精度を与える自動装置を用いて正確に付着され得る）を付着することによって塞がれることが好ましい。
【００６４】
図１１及び図１２はそれぞれ、その一実施形態が図７に関連して説明される直接描画工程７００を用いて製造され得る流体ＭＥＭＳデバイス２００の実施形態の側断面図及び水平断面図を示す。流体ＭＥＭＳデバイス２００の図１１及び図１２の実施形態は、図３に示されるような反応器５０である。反応器５０は、反応器を使用するポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）工程又は他の類似した工程のように、複数の加熱素子を種々の温度にわたって選択的に加熱することにより、通過する流体を異なるレベルに加熱するための役割を果たす。熱を与えるために、流体チャネル部分１２４に非常に接近して、複数の加熱素子１１０２が基板１２０に取り付けられる。各加熱素子１１０２は、異なる面積を有するか、流体導管から異なる距離に取り付けられるか、又は制御可能な電流を加えられ、流体チャネルを通過する流体の温度を異なるレベルに変更することができる。加熱素子は、図７に示されるような直接描画工程７００の実施形態の７０１の一部として（即ち、図６ｂに示されるように、基板上にポリマー層６０８が堆積される前に）、基板に取り付けられ得る。加熱素子の個々の構成は設計上の選択事項である。
【００６５】
図１３及び図１４はそれぞれ、流体ＭＥＭＳデバイス２００の別の実施形態の側断面図及び水平断面図を示す。図１３及び図１４に示される流体ＭＥＭＳデバイスの実施形態は、図３に示されるようなフィルタ４６である。フィルタ４６は、図７に示されるような直接描画工程７００を用いて製造され得る。フィルタ４６は、互いから所定の距離だけ間隔をおいて配置され、フィルタ４６を通過する流体内に含まれる、所定の寸法よりも大きな物体に対する所望のフィルタリング機能を提供する複数のフィルタ要素１３０２を含む。フィルタ要素１３０２は、そのフィルタ要素内のポリマーを流体チャネルの高さ全体にわたって架橋するのに十分な持続時間の間に各流体素子を露光することにより、基板に固定される。
【００６６】
フィルタ要素１３０２は、図６ｃ及び図８ｃに関連して説明されたような、深く架橋されたポリマー領域６２０の一実施形態として製造され得る。図８ｃを参照すると、超小型逆止め弁７５０（深く架橋されたポリマー領域６２０の別の実施形態）の最も下側の部分は基板には固定されないのに対して、フィルタ要素１３０２は基板に対して、その最も低い場所において固定される。深く架橋されたポリマー領域６２０が基板１２０に対してその最も低い場所において固定されるか否かは設計上の選択事項であり、種々の材料、構成、及び個々の深く架橋されたポリマー領域６２０と基板との間で適用される固定手段に基づいて決定され得る。
【００６７】
図１５に示される流体ＭＥＭＳデバイス２００の別の実施形態は、分離器５２（図３に関連して説明される）として構成される。分離器５２は、図１０に関連して説明された流体チャネル部分１２４と同様に形成される流体チャネル１５０２を含む。図１５に示されるチャネル部分１５０２の流体の実施形態は、流体チャネルの長さよりも長いチャネル長を与えるために蛇行形状として構成される。流体チャネルの長さを長くすることにより、流体チャネルを通過する流体を分離することができる長さが長くなり、それにより分離が改善される。しかしながら、任意の構成のチャネルが本開示の意図された範囲内にある。電圧源１５０６が、電気導体１５０４を介して、チャネル部分１５０２の種々の部分に接続される。チャネル部分の種々の部分に加えられる電荷は、チャネル部分を通過する電気的な流体内に電界を生成するための役割を果たす（それは、電気泳動に基づいて、チャネル部分を通過する流体内の物質を分離することができる）。一実施形態では、電圧源からの電圧は入口と出口との間に印加され、帯電された粒子が入口から出口まで移動できるような電位を与える。一実施形態では、チャネル部分１５０２及び電気導体１５０４（及び電圧源１５０６も可能性がある）は、図７に示された直接描画工程７００の７０１中の基板に関連してポリマー層内に集積化される。図１５に示されるような分離器５２は電気泳動によって機能し、その場合、電気導体経路１５０２に印加される電圧が、電荷に基づいて分離器の中を通って流れている粒子を分離するように作用する。
【００６８】
図１６に示される流体ＭＥＭＳデバイス２００の別の実施形態は、図３のブロック図に示されるような光導波路５４として構成される。光導波路５４は、光を光源１６１２から検出器領域１６１４に入力する入力光導管１６１０を備える。光は、光源１６１２から、流体検出領域１６１４を横切って、合焦レンズ１６２０に向けて送られる。光導波路によって示されるように、流体ＭＥＭＳデバイス２００の特定の実施形態は、光学部分と共に構成され得る。合焦レンズ１６２０において受光される光は、出力光導管１６２２に送られる。光導波路５４の一実施形態では、双方の導管１６１０及び１６２２は、光ファイバとすることができる。化学的及び／又は生物学的分析を受けることになる流体が、入力流体チャネル１２４ａに入力され、流体検出領域１６１４を横断して、出力流体チャネル１２４ｂへと出る。光源１６１２及び合焦レンズ１６２０はそれぞれ、個々の光導管１６１０及び１６２２を、個々に固定されて光学的に結合された部分に維持するために、それぞれガイド又はスロット１６１５及び１６２１を設けられる。従って、光導波路５４を用いて、流体検出領域１６１４を通過することができる任意の流体の光学的特性を検出する外部光検出器に信号を送信することができる。
【００６９】
流体ＭＥＭＳデバイス２００の光導波路５４の実施形態の一態様は、それが光学デバイスに適用されることである。そういうものだから、流体ＭＥＭＳデバイス２００内に光学部分を設けて、望ましい任意の光学機能を実行することができる。その光導波路５４は、図７に示された直接描画工程７００において図６ｃに関連して説明されたような深く架橋されたポリマー領域６２０を用いて構成され得るものと考えられる。
【００７０】
光は光源１６１２から流体検出領域１６１４の垂直方向の高さ全体にわたって導入されることができ、その場合には、合焦レンズ１６２０も流体検出領域１６１４の垂直方向の高さ全体にわたって延在すべきである（合焦レンズ１６２０も深く架橋されたポリマー領域６２０のデバイスとして構成される）。合焦レンズ１６２０は、浅く架橋されたポリマー領域６２２のデバイスとしても製造され得る。
【００７１】
図７に示されるような直接描画工程７００を用いて、光結合器を製造することもできる。本開示の概念の中に留まりながら、導波路に適用され得る多種多様な構成の合焦レンズが存在する。
【００７２】
スルーホール１２６の特定の構造的態様が、図４及び図５に関連して説明された。スルーホール１２６の別の実施形態が図１７及び図１８に関連して説明され、図１７及び図１８はそれぞれ、水平断面図及び側断面図を示す。スルーホール１２６は、深く架橋されたポリマー領域６２０及び浅く架橋されたポリマー領域６２２の組み合わせを用いて基板１２０上に製造され得る。コネクタ部分２００２が、図１７及び図１８の実施形態においてスルーホール１２６に接続されるものとして示される。コネクタ部分２００２は、流体がスルーホール１２６を介して流体チャネル１２４に対して行き来することができる管状リセス２００３を含む。一実施形態では、深く架橋されたポリマー領域６２０がスルーホール１２６を支持し、スルーホール１２６と流体連絡している任意の流体チャネル１２４の横方向境界を画定する。浅く架橋されたポリマー領域６２２は、スルーホール１２６の開口部を直に包囲するポリマー構造体を提供する。
【００７３】
一実施形態では、コネクタ部分２００２は、接着剤２０１０を用いて、スルーホール１２６の周りにあるマウントに堅固に取り付けられる。それにより、本開示は、頂冠構造（スルーホール１２６に隣接し、且つ部分的にスルーホール１２６を画定する多くの水平方向に延在する架橋されたポリマー領域）がアンカー１９０２としての役割を果たし、接着剤、セメント又はエポキシが付着するためのより硬質なマウントを提供する仕組みを提供する。接着するためのより安定したマウントを提供するために内蔵アンカー１９０２を有するスルーホールによって、接着剤が、スルーホールのより良好なシールを形成できるようになり、コネクタ部分２００２が、スルーホールに対してさらに確実に固定される。接着剤２０１０は、流体が管状リセス２００３を経由して、スルーホールを通って流体チャネル１２４に対して行き来することができる場所に、コネクタ部分２００２を封止された状態で維持することを可能にする。その接着剤は、引っ張られても離れることのないアンカー１９０２を形成するように封止するのに役立つエポキシとすることができる。別の実施形態では、或る機械的な固定手段又は他のメカニズムを用いて、スルーホール１２６内の基板に対して流体結合取付具２００２を固定することができる。
【００７４】
図１７及び図１８に示されるようなスルーホール１２６の実施形態は、コネクタ部分２００２がスルーホール１２６から取り出されるときに封止され得る。図２０に示されるように、エポキシのような接着剤２０１０がスルーホール１２６に付着され、図１８に示されるようなコネクタ部分２００２が存在しない場合でも、シールを形成する。その接着剤又はエポキシは、スルーホールを通過する流体に対抗して封止する。
【００７５】
上記の実施形態は、種々の流体ＭＥＭＳデバイス２００を作成するために使用され得る直接描画の実施形態を説明するが、他の工程を用いて、流体ＭＥＭＳデバイス２００を作成することができることも考えられ、それも本開示の範囲内にある。流体ＭＥＭＳデバイス２００を作成するための、これらの工程のうちの１つは「ロストワックス」工程と呼ばれており、これらの工程のうちのもう１つは「ドライフィルム」工程と呼ばれる。これら２つの工程がここで説明される。
【００７６】
図２１ａ、図２１ｂ、図２１ｃ、図２１ｄ、及び図２１ｅは、図２２に示されるようなロストワックス工程２３００を説明する流れ図に関連して説明されるロストワックス工程の一実施形態を示す。図２１ａでは、図２２の２３０２に記載されるように、基板１２０が準備され、その上に流体ＭＥＭＳデバイス２００が構成されることになる。図２１ｂでは、図２２の２３０４に記載されるように、基板１２０上に犠牲材料２２０４（例えば、フォトレジストなど）が堆積される。犠牲材料のパターンは、流体チャネルのパターンに概ね対応する。他のさらに複雑な形状（例えば、流体フィルタのためのフィルタ要素及び流体ポンプのための超小型逆止め弁）は、犠牲材料内に逆のパターン及び／又は形状を作成することにより形成され得る。
【００７７】
図２１ｃでは、図２２の２３０６に記載されるように、ポリマー２２０６が、犠牲材料２２０４にわたって、基板１２０上に回転塗布される。そのポリマーは、基板と組んで流体ＭＥＭＳチャネルを封入するポリマー層を形成する。従って、ポリマー２２０６は単一の部材であり、一度の堆積工程を用いて形成される。
【００７８】
図２１ｄでは、図２２の２３０８に記載されるように、既知のポリマーパターニング技術を用いて、ポリマー２２０６がパターニングされる（複数の部分が除去される）。そのパターンを用いて、上述のように、流体ＭＥＭＳデバイス２００内に、流体が流れることができるスルーホール１２６を形成することができる。代案として、そのパターンを用いて、犠牲材料が除去される放出穴を形成することができる。
【００７９】
図２１ｅでは、図２２の２３１０に関して説明されるように、いわゆる「ロストワックス」技術を用いて、犠牲材料（例えば、フォトレジストなど）が現像されて、除去される。一態様では、犠牲材料は現像液を用いて現像され、その後、犠牲材料は、ドライエッチング又はウエットエッチングによって、スルーホールを介して除去される。犠牲材料によって残された空隙を用いて、流体チャネルが画定される。図２１ｅに示されるように、ロストワックス技術を用いて結果として形成された流体ＭＥＭＳデバイス２００は、上述のような直接描画技術を用いて製造される流体ＭＥＭＳデバイス２００に類似している。複数の（さらに多くの数の）関連する及び／又は関連しない流体ＭＥＭＳデバイス２００を、図２１ａ、図２１ｂ、図２１ｃ、図２１ｄ、及び図２１ｅに関連して説明されたロストワックス工程を用いて同時に製造することができる。
【００８０】
図２３ａ、図２３ｂ、図２３ｃ、及び図２３ｄは、図２４に示されるようなドライフィルム工程２５００を記載する流れ図とともに説明されるドライフィルム工程の一実施形態を示す。図２３ａでは、図２４のドライフィルム工程２５００の２５０２に記載されるように、基板１２０が準備され、その上に流体ＭＥＭＳデバイス２００が構成されることになる。図２３ｂでは、図２４の２５０４に記載されるように、既知のポリマー堆積及びパターニング技術を用いて、基板上に構造的なポリマー層及びパターニング２４０４が堆積される。構造的なポリマー層及びパターニング２４０４の輪郭は、ドライフィルム工程を用いて後に形成される流体ＭＥＭＳデバイス２００の流体チャネルを部分的に包囲し、且つ部分的に封入するように構成される。
【００８１】
