JP2004332907A - 静電駆動型半導体マイクロバルブ - Google Patents
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Abstract
【課題】流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる静電駆動型半導体マイクロバルブを提供する。
【解決手段】静電駆動型半導体マイクロバルブは、半導体基板で形成されたバルブ構造体１と、バルブ構造体１とが搭載される弁座２を備える。バルブ構造体１は、フレーム１０と、フレーム１０の開口内に配置された弁体部１１と、弁体部１１とフレーム１０を連結し弁体部１１がフレーム１０に対し基板厚み方向に変位可能となる撓み性を有する薄肉のビーム１２とを有する。弁座２は、表面開口する弁孔２０を有し、弁孔２０に弁体部１１が一致するようバルブ構造体１が搭載されている。弁体部１１と弁座２の対向面には、可動電極層１３と固定電極層２１が形成され、それらの少なくとも一方の表面には、絶縁層３が形成されている。弁体部１１は、初期状態で弁孔２０をその接触圧によって塞ぐように弁孔２０の開口周辺領域に接触している。
【選択図】 図２
【解決手段】静電駆動型半導体マイクロバルブは、半導体基板で形成されたバルブ構造体１と、バルブ構造体１とが搭載される弁座２を備える。バルブ構造体１は、フレーム１０と、フレーム１０の開口内に配置された弁体部１１と、弁体部１１とフレーム１０を連結し弁体部１１がフレーム１０に対し基板厚み方向に変位可能となる撓み性を有する薄肉のビーム１２とを有する。弁座２は、表面開口する弁孔２０を有し、弁孔２０に弁体部１１が一致するようバルブ構造体１が搭載されている。弁体部１１と弁座２の対向面には、可動電極層１３と固定電極層２１が形成され、それらの少なくとも一方の表面には、絶縁層３が形成されている。弁体部１１は、初期状態で弁孔２０をその接触圧によって塞ぐように弁孔２０の開口周辺領域に接触している。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板をマイクロマシンニング加工して形成したバルブ構造体を使用し、流体の流れを制御するマイクロバルブに関し、詳しくは静電気力により流体の流れる弁孔の開閉動作を行う静電駆動型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】
従来から、マイクロエレクトロニクス分野や医療機器用途などにおける流体制御部品として、シリコン等の半導体基板をマイクロマシンニング技術により微細構造加工してバルブ部材としてのマイクロ構造体を形成し、これを用いて流体の流通制御をできるようにしたマイクロバルブが各所で研究開発されている。
【０００３】
一般に、このマイクロバルブでは、バルブ部材に弁孔を開閉するための弁体が形成されており、前記弁孔を有する弁座部材と前記バルブ部材とを一体に組合せて構成し、前記バルブ部材に形成した弁体を前記弁座部材に対し変位動作させることにより前記弁孔を開閉して当該弁孔を流れる流体の流通を制御できるようになっている。このマイクロバルブの弁開閉動作の駆動方式としては、いわゆるバイメタル原理を応用した熱駆動式と対向電極間に生じる静電気力を利用した静電駆動式がある。そのうち後者方式のものの一例として、例えば特許文献１に開示されたような弁素子がある。
【０００４】
この弁素子は、流体が通過するノズルが形成されたノズルプレートと、電極板と、この電極板を被覆する絶縁層と、前記ノズルを開閉するバルブ屈撓部分に一体的に形成されている可撓性で導電性のあるバルブビームから構成されている。前記電極板とこの電極板を被覆する絶縁層は、前記ノズルプレートに積層配置されており、前記バルブビームの屈撓部分は、前記電極板上の絶縁層に対して所定の間隔を保持した配置となっており、前記電極板と前記バルブビームとの間に電圧を印加したとき、前記バルブビームの屈撓により前記バルブが前記ノズルを開閉するようになっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−３０７９５９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、対向する電極間に生ずる静電気力の大きさは、両電極面が平行で且つ一定電圧が印加される条件下で、エネルギー損失を考慮しないものとすると、理論上は次式の如く算出される。
【０００７】
静電気力［Ｎ］＝（１／２）×（印加電圧［Ｖ］）２×（電極面積）２×（電極間物質の誘電率［Ｃ／Ｎ・ｍ２］）／（電極間距離［ｍ］）２
上式から、電極間に生ずる静電気力は、電極間距離が大きくなるとその２乗に比例して小さくなることになることがわかる。この点を勘案して、従来技術として示した前記特許文献１に記載の弁素子について考察すると、この弁素子は、前記ノズルビームが導電性であり、電圧印加しない初期状態では、前記電極板とは前記絶縁層を介して所定の間隔を保持して対向した配置となっているので、前記バルブを変位させて前記ノズルを開閉し前記ノズルを流れる流体の流通を良好に制御するためにより大きな静電気力を得るには、前記所定の間隔を小さく設計したり、印加電圧を大きくしたり、或いは電極面積を大きくすることになる。
【０００８】
しかしながら、前記所定の間隔が余り小さいと前記ノズルを開放状態にしたときに良好な流体の流通を確保できなくなるため、少なくともある一定距離以上の間隔は必ず確保されなければならず、更に大きな静電気力を得るには、印加電圧や電極面積の大きさ設定に依存することとなる。
【０００９】
これに加え、前記所定の間隔が開いた初期状態から電圧印加して前記バルブを前記ノズルに当接するまで変位させ前記ノズルを閉止するときには、単に前記バルブを前記ノズル側に引き寄せる力だけでなく、バルブビームが撓むときに元の状態に戻ろうとする復元弾性に抗するための力も要するため、前記弁孔を流れる流体圧に抗するよりも大きい静電気力が必要である。
【００１０】
これに対し、近年ではデバイスの小型化傾向にあるため、電極面積を大きくする設計は、デバイスのサイズを大きくする要因となり望ましくない。また、近年は低消費電力化も要望されているため、印加電圧を大きくすることはこれと相反する結果となり望ましくない。従って、前記従来技術に係る弁素子の構造では、小型化を追求する上で、ノズルを流れる流体の良好な制御と低消費電力化とを高いレベルで両立するには限界があった。
【００１１】
