JP2000266223A

JP2000266223A - 半導体マイクロバルブ

Info

Publication number: JP2000266223A
Application number: JP6920099A
Authority: JP
Inventors: Masaari Kamakura; 將有鎌倉; Shigeaki Tomonari; 恵昭友成; Hitoshi Yoshida; 仁吉田; Hiroshi Kawada; 裕志河田; Keiko Fujii; 圭子藤井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 1999-03-15
Publication date: 2000-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】可撓部の変位量が大きく且つ良好なシール特性
が得られる半導体マイクロバルブを提供する。【解決手段】第１のシリコン基板１０に貫設された弁口
１０ａを開閉する弁体２３を有する第２のシリコン基板
２０を備える。第２のシリコン基板２０は、第１のシリ
コン基板１０の周部１１に接合された支持部２１に支持
された可撓性を有するダイアフラム状の可撓部２２と、
可撓部２２の撓みに応じて弁座１３に離接する上記弁体
２３とを備える。可撓部２２上には、金属薄膜よりなる
バイメタル素膜２４が積層されている。このバイメタル
素膜２４は、可撓部２２とともにバイメタルを構成す
る。バイメタルが、熱膨張を利用して可撓部２２を変形
させる駆動部を構成している。可撓部２２は、弁体２３
およびバイメタル素膜２４それぞれに対応する部位を除
いた部位に複数の小孔２５が網目状に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体などの流体の
流量制御に用いられる半導体マイクロバルブに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、気体などの流体の流量制御に
用いられる半導体マイクロバルブとして、図２に示す構
成のものが提案されている（例えば、特表平４−５０６
３９２号公報、特開平７−４５３８号公報）。図２に示
した半導体マイクロバルブは、常開型のバルブであっ
て、厚み方向の一面（図２における上面）から他面（図
２における下面）にわたって貫通した貫通孔よりなる弁
口１０ａが形成されたシリコン基板１０と、中央部２２
ａが図２および図３（ａ）に示すように弁口１０ａを開
閉する弁体を兼ねた可撓部２２’とを備えている。ここ
に、可撓部２２’は、周部２２ｃがスペーサ３０を介し
てシリコン基板１０の上記一面側に結合されている。な
お、可撓部２２’の要所には、流体の通る流通孔（図示
せず）が形成されている。この流通孔は、弁体により弁
口１０ａが開かれた状態で弁口１０ａと連通する。

【０００３】また、可撓部２２’には、熱膨張を利用し
て可撓部２２’を変形（湾曲）させる駆動部（図示せ
ず）が設けられており、可撓部２２’の湾曲量を制御で
きるようになっている。駆動部は、例えばバイメタルの
熱膨張による湾曲を利用する場合、可撓部２２’ととも
にバイメタルを構成するバイメタル素膜（図示せず）が
可撓部２２’上に形成されている。

【０００４】なお、可撓部２２としては、平板状のダイ
アフラム構造のものや、図４に示すように中央部２２ａ
に一端が結合され周部２２ｃに他端が結合されたビーム
２２ｂを有するビーム構造のものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来構
成の半導体マイクロバルブでは、可撓部２２’が平板状
のダイアフラム構造の場合、可撓部２２’の周部２２ｃ
による引張り応力のために中央部２２ａの大きな変位が
得にくいという不具合があった。一方、可撓部２２’が
図４に示すようなビーム構造の場合、ダイアフラム構造
に比べて引っ張り応力が緩和されるので中央部２２ａの
より大きな変位を得ることができるが、ダイアフラム構
造に比べて可撓部２２’の剛性が弱くなるという不具合
があった。ここに、可撓部２２’の剛性が弱くなると、
図３（ａ）に示すように弁口１０ａを可撓部２２’の中
央部２２ａよりなる弁体によって閉じた状態において、
弁口１０ａから図３（ｂ）中に矢印で示す向きに流体の
圧力を受けた際に、弁体（可撓部２２’の中央部２２
ａ）の一部が図３（ｂ）に示すように浮き上がってしま
い、リークが発生する恐れがあった（つまり、バルブを
完全に締め切れない状態が発生してしまう恐れがあっ
た）。

【０００６】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、可撓部の変位量が大きく且つ良好な
シール特性が得られる半導体マイクロバルブを提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、厚み方向の一面から他面にわた
って弁口が形成された半導体基板と、半導体基板の上記
一面側に結合された支持部に支持されたダイアフラム状
の可撓部と、可撓部の中央部に設けられ半導体基板の上
記一面側において上記弁口を開閉する弁体と、可撓部に
設けられ熱膨張を利用して可撓部を変形させる駆動部と
を備え、可撓部は、弁口および駆動部それぞれに対応す
る部位を除いた部位に複数の小孔が形成されてなること
を特徴とするものであり、ダイアフラム状の可撓部にお
いて弁口および駆動部それぞれに対応する部位を除いた
部位に複数の小孔が形成されていることにより、従来の
平板状のダイアフラム構造に比べて可撓部の変位量を大
きくすることができ、かつ、従来のビーム構造のものに
比べて可撓部の剛性を高め良好なシール特性を得ること
ができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本実施形態の半導体マイクロバル
ブは、図１（ａ）に示すように、厚み方向の一面（図１
（ａ）における上面）から他面（図１（ａ）における下
面）にわたって貫通する貫通孔よりなる弁口１０ａが形
成された第１のシリコン基板１０の周部１１と、弁口１
０ａを開閉する弁体２３を有する第２のシリコン基板２
０の周部２１とが接合されている。