図２３ｃは、図２４の２５０６に関して記載されるように、構造的なポリマー層及びパターニング２４０４の上に堆積され、且つそれと封止するドライフィルムラミネーション層２４０６が付着されることを示す。従って、流体ＭＥＭＳデバイス２００の流体チャネルは、基板１２０、構造的なポリマー層及びパターニング２４０４、並びにドライフィルムラミネーション層２４０６内に作成される。異なるタイプの流体ＭＥＭＳデバイス２００を形成するためのさらに複雑な形状及びパターンは、これら３つの部材１２０、２４０４又は２４０６のうちの１つをパターニングすることにより、又は代案として、これら３つの部材１２０、２４０４、又は２４０６のうちの１つ又は複数に追加の構成要素を固定することによって設けられ得る。
【００８２】
図２３ｄは、図２４の２５０８に関連して記載されるように、ドライフィルムラミネーション層２４０６をパターニングして、所望の流体ＭＥＭＳデバイス（単数又は複数）２００を作成することを示す。流体ＭＥＭＳデバイス２００のスルーホール１２６及び他の部分のパターニングは、このパターニング中に行われ得る。複数（さらに多くの数）の関連する及び／又は関連しない流体ＭＥＭＳデバイス２００を、図２３ａ、図２３ｂ、図２３ｃ、及び図２３ｄに関連して説明されたドライフィルム技術を用いて同時に製造され得る。
【００８３】
図２５は、直接描画工程７００を制御するコントローラ又はコンピュータ８００の一実施形態を示す。工程部分、即ち「製造部分」は８０２として示される。工程部分８０２は、図７の直接描画工程７００に示されるような、その間をウェーハ３０６が移動する種々の工程チャンバ８１１を含むことができる（多くの場合に、ロボット機構８１２を用いる）。直接描画工程７００の詳細は、堆積され、その後エッチングされる材料に応じて異なる。種々のポリマーの処理は多くの場合に、供給業者によって、及び構成によって異なる。工程部分８０２の中で、化学蒸着法、物理蒸着法、及び電気化学堆積のような工程を適用することができる。
【００８４】
コントローラ又はコンピュータ８００は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）８５２、メモリ８５８、サポート回路８５６、及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路８５４を含む。ＣＰＵ８５２は汎用コンピュータであり、メモリ８５８に含まれるソフトウエア８５９を実行することによってプログラミングされるとき、工程部分８０２のハードウエア構成要素を制御するための特定用途のコンピュータになる。メモリ８５８は、リードオンリーメモリ、ランダムアクセスメモリ、取外し可能記憶装置、ハードディスクドライブ、又は任意の形態のデジタルメモリデバイスからなることができる。Ｉ／Ｏ回路は、情報を出力するためのよく知られているディスプレイ、及びキーボード、マウス、トラックボール、又は工程部分８０２（工程部分に含まれる、関連するロボット動作を含む）によって実行される工程を決定するためにコントローラ又はコンピュータ８００をプログラミングできるようにする情報の入力を含む。サポート回路８５６は当該技術分野においてよく知られており、キャッシュ、クロック、電源などの回路を含む。
【００８５】
メモリ８５８は制御ソフトウエアを含み、そのソフトウエアがＣＰＵ８５２によって実行される場合に、コントローラ又はコンピュータ８００が、図７に示されるような直接描画工程７００の種々の構成要素をデジタル的に制御することを可能にする。別の実施形態では、コンピュータ又はコントローラ８００はアナログとすることができる。例えば、特定用途向け集積回路が、工程部分８０２の中で行われるような処理を制御することができる。
【００８６】
本発明は、構造的な特徴及び方法のステップに特有の言葉で説明されるが、添付の特許請求の範囲において規定される本発明は上記の特定の特徴又はステップには必ずしも限定されないことは理解されたい。むしろ、開示された特定の特徴及びステップは、特許請求される本発明を実施する好ましい形態を表している。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】複数のウェーハが、互いの方へ動かされて、互いに結合される位置において間隔をおいて配置されている、従来技術のウェーハボンディング工程を示す図である。
【図２】複数のウェーハが互いに結合される、図１の従来技術のボンディング工程を示す図である。
【図３】ポリマー層技術の一実施形態を用いて製造される化学分析システムの一実施形態を示す図である。
【図４】ポリマー層技術を用いて製造される流体微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の一実施形態の平面図である。
【図５】図４の断面線５−５に沿って見たような側断面図である。
【図６ａ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には流体チャネル）の一実施形態の側断面図である。
【図６ｂ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には流体チャネル）の一実施形態の側断面図である。
【図６ｃ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には流体チャネル）の一実施形態の側断面図である。
【図６ｄ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には流体チャネル）の一実施形態の側断面図である。
【図６ｅ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には流体チャネル）の一実施形態の側断面図である。
【図７】図２５に示されるようなコントローラ／コンピュータを用いて流体ＭＥＭＳ（例えば、図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ及び図６ｅに示された実施形態など）を製造するために用いられる直接描画の架橋工程を示す図である。
【図８ａ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合にはポンプ）の一実施形態の側断面図である。
【図８ｂ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合にはポンプ）の一実施形態の側断面図である。
【図８ｃ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合にはポンプ）の一実施形態の側断面図である。
【図８ｄ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合にはポンプ）の一実施形態の側断面図である。
【図８ｅ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合にはポンプ）の一実施形態の側断面図である。
【図９ａ】図８ｅに示された流体ＭＥＭＳポンプの動作の一実施形態を示す図である。
【図９ｂ】図８ｅに示された流体ＭＥＭＳポンプの動作の一実施形態を示す図である。
【図９ｃ】図８ｅに示された流体ＭＥＭＳポンプの動作の一実施形態を示す図である。
【図９ｄ】図８ｅに示された流体ＭＥＭＳポンプの動作の一実施形態を示す図である。
【図１０】流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には流体チャネル）の一実施形態の側断面図である。
【図１１】流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には反応器）の一実施形態の側断面図である。
【図１２】断面線１２−１２に沿って見たような、図１１に示された流体ＭＥＭＳデバイスの水平断面図である。
【図１３】流体ＭＥＭＳデバイス（この場合にはフィルタ）の一実施形態の側断面図である。
【図１４】断面線１４−１４に沿って見たような、図１３に示された流体ＭＥＭＳデバイスの水平断面図である。
【図１５】流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には分離器）の一実施形態の側断面図である。
【図１６】流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には光導波路）の一実施形態の側断面図である。
【図１７】スルーホールの一実施形態の平面図である。
【図１８】図１７の断面線１８−１８に沿って見たような、図１７に示されたスルーホールの一実施形態の側面図である。
【図１９】接続された導管構成要素を接着剤によって維持する、図１８のスルーホールを示す図である。
【図２０】導管部分が除去され、開口部を封鎖するために接着剤が供給された、図１８のスルーホールを示す図である。
【図２１ａ】いわゆる「ロストワックス」工程の一実施形態を示す図である。
【図２１ｂ】いわゆる「ロストワックス」工程の一実施形態を示す図である。
【図２１ｃ】いわゆる「ロストワックス」工程の一実施形態を示す図である。
【図２１ｄ】いわゆる「ロストワックス」工程の一実施形態を示す図である。
【図２１ｅ】いわゆる「ロストワックス」工程の一実施形態を示す図である。
【図２２】図２１ａ、図２１ｂ、図２１ｃ、図２１ｄ、及び図２１ｅに示されるロストワックス工程の実施形態の流れ図である。
【図２３ａ】ドライフィルム工程の一実施形態を示す図である。
【図２３ｂ】ドライフィルム工程の一実施形態を示す図である。
【図２３ｃ】ドライフィルム工程の一実施形態を示す図である。
【図２３ｄ】ドライフィルム工程の一実施形態を示す図である。
【図２４】図２３ａ、図２３ｂ、図２３ｃ、及び図２３ｄに示されたドライフィルム工程の実施形態の流れ図である。
【図２５】図７に示されたような直接描画工程を制御するように構成されたコンピュータ／コントローラの一実施形態のブロック図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に関し、より詳細には流体を収容又は輸送することができるＭＥＭＳに関する。
【０００２】
背景
多くのタイプの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）が、電気的な検出、制御、及び計算を提供する。ＭＥＭＳ技術は、絶えず小型化されるシステムに適用されつつあり、最近では、ナノスケールシステムに適用されている。絶えず小型化されるデバイス、特にナノスケール寸法まで、及びナノスケール以下の寸法まで小型化されるデバイスのための設計は、相当な設計上の課題をもたらす。
【０００３】
ＭＥＭＳデバイス及び回路が過酷な環境に適用される場合には、かなり複雑なことが生じる。ＭＥＭＳ又は任意の電子回路が設計対象とされ、又は適用される可能性がある最も困難な環境のうちの１つが、流体（より詳細には、血液、他の体液、又は取り扱うのが困難な流体）である。ＭＥＭＳは、人体内、及び多くの他の応用形態における種々のパラメータを検出又はモニタするように構成され得る。その電子デバイスは、流体の正確な測定値を与えるために、そのような過酷な環境から保護されなければならない。
【０００４】
図１に示されるような、ＭＥＭＳデバイス２９の１つの従来技術の実施形態は、或る特定の化学分析システム内に組み込まれ得る。そのＭＥＭＳデバイス２９は、複数の基板３４及び３６を含む。２つの個々の基板３４、３６の個々のエッチング面３０、３２のうちの一方又は両方内に、溝及び／又は流路２８がエッチング形成されている。２つの基板のそれぞれのエッチング面は、図２に示されるように、結合領域３８において、互いに向かい合って配置されるように結合される。エッチング面は互いに向かい合って取り付けられるので、エッチング形成された一対の溝（即ち、エッチング面のそれぞれにある１つの溝）が、１つになって、それぞれの側面が一方の基板によって包囲された導管を形成することができる。
【０００５】
基板３４、３６はガラス（例えば、パイレックス（登録商標）−コーニング社の商標）又はシリコンのような半導体から製造され得る。基板のエッチング面３０、３２の一方又は両方にある、エッチング形成された流路（チャネル）及び／又は溝２８（図１に示される）が、流体連絡を提供する導管を形成するように、それらの基板は互いに結合される。それらの基板は、陽極ボンディング技術を用いて、又はガラスフリット中間層でもって結合され得る。流体連絡を提供する導管は、流体Ｉ／Ｏポート及び流体チャネルを含む。
【０００６】
係る従来技術の技術は、既知の製造法を用いて、数十ナノメートルまで、及び数十ナノメートルを含む所望の寸法を有する、図１に示されるようなエッチング形成された流路及び／又は溝２８を形成することができる。しかしながら、エッチング形成された流路及び／又は溝２８を、結合される基板対の上で位置合わせすることは、多大な時間と労力を要する。そういうものだから、大量生産において、そのようにぴったり合わせられる基板構成を用いることは難しい。さらに、そのように結合される基板対は製造するのにコストがかかる。
【０００７】
図面全体を通して、類似の機構及び構成要素を参照するために同じ番号が使用される。
【０００８】
詳細な説明
流体微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス２００は、流体を運び、流体を保持し、及び／又は流体と連係することができるＭＥＭＳデバイスである。本開示は、流体ＭＥＭＳデバイス２００の種々の実施形態を提供する。本開示は、流体ＭＥＭＳデバイスを確実に、良好なコスト効率で、及び接続されなければならない部品をほとんど用いることなく製造することができる仕組みを提供する。ＭＥＭＳデバイスの１つの例示的な応用形態は、血液のような人又は動物の体液を輸送／モニタすることを含む。流体ＭＥＭＳデバイス２００が、有効に外部世界と接続し、ＭＥＭＳ内部に流体を分配して、その流体と相互作用しなければならない場合があることを考えると、流体ＭＥＭＳデバイス２００のパッケージングは極めて難しい可能性がある。係る流体ＭＥＭＳデバイス２００の例は、化学分析システム及びマイクロアレイを含む。全て同じチップ上に配置される、マイクロスケールの化学的及び生物学的分析システムの集合体の一実施形態は、「ラボオンチップ」設計を提供する。