本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、半導体基板をマイクロマシンニング加工することにより、中央領域に開口を有するフレームと、該フレームの開口内に配置された弁体部と、該弁体部と前記フレームとを連結し、前記弁体部が前記フレームに対し基板厚み方向に変位可能となる撓み性を有する薄肉のビームと、を備えるバルブ構造体と、表面に開口する弁孔を有し、該弁孔に前記弁体部が一致するようにして前記フレームを表面に固定することによって前記バルブ構造体が搭載される弁座と、を具備し、前記バルブ構造体は、前記弁体部における前記弁座への対向面において形成された可動電極層を有し、前記弁座は、前記表面において前記可動電極層に対向するよう形成された固定電極層を有し、前記可動電極層及び前記固定電極層の少なくとも一方の表面には、これら両電極層間の導通を防止するための絶縁層が形成され、前記弁体部は、前記可動電極層及び前記固定電極層に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触しており、前記可動電極層及び前記固定電極層に電圧を印加した状態では、これら両電極層間に前記弁孔を閉止する静電気力を発生させる。
【００１３】
ここで、前述の「前記可動電極層及び前記固定電極層に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触して」とは、電圧が印加されず且つ前記弁孔に流体圧がかかっていない状況下（以下、初期状態と称する。）にあるときには、前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域に接触していることを意味している。
【００１４】
また前記「接触圧」とは、この初期状態において前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域への接触する状態を保持するよう前記ビームの支持力にて前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域に押付けられる比較的微小な圧力のことである。従って、電圧無印加の状態であっても前記接触圧よりも大きな流体圧が前記弁孔に加わった場合には、前記弁体部は、押し上げられることになる。
【００１５】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブでは、前述のように、電圧を印加しない状態において、前記弁体部が前記弁座における前記弁孔の開口周辺領域に接触していることから、電圧印加して前記弁孔を閉止するときには、前記弁体部を変位させるエネルギーは無用であるため、必要となる前記静電気力は前記弁孔を流れる流体の圧力に抗するのに要する力だけとなる。
【００１６】
しかも、前記可動電極層と前記固定電極層との距離は、実質的に前記絶縁層の厚み分のみの最小限の大きさとなるため、電圧印加を開始した初期から最大の静電気力が効率良く得られるため、前記弁孔を閉止するに要する消費電力が比較的小さくてすむ。
【００１７】
一方、前記弁孔を開放する場合には、電圧を印加しない状態で前記弁孔に前記弁体部の接触圧よりも大きい流体圧が加わると前記弁体部が押し上げられて開放状態となる。この前記弁孔の開放しやすさは、前記弁体部の接触圧に依存しており、前記弁体部の接触圧が小さければ小さな流体圧でも前記弁孔が開放するようになる。なお、前記弁体部の接触圧は、例えば前記ビームによる前記弁体部の支持力を調整することで、所望の大きさにすることが可能である。
【００１８】
以上のように、このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる。
【００１９】
また、本発明の請求項２に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームは、前記弁体部を前記弁孔の開口周辺領域に対し押し付ける弾性力を有する。
【００２０】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記弾性力により、前記弁孔に対する前記弁体部の接触状態を確実に得ることができ、例えば、当該静電駆動型半導体マイクロバルブが重力方向に対して前記バルブ構造体が前記弁座より下側になるような状態で使用される場合、前記弁体部の自重による重力が当該弁体部が前記弁孔から離れる方向に働くが、前記ビームの弾性力により前記弁孔に対する前記弁体部の接触状態を維持できる。
【００２１】
また、本発明の請求項３に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームにおける弁座側への対向面には、前記ビームを構成する前記半導体基板の材料が有する線膨張係数よりも大きい線膨張係数の材料からなる薄膜層が形成されている。
【００２２】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記半導体基板の材料と前記薄膜層の材料との線膨張係数の差に起因する残存応力が、前記ビームが前記弁座向きに反る方向に生じるために、前記ビームは、前記弾性力が付勢されるので、前記バルブ構造体が前記弁座に搭載され両者が一体化される前の状態から、前記ビームが前記弁座の向きに撓みやすくなる。
【００２３】
また、本発明の請求項４に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２又は請求項３に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームにおける前記弁座に対しての非対向面には、前記ビームを構成する前記半導体基板の材料が有する線膨張係数よりも小さい線膨張係数の材料からなる薄膜層が形成されている。
【００２４】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記半導体基板の材料と前記薄膜層の材料との線膨張係数の差に起因する残存応力が、前記ビームが前記弁座向きに反る方向に生じるために、前記ビームは、前記弾性力が付勢されるので、前記バルブ構造体が前記弁座に搭載され両者が一体化される前の状態から、前記ビームが前記弁座の向きに更に撓みやすくなる。
【００２５】
また、本発明の請求項５に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むよう環状に突出し、その先端面が前記弁孔の閉止状態における前記弁体部と前記弁座との封止面となる環状突状部が形成されている。
【００２６】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記環状突状部が前記対向面の他の部位より前記弁体部側に突出して当該弁体部に接触するので、確実な接触状態が得やすくなる。
【００２７】
また、本発明の請求項６に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むような環状溝部を形成するとともに、該環状溝部に少なくとも一端が連通する連通溝部を形成する。
【００２８】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記環状溝部及び前記連通溝部により、前記弁孔から流れ出る流体がスムーズに排出される。また、前記環状溝部及び前記連通溝部により、前記弁孔を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行えるので、開閉応答性は、比較的良好に確保される。
【００２９】
