JP2000266224A

JP2000266224A - 半導体マイクロバルブ

Info

Publication number: JP2000266224A
Application number: JP6920199A
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】低消費電力で大流量の流体制御が可能な半導体
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には弁口１０ａが
貫設されている。第２のシリコン基板２０は、第１の可
撓部２２と、第１の可撓部２２の撓みに応じて弁座１３
に接離する弁体２３とを備えている。第１のシリコン基
板１０には、第２の可撓部１２が形成されている。第１
の可撓部２２および第２の可撓部１２にはそれぞれ、互
いの対向面とは反対側で金属薄膜よりなるバイメタル素
膜２４，１４が積層されている。バイメタル素膜２４，
１４はそれぞれ、第１の可撓部２２，第２の可撓部１２
とともにバイメタルを構成する。

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、常閉型のバルブであっ
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１
１と、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の周部２１とが接合されている。

【０００３】第１のシリコン基板１０は、弁体２３が接
離する弁座１３が上記一面側において弁口１０ａの周縁
から厚み方向に突設されている。

【０００４】一方、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に接合された該第２のシリ
コン基板２０の周部２１よりなる支持部と、支持部２１
に支持された可撓性を有する可撓部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。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
２３により弁口１０ａが開かれた状態で弁口１０ａと連
通する。

【０００５】また、可撓部２２には、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。また、駆動部としては、静電引力や電磁力を利用す
るものもある。

【０００６】

【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、大流量の流体の制御を
行うためには、バルブを開いた開成状態における弁体２
３と弁座１３との距離を広げるために可撓部２２の変位
量を大きくさせる（つまり、弁体２３と弁座１３との距
離を大きくさせる）必要があるが、駆動部に大きな電力
を供給しなければならず、消費電力が増大してしまうと
いう不具合があった。

【０００７】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、低消費電力で大流量の流体制御が可
能な半導体マイクロバルブを提供することにある。

【０００８】

【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第１の可撓部
と、第１の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、半導体基板
の上記他面側において該半導体基板の周辺部と弁口との
間で上記第１の可撓部に対応する部位に形成された第２
の可撓部と、各可撓部それぞれに設けられ各可撓部が互
いに離れる向きに各可撓部を変形させる駆動部とを備え
てなることを特徴とするものであり、弁口を開く場合に
は第１の可撓部と第２の可撓部とが互いに離れる向きに
変形するので、弁体と弁口との間の距離を大きくするこ
とができ、従来に比べて低消費電力で大流量の流体制御
が可能となる。

【０００９】

【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、常閉型のバルブであって、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１０ａを開閉する弁体２３を有
する第２のシリコン基板２０の周部２１とが接合されて
いる。

【００１０】第１のシリコン基板１０は、上記一面側に
おいて弁口１０ａの周縁よりなり弁体２３が接離する弁
座１３を突設してある。

【００１１】一方、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２
１に支持された可撓性を有する可撓部２２（以下、第１
の可撓部２２と称す）と、第１の可撓部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
第１の可撓部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２
３は、第１の可撓部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、第１の可撓部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、第１の可撓部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
り形成されている。

【００１２】ところで、本実施形態では、第１のシリコ
ン基板１０には、該第１のシリコン基板１０の上記他面
（図１（ａ）における下面）側において第１のシリコン
基板１０の周部１１と弁口１０ａとの間で上記第１の可
撓部２２に対応する部位に、第１のシリコン基板１０の
周部１１よりなる支持部に支持された可撓性を有する第
２の可撓部１２が形成されている。要するに、第１の可
撓部２２と第２の可撓部１２とは、図１（ａ）に示すよ
うに、バルブが閉じた状態（弁体２３が弁座１３に接触
した状態）で所定距離だけ離間して両シリコン基板１
０，２０の厚み方向において重なるような部位に形成さ
れている。なお、第２の可撓部１２、支持部１１、弁口
１０ａ、弁座１３は第１のシリコン基板１０をエッチン
グ加工することにより形成されている。

【００１３】また、第１の可撓部２２および第２の可撓
部１２にはそれぞれ、互いの対向面とは反対側の面に金
属薄膜よりなるバイメタル素膜２４，１４が積層されて
いる。つまり、第１の可撓部２２上にはバイメタル素膜
２４が積層され、第２の可撓部１２上（図１（ａ）にお
ける第２の可撓部１２の下面）にはバイメタル素膜１４
が積層されている。バイメタル素膜２４，１４はそれぞ
れ、第１の可撓部２２，第２の可撓部１２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，
１４としては、例えばアルミニウムやニッケルを用い
る。