【０００９】
一態様では、流体ＭＥＭＳデバイス２００は、直接描画工程を用いることにより形成され得る。直接描画工程の一実施形態は、Ｓｕ８のような感光性ポリマーを含む（Ｓｕ８を用いることは半導体産業において一般に知られており、Ｓｕ８は市販されている）。
【００１０】
以下に限定はしないが、流体チャネル、流体ポンプ、流体フィルタ、物質分離器（電気泳動を使用する）、化学物質検出器、反応器、及び流体コネクタを含む、流体ＭＥＭＳデバイス２００の多くの様々な実施形態を製造することができる。さらに、本開示は、そのような種々のＭＥＭＳデバイスを相互接続された様式で製造する複数の実施形態を説明する。
【００１１】
流体ＭＥＭＳデバイス２００の一態様は、各流体ＭＥＭＳデバイス２００内の異なる構成要素間で流体を運ぶ１つ又は複数の流体チャネル１２４を形成することに関連する。流体チャネル１２４は、深さがかなり浅くなるように構成され得る（例えば、或る特定の実施形態では、１００ナノメートル未満）。種々の流体ＭＥＭＳデバイス２００を含む、組み立てられたシステムは、図３にブロック形態で示されるように、ポリマー材料を含む、図４及び図５に示されるようなポリマー層構造体４２を用いて製造され得る。単一のポリマー層構造体４２は、図７に記載された技術を用いて、図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ、及び図６ｅに関連して説明されるように製造され得る。
【００１２】
流体ＭＥＭＳデバイス２００の或る特定の実施形態は、フィルタ構造体を含むように構成され得る。別の実施形態では、流体ＭＥＭＳデバイス２００は、反応チャンバ（例えば、一体化された平坦なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チャンバ）を提供することができる。
【００１３】
図３は、単一のポリマー層構造体４２上に構成される複数の流体ＭＥＭＳデバイス２００の一実施形態の平面図を示す。単一のポリマー層構造体４２は、ポリマー層内に完全に形成されるか、又は代案としてポリマー層内及び基板の上側表面に形成される種々のデバイスを含む。図３に示されるような、単一のポリマー層構造体４２の一実施形態は、（流体ＭＥＭＳデバイス２００として）入口４４と、フィルタ４６と、弁４８と、反応器（ヒータ）５０と、分離器５２と、光学的な検出用の導波路５４と、ポンプ５６と、出口５８とを含む。複数の流体チャネル１２４が、図３に示される種々の流体ＭＥＭＳデバイス２００を接続する。フィルタ４６は、少なくとも１箇所の寸法が所定の寸法よりも大きな要素をフィルタリングして除去するための役割を果たす。導波路５４は、液体のようなサンプル内の１つ又は複数の化学物質の濃度に関連する濃度情報を伝達する。弁４８は、反応器５０に入力されることになる流体を選択する（その流体は、入口４４及び／又はフィルタ４６から供給される）。反応器５０は流体チャネルを含み、その流体チャネルは、１つのバージョンでは、反応器の流体チャネルの長さを増して、熱伝達を高めるように蛇行した形状で構成される。
【００１４】
１つのバージョンでは、複数の加熱素子（各加熱素子が異なる加熱領域を有する）が、加熱チャネルに隣接して配置される。異なる加熱領域を有する加熱素子は、流体素子を通過する流体を異なる時刻に異なる加熱温度まで加熱し、ＰＣＲプロセスを効果的に実行するように選択的に、且つ個別に付勢され得る。ＰＣＲプロセスにおいては、異なる時刻に異なる温度レベルまで流体を加熱することが一般に知られている。代替の実施形態では、単一（又は２つ以上）の加熱素子を通過する電流の量を変更して、流体素子を通過する流体に異なる加熱レベルを適用し、異なる温度にして、ＰＣＲプロセスを実行することができる。
【００１５】
分離器は、サンプルの種々の成分に適用される電荷に基づいて、種々の成分をサンプルから分離する。種々の成分は、それらの成分の特性に基づいて、チャネルに沿って異なる長さだけ移動する。流体チャネル１２４は、図３に示されるように、デバイス４４、４６、４８、５０、５２、５４、５６及び５８のうちの特定のデバイス間を接続し、各流体チャネル１２４は、図示されるように、特定のデバイス間に１つの流体経路だけを提供する。流体チャネル１２４に入る流体の概ね全てが、チャネル内に留まるか、又はチャネルを出るかのいずれかである。
【００１６】
本明細書に記載されるような単一のポリマー層技術を用いて製造されるデバイスの任意の組み合わせが本開示の意図された範囲内にあるので、図３に示される特定のデバイス４４、４６、４８、５０、５２、５４、５６及び５８は、本質的に例示であり、その範囲を限定しない。
【００１７】
生物学的又は化学的な分析システムにおいて役に立つ可能性がある多くの技術には、以下に限定はしないが、電気泳動、フリーフロー電気泳動、電界流動分別（electrical field-flow fractionation：ＥＦＦＦ）、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）、ガスクロマトグラフィ、液体クロマトグラフィ、及び複合システムが含まれる。流体ＭＥＭＳデバイス２００は、これらの技術の多くに適用され得る。
【００１８】
単一のポリマー層構造体４２の実施形態に関連して説明された技術を用いる場合、複数の流体ＭＥＭＳデバイス２００は、或る特定の実施形態では、集積化された導波路を用いて化学的又は生物学的な分析を提供するように構成されたシングルチップ上に製造される。従って、集積化された総合化学分析システムは、直接描画工程を用いることにより製造され得る。多くの従来技術のシステムはウェーハボンディング工程に依存する。化学的又は生物学的な分析システムの一実施形態は、合焦レンズ及び機械的なファイバアライメントガイドを組み込む。
【００１９】
図１に関して本開示の「背景」の部分において説明されたような、ＭＥＭＳをパッケージングするための一般的な従来技術の技術は、一対のシリコン又はパイレックス（登録商標）（コーニング社の商標）ガラス基板３４、３６上に形成された面３０、３２内に、溝及び／又は流路２８をエッチング形成することである。基板３４、３６は、図２に示されるように、互いに結合されて結合領域３８が形成され、その結果、エッチング面３０、３２内の溝及び流路２８は流体Ｉ／Ｏポート及び構成要素間の流体チャネルを形成する。陽極ボンディング技術（又はガラスフリット中間層の使用）によって、微細加工されたチップ内の領域３８を結合することができる。
【００２０】
複数の面３０、３２がそれぞれエッチングされる場合、それぞれの基板３４、３６は、一方の基板３４上にある溝及び／又は流路が別の基板３６上の溝及び／又は流路と位置合わせされるように、図１及び図２の従来技術の構成において示されるように位置合わせされる。多数の結合領域が形成されることになる（例えば、多層の構造体を形成することになる）場合には、それぞれ連続した結合領域３８において実行される、連続した結合基板対を位置合わせして結合する工程が、後続の基板毎に繰り返される。
【００２１】
図３に示されるように、本開示は、種々の流体ＭＥＭＳデバイス２００を、基板１２０上に配置されるポリマー層内に形成される単一のポリマー層構造体４２として製造することができる仕組みを提供する。それにより、流体チャネル１２４は、複数の組の流体ＭＥＭＳデバイス２００間を流れる流体を搬送することができる搬送手段を形成する。他のチャネル以外の流体ＭＥＭＳデバイス２００（例えば、流体ポンプ、流体フィルタ、流体反応器）は、流体を収容し、その流体がデバイス自体の機能的な構成要素の中を通って流れるように導く流体チャネル１２４を組み込むものと見なすことができる。
【００２２】
流体ＭＥＭＳデバイスは、本明細書に記載されるように、単一のポリマー層構造体４２として製造され得る。図４及び図５は、単一のポリマー層構造体４２の一実施形態を示す。図５に示されるように、単一のポリマー層構造体４２（本開示において説明されるように露光／現像工程を用いる）は基板１２０に固定される。直接描画の場合、弱い露光及び強い露光の２つの露光工程が用いられる。単一のポリマー層構造体４２は、基板１２０とともに、１つ又は複数の流体ＭＥＭＳデバイス２００を接続する１つ又は複数の流体チャネル１２４を形成する。その後、露光されていない材料が現像され、それにより除去される。多くの場合に、ポリマー層を形成するポリマー材料内に凹部が形成され、それにより、露光されていない材料が除去されることが可能になる（それらの凹部の多くは、直接描画工程後に塞がれ、液密の流体チャネルが形成される）。現像して除去される、露光されていない材料の場所は一般に、流体チャネル１２４に対応する。次いで、ポリマー材料は、熱、及び／又は紫外線（ＵＶ）光の露光を用いて硬化される。個々のポリマーの硬化工程は一般に知られており、ポリマーによって多少異なるので、本明細書においてこれ以上は説明されない。
【００２３】
一実施形態では、単一のポリマー層構造体を形成するためのポリマー材料は、光描画可能なエポキシ（例えば、市販されているＳＵ８など）、光描画可能なポリマー、又は感光性シリコーン誘電体（例えば、ShinEtsu（商標）によって製造されるＳＩＮＲ−３０１０など）のような、迅速に架橋するポリマーを含む。
【００２４】
或る特定の流体チャネル１２４は、スルーホール１２６に連通しており、スルーホール１２６によって、ポリマー構造体領域１２２の上（図４のとおりに見た方向）から流体を流体チャネル１２４内に導入するか、又は流体チャネル１２４から排出することができる。流体チャネル１２４及びスルーホール１２６を互いに組み合わせて、本明細書において部分的に覆われたチャネル１２４として説明されるパターンが形成される（用語「部分的に」は、任意の被覆の中にスルーホール１２６のための開口部を設けることができることに関連する）。
【００２５】
単一のポリマー層構造体４２は流体閉じ込め材料１３０を含む。流体閉じ込め材料１３０は、接合部１２１において基板１２０と接合され、流体のための意図された経路に沿って所定の流体チャネル１２４内に流体を導くように流体チャネル１２４を形成する（そして、流体チャネルからの１つの排出経路としてスルーホール１２６が設けられる）。それ故に、流体閉じ込め材料１３０、流体チャネル１２４、及びスルーホール１２６は、図５に示されるように、基板１２０の上にポリマー層構造体４２を形成するように結合される。従って、一実施形態では、流体チャネル１２４は、単一のポリマー層構造体４２と基板１２０との間の境界として形成される。それにより、或る特定の実施形態では、流体閉じ込め材料１３０、流体チャネル１２４及びスルーホール１２６を製造するために用いられる単一のポリマー層構造体４２の部分は、単一の構造体として製造され得る。
【００２６】
本明細書に説明される単一のポリマー層構造体４２は、１つ又は２つのガラス基板内にＭＥＭＳデバイスを微細加工し（従来技術のウェーハボンディング工程と同様）、その後、２つの基板を互いに結合して、所望のチャネル構造を形成することに関連した費用、時間、及び労力を削減する。流体ＭＥＭＳデバイス２００の特定の実施形態は、比較的容易に製造されることができ、それ故に、関連する製造コストが削減される。多数の流体ＭＥＭＳ構成要素を製造することに関連する製造技術も簡略化されて改善される。
【００２７】
一実施形態では、ポリマー層構造体４２は、基板に取り付けて流体ＭＥＭＳデバイス２００を作成する単一の部材として形成される。従って、本明細書において説明されるように、或る特定の部分（必ずしも以下に限定はしないが、流体閉じ込め材料１３０、流体チャネル１２４、及びスルーホール１２６のうちの１つ又は複数を含む）が、単一のポリマー層構造体４２として、基板１２０とともに形成される。単一のポリマー層構造体４２を用いることにより、いくつかの利点がもたらされる。
【００２８】
図１及び図２に示されるような、剛性の張り合わせられた基板３２、３４の従来技術の実施形態の場合、個々のチャネルを封止することはさらに難しい。即ち、一般に、本明細書に記載される技術を用いて、図５に示されるように、単一のポリマー層構造体４２と基板１２０との間に安定したチャネルを形成することよりも、図１及び図２の従来技術のシステムにおいて示される、２つの剛性の基板プレート部材３４、３６内の流路２８を用いて安定したチャネルを形成するほうが難しい。この概念は、ナノスケール、メソスケール、マクロスケール、及びマイクロスケールの流体ＭＥＭＳデバイス２００のような比較的小さなスケールのデバイスにも当てはまる。
【００２９】
さらに、単一のポリマー層構造体４２は、接続された複合部材に比べて、封止の有効性が確実に改善される。そのように封止の有効性を改善することは、流体ＭＥＭＳデバイスのための耐用時間を長くし、動作を改善し、感度を高めることに繋がる。さらに、単一のポリマー層構造体４２の特定の実施形態を用いる場合のように、単一の基板上に溝及び／又は基板を形成することによって、複数の基板を位置合わせして流体導管を形成する必要がなくなる。そのような位置合わせ工程は一般に、費用がかかり、手間がかかる可能性があり、間違いを犯しやすい。