また、本発明の請求項７に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部から所定の距離をとり放射状に配置された溝部を形成する。
【００３０】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記放射状に配置された溝部により、前記弁孔から流れ出る流体がスムーズに排出される。また、前記放射状に配置された溝部により、前記弁孔を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行えるので、開閉応答性は、比較的良好に確保される。
【００３１】
また、本発明の請求項８に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームにおける前記弁座への対向面には、前記可動電極層が連続的に形成され、前記弁座における前記固定電極層は、前記ビームとの対向領域まで形成されている。
【００３２】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記可動電極層と前記固定電極層の対向面積が大きくなるので、同じ印加電圧の大きさで大きな静電気力が得られることになり、低消費電力化に有利となる。
【００３３】
また、本発明の請求項９に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面には、前記弁体部と前記弁座とが接触界面で固着するのを防止する固着防止手段を設けている。
【００３４】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、例えば、前記弁体部と前記弁座とが前記接触状態から解離し難くなる現象、つまり界面固着現象が生じた場合、前記固着防止手段にてこの界面固着現象による前記弁体部と前記弁座との間の固着力を低減させることができるので、安定した弁開閉を実現することができる。
【００３５】
また、本発明の請求項１０に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項９に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記固着防止手段は、前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の表面に形成された微小突起である。
【００３６】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、形成容易な前記微小突起により、前記弁体部と前記弁座との間に水分が付着し難くなり、前記界面固着現象が防止される。
【００３７】
また、本発明の請求項１１に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項９又は請求項１０に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記固着防止手段は、前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の表面に形成された表面粗面化処理及び／又は疎水化処理が施された箇所である。
【００３８】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記固着防止手段として表面粗面化処理が施された箇所が形成されている場合には、前記弁体部と前記弁座の接触界面中に水分が介在しても、界面中の水の層が均一膜厚にならないために、前記界面固着現象が防止され、また、前記固着防止手段として疎水化処理が施された箇所が形成されている場合には、前記接触界面中に水分が付着し難くなるために、前記界面固着現象が防止される。
【００３９】
また、本発明の請求項１２に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体は、前記ビームを４本有し、各ビームは、前記フレーム内の各辺から延出して略卍状を成すよう配置されている。
【００４０】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記バルブ構造体のサイズが小さくても前記ビームの長さを大きくすることができるため、小型化に有利であり、前記弁体部が基板厚み方向に変位するとき、基板の主面と平行な面において回転を伴いながら高い位置までのストロークも可能となる。
【００４１】
また、本発明の請求項１３に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体は、前記ビームが前記フレーム内の一辺から延出されて片持ち梁状に前記弁体部を支持している。
【００４２】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記バルブ構造体の構造が比較的簡単なものとなるため、半導体基板からの加工が行いやすくなる。
【００４３】
また、本発明の請求項１４に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記絶縁層は、ＳｉＯ２及びＳｉＮよりも高誘電率の絶縁材料からなる。
【００４４】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記絶縁層が高誘電率になるほど同じ印加電圧に対する前記可動電極層と前記固定電極層の間に生じる静電気力が大きくなるため、前記絶縁層がＳｉＯ２及びＳｉＮよりも高誘電率とすることで、前記静電気力を効率的に取得することができる。
【００４５】
また、本発明の請求項１５に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記絶縁層は、比誘電率が３０以上である。
【００４６】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記絶縁層を比誘電率３０以上とすることで、より効率的に前記静電気力を取得することができる。
【００４７】
また、本発明の請求項１６に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１５に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記絶縁層は、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３から選ばれた少なくとも一種からなる層である。
【００４８】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記絶縁層をＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３から選ばれた少なくとも一種からなる層とすることで、更に効率的に前記静電気力を取得することができる。
【００４９】
また、本発明の請求項１７に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部は、前記フレームに比べて薄肉に形成されている。