【００１４】したがって、各バイメタル素膜２４，１４
はそれぞれ第１の可撓部２２，第２の可撓部１２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、第１の可撓部２２が図１（ｂ）に示すように図１
（ａ）における上に凸となる形で湾曲することになる。
一方、第２の可撓部１２は、図１（ｂ）に示すように図
１（ａ）における下に凸となる形で湾曲することにな
る。要するに、第１の可撓部２２と第２の可撓部１２と
は逆向きに変位する（弁体２３は図１（ｂ）における矢
印Ａ₁の向きに移動し、弁座１３は同図における矢印Ａ₂
の向きに移動する）。つまり、弁体２３と弁座１３とが
互いに離れる向きに移動するのであって、流路が開くの
である。バイメタルの温度が下降すれば、図１（ａ）に
示すように弁体２３と弁座１３とが接触するのは言うま
でもない。要するに、本実施形態では、熱膨張を利用し
て第１の可撓部２２を変形させる駆動部および熱膨張を
利用して第２の可撓部１２を変形させる駆動部の両方と
もバイメタルにより構成されている。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、第１のシリコン基板
１０下には、バイメタル素膜１４に通電するための配線
（図示せず）が形成されている。

【００１５】ところで、図２に示した従来構成の半導体
マイクロバルブでは、駆動部をバイメタルにより構成し
た場合、バイメタルの熱がバイメタルの周辺へ伝導した
り、空気中へ逃げたりするので、バイメタルへ供給する
電力を増加させてもバイメタルの温度は供給電力に比例
して上昇するわけではなく、発熱と放熱とが均衡するあ
る温度までしか上昇しない。したがって、バイメタルへ
の供給電力をある基準値の２倍にしたからといって、２
倍の温度上昇は得られず、弁体２３の変位量も２倍には
ならない。

【００１６】これに対し、本実施形態の半導体マイクロ
バルブでは、第１の可撓部２２に形成されたバイメタル
素膜２４と第２の可撓部１２に形成されたバイメタル素
膜１４との両方に通電するので、供給電力量は上記基準
値の２倍になる。しかしながら、本実施形態では、上記
基準値の電力を各バイメタル素膜２４，１４に同時に供
給するので、第１の可撓部２２および第２の可撓部１２
がぞれぞれ、上記従来構成の半導体マイクロバルブにお
いてバイメタル素膜２４へ上記基準値の電力を供給した
場合と略同じ量だけ変位する。したがって、本実施形態
では、上記従来構成の半導体マイクロバルブへ上記基準
値の電力を供給した時の弁座１３に対する弁体２３の変
位量の２倍の変位量を、上記基準値の２倍の電力を供給
することによって確実に得ることができる。すなわち、
本実施形態では、上記従来構成の半導体マイクロバルブ
においてバイメタルへの供給電力を上記基準値の２倍に
した場合に比べると、弁座１３に対する弁体２３の変位
量が大きくなる。言い換えれば、従来よりも低消費電力
で弁体２３と弁座１３との間の距離を大きくすることが
できる。しかして、本実施形態では、従来に比べて低消
費電力で大流量の流体制御が可能となる。

【００１７】なお、駆動部としては、バイメタル以外に
静電引力や電磁力などを利用してもよいことは勿論であ
る。

【００１８】

【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第１
の可撓部と、第１の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、半
導体基板の上記他面側において該半導体基板の周部と弁
口との間で上記第１の可撓部に対応する部位に形成され
た第２の可撓部と、各可撓部それぞれに設けられ各可撓
部が互いに離れる向きに各可撓部を変形させる駆動部と
を備えているので、弁口を開く場合には第１の可撓部と
第２の可撓部とが互いに離れる向きに変形するから、弁
体と弁口との間の距離を大きくすることができ、従来に
比べて低消費電力で大流量の流体制御が可能となるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態を示し、（ａ）はバルブが閉じた状態
の概略断面図、（ｂ）はバルブが開いた状態の概略断面
図である。

【図２】従来例を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１０第１のシリコン基板１０ａ弁口１２第２の可撓部１３弁座１４バイメタル素膜２０第２のシリコン基板２２第１の可撓部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 AA16 BB01 BB07 BB41 CC06 DD12 EE10 FA15 FA22 FB13 FC02 FD19 HH05 3H062 AA02 AA12 BB33 CC08 FF39 FF41 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第１の可撓部と、第１の
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、半導体基板の上記他面
側において該半導体基板の周部と弁口との間で上記第１
の可撓部に対応する部位に形成された第２の可撓部と、
各可撓部それぞれに設けられ各可撓部が互いに離れる向
きに各可撓部を変形させる駆動部とを備えてなることを
特徴とする半導体マイクロバルブ。