【００３０】
本明細書に記載されるような流体ＭＥＭＳデバイス２００は、複数の基板３４と３６との間の位置合わせ技術を用いることなくパッケージングされ得る（その位置合わせは、図１及び図２に示される従来技術の構造に関連して説明された）。基板の単層上に単一のポリマー層構造体４２を製造することは、ポリマー材料及び直接描画工程に依存する。本明細書に記載されるような単一のポリマー層技術を用いて、多種多様な流体ＭＥＭＳデバイスを製造することができる。
【００３１】
図５に示される構造について検討すると、単一のポリマー層構造体４２は、その形状に起因して、頂冠（top-hat）構造と呼ぶことができる。図５に示されるような種々の垂直方向の深さを有する流体ＭＥＭＳデバイスの種々の部分は、異なる強さの直接描画処理技術を用いて製造され得る。頂冠構造は、単一の流体ＭＥＭＳデバイス２００を保護するだけでなく、流体を搬送するための内蔵流体チャネル１２４も形成する。ポリマー材料は、単一の流体ＭＥＭＳが外部世界と連絡するためのＩ／Ｏポートを提供することができる。この新たな技術は、単一のＭＥＭＳのパッケージコストを大幅に削減することができ、流体ＭＥＭＳデバイス２００の種々の実施形態の機能性を高めることができる。
【００３２】
単一のポリマー層技術は、種々の流体ＭＥＭＳデバイス２００を提供する。基板によって一方の面に、ポリマー層によって他方の面に形成される或る特定の流体ＭＥＭＳデバイス内に、密閉されたキャビティを形成することができる。ポリマー層は単一の構造体として形成され、密閉されたキャビティ内にある内容物がポリマー層の外部にある内容物と混合することによって生じる場合がある、流体の漏れ、汚染などの可能性を低減する。一実施形態では、流体ＭＥＭＳデバイスは、総合化学分析又は他の流体ＭＥＭＳデバイス２００（及び／又は構成要素）を完全に集積化することができ、コストを大幅に下げ、及び／又は信頼性を高める。
【００３３】
ウェーハボンディングの代わりに、本明細書に記載される単一のポリマー層技術は、直接描画処理技術を用いて、単一のポリマー層構造体４２のポリマー材料（例えば、ＳＵ８など）と基板１２０との間で、単一の流体ＭＥＭＳデバイス２００を主として包囲することができることを提案する。頂冠構造は、個々の流体ＭＥＭＳデバイス２００（及びその構成要素）を保護し、それらの間の完全性を提供するだけでなく、本明細書に記載されるように接着剤／エポキシを用いて固定され得る、流体を搬送するための内蔵流体キャビティ及び／又は流体チャネル１２４も形成する。また、ポリマー材料をパターニングして、外部世界への接続ポートを形成することもできる。この新たな技術はパッケージングのコストを大幅に削減し、流体ＭＥＭＳデバイス２００の機能性を高めることができる。
【００３４】
図４及び図５に示されるような単一のポリマー層構造体４２は、図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ、図６ｅ及び図７に関して説明されるような直接描画工程を用いて製造され得る。本開示は、直接描画工程を用いて、ポリマー材料（例えば、ＳＵ８など）によって多種多様な流体ＭＥＭＳデバイス２００をパッケージングできることを示す。単一のポリマー層技術によって提供される頂冠構造は、流体ＭＥＭＳデバイス２００を保護するだけでなく、流体を搬送するための内蔵流体チャネル１２４も提供する。また、ポリマー材料をスルーホール１２６とともにパターニングして、流体ＭＥＭＳデバイスの外部への接続ポートを形成することもできる。
【００３５】
直接描画工程を用いて、流体ＭＥＭＳデバイス２００及び流体導管内に収容される内蔵流体チャネル１２４の封止を改善することができる頂冠構造を、ポリマーから生み出すことができる。また、頂冠構造は、流体導管に対して流体ＭＥＭＳデバイスを固定するための、より安定した構造も提供する。図４及び図５はそれぞれ、直接描画工程を用いて形成される例示的な流体ＭＥＭＳデバイス構造体の平面図及び断面図を示す。ＳＵ８レジストがウェーハ又は基板１２０に付着され、その後、適切な回数の露光が行われて、スルーホール１２６、流体チャネル１２４、及び頂冠構造が形成される。
【００３６】
直接描画工程によって、種々の構成要素又はセルを接続する単一のポリマー層を含む、内蔵流体チャネル１２４を形成できるようになる。直接描画工程は一般に、厚いＳＵ８材料をスピンコーティング堆積することを含む。ＳＵ８材料の種々の実施形態は、一般に通常２〜２００μｍである（これらの寸法外にある材料を製造することもできる）。複数の頂冠及びチャンバマスク並びに関連する架橋工程を用いて、複数の直接描画露光工程を形成することができる。この直接描画工程は、流体チャネル１２４及び頂冠構造の種々の構成を形成する。流体チャネル１２４に加えて、本明細書に記載されるような直接描画工程を用いて、種々の流体ＭＥＭＳデバイス２００を製造することができる。
【００３７】
図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ、及び図６ｅは、図７に示されるような直接描画工程７００を用いて、基板１２０上に製造される流体ＭＥＭＳデバイス２００の一実施形態を示す。図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ及び図６ｅでは、製造される流体ＭＥＭＳデバイス２００は流体チャネル１２４であり、その多くが図３のブロック図に示される。流体チャネル１２４は１つの場所から別の場所に流体を搬送する。流体ＭＥＭＳデバイス２００の中を流体が流れるのに応じて（その流体が、それぞれの特定の流体ＭＥＭＳデバイスの動作を受けている場合であっても）、流体の流れは一般に制御される必要があるので、本明細書に記載されるような各流体ＭＥＭＳデバイス２００は流体チャネル部分を組み込む。図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ及び図６ｅに関連して説明される全体的な製造技術は、流体ＭＥＭＳデバイス２００の種々の実施形態に関連する。
【００３８】
流体ＭＥＭＳデバイス２００の種々の実施形態が、図７に関連して説明されるような直接描画工程７００を用いて製造され得る。これらの実施形態のうちの或る特定の例示的な実施形態が説明されるが、その実施形態には限定されない。図７に関連して説明されるような直接描画工程７００の一実施形態が、図２５に関連して説明されるような、工程部分８０２を制御するコンピュータ／コントローラ８００の一実施形態を用いて実行され得る。その工程部分８０２は、例えば、基板上で種々の工程を実行することができる１つ又は複数の製造チャンバ又は工程チャンバを用いることができる。図７に関連して説明されるような直接描画工程７００は、処理前に基板が所望のように構成される７０１を含む。基板の構成は概ね、流体ＭＥＭＳデバイス２００の意図された機能に依存する。例えば、流体ＭＥＭＳデバイス２００が加熱又は電気導体機能を有する場合には、その基板にそれぞれ、加熱素子又は電気導体を設けることができる。
【００３９】
代案として、流体ＭＥＭＳデバイス２００の別の実施形態として、電気センサ、光学センサ、又は電気機械センサを設けることができる。流体ＭＥＭＳデバイス２００の基板が、特定のエッチング又は堆積された領域又は他の構成（例えば、図８ｅにエッチングされた状態で示されるような、エッチングされた凹部７５２）で構成される場合には、その基板は７０１において構成される。７０１は、７０２においてポリマー層を堆積する前に行われるので、その基板は、架橋中に露光及びハードベークによって硬化されることになるポリマーの堆積前に所望のように構成される。
【００４０】
図６ａでは、図７に関連して説明される直接描画工程７００の７０２に記載されるように、基板１２０（その一部だけが例示される）が、１つ又は複数の工程チャンバ（図示せず）に導入される。図６ｂでは、直接描画工程７００の７０４に示されるように、ポリマー層６０８が基板１２０上に堆積される。スピンコーティングのような、ポリマー層を基板上に堆積する任意の技術を用いることができる。図３、図４及び図５に関連して説明されるような単一のポリマー層構造体４２は、ポリマー層６０８内に完全に製造されるか、又は代案として、基板１２０との接合部上にあるポリマー層内に形成され、部分的には基板１２０も含む。ポリマー層６０８の一実施形態は感光性ポリマー（市販されているＳｕ８など）を含む。
【００４１】
ポリマー層６０８のポリマーは、本明細書において説明されるような種々の直接描画工程中に適用されるような架橋工程において、複数（一実施形態では２つ）のレベルの露光及び現像をすることができる。マスクを用いる２つの直接描画露光工程は、本明細書では、「強い直接描画露光工程」７０６及び「弱い直接描画露光工程」７０８として区別される。それゆえ、ポリマー層のポリマーは、強い直接描画露光工程７０６及び弱い直接描画露光工程７０８と呼ばれる異なる強度又は持続時間を有する１つ又は複数の光源（例えば、その光源は特定のポリマーのために設計された紫外光を放射する）によって露光され得る。強い直接描画露光工程７０６によれば、露光後のポリマーは、弱い直接描画露光工程７０８よりも深い深さまで、ポリマー層のポリマーを架橋する。一実施形態では、強い直接描画露光工程７０６によって、ポリマー層はその深さ全体にわたって架橋される。弱い直接描画露光工程では、深さ全体にまで架橋されない。そういうものだから、ポリマー層は、露光の強度及び／又は露光の持続時間の関数として、種々の垂直方向の深さまで選択的に露光され得る。
【００４２】
一実施形態では、ポリマー層６０８のポリマーは一般に、図７に示されるような直接描画工程７００中に、マスクを用いる２つの直接描画露光工程を受ける。図６ｃに示されるような、強い直接描画露光工程７０６は、ポリマー層６０８の深さ全体にわたって、又は概ねその深さ全体にわたってポリマーを架橋することができる。「弱い直接描画露光工程」（図６ｄに示される）は、ポリマー層６０８の深さの或る部分までのみポリマーを架橋することができる。
【００４３】
直接描画工程７００の特定の実施形態は、強い直接描画露光工程７０６及び弱い直接描画露光工程７０８の組み合わせを用いて、ポリマー層６０８内に種々の断面形状のポリマー層構造体４２を提供する。そういうものだから、ポリマー層６０８は、強い直接描画露光工程７０６及び弱い直接描画露光工程７０８の両方に適切に応答できるように選択される。
【００４４】
図６ｃは、強い直接描画露光工程７０６の一実施形態を示しており、光源６１２（一実施形態では紫外光源）が、十分な光子エネルギーを、マスク６１４を介してポリマー層６０８のポリマー内に照射する。強い直接描画露光工程７０６は、マスク６１４の輪郭に対応する、１つ又は複数の深く架橋されたポリマー領域６２０を（架橋後に）生成する。強い直接描画露光工程７０６は、ポリマー層の概ね深さ全体にわたってポリマー層６０８の特定の領域を硬化させるのに十分な、比較的強い線量の光子エネルギーを加えるものと見なすことができる。強い直接描画露光工程７０６は、直接描画工程７００の図６ｃに示される。深く架橋されたポリマー領域６２０はそれぞれ、ポリマー領域６０８の垂直方向の高さの概ね全体にわたって概ね完全に延在する。深く架橋されたポリマー領域６２０の底部では、特定の実施形態が基板１２０に固定されるが、他の実施形態は基板には固定されない。
【００４５】
図６ｃに示されるような、深く架橋されたポリマー領域６２０の或る特定の実施形態の特定の構成は、流体チャネル１２４の横方向の外側境界（長さ及び幅の両方）を画定するように構成される。架橋されたポリマー領域６２０及び６２２（図６ｃ及び図６ｄに関連して説明される）を製造する２つのステップは露光及び現像を含む。深く架橋されたポリマー領域６２０が露光される図６ｃでは、ポリマー層６０８の垂直方向の深さ全体が（強い露光工程を用いて）露光される。
【００４６】
強い露光工程は、ポリマー層の深さ全体にわたって露光されている、これらの領域内のポリマー層の特性を変更する。そういうものだから、深く架橋されたポリマー領域６２０をさらに離して配置することにより、さらに幅が広いチャネルが設けられるであろう。その場合に、図６ｃに示されるようなマスク６１４内の多くの開口部が、流体チャネル１２４の経路（垂直な平面内にある）の横方向の境界を決定するであろう。代案として、深く架橋されたポリマー領域６２０の或る特定の実施形態は、図８ｃに示されるような流体ポンプのフラッパブレードなどの、流体ＭＥＭＳデバイス内の構造的な構成要素を画定する。
【００４７】
図６ｄは、弱い直接描画露光工程７０８の一実施形態を示す（それは、図６ｃに関連して説明されたような強い直接描画露光工程７０６よりも弱い露光強度において、及び／又は短い持続時間で実行される）。弱い直接描画露光工程７０８を用いる場合、光源６１２（一実施形態では紫外光源）は、十分な光子エネルギーを、マスク６１５を介してポリマー層６０８のポリマー内に照射し、ポリマー層の特定の選択された領域内に、比較的浅く架橋されたポリマー領域６２２を作成する。架橋することにより、小さなポリマー高分子が結合して、増加した分子量を有する、より大きな分子になる。架橋された分子の硬化は、これらの分子及びポリマー材料自体を固める働きをする。この硬化した状態において、固められた架橋された分子を溶剤の中に入れて、固められていないポリマー領域を現像して除去することができる。架橋、硬化、及び現像除去は当業界において一般的に知られており、本明細書においてさらに詳しくは説明されない。弱い直接描画露光工程７０８のために選択される領域の形状は、マスク６１５の形状に基づく。