【００５０】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記弁体部を前記フレームに比べて薄肉に形成することで、前記弁体部の質量が小さくなるため、前記弁孔の開閉動作を行いやすくなる。
【００５１】
また、本発明の請求項１８に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１７に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側には凹所を備えている。
【００５２】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記凹所を容易に形成することができるので、前記弁体部を容易に薄肉化することができる。
【００５３】
また、本発明の請求項１９に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１７に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側の面には補強リブを備えている。
【００５４】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記補強リブを設けることで、前記弁体部に対する補強効果が得られる。
【００５５】
また、本発明の請求項２０に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームと前記フレーム及び／又は弁体部との連結部に形成される入隅コーナー、及び／又は前記ビームの屈曲部に形成される入隅コーナーにおいて面取り部が形成されている。
【００５６】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記ビームが薄肉であるため、前記入隅コーナーに応力集中すると応力集中箇所には亀裂を生じやすくなるため、前記入隅コーナーに前記面取り部を形成することで、応力集中を防止することができる。
【００５７】
また、本発明の請求項２１に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項２０のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記フレームにおける前記弁座に対しての非対向面には、前記フレーム内を通じて前記可動電極層と電気的に接続される可動電極層側電極パッドを設けている。
【００５８】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記可動電極層側電極パッドによって電極の取り出しすることができるので、チップサイズの増大がなく、より小型な静電駆動型マイクロバルブを提供することができる。また、小型化によりチップの取れ数が増大するため、製造コストを低減させることができる。
【００５９】
また、本発明の請求項２２に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体は、支持層、中間酸化膜、活性層からなるＳＯＩ基板で構成され、前記弁座との対向面側に前記活性層を配置する場合に、前記活性層から前記支持層まで貫通する凹部を設け、該凹部の内面には、導電性を有する第１導電部を設けて前記活性層と前記支持層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００６０】
また、本発明の請求項２３に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体は、支持層、中間酸化膜、活性層からなるＳＯＩ基板で構成され、前記フレームにおける前記弁体部への対向面には、前記活性層と前記支持層とを電気的に接続する導電性を有する第２導電部を設け、前記活性層と前記支持層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００６１】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記バルブ構造体に前記ＳＯＩ基板を使用することで、前記ビームを精度よく薄肉化形成することができ、前記ビームの剛性を低減させることができるため、バルブの排気性能を向上させるとともに駆動電圧の低減が可能となる。ここで、駆動電圧を低減させる代わりに電極面積を縮小すれば、チップサイズの小型化が実現でき、更なる製造コストの低減がはかれる。
【００６２】
また、本発明の請求項２４に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項２３のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部の変位を規制するストッパを更に備える。
【００６３】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、例えば前記弁孔に大きな流体圧が加わる場合に、前記弁体部が前記ビームの撓みの許容以上に変位し、前記ビームを破損する恐れがあるが、前記ストッパにより前記弁体部の必要以上の変位を規制することで、前記ビームの破損を防止することができる。
【００６４】
また、本発明の請求項２５に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ストッパは、前記バルブ構造体とは別部材として前記弁体部と所定間隔をおいて前記バルブ構造体上に載置されたものである。
【００６５】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記ストッパを前記バルブ構造体とすることで、前記弁体部が破壊されることを防止することができる。
【００６６】
また、本発明の請求項２６に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体の前記フレームの内壁部は、座ぐりされた座ぐり部を備え、前記ストッパは、前記ビーム又は前記弁体部から側方に延出され前記座ぐり部内に遊挿された突出片である。
【００６７】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記座ぐり部内に前記突出片を設けることで、前記弁体部が上方に変位することを規制することができる。
【００６８】
また、本発明の請求項２７に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２４又は請求項２５に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記フレームと前記ストッパとの間に、前記両者を接合するための接合層を設け、該接合層にて、前記ストッパと前記弁体部との間にギャップを形成する。
【００６９】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記接合層により、前記弁体部と前記ストッパとのギャップが精度良く確保でき、流体の流量範囲の制御が精度良くなる。また、前述のギャップにより前記可動電極層と前記固定電極層との間に働く静電力が決定されるので、駆動電圧を低く抑える設計が可能になる。