【０００９】第１のシリコン基板１０は、弁体２３が離
接する弁座１３を、上記一面側において弁口１０ａの周
縁から厚み方向に突設してある。

【００１０】一方、第２のシリコン基板２０は、枠状に
形成され第１のシリコン基板１０の周部１１に接合され
た該第２のシリコン基板２０の周部２１よりなる支持部
と、該支持部２１に支持された（周辺部が連結された）
可撓性を有するダイアフラム状の可撓部２２と、可撓部
２２の中央部において第１のシリコン基板１０に近づく
向きに突設され可撓部２２の撓みに応じて上記弁座１３
に離接する上記弁体２３とを備えている。ここにおい
て、弁体２３は、可撓部２２の他の部位よりも厚肉に形
成されている（弁体２３は、支持部２１と同じ厚さに形
成されている）。なお、可撓部２２の要所には、流体の
通る流通孔（図示せず）が形成されている。また、弁体
２３、可撓部２２、支持部２１、上記流通孔は第２のシ
リコン基板２０をエッチング加工することによって形成
されている。

【００１１】また、可撓部２２には、第１のシリコン基
板１０とは反対側で金属薄膜よりなるバイメタル素膜２
４が積層されている。このバイメタル素膜２４は、可撓
部２２とともにバイメタルを構成するものであって、バ
イメタル素膜２４としては、例えばアルミニウムやニッ
ケルを用いる。したがって、バイメタル素膜２４は可撓
部２２よりも熱膨張係数が高いから、バイメタルの温度
が上昇すれば、可撓部２２が図１（ａ）における上に凸
となる形で湾曲することになる。つまり、弁体２３が弁
座１３から離れるのであって、流路が開くのである。バ
イメタルの温度が下降すれば、弁体２３が弁座１３に近
づき接触するのは言うまでもない。要するに、本実施形
態では、バイメタルが、熱膨張を利用して可撓部２２を
変形させる駆動部を構成している。なお、第２のシリコ
ン基板２０上には、バイメタル素膜２４に通電するため
の配線（図示せず）が形成されている。

【００１２】ところで、本実施形態では、可撓部２２
は、弁口１０ａおよび駆動部それぞれに対応する部位、
つまり、図１（ｂ）に示すように弁体２３およびバイメ
タル素膜２４が形成された部位、を除いた部位（図１
（ｂ）中に一点鎖線で示す領域内）に複数の小孔２５が
網目状に形成されている。ここにおいて、小孔２５の大
きさや小孔が可撓部２２に占める面積を調整することに
よって、可撓部２２の剛性および可撓部２２の撓みやす
さ（つまり、変位量）を変化させることができる。な
お、本実施形態では、各小孔２５はそれぞれ可撓部２２
に貫設されているが、可撓部２２を貫通しない形状とし
ても、可撓部２２の剛性および可撓部２２の撓みやすさ
を変化させることができる。

【００１３】しかして、本実施形態では、ダイアフラム
状の可撓部２２において弁口１０ａおよび駆動部それぞ
れに対応する部位を除いた部位に複数の小孔２５が形成
されていることにより、従来の平板状のダイアフラム構
造に比べて可撓部２２が撓みやすくなって可撓部２２の
変位量を大きくすることができ、かつ、従来のビーム構
造のものに比べて可撓部２２の剛性を高め良好なシール
特性を得ることができる。要するに、可撓部２２の剛性
の低下を少なくしつつ可撓部２２の変位量を大きくする
ことができる。

【００１４】なお、本実施形態では、複数の小孔２５が
網目状に形成されているが、複数の小孔２５は、網目状
に限らず、弁体２３が弁座１３に接触した状態でシール
性が得られるように形成されていればよい。つまり、複
数の小孔２５は、可撓部２２の変形が可撓部２２面内で
周方向において略同じになるような対称性若しくは規則
性或いは両方を有するように形成されていればよい。

【００１５】

【発明の効果】請求項１の発明は、厚み方向の一面から
他面にわたって弁口が形成された半導体基板と、半導体
基板の上記一面側に結合された支持部に支持されたダイ
アフラム状の可撓部と、可撓部の中央部に設けられ半導
体基板の上記一面側において上記弁口を開閉する弁体
と、可撓部に設けられ熱膨張を利用して可撓部を変形さ
せる駆動部とを備え、可撓部は、弁口および駆動部それ
ぞれに対応する部位を除いた部位に複数の小孔が形成さ
れているので、ダイアフラム状の可撓部において弁口お
よび駆動部それぞれに対応する部位を除いた部位に複数
の小孔が形成されていることにより、従来の平板状のダ
イアフラム構造に比べて可撓部の変位量を大きくするこ
とができ、かつ、従来のビーム構造のものに比べて可撓
部の剛性を高め良好なシール特性を得ることができると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）
は概略平面図である。

【図２】従来例を示す概略断面図である。

【図３】同上の動作説明図である。

【図４】同上の可撓部の一例を示す概略平面図である。

【符号の説明】

１０第１のシリコン基板１０ａ弁口１１周部１３弁座２０第２のシリコン基板２１支持部２２可撓部２３弁体２４バイメタル素膜

フロントページの続き (72)発明者吉田仁大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者河田裕志大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者藤井圭子大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 3H057 AA05 BB04 CC02 DD12 EE10 FA22 FC02 FC08 HH02 HH05 3H062 AA04 AA15 BB28 BB33 CC04 HH02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】厚み方向の一面から他面にわたって弁口
が形成された半導体基板と、半導体基板の上記一面側に
結合された支持部に支持されたダイアフラム状の可撓部
と、可撓部の中央部に設けられ半導体基板の上記一面側
において上記弁口を開閉する弁体と、可撓部に設けられ
熱膨張を利用して可撓部を変形させる駆動部とを備え、
可撓部は、弁口および駆動部それぞれに対応する部位を
除いた部位に複数の小孔が形成されてなることを特徴と
する半導体マイクロバルブ。