【００４８】
弱い直接描画露光工程７０８は、ポリマー層の深さ全体の一部のみにわたってポリマーを硬化させるのに十分な、比較的（強い直接描画露光工程７０６の高い線量と比べて）低い線量の光子エネルギーと見なすことができる。図６ｄに示されるような弱い直接描画露光工程７０８は、直接描画工程７００の７０８に記載される。強い直接描画露光工程７０６及び弱い直接描画露光工程７０８は、流体チャネル１２４を単一の構造体（基板１２０の上側表面と組んで）として画定するように構成される。図７に示される直接描画工程７００の実施形態では、７０６の強い露光工程は、弱い露光工程７０８の前に実行されるが、７０８に対する７０６の順序は本質的に例示であり、範囲を限定しない。
【００４９】
図６ｄに示されるような浅く架橋された各ポリマー領域６２２は、元のポリマー領域６０８の垂直方向の高さのうちの或る割合だけにわたって延在する。浅く架橋されたポリマー領域６２２の形状は、流体チャネル１２４の上側の水平方向の境界の場所に対応する。そういうものだから、収容されている流体チャネル内を移動する流体は、浅く架橋されたポリマー領域６２２のポリマーに基づく。浅く架橋されたポリマー領域の輪郭は、図６ｄに示されるように、マスク６１５の形状によって決定される。図６ｅに示されるようなスルーホール１２６は、浅く架橋されたポリマー領域内に形成される。
【００５０】
図６ｅは、ポリマー層６０８から、架橋されていないポリマー材料を除去することを示す。図６ｅに示されるように、架橋されていないポリマー材料を除去することにより、流体ＭＥＭＳデバイス２００（図６ｅに示される実施形態では、スルーホール１２６を有する流体チャネル１２４）の最終的な輪郭が与えられる。直接描画工程７００の７１０は、架橋工程中に、露光されていないポリマー材料を現像して除去することを含み、現像液が露光されていないポリマー材料に適用されて、露光されたポリマー材料から露光されていないポリマー材料が洗い流される。現像して除去した後に、流体ＭＥＭＳデバイス２００（その最終的な形態）が、ポリマー層と基板との間に製造される。ポリマー層６０８が現像液に入れられる際に、架橋されていないポリマーは、その現像工程中に除去される。
【００５１】
従って、例えば、架橋されていないポリマー層６０８の部分は、図７に示されるような７１０において除去され、それは図４及び図５に示されるような流体チャネル１２４及び／又はスルーホール１２６に対応する。架橋されたポリマー材料は、図６ｃに示されるような強い直接描画露光工程７０６中に、又は図６ｄに示されるような弱い直接描画露光工程７０８中に架橋される。従って、架橋されたポリマー材料は、流体チャネル１２４の基板の上側表面及び横方向表面とともに境界を形成する。スルーホール１２６は架橋されたポリマー材料の一部の中に形成される。架橋されたポリマー層の個々の厚みは、流体ＭＥＭＳデバイスの所望の応用形態、製造業者の設計手法、及び／又は他の設計又は規定上の制約に基づいて選択され得る。
【００５２】
その後、ポリマー層は７１２において硬化される。ポリマー層のポリマーの硬化は、ハードベークによって、又は紫外（ＵＶ）光を照射することによって行うことができる。硬化の詳細は、使用されるポリマーによって異なるので、これ以上は詳述されない。多くの市販のポリマーは、ポリマーの硬化プロセスに関する指示書と共に提供される。
【００５３】
深く架橋されたポリマー領域６２０を製造するための強い直接描画露光工程７０６の詳細、及び浅く架橋されたポリマー領域６２２を製造するための弱い直接描画露光工程７０８の詳細は、本明細書においてさらに詳細には与えられない。多種多様なポリマー材料、基板構造、及びポリマー層の深さの製造物は、本明細書に記載されるような満足のいく層を製造するために種々の要件を有することは理解されたい。従って、本開示は、任意の個々のポリマー、及び／又はポリマー層構造体について詳述しない。強い直接描画露光工程７０６及び弱い直接描画露光工程７０８を用いて、ポリマー層６０８内に、多種多様な流体ＭＥＭＳデバイス２００を製造することができる。本明細書では、これらの流体ＭＥＭＳデバイス２００のわずかな例だけが説明される。ポリマー層内に製造される任意の単一のポリマー層構造体４２が、本開示の意図された範囲内にあるものと考えられる。
【００５４】
図４及び図５に示される構成に加えて、図６ｅに示されるような流体ＭＥＭＳデバイス２００の構成について検討してみると、スルーホール１２６の寸法は比較的小さくなるように設計され得る。スルーホール１２６は、ポリマー層内の流体チャネルと流体ＭＥＭＳデバイス２００の外部との間で流体連絡のみを提供する。図６ｅに示されるような特定の実施形態では、ポリマー層６０８は、流体ＭＥＭＳデバイス２００を組み込む単一のポリマー層構造体４２を含む。
【００５５】
図８ａ、図８ｂ、図８ｃ、図８ｄ、及び図８ｅは、基板１２０上に製造される流体ＭＥＭＳデバイス２００の別の実施形態を示す。図８ａ、図８ｂ、図８ｃ、図８ｄ、及び図８ｅに示されるような流体ＭＥＭＳデバイス２００は、流体ポンプ５６（図３に示される）としての役割を果たす。図８ａ、図８ｂ、図８ｃ、図８ｄ、及び図８ｅはそれぞれ、個々の図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ、及び図６ｅに関連して説明されるような製造工程に対応するが、図８ｃに示されるように、別個の深く架橋されたポリマー領域６２０として超小型逆止め弁７５０が製造されることが異なる。
【００５６】
流体ＭＥＭＳデバイス２００の一態様では、ＭＥＭＳポンプは、超小型逆止め弁７５０及び抵抗７６０の対を含む。図８ｃには抵抗７６０が示されるが、抵抗７６０の代わりに圧電デバイスを用いることができるものと考えられる。膜上にある圧電デバイスが用いられるそれらのバージョンでは、流体ポンプの動きは、圧電デバイスに電圧を制御可能に印加し、それにより圧電デバイスが、印加される電圧に応じて膨張及び収縮することにより提供され得る。集積化されたＭＥＭＳポンプは、直接描画工程を用いて、流体がＭＥＭＳポンプのチャネルの中を通って流れないように、又は流れるようにする一対の超小型逆止め弁を形成することにより製造され得る。抵抗の両端に電圧が印加され（図示されないが、制御可能な電流源又は電圧源から）、ＭＥＭＳポンプを通過する流体に熱を加えることができるように、ポリマー層６０８を堆積する前に、抵抗７６０が基板１２０内に形成されるか、又は基板１２０に取り付けられる。ＭＥＭＳポンプを通過する流体に選択的に熱を加えることにより、本明細書に記載されるようなポンピング動作をもたらすことができる。抵抗７６０は電圧パルスを印加され、ポンピングのために使用され得るように流体を移動させることができるバブルを生成することができる。そのようなバブル生成によるポンピングは局所的に加熱することを含み、一般に、流体の温度は所定のレベルに維持される。これらのバブルを生成することは、流体ＭＥＭＳデバイスを通過する流体の温度全体に大きな影響を及ぼすことなく、局所的に熱を加えることを含む。抵抗７６０の個々の構成は設計上の選択事項である。
【００５７】
超小型逆止め弁７５０の機能性を与えるために、図８ａに示される基板１２０は、それぞれ個々の超小型逆止め弁７５０が連係するエッチングされた凹部７５２を含む。ポンピング動作を生み出す際の超小型逆止め弁７５０の動作は、図９ａ、図９ｂ、図９ｃ、及び図９ｄに関連して説明されるとおりである。エッチングされた凹部７５２によって、超小型逆止め弁７５０は横方向に動くことができるようになるが、横方向への過度の動きは制限される。超小型逆止め弁７５０は、所望の耐久性を与えるのに十分に厚いが、図９ａ、図９ｂ、図９ｃ、及び図９ｄに示されるように流体ポンプ５６を動作させるための所望の可撓性を与えるのに十分に薄くなるように構成される。各超小型逆止め弁７５０は、エッチングされた凹部に対して自由に動くことができるように構成される（超小型逆止め弁はエッチングされた凹部の底面に取り付けられない）。そういうものだから、超小型逆止め弁７５０を形成するポリマーは、エッチングされた凹部７５２に至るまで、全ての深さにわたって下方にポリマー層を架橋するのに十分なレベルまで露光されない。これは、ポリマー層の露光される部分がエッチングされた凹部７５２の底面まで達しないように、エッチングされた凹部が十分に深くなるように形成することにより達成され得る。代案として、超小型逆止め弁内の露光の線量を変更して、各超小型逆止め弁の厳密な高さを正確に制御することができる。確実に超小型逆止め弁７５０が、エッチングされた凹部に接触しないようにして、連続した単一の構造体を形成するためのこれら２つの技術は、組み合わせて、又は別々に実行され得る。
【００５８】
図９ａ、図９ｂ、図９ｃ、及び図９ｄは、図８ａ、図８ｂ、図８ｃ、図８ｄ、及び図８ｅに示されるように製造された流体ＭＥＭＳデバイス２００の流体ポンプ５６の実施形態の動作の一実施形態を示す。複数の超小型逆止め弁７５０が存在し、入力超小型逆止め弁及び出力超小型逆止め弁のそれぞれは、符号７５０ａ及び７５０ｂによって参照される。一般に、流体ポンプ５６の実施形態における超小型逆止め弁７５０ａ及び７５０ｂの対は、３つの位置、即ちａ）図９ａに示されるような消勢された状態、ｂ）図９ｂに示されるように離れるように動いた状態、及びｃ）図９ｃに示されるように一緒になるように動いた状態のうちの１つをとる。
【００５９】
複数のスルーホール１２６が存在し、入力スルーホール及び出力スルーホールのそれぞれは、符号１２６ａ及び１２６ｂによって参照される。流体ポンプ５６は、入力スルーホール１２６ａ及び出力スルーホール１２６ｂが流体連絡する流体チャネル部分１２４を用いて構成される。一般的な流体ポンプと同様に、流体ポンプ５６の一般的な目的は、流体チャネル部分１２４を介して、入力スルーホール１２６ａから出力スルーホール１２６ｂまで流体を輸送することである。図９ａは初期（消勢された）状態にある流体ポンプを示しており、その状態では、入力超小型逆止め弁７５０ａ及び出力超小型逆止め弁７５０ｂはいずれも消勢された状態にある。２つの超小型逆止め弁７５０は一方向にだけ、例えば図９ａに示されるような方向では右側にだけ開くことができる。
【００６０】
図９ｂでは、バブル９３２が、入力超小型逆止め弁７５０ａと出力超小型逆止め弁７５０ｂとの間の流体チャネル部分１２４内に生成される。そのバブルは、一実施形態では、抵抗７６０に電流又は電圧を加えることにより熱的に生成され得る。バブル９３２を生成することは、超小型逆止め弁７５０ａと７５０ｂとの間の流体チャネル部分１２４内の流体の流体圧力を高める効果を有し、それ故に、超小型逆止め弁７５０ｂが、図９ｂに示されるように右側に開かれる。本明細書において述べられたように、抵抗の代わりに圧電デバイスを用いて、流体ポンプ５６内のポンピング動作を行うことができる。このように超小型逆止め弁７５０ｂを右側に開くことは、出力スルーホール１２６ｂから矢印９３４によって示されるような方向に流体（流体チャネル部分１２４内にある）を押し出す効果を有する。
【００６１】
図９ｃでは、図９ｂに示されたバブル９３２が崩壊する。バブル９３２を崩壊させることは、超小型逆止め弁７５０ａと７５０ｂとの間にある流体チャネル部分１２４内の流体の流体圧力を下げる効果を有し、それ故に、超小型逆止め弁７５０ａが、図９ｃに示されるように右側に開く。入力超小型逆止め弁７５０ａを、図９ｃに示されるように右側に動かすことは、入力スルーホール１２６ａを介して矢印９３６によって示されるような方向に、流体を流体チャネル部分１２４の中へ引き込む効果を有する。
【００６２】
図９ｄは、両方の超小型逆止め弁７５０ａ及び７５０ｂが、それらの消勢された状態、即ち図９ａに示されるような状態と同様の状態に戻ることを示す。流体ポンプ５６が図９ｄに示されるような、その消勢された状態にある場合、流体ポンプは、図９ａ、図９ｂ、図９ｃ、及び図９ｄに示されたような別のポンピングサイクルを開始するように配置される。
【００６３】
ここで、図８ｃに関連して説明されたように露光される深く架橋されたポリマー領域６２０、及び図８ｄに関連して説明されたように露光される浅く架橋されたポリマー領域６２２を用いて製造され得る種々のＭＥＭＳデバイスが説明される。図１０は、スルーホール１２６を含まない流体チャネル部分１２４として構成される流体ＭＥＭＳデバイス２００の一実施形態を示す。スルーホールを有さない流体チャネル部分１２４の特定の実施形態を用いて、流体ＭＥＭＳデバイス２００の対、又は組の間で流体を輸送することができる。スルーホールを有さない流体チャネル部分１２４の他の実施形態を用いて、図３に示されるような、フィルタ４６、超小型逆止め弁４８、反応器５０、分離器５２、導波路５４、及びポンプ５６のような、或る特定のタイプの流体ＭＥＭＳデバイスを収容することができる。露光されていないポリマー層材料が現像して除去され、流体チャネルが形成される。直接描画を用いる場合、露光されないままにされる多数の穴が存在し、露光後に、流体チャネル内の露光されない材料がそれらの穴を通って排出できるようにし、それにより流体チャネルが作成される。直接描画工程の後に、これらの穴は、封止用の接着剤又はエポキシ（それは、液滴の配置及び液滴サイズにおいて必要な精度を与える自動装置を用いて正確に付着され得る）を付着することによって塞がれることが好ましい。