【００７０】
また、本発明の請求項２８に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２４又は請求項２５に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ストッパにおける前記弁体部に対しての対向面には、凹部を備えている。
【００７１】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記凹部により、前記弁体部と前記ストッパとのギャップが精度良く確保でき、流体の流量範囲の制御が精度良くなる。また、前述のギャップにより前記可動電極層と前記固定電極層との間に働く静電力が決定されるので、駆動電圧を低く抑える設計が可能になる。
【００７２】
また、本発明の請求項２９に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２７又は請求項２８に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ストッパは、少なくとも前記フレーム上面全面を覆うサイズであり、前記接合層又は前記フレーム又は前記ストッパの、少なくともいずれかに開口部を備えている。
【００７３】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記開口部により、静電駆動型半導体マイクロバルブ内外の圧力差が縮小され、前記弁体部を駆動する静電力が小さくても前記弁体部が駆動可能であり、微小流量を高精度に制御することができる。
【００７４】
また、本発明の請求項３０に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２９に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ストッパにおける前記弁体部に対しての対向面には、段部を備えるとともに、該段部は、前記開口部に連通する。
【００７５】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記段部が前記開口部に連通することで、静電駆動型半導体マイクロバルブ内の圧力調整が効率的に行える。
【００７６】
また、本発明の請求項３１に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２９に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記開口部は、前記ストッパに対して厚み方向に貫通する。
【００７７】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記開口部が前記ストッパに対して厚み方向に貫通しているので、例えば管状の部材を取り付けることで、流体媒体の取り出しが容易に行える。
【００７８】
また、本発明の請求項３２に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項３１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記開口部に沿って前記ストッパ表面まで、導電性を有する第３導電部を形成して、該第３導電部と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００７９】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記可動電極層側電極パッドと前記第３導電部とを電気的に接続することで、前記可動電極層がストッパの上面まで引き出された構成となり、より小型な静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。
【００８０】
また、本発明の請求項３３に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２１乃至請求項３２のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体における前記バルブ構造体に対しての非対向面には、固定電極層側電極パッドを形成し、前記弁孔には、導電性を有する第４導電部を設け、該第４導電部と前記固定電極層と前記固定電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００８１】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記固定電極層側電極パッドといった外部電源に接続する電極を静電駆動型半導体マイクロバルブ外部に取り出すことにより、チップサイズの増大がないため、より小型な静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。
【００８２】
また、本発明の請求項３４に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項２０のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁座における前記フレームへの対向面には、可動電極層側電極パッド及び固定電極層側電極パッドを形成し、前記フレームと前記弁体との間であり、前記可動電極層及び前記固定電極層が形成されていない箇所に導電性の接合用導電部を設け、該接合用導電部と前記可動電極層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続するとともに、前記固定電極層と前記固定電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００８３】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記可動電極層側電極パッドと前記固定電極層側電極パッドとを同一平面上に形成すことができるため、プローブ検査や実装が容易となる。
【００８４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００８５】
まず、第１実施形態を図１乃至図６に基づいて説明する。図１は、第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図であり、図２（Ａ）は、図１のＸ−Ｘ断面での断面図であり、図２（Ｂ）は、Ｙ−Ｙ断面での断面図である。また、図３は、図２（Ａ）における開放状態を示す断面図であり、図４は、開放状態を示す斜視図である。なお、後述の図５、図６は、第１実施形態の変形形態を示す断面図である。
【００８６】