【００６４】
図１１及び図１２はそれぞれ、その一実施形態が図７に関連して説明される直接描画工程７００を用いて製造され得る流体ＭＥＭＳデバイス２００の実施形態の側断面図及び水平断面図を示す。流体ＭＥＭＳデバイス２００の図１１及び図１２の実施形態は、図３に示されるような反応器５０である。反応器５０は、反応器を使用するポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）工程又は他の類似した工程のように、複数の加熱素子を種々の温度にわたって選択的に加熱することにより、通過する流体を異なるレベルに加熱するための役割を果たす。熱を与えるために、流体チャネル部分１２４に非常に接近して、複数の加熱素子１１０２が基板１２０に取り付けられる。各加熱素子１１０２は、異なる面積を有するか、流体導管から異なる距離に取り付けられるか、又は制御可能な電流を加えられ、流体チャネルを通過する流体の温度を異なるレベルに変更することができる。加熱素子は、図７に示されるような直接描画工程７００の実施形態の７０１の一部として（即ち、図６ｂに示されるように、基板上にポリマー層６０８が堆積される前に）、基板に取り付けられ得る。加熱素子の個々の構成は設計上の選択事項である。
【００６５】
図１３及び図１４はそれぞれ、流体ＭＥＭＳデバイス２００の別の実施形態の側断面図及び水平断面図を示す。図１３及び図１４に示される流体ＭＥＭＳデバイスの実施形態は、図３に示されるようなフィルタ４６である。フィルタ４６は、図７に示されるような直接描画工程７００を用いて製造され得る。フィルタ４６は、互いから所定の距離だけ間隔をおいて配置され、フィルタ４６を通過する流体内に含まれる、所定の寸法よりも大きな物体に対する所望のフィルタリング機能を提供する複数のフィルタ要素１３０２を含む。フィルタ要素１３０２は、そのフィルタ要素内のポリマーを流体チャネルの高さ全体にわたって架橋するのに十分な持続時間の間に各流体素子を露光することにより、基板に固定される。
【００６６】
フィルタ要素１３０２は、図６ｃ及び図８ｃに関連して説明されたような、深く架橋されたポリマー領域６２０の一実施形態として製造され得る。図８ｃを参照すると、超小型逆止め弁７５０（深く架橋されたポリマー領域６２０の別の実施形態）の最も下側の部分は基板には固定されないのに対して、フィルタ要素１３０２は基板に対して、その最も低い場所において固定される。深く架橋されたポリマー領域６２０が基板１２０に対してその最も低い場所において固定されるか否かは設計上の選択事項であり、種々の材料、構成、及び個々の深く架橋されたポリマー領域６２０と基板との間で適用される固定手段に基づいて決定され得る。
【００６７】
図１５に示される流体ＭＥＭＳデバイス２００の別の実施形態は、分離器５２（図３に関連して説明される）として構成される。分離器５２は、図１０に関連して説明された流体チャネル部分１２４と同様に形成される流体チャネル１５０２を含む。図１５に示されるチャネル部分１５０２の流体の実施形態は、流体チャネルの長さよりも長いチャネル長を与えるために蛇行形状として構成される。流体チャネルの長さを長くすることにより、流体チャネルを通過する流体を分離することができる長さが長くなり、それにより分離が改善される。しかしながら、任意の構成のチャネルが本開示の意図された範囲内にある。電圧源１５０６が、電気導体１５０４を介して、チャネル部分１５０２の種々の部分に接続される。チャネル部分の種々の部分に加えられる電荷は、チャネル部分を通過する電気的な流体内に電界を生成するための役割を果たす（それは、電気泳動に基づいて、チャネル部分を通過する流体内の物質を分離することができる）。一実施形態では、電圧源からの電圧は入口と出口との間に印加され、帯電された粒子が入口から出口まで移動できるような電位を与える。一実施形態では、チャネル部分１５０２及び電気導体１５０４（及び電圧源１５０６も可能性がある）は、図７に示された直接描画工程７００の７０１中の基板に関連してポリマー層内に集積化される。図１５に示されるような分離器５２は電気泳動によって機能し、その場合、電気導体経路１５０２に印加される電圧が、電荷に基づいて分離器の中を通って流れている粒子を分離するように作用する。
【００６８】
図１６に示される流体ＭＥＭＳデバイス２００の別の実施形態は、図３のブロック図に示されるような光導波路５４として構成される。光導波路５４は、光を光源１６１２から検出器領域１６１４に入力する入力光導管１６１０を備える。光は、光源１６１２から、流体検出領域１６１４を横切って、合焦レンズ１６２０に向けて送られる。光導波路によって示されるように、流体ＭＥＭＳデバイス２００の特定の実施形態は、光学部分と共に構成され得る。合焦レンズ１６２０において受光される光は、出力光導管１６２２に送られる。光導波路５４の一実施形態では、双方の導管１６１０及び１６２２は、光ファイバとすることができる。化学的及び／又は生物学的分析を受けることになる流体が、入力流体チャネル１２４ａに入力され、流体検出領域１６１４を横断して、出力流体チャネル１２４ｂへと出る。光源１６１２及び合焦レンズ１６２０はそれぞれ、個々の光導管１６１０及び１６２２を、個々に固定されて光学的に結合された部分に維持するために、それぞれガイド又はスロット１６１５及び１６２１を設けられる。従って、光導波路５４を用いて、流体検出領域１６１４を通過することができる任意の流体の光学的特性を検出する外部光検出器に信号を送信することができる。
【００６９】
流体ＭＥＭＳデバイス２００の光導波路５４の実施形態の一態様は、それが光学デバイスに適用されることである。そういうものだから、流体ＭＥＭＳデバイス２００内に光学部分を設けて、望ましい任意の光学機能を実行することができる。その光導波路５４は、図７に示された直接描画工程７００において図６ｃに関連して説明されたような深く架橋されたポリマー領域６２０を用いて構成され得るものと考えられる。
【００７０】
光は光源１６１２から流体検出領域１６１４の垂直方向の高さ全体にわたって導入されることができ、その場合には、合焦レンズ１６２０も流体検出領域１６１４の垂直方向の高さ全体にわたって延在すべきである（合焦レンズ１６２０も深く架橋されたポリマー領域６２０のデバイスとして構成される）。合焦レンズ１６２０は、浅く架橋されたポリマー領域６２２のデバイスとしても製造され得る。
【００７１】
図７に示されるような直接描画工程７００を用いて、光結合器を製造することもできる。本開示の概念の中に留まりながら、導波路に適用され得る多種多様な構成の合焦レンズが存在する。
【００７２】
スルーホール１２６の特定の構造的態様が、図４及び図５に関連して説明された。スルーホール１２６の別の実施形態が図１７及び図１８に関連して説明され、図１７及び図１８はそれぞれ、水平断面図及び側断面図を示す。スルーホール１２６は、深く架橋されたポリマー領域６２０及び浅く架橋されたポリマー領域６２２の組み合わせを用いて基板１２０上に製造され得る。コネクタ部分２００２が、図１７及び図１８の実施形態においてスルーホール１２６に接続されるものとして示される。コネクタ部分２００２は、流体がスルーホール１２６を介して流体チャネル１２４に対して行き来することができる管状リセス２００３を含む。一実施形態では、深く架橋されたポリマー領域６２０がスルーホール１２６を支持し、スルーホール１２６と流体連絡している任意の流体チャネル１２４の横方向境界を画定する。浅く架橋されたポリマー領域６２２は、スルーホール１２６の開口部を直に包囲するポリマー構造体を提供する。
【００７３】
一実施形態では、コネクタ部分２００２は、接着剤２０１０を用いて、スルーホール１２６の周りにあるマウントに堅固に取り付けられる。それにより、本開示は、頂冠構造（スルーホール１２６に隣接し、且つ部分的にスルーホール１２６を画定する多くの水平方向に延在する架橋されたポリマー領域）がアンカー１９０２としての役割を果たし、接着剤、セメント又はエポキシが付着するためのより硬質なマウントを提供する仕組みを提供する。接着するためのより安定したマウントを提供するために内蔵アンカー１９０２を有するスルーホールによって、接着剤が、スルーホールのより良好なシールを形成できるようになり、コネクタ部分２００２が、スルーホールに対してさらに確実に固定される。接着剤２０１０は、流体が管状リセス２００３を経由して、スルーホールを通って流体チャネル１２４に対して行き来することができる場所に、コネクタ部分２００２を封止された状態で維持することを可能にする。その接着剤は、引っ張られても離れることのないアンカー１９０２を形成するように封止するのに役立つエポキシとすることができる。別の実施形態では、或る機械的な固定手段又は他のメカニズムを用いて、スルーホール１２６内の基板に対して流体結合取付具２００２を固定することができる。
【００７４】
図１７及び図１８に示されるようなスルーホール１２６の実施形態は、コネクタ部分２００２がスルーホール１２６から取り出されるときに封止され得る。図２０に示されるように、エポキシのような接着剤２０１０がスルーホール１２６に付着され、図１８に示されるようなコネクタ部分２００２が存在しない場合でも、シールを形成する。その接着剤又はエポキシは、スルーホールを通過する流体に対抗して封止する。
【００７５】
上記の実施形態は、種々の流体ＭＥＭＳデバイス２００を作成するために使用され得る直接描画の実施形態を説明するが、他の工程を用いて、流体ＭＥＭＳデバイス２００を作成することができることも考えられ、それも本開示の範囲内にある。流体ＭＥＭＳデバイス２００を作成するための、これらの工程のうちの１つは「ロストワックス」工程と呼ばれており、これらの工程のうちのもう１つは「ドライフィルム」工程と呼ばれる。これら２つの工程がここで説明される。
【００７６】
図２１ａ、図２１ｂ、図２１ｃ、図２１ｄ、及び図２１ｅは、図２２に示されるようなロストワックス工程２３００を説明する流れ図に関連して説明されるロストワックス工程の一実施形態を示す。図２１ａでは、図２２の２３０２に記載されるように、基板１２０が準備され、その上に流体ＭＥＭＳデバイス２００が構成されることになる。図２１ｂでは、図２２の２３０４に記載されるように、基板１２０上に犠牲材料２２０４（例えば、フォトレジストなど）が堆積される。犠牲材料のパターンは、流体チャネルのパターンに概ね対応する。他のさらに複雑な形状（例えば、流体フィルタのためのフィルタ要素及び流体ポンプのための超小型逆止め弁）は、犠牲材料内に逆のパターン及び／又は形状を作成することにより形成され得る。
【００７７】
図２１ｃでは、図２２の２３０６に記載されるように、ポリマー２２０６が、犠牲材料２２０４にわたって、基板１２０上に回転塗布される。そのポリマーは、基板と組んで流体ＭＥＭＳチャネルを封入するポリマー層を形成する。従って、ポリマー２２０６は単一の部材であり、一度の堆積工程を用いて形成される。
【００７８】
図２１ｄでは、図２２の２３０８に記載されるように、既知のポリマーパターニング技術を用いて、ポリマー２２０６がパターニングされる（複数の部分が除去される）。そのパターンを用いて、上述のように、流体ＭＥＭＳデバイス２００内に、流体が流れることができるスルーホール１２６を形成することができる。代案として、そのパターンを用いて、犠牲材料が除去される放出穴を形成することができる。
【００７９】
図２１ｅでは、図２２の２３１０に関して説明されるように、いわゆる「ロストワックス」技術を用いて、犠牲材料（例えば、フォトレジストなど）が現像されて、除去される。一態様では、犠牲材料は現像液を用いて現像され、その後、犠牲材料は、ドライエッチング又はウエットエッチングによって、スルーホールを介して除去される。犠牲材料によって残された空隙を用いて、流体チャネルが画定される。図２１ｅに示されるように、ロストワックス技術を用いて結果として形成された流体ＭＥＭＳデバイス２００は、上述のような直接描画技術を用いて製造される流体ＭＥＭＳデバイス２００に類似している。複数の（さらに多くの数の）関連する及び／又は関連しない流体ＭＥＭＳデバイス２００を、図２１ａ、図２１ｂ、図２１ｃ、図２１ｄ、及び図２１ｅに関連して説明されたロストワックス工程を用いて同時に製造することができる。
【００８０】
図２３ａ、図２３ｂ、図２３ｃ、及び図２３ｄは、図２４に示されるようなドライフィルム工程２５００を記載する流れ図とともに説明されるドライフィルム工程の一実施形態を示す。図２３ａでは、図２４のドライフィルム工程２５００の２５０２に記載されるように、基板１２０が準備され、その上に流体ＭＥＭＳデバイス２００が構成されることになる。図２３ｂでは、図２４の２５０４に記載されるように、既知のポリマー堆積及びパターニング技術を用いて、基板上に構造的なポリマー層及びパターニング２４０４が堆積される。構造的なポリマー層及びパターニング２４０４の輪郭は、ドライフィルム工程を用いて後に形成される流体ＭＥＭＳデバイス２００の流体チャネルを部分的に包囲し、且つ部分的に封入するように構成される。
【００８１】
図２３ｃは、図２４の２５０６に関して記載されるように、構造的なポリマー層及びパターニング２４０４の上に堆積され、且つそれと封止するドライフィルムラミネーション層２４０６が付着されることを示す。従って、流体ＭＥＭＳデバイス２００の流体チャネルは、基板１２０、構造的なポリマー層及びパターニング２４０４、並びにドライフィルムラミネーション層２４０６内に作成される。異なるタイプの流体ＭＥＭＳデバイス２００を形成するためのさらに複雑な形状及びパターンは、これら３つの部材１２０、２４０４又は２４０６のうちの１つをパターニングすることにより、又は代案として、これら３つの部材１２０、２４０４、又は２４０６のうちの１つ又は複数に追加の構成要素を固定することによって設けられ得る。