図１乃至図４に示すように、静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１と、このバルブ構造体１が搭載される弁座２とを一体に組合せることで構成されている。ここで、静電駆動型半導体マイクロバルブの上下方向は、実際の使用状態での方位性に依存するため一義的に規定できないが、第１実施形態の記述では説明の便宜上、図２乃至図４に示すように、弁座２の配置側を下側、バルブ構造体１の配置側を上側というように上下方向を規定するものとする。
【００８７】
バルブ構造体１は、シリコン基板をマイクロマシンニング加工することにより形成された、いわゆるＭＥＭＳ構造体であって、基板主面の中央領域に略正方形に開口する開口部１０ａを有するとともに上下方向（基板厚み方向）から見た外形の平面視も矩形状に形成されたフレーム１０と、フレーム１０の開口部１０ａ内に配置された弁体部１１と、弁体部１１とフレーム１０を連結し、弁体部１１がフレーム１０に対し上下方向に変位可能となる撓み性を有する４本の薄肉のビーム１２とを有している。
【００８８】
図１に示すように、バルブ構造体１において、フレーム１０は、上方から見た平面視が長方形となっており、開口部１０ａは、この長方形の一方の短辺側に幾分偏って形成されていて、他方の短辺側におけるフレーム片の幅寸法が大きくなっている。バルブ構造体１は、この幅寸法が大きいフレーム片の位置において、外向きに開放する切欠部１６を備えている。
【００８９】
また、フレーム１０の開口部１０ａ内には、フレーム１０と弁体部１１との間にこれらを離間する分離領域が弁体部１１を囲むよう形成されており、各ビーム１２は、この分離領域内にてバルブ構造体１の下部側に配置されて、フレーム１０の内壁下端部と弁体部１１の下端部とを接続している。
【００９０】
ここで、第１実施形態においては、バルブ構造体１において前述の分離領域のうちビーム１２よりも上側部分は、異方性エッチングにより掘り込み形成されており、故にフレーム１０の内壁と弁体部１１の外周側壁は、前述の分離領域が幅寸法が下方向に狭小するテ−パ状を成す傾斜面となっている。なお、前述の分離領域は、ＲＩＥ（リアクティブ イオン エッチング）やＩＣＰ（インダクティブリ カップルド プラズマ）等のドライエッチングにより垂直に掘り込まれたものであってもよい。
【００９１】
また、弁体部１１を支持している４本のビーム１２は、バルブ構造体１を上方から見た平面視において、弁体部１１を中心として９０度回転させたときのビーム１２の回転写像が隣の他のビーム１２と重なるような略卍状を成すものとなっている。より詳しく述べると、４本の各ビーム１２は各々、その基端がフレーム１０の各内側コーナー近傍位置においてこの内側コーナーで交差するフレーム１０の内側壁の２辺のうちの一辺に連結されており、且つフレーム１０の前記内側コーナーで交差する他辺側の内側壁と弁体部１１の側壁との間（分離領域）に沿って前記基端から先端部に向かって延設され、ビーム１２の先端部は、弁体部１１の方に屈曲して弁体部１１のコーナー辺りに連結されている。
【００９２】
第１実施形態では、ビーム１２の配置は、フレーム１０と弁体部１１とを最短距離で結ぶのではなく、４本のビームが略卍状を成すようフレーム１０と弁体部１１との間の分離領域に沿わせて延設したものとしていることで、前述の分離領域の幅が狭くともビーム１２の長さを大きく取れるため、バルブ構造体１のサイズの小型化設計が容易である。また、弁体部１１が上方に変位するとき、基板主面と平行な面において、回転を伴いながら高い位置までの変位ストロークが可能となる。
【００９３】
また、第１実施形態においては、バルブ構造体１の下面、すなわちフレーム１０と弁体部１１と各ビーム１２の下面には、アルミ等の金属層１４が形成されており、また、バルブ構造体１の上面及び側面にもアルミ等の金属層１５がフレーム１０と弁体部１１と各ビーム１２を覆うよう形成されており、この金属層１５は、金属層１４とバルブ構造体１の側面下端部辺りで一体接続している。金属層１４の下表面には、金属層１４が弁座２側に導通するのを防止するための絶縁層３が形成されている。
【００９４】
第１実施形態においては、このバルブ構造体１の下面に形成した金属層１４のうち、弁体部１１の下面部分が後述する弁座２の固定電極層２１に対向する可動電極層１３として機能するものとなっている。また、バルブ構造体１の下面における長辺側の両端部には、弁座２の上表面への接合用アルミ層４が帯状に設けられている。
【００９５】
ここで、本発明の好ましい態様では、ビーム１２は、弁体部１１を弁座２における弁孔２０の開口周辺領域に対し押し付ける弾性力を有していることが望まれる。つまり、この弾性力により、弁孔２０に対する弁体部１１の良好な接触状態を確実に得ることができるからである。例えば、静電駆動型半導体マイクロバルブがバルブ構造体１と弁座２の配置が上下反対となるような状態で使用される場合を想定すると、弁体部１１の自重による重力は、弁体部１１が弁孔２０から離れる方向に働くこととなるが、ビーム１２が前述の弾性力を有していれば重力に抗して弁孔２０に対する弁体部１１の接触状態を維持できる。
【００９６】
前述の弾性力を得るために、第１実施形態の半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１を弁座２に搭載する前の状態において、弁体部１１の下面がバルブ構造体１の下面の接合部分（接合用アルミ層４の下面）よりも下方に位置するよう、ビーム１２を無負荷状態（外力が加わらない状態）で下向きに撓ませた状態としている。
【００９７】
このようにすることで、バルブ構造体１を弁座２の上表面に搭載し接合用アルミ層４を介して接合一体化する際に、弁体部１１の下面が接合用アルミ層４が弁座２の上表面に当たるよりも先行して弁座２表面（弁孔２０の周り）に接触し、その結果、バルブ構造体１を弁座２に接合した状態では、弁体部１１は、上方に押し上げられ、その分だけビーム１２は、無負荷状態と比べて上方に撓むこととなって、元の位置への復元弾性力が弁体部１１を弁座２に対し押し付ける方向に生じる。
【００９８】
この状態を実現するため、第１実施形態では、絶縁層３としてＳｉＯ２膜やポリイミド等のようにビーム１２の構成材料であるシリコンよりも線膨張係数（α）が大きい薄膜層を用いることで、ビーム１２は、前述の接合一体化の前の状態において、下向きに撓むようにすることができる。つまり、絶縁層３の材料としてαがシリコンよりも大きい場合、例えば絶縁層３の製膜プロセスにおいては、加熱下で製膜した後、冷却されるとき、シリコンと絶縁層３とは両者の線膨張係数の差に起因して冷却による熱収縮率に差を生じ、熱収縮の大きい絶縁層３がシリコンを下向きに変形させる残存応力がこれらの界面で発生する。
【００９９】
従って、薄肉に形成されたビーム１２は、この残存応力により歪んで先端側が下向きに撓んだ状態となる。なお、ビーム１２において、芯部分のシリコンと絶縁層３との間に金属層１４が介在しているが、ビーム１２の上表面側の金属層１５と熱収縮率による歪み応力が相殺されるため、金属層１４の存在は特に問題とならない。
【０１００】