【００８２】
図２３ｄは、図２４の２５０８に関連して記載されるように、ドライフィルムラミネーション層２４０６をパターニングして、所望の流体ＭＥＭＳデバイス（単数又は複数）２００を作成することを示す。流体ＭＥＭＳデバイス２００のスルーホール１２６及び他の部分のパターニングは、このパターニング中に行われ得る。複数（さらに多くの数）の関連する及び／又は関連しない流体ＭＥＭＳデバイス２００を、図２３ａ、図２３ｂ、図２３ｃ、及び図２３ｄに関連して説明されたドライフィルム技術を用いて同時に製造され得る。
【００８３】
図２５は、直接描画工程７００を制御するコントローラ又はコンピュータ８００の一実施形態を示す。工程部分、即ち「製造部分」は８０２として示される。工程部分８０２は、図７の直接描画工程７００に示されるような、その間をウェーハ３０６が移動する種々の工程チャンバ８１１を含むことができる（多くの場合に、ロボット機構８１２を用いる）。直接描画工程７００の詳細は、堆積され、その後エッチングされる材料に応じて異なる。種々のポリマーの処理は多くの場合に、供給業者によって、及び構成によって異なる。工程部分８０２の中で、化学蒸着法、物理蒸着法、及び電気化学堆積のような工程を適用することができる。
【００８４】
コントローラ又はコンピュータ８００は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）８５２、メモリ８５８、サポート回路８５６、及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路８５４を含む。ＣＰＵ８５２は汎用コンピュータであり、メモリ８５８に含まれるソフトウエア８５９を実行することによってプログラミングされるとき、工程部分８０２のハードウエア構成要素を制御するための特定用途のコンピュータになる。メモリ８５８は、リードオンリーメモリ、ランダムアクセスメモリ、取外し可能記憶装置、ハードディスクドライブ、又は任意の形態のデジタルメモリデバイスからなることができる。Ｉ／Ｏ回路は、情報を出力するためのよく知られているディスプレイ、及びキーボード、マウス、トラックボール、又は工程部分８０２（工程部分に含まれる、関連するロボット動作を含む）によって実行される工程を決定するためにコントローラ又はコンピュータ８００をプログラミングできるようにする情報の入力を含む。サポート回路８５６は当該技術分野においてよく知られており、キャッシュ、クロック、電源などの回路を含む。
【００８５】
メモリ８５８は制御ソフトウエアを含み、そのソフトウエアがＣＰＵ８５２によって実行される場合に、コントローラ又はコンピュータ８００が、図７に示されるような直接描画工程７００の種々の構成要素をデジタル的に制御することを可能にする。別の実施形態では、コンピュータ又はコントローラ８００はアナログとすることができる。例えば、特定用途向け集積回路が、工程部分８０２の中で行われるような処理を制御することができる。
【００８６】
本発明は、構造的な特徴及び方法のステップに特有の言葉で説明されるが、添付の特許請求の範囲において規定される本発明は上記の特定の特徴又はステップには必ずしも限定されないことは理解されたい。むしろ、開示された特定の特徴及びステップは、特許請求される本発明を実施する好ましい形態を表している。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】複数のウェーハが、互いの方へ動かされて、互いに結合される位置において間隔をおいて配置されている、従来技術のウェーハボンディング工程を示す図である。
【図２】複数のウェーハが互いに結合される、図１の従来技術のボンディング工程を示す図である。
【図３】ポリマー層技術の一実施形態を用いて製造される化学分析システムの一実施形態を示す図である。
【図４】ポリマー層技術を用いて製造される流体微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の一実施形態の平面図である。
【図５】図４の断面線５−５に沿って見たような側断面図である。
【図６ａ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には流体チャネル）の一実施形態の側断面図である。
【図６ｂ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には流体チャネル）の一実施形態の側断面図である。
【図６ｃ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には流体チャネル）の一実施形態の側断面図である。
【図６ｄ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には流体チャネル）の一実施形態の側断面図である。
【図６ｅ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には流体チャネル）の一実施形態の側断面図である。
【図７】図２５に示されるようなコントローラ／コンピュータを用いて流体ＭＥＭＳ（例えば、図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄ及び図６ｅに示された実施形態など）を製造するために用いられる直接描画の架橋工程を示す図である。
【図８ａ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合にはポンプ）の一実施形態の側断面図である。
【図８ｂ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合にはポンプ）の一実施形態の側断面図である。
【図８ｃ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合にはポンプ）の一実施形態の側断面図である。
【図８ｄ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合にはポンプ）の一実施形態の側断面図である。
【図８ｅ】製造中の流体ＭＥＭＳデバイス（この場合にはポンプ）の一実施形態の側断面図である。
【図９ａ】図８ｅに示された流体ＭＥＭＳポンプの動作の一実施形態を示す図である。
【図９ｂ】図８ｅに示された流体ＭＥＭＳポンプの動作の一実施形態を示す図である。
【図９ｃ】図８ｅに示された流体ＭＥＭＳポンプの動作の一実施形態を示す図である。
【図９ｄ】図８ｅに示された流体ＭＥＭＳポンプの動作の一実施形態を示す図である。
【図１０】流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には流体チャネル）の一実施形態の側断面図である。
【図１１】流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には反応器）の一実施形態の側断面図である。
【図１２】断面線１２−１２に沿って見たような、図１１に示された流体ＭＥＭＳデバイスの水平断面図である。
【図１３】流体ＭＥＭＳデバイス（この場合にはフィルタ）の一実施形態の側断面図である。
【図１４】断面線１４−１４に沿って見たような、図１３に示された流体ＭＥＭＳデバイスの水平断面図である。
【図１５】流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には分離器）の一実施形態の側断面図である。
【図１６】流体ＭＥＭＳデバイス（この場合には光導波路）の一実施形態の側断面図である。
【図１７】スルーホールの一実施形態の平面図である。
【図１８】図１７の断面線１８−１８に沿って見たような、図１７に示されたスルーホールの一実施形態の側面図である。
【図１９】接続された導管構成要素を接着剤によって維持する、図１８のスルーホールを示す図である。
【図２０】導管部分が除去され、開口部を封鎖するために接着剤が供給された、図１８のスルーホールを示す図である。
【図２１ａ】いわゆる「ロストワックス」工程の一実施形態を示す図である。
【図２１ｂ】いわゆる「ロストワックス」工程の一実施形態を示す図である。
【図２１ｃ】いわゆる「ロストワックス」工程の一実施形態を示す図である。
【図２１ｄ】いわゆる「ロストワックス」工程の一実施形態を示す図である。
【図２１ｅ】いわゆる「ロストワックス」工程の一実施形態を示す図である。
【図２２】図２１ａ、図２１ｂ、図２１ｃ、図２１ｄ、及び図２１ｅに示されるロストワックス工程の実施形態の流れ図である。
【図２３ａ】ドライフィルム工程の一実施形態を示す図である。
【図２３ｂ】ドライフィルム工程の一実施形態を示す図である。
【図２３ｃ】ドライフィルム工程の一実施形態を示す図である。
【図２３ｄ】ドライフィルム工程の一実施形態を示す図である。
【図２４】図２３ａ、図２３ｂ、図２３ｃ、及び図２３ｄに示されたドライフィルム工程の実施形態の流れ図である。
【図２５】図７に示されたような直接描画工程を制御するように構成されたコンピュータ／コントローラの一実施形態のブロック図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマー層（42）及び基板部分（120）を含んで形成される流体微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）（200）を含む装置において、前記装置の前記ポリマー層（42）が、
前記基板（120）と組んで流体チャネル（124）を包囲する閉じ込め部分（130）であって、前記閉じ込め部分（130）が深く架橋されたポリマー領域（620）と浅く架橋されたポリマー領域（622）とを含む、閉じ込め部分（130）を含み、
前記閉じ込め部分（130）の前記深く架橋されたポリマー領域（620）及び前記浅く架橋されたポリマー領域（622）が単一の構造体として形成される、装置。
【請求項２】
前記基板（120）内に、前記基板（120）上に、又は前記基板（120）に隣接して配置される抵抗（760）をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記閉じ込め部分（130）の前記基板（120）と接触していない部分が、浅く架橋されたポリマー領域（622）を含み、前記閉じ込め部分（130）の前記基板（120）と接触している部分が深く架橋されたポリマー領域（620）を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記閉じ込め部分（130）の前記浅く架橋されたポリマー領域（622）を含む部分が、前記流体チャネル（124）の側面に位置する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記閉じ込め部分（130）の前記深く架橋されたポリマー領域（620）を含む部分が、前記流体チャネル（124）によって前記基板から分離される、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記深く架橋されたポリマー領域（620）及び前記浅く架橋されたポリマー領域（622）が、ロストワックス技術を用いて製造される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記深く架橋されたポリマー領域（620）及び前記浅く架橋されたポリマー領域（622）が、ドライフィルム技術を用いて製造される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
基板（120）上にポリマー層（42）を堆積し、
前記ポリマー層（42）の一部を硬化して、浅く架橋されたポリマー領域（622）及び深く架橋されたポリマー領域（620）から閉じ込め部分（130）を作成することを含み、
前記閉じ込め部分（130）の前記浅く架橋されたポリマー領域（622）及び前記深く架橋されたポリマー領域（620）が、単一の構造体として形成される、基板（120）上に流体微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）（200）を形成する方法。
【請求項９】
前記基板（120）内に、又は前記基板（120）に隣接して抵抗（760）を配置することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
より平坦になるように、前記堆積されたポリマー層（42）をスピニングすることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記閉じ込め部分（130）の或る特定の部分が、強い露光架橋工程（706）を用いて製造され、一方、前記閉じ込め部分（130）の他の部分が、弱い露光架橋工程（708）を用いて製造される、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
基板（120）上にポリマー層（42）を堆積し、及び
前記ポリマー層（42）の一部を硬化して、前記ポリマー層（42）から第１の逆止め弁（750）、第２の逆止め弁（750）、及び閉じ込め部分（130）を作成することを含み、前記第１の逆止め弁（750）、前記第２の逆止め弁（750）、及び前記閉じ込め部分（130）が、単一の構造体として形成される、基板（120）上にポンプ（56）を形成する方法。
【請求項１３】
前記基板（120）内に、前記第１の逆止め弁（750）及び前記第２の逆止め弁（750）にそれぞれ対応する凹部（752）を形成することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
バブル（932）を形成して圧力差を生み出すために、前記基板内に抵抗（760）を形成することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の逆止め弁（750）及び前記第２の逆止め弁（750）が強い露光架橋工程（706）を用いて作成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
基板（120）内に、又は前記基板（120）に隣接して少なくとも１つの加熱素子（1102）を形成し、
前記基板（120）上にポリマー層（42）を堆積し、及び
前記ポリマー層（42）の一部を硬化して前記ポリマー層（42）から閉じ込め部分（130）を作成することを含み、前記閉じ込め部分（130）が単一の構造体として形成される、基板（120）上に反応器（50）を形成する方法。
【請求項１７】
前記閉じ込め部分（130）の或る特定の部分が、強い露光工程（706）を用いて製造され、一方、前記閉じ込め部分（130）の他の部分が弱い露光架橋工程（708）を用いて製造される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ポリマー層（42）及び基板部分（120）を含んで形成される導波装置（54）において、前記導波装置（54）の前記ポリマー層（42）が、
深く架橋されたポリマー領域（620）によって画定される入力光導管（124a）と、
前記深く架橋されたポリマー領域（620）を含む合焦レンズ（1620）と、
前記基板（120）と組んで流体チャネル（124）を包囲する閉じ込め部分（130）とを含み、
前記入力光導管（124a）、前記合焦レンズ（1620）、及び前記閉じ込め部分（130）が、前記ポリマー層（42）内に単一の構造体として形成される、導波装置（54）。
【請求項１９】
深く架橋されたポリマー領域（620）と、
前記深く架橋されたポリマー領域（620）によって支持される浅く架橋されたポリマー領域（622）であって、前記浅く架橋されたポリマー領域（622）が内部に形成されたスルーホール（126）を有し、前記深く架橋されたポリマー領域（620）及び前記浅く架橋されたポリマー領域（622）が結合される、浅く架橋されたポリマー領域と、
コネクタ部分（2002）であって、前記コネクタ部分（2002）の前記スルーホール（126）への付着を強化するように前記スルーホール（126）に固定される、コネクタ部分（2002）とを含む、アンカー装置（1902）。
【請求項２０】
前記コネクタ部分（2002）を前記スルーホール（126）に固定するための接着剤（2010）をさらに含む、請求項１９に記載のアンカー装置（1902）。
【請求項１】
ポリマー層（42）及び基板部分（120）を含んで形成される流体微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）（200）を含む装置において、前記装置の前記ポリマー層（42）が、
前記基板（120）と組んで流体チャネル（124）を包囲する閉じ込め部分（130）であって、前記閉じ込め部分（130）が深く架橋されたポリマー領域（620）と浅く架橋されたポリマー領域（622）とを含む、閉じ込め部分（130）を含み、
前記閉じ込め部分（130）の前記深く架橋されたポリマー領域（620）及び前記浅く架橋されたポリマー領域（622）が単一の構造体として形成される、装置。
【請求項２】
前記基板（120）内に、前記基板（120）上に、又は前記基板（120）に隣接して配置される抵抗（760）をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記閉じ込め部分（130）の前記基板（120）と接触していない部分が、浅く架橋されたポリマー領域（622）を含み、前記閉じ込め部分（130）の前記基板（120）と接触している部分が深く架橋されたポリマー領域（620）を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記閉じ込め部分（130）の前記浅く架橋されたポリマー領域（622）を含む部分が、前記流体チャネル（124）の側面に位置する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記閉じ込め部分（130）の前記深く架橋されたポリマー領域（620）を含む部分が、前記流体チャネル（124）によって前記基板から分離される、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記深く架橋されたポリマー領域（620）及び前記浅く架橋されたポリマー領域（622）が、ロストワックス技術を用いて製造される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記深く架橋されたポリマー領域（620）及び前記浅く架橋されたポリマー領域（622）が、ドライフィルム技術を用いて製造される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
基板（120）上にポリマー層（42）を堆積し、
前記ポリマー層（42）の一部を硬化して、浅く架橋されたポリマー領域（622）及び深く架橋されたポリマー領域（620）から閉じ込め部分（130）を作成することを含み、
前記閉じ込め部分（130）の前記浅く架橋されたポリマー領域（622）及び前記深く架橋されたポリマー領域（620）が、単一の構造体として形成される、基板（120）上に流体微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）（200）を形成する方法。
【請求項９】
前記基板（120）内に、又は前記基板（120）に隣接して抵抗（760）を配置することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
より平坦になるように、前記堆積されたポリマー層（42）をスピニングすることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記閉じ込め部分（130）の或る特定の部分が、強い露光架橋工程（706）を用いて製造され、一方、前記閉じ込め部分（130）の他の部分が、弱い露光架橋工程（708）を用いて製造される、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
基板（120）上にポリマー層（42）を堆積し、及び
前記ポリマー層（42）の一部を硬化して、前記ポリマー層（42）から第１の逆止め弁（750）、第２の逆止め弁（750）、及び閉じ込め部分（130）を作成することを含み、前記第１の逆止め弁（750）、前記第２の逆止め弁（750）、及び前記閉じ込め部分（130）が、単一の構造体として形成される、基板（120）上にポンプ（56）を形成する方法。
【請求項１３】
前記基板（120）内に、前記第１の逆止め弁（750）及び前記第２の逆止め弁（750）にそれぞれ対応する凹部（752）を形成することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
バブル（932）を形成して圧力差を生み出すために、前記基板内に抵抗（760）を形成することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の逆止め弁（750）及び前記第２の逆止め弁（750）が強い露光架橋工程（706）を用いて作成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
基板（120）内に、又は前記基板（120）に隣接して少なくとも１つの加熱素子（1102）を形成し、
前記基板（120）上にポリマー層（42）を堆積し、及び
前記ポリマー層（42）の一部を硬化して前記ポリマー層（42）から閉じ込め部分（130）を作成することを含み、前記閉じ込め部分（130）が単一の構造体として形成される、基板（120）上に反応器（50）を形成する方法。
【請求項１７】
前記閉じ込め部分（130）の或る特定の部分が、強い露光工程（706）を用いて製造され、一方、前記閉じ込め部分（130）の他の部分が弱い露光架橋工程（708）を用いて製造される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ポリマー層（42）及び基板部分（120）を含んで形成される導波装置（54）において、前記導波装置（54）の前記ポリマー層（42）が、
深く架橋されたポリマー領域（620）によって画定される入力光導管（124a）と、
前記深く架橋されたポリマー領域（620）を含む合焦レンズ（1620）と、
前記基板（120）と組んで流体チャネル（124）を包囲する閉じ込め部分（130）とを含み、
前記入力光導管（124a）、前記合焦レンズ（1620）、及び前記閉じ込め部分（130）が、前記ポリマー層（42）内に単一の構造体として形成される、導波装置（54）。
【請求項１９】
深く架橋されたポリマー領域（620）と、
前記深く架橋されたポリマー領域（620）によって支持される浅く架橋されたポリマー領域（622）であって、前記浅く架橋されたポリマー領域（622）が内部に形成されたスルーホール（126）を有し、前記深く架橋されたポリマー領域（620）及び前記浅く架橋されたポリマー領域（622）が結合される、浅く架橋されたポリマー領域と、
コネクタ部分（2002）であって、前記コネクタ部分（2002）の前記スルーホール（126）への付着を強化するように前記スルーホール（126）に固定される、コネクタ部分（2002）とを含む、アンカー装置（1902）。
【請求項２０】
前記コネクタ部分（2002）を前記スルーホール（126）に固定するための接着剤（2010）をさらに含む、請求項１９に記載のアンカー装置（1902）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図６ｄ】
【図６ｅ】
【図７】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図８ｃ】
【図８ｄ】
【図８ｅ】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図９ｃ】
【図９ｄ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１ａ】
【図２１ｂ】
【図２１ｃ】
【図２１ｄ】
【図２１ｅ】
【図２２】
【図２３ａ】
【図２３ｂ】
【図２３ｃ】
【図２３ｄ】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図６ｄ】
【図６ｅ】
【図７】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図８ｃ】
【図８ｄ】
【図８ｅ】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図９ｃ】
【図９ｄ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１ａ】
【図２１ｂ】
【図２１ｃ】
【図２１ｄ】
【図２１ｅ】
【図２２】
【図２３ａ】
【図２３ｂ】
【図２３ｃ】
【図２３ｄ】
【図２４】
【図２５】
【公表番号】特表２００７−５２６１０８（Ｐ２００７−５２６１０８Ａ）
【公表日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１７２３０（Ｐ２００６−５１７２３０）
【出願日】平成１６年６月１０日（２００４．６．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１８６２８
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００５０４６
【国際公開日】平成１７年１月２０日（２００５．１．２０）
【出願人】（５０３００３８５４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (1,145)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１０日（２００４．６．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１８６２８
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００５０４６
【国際公開日】平成１７年１月２０日（２００５．１．２０）
【出願人】（５０３００３８５４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (1,145)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]