なお、図５は、第１実施形態の変形形態を示す断面図であるが、静電駆動型半導体マイクロバルブ（のバルブ構造体１）は、図５に示すように、弁体部１１の部分のみ絶縁層３の厚みを大きくしたり、或いは金属層１４（可動電極層１３部分）の厚みを大きくして、弁体部１１の下面を下方に突き出るようにすることもできる。なお、このように弁体部１１の下面が弁座２との接合前において、両者の接合面よりも下方に突き出ていると、バルブ構造体１を弁座２上に搭載一体化するときに、弁体部１１下面の下方への突出寸法が上下方向のマージンとなり、弁体部１１下面と弁座２との確実な接触が確保できるという効果も期待できる。
【０１０１】
次に、弁座２について説明する。例えば図２に示すように、第１実施形態において、弁座２は、ガラス基板を加工することによりバルブ構造体１の外形サイズと略同じサイズの長方形となるよう形成されている。弁座２は、弁体部１１と対応する位置において、下面から上表面に貫通する弁孔２０を備えている。この弁孔２０は、前述のガラス基板の下面から掘り込まれて上表面の開口に向かって狭小するテーパ状となっている。
【０１０２】
また、弁座２の上表面には、弁体部１１の底面と対向する領域において、アルミ等の金属層からなる固定電極層２１が形成されている。また、弁座２の上表面には、バルブ構造体１の切欠部１６に対応する位置において、外部接続用の電極パッド（以降、外部接続用パッドと称する。）２２が形成されており、外部接続用パッド２２と固定電極層２１は、配線路２３により接続されていて、外部接続用パッド２２を外部電源に接続するとにより固定電極層２１に電圧印加できるようになっている。
【０１０３】
さらに弁座２の上表面には、弁孔２０の開口周縁部２５を囲むように、環状溝部である例えば環状凹溝２４が形成され、また、この環状凹溝２４に一端が連通するとともに他端（以降、環状凹溝２４ではない端を他端と称する。）が弁座２の長辺側端に延びて開放し外部に通じた連通溝部である例えば外部連絡用の凹溝（逃がし溝）２４ａ（後述の図１４参照）が形成されている。
【０１０４】
第１実施形態において、静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１を弁座２に搭載して両者を組合せ、一体化することで構成されており、バルブ構造体１を弁座２両者の接続固定は、バルブ構造体１の下面に設けた接合用アルミ層４を介して弁座２の上表面にバルブ構造体１を陽極接合することでなされている。このとき、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、絶縁層３がバルブ構造体１と弁座２との間の電気的な絶縁性を確保し、弁体部１１は、可動電極層１３及び固定電極層２１に電圧を印加しない初期状態では、その接触圧によって弁座２の固定電極層２１に接触し弁孔２０を塞いでいる。また図３、図４に示すように、この初期状態から弁孔２０に下方から流体の圧力が加わったとき、大きな流体圧が前記接触圧よりも大きくなると弁体部１１は、押し上げられ、弁孔２０は、開放される。
【０１０５】
一方、可動電極層１３及び固定電極層２１の間に電圧を印加したとき、これら可動電極層１３、２１の間に絶縁層３を介して静電気力が生じて、弁孔２０が強固に閉じる。なお、印加する電圧の大きさを適宜調節することにより、弁孔２０の開放量が調節でき、更に、流体のリーク量の制御が可能となる。
【０１０６】
静電駆動型半導体マイクロバルブでは、初期状態において、弁体部１１が弁孔２０を閉じる位置にあることから、電圧印加して弁孔２０を静電気力で強制的に閉止するときに弁体部１１を変位させるエネルギーは無用であり、必要となる静電気力は、弁孔２０を流れる流体の圧力に抗するのに要する力だけとなる。しかも、可動電極層１３と固定電極層２１との距離は、実質的に絶縁層３の厚み分のみであることから、電圧印加を開始した初期から最大の静電気力が効率良く得られる。従って、弁孔２０を閉止するに要するエネルギーは、非常に効率が良く、故に消費電力が小さくてすむ。
【０１０７】
第１実施形態においては、図２に示すように、固定電極層２１の表面高さは、環状凹溝２４を挟んで、内側及び外側ともフラットであり、弁体部１１の下面（絶縁層３表面）もフラット面になっている。従って、弁孔２０が閉じているとき、固定電極層２１の表面と弁体部１１の下面は、広い面積で密着することとなるため、弁孔２０を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア抜きできないとダンパー効果により開閉応答性が悪くなる恐れがあるが、環状凹溝２４及び逃がし溝２４ａを通じて前述の界面のエア逃がしを行えるので、弁孔２０を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行え、開閉応答性は、比較的良好に確保される。また、環状凹溝２４及び逃がし溝２４ａにより、弁孔２０から流れ出る流体がスムーズに排出される。
【０１０８】
なお、第１実施形態では、可動電極層１３と固定電極層２１の対向面積は、弁体部１１の下面面積と略等しくなっているが、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す変形形態ように、固定電極層２１の大きさを広げてビーム１２の下面とも対向するようにしてもよい。ここで、図６は、図２において、固定電極層２１を大きくした変形形態を示すものであって、図６（Ａ）は、図１のＸ−Ｘ断面に相当する断面での断面図であり、図６（Ｂ）は、図１のＹ−Ｙ断面に相当する断面での断面図である。この場合、ビーム１２の下面の金属層１４も可動電極層１３の一部として機能し、対向面積が大きくなるため、より大きな静電気力が得られ、弁孔２０の閉止力は大きくなり、消費電力低減に有利となる。
【０１０９】
一方、静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁孔２０を開放するときの開放しやすさは、弁体部１１の接触圧の大きさに依存しており、この弁体部１１の接触圧は、ビーム１２による弁体部１１の支持力に概ね依存している。第１実施形態では、ビーム１２は、４本の略卍状配置となっているため、例えばダイヤフラムや十字ビーム等で弁体部１１を支持する場合に比べるとテンションの逃げ場があり、またビーム長も比較的大きくでき、上方向の変位ストロークも大きいので、弁孔２０の開放性は良好なものとなる。
【０１１０】
なお、弁座２に対する弁体部１１の接触圧は、ビーム１２の幅寸法や厚み寸法、長さ寸法を変更する等してビーム１２が弁体部１１を支持する支持剛性を調整することで適宜設計可能である。
【０１１１】
以上のように、かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、流体の良好な制御と低消費電力化を高いレベルで両立できるものとなっている。さらに静電駆動型半導体マイクロバルブは、初期状態において、弁孔２０が弁体部１１により塞がっているので、上方から流体圧が加わったときには、逆止弁としての機能も期待できる。
【０１１２】
次に、他の実施形態を、第２実施形態として図７に基づいて説明する。図７は、第２実施形態における弁座２の断面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁孔２０の周囲を高くした変形形態を示す断面図である。
【０１１３】
図７に示すように、弁座２は、例えば弁座２における弁孔２０の開口周縁部２５’をその周囲よりも環状突状部として一段高く環状に突出させ、その先端面が弁孔２０の閉止状態における弁体部１１と当接する封止面となるような構成とする。
【０１１４】
この場合、第１実施形態にて前述した「弁体部１１の下面がバルブ構造体１の下面の接合部分（接合用アルミ層４の下面）よりも下方に位置するよう」にするときと同様に、ビーム１２に弁体部１１をこの開口周縁部２５’に対し押し付ける弾性力を備えるので、良好な接触状態が得られる。すなわち、弁座２の上表面において、環状突状部である開口周縁部２５’が一段高く突出することで、バルブ構造体１を弁座２に搭載するとき開口周縁部２５’が弁体部１１に当たりやすくなるからである。そして、バルブ構造体１を弁座２に接合固定するとき開口周縁部２５’が弁体部１１を上方に押し上げ、これに伴いビーム１２も上向きに撓むため、下向きに復元弾性力を生ずることとなる。
【０１１５】
なお、第２実施形態においては、環状突状部である開口周縁部２５’をその周囲よりも一段高くする形成する場合を挙げたが、同様の考え方で、弁座２と弁体部１１の対向面の何れか一方に、弁孔２０の開口部を内側に含むような環状の突状部（図示せず）を別途設け、この環状の突状部の先端面が弁孔２０の閉止状態において、弁体部１１と当接する封止面となるようにしてもよい。
【０１１６】
また、第２実施形態においては、環状突状部である開口周縁部２５’は、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０を内側に含むように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【０１１７】
ところで、一般的に、密接させた２つの平行な面の界面内に水分が存在すると、乾燥状態のときと比べて、密接させた２つの面が容易には解離し難くなる、いわゆる界面固着現象が発生する恐れがある。使用条件等によっては、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁孔２０を弁体部１１で閉止した状態において、弁体部１１の下面（絶縁層３の表面）と弁座２の固定電極層２１表面との接触界面内に水分が存在することが想定され、この場合には、界面固着現象が発生して、弁体部１１が弁座２への接触状態から解離し難くなる。このような界面固着現象を解決するためには、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁体部１１の下面（絶縁層３の表面）と弁座２側の対向面（固定電極層２１の表面）における少なくとも一方の接触部位の表面に、前述の界面固着現象を防止するための固着防止手段を備えることが有効である。
【０１１８】
そこで次に、静電駆動型半導体マイクロバルブに固着防止手段を設けた実施形態を、第３実施形態として図８乃至図１１に基づいて説明する。図８は、第３実施形態における弁座２を示す断面図である。なお、図９乃至図１１は、第３実施形態の変形形態を示す図である。
【０１１９】
弁座２は、固定電極層２１の表面に微小突起２４ｂを固着防止手段として備えている。
微小突起２４ｂは、界面に水分の均一な薄層が形成されるのを防止して、弁体部１１と弁座２とが固着することを防止している。なお、微小突起２４ｂは、突出高が余り大きすぎると前記接触界面から流体の好ましくないリークを生じるので、接触界面からの流体リーク量が許容範囲に納まる高さとする。
【０１２０】
なお、固着防止手段は、この微小突起２４ｂの他、弁体部１１の絶縁層３表面又は固定電極層２１の表面に、所望の表面粗面化処理や所望の疎水化処理を施した箇所であってもよいし、所望の表面粗面化処理と所望の疎水化処理の両処理を施した箇所であってもよい。また、固着防止手段は、微小突起２４ｂに表面粗面化処理を施したものであってもよいし、微小突起２４ｂに疎水化処理を施したものであってもよいし、微小突起２４ｂに表面粗面化処理、疎水化処理の両処理を施したものであってもよい。
【０１２１】
また、さらに第３実施形態の変形形態について述べると、例えば図９に示すように、弁体部１１は、上面側を除去してフレーム１０に比べて薄肉に形成されていてもよい。なお、図９は、第３実施形態における弁体部１１を示す断面図（第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁体部１１の厚みを薄肉化した変形形態を示す弁体部１１の断面図）である。この場合、弁体部１１の質量が小さくなるので変位させやすくなり、弁孔２０の開閉動作が行いやすくなる。この弁体部１１を薄肉化する手法は、例えば金属層１５を形成する前にシリコン部分をエッチングして削っておくことでもよく、この場合は、弁体部１１の全体の厚みが薄くなる。
【０１２２】
ここで、図１０は、第３実施形態における弁体部１１の変形形態を示す平面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、可動電極層１３が形成されている面とは反対側の面に補強リブ１１ａを設けた図である。弁体部１１を薄肉化した場合、図１０に示すように、弁体部１１の上表面は、補強リブ１１ａを備えて、薄くなって強度低下した分を補強させるようにするとよい。
【０１２３】
また他の薄肉化手法としては、図１１のように、弁体部１１の上表面において、凹所１１ｂを掘り込み形成してもよい。図１１は、第３実施形態における弁体部１１の変形形態を示す断面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、可動電極層１３が形成されている面とは反対側の面に凹所１１ｂを形成して薄肉化した図である。この凹所１１ｂは、弁体部１１のシリコン基板部分を上方から所定厚を残すようにしてエッチングで掘り込むことで形成できる。
【０１２４】
ここで、上述の第１実施形態の半導体マイクロバルブについて、バルブ構造体１及び弁座２の形成方法の一例を図１２乃至図１４に基づいて簡単に説明する。
【０１２５】
図１２（Ａ）、（Ｂ）は、バルブ構造体１の上面側構造の加工プロセスを示す工程図である。なお、この図１２では、チップレベルでのバルブ構造体１のプロセスについて記載しているが、実際にはシリコンウエハの状態で各セル毎に構造体を形成した後に個別のチップに切断されるものである。
【０１２６】
まず、図１２（Ａ）に示すように、シリコン基板１００は、除去されて開口部１０ａとなる面１０３と切欠部１６となる面１０４を除いて、弁体部１１の上面部分の面１０２とフレーム１０の上面部分の面１０１とにレジストやＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜等でマスクをされる。そして図１２（Ｂ）に示すように、異方性エッチングにより底部に薄肉の厚み部分を残して分離領域１０７と切欠部相当凹部１０８を掘り込み、これにより残存部分であるフレーム相当部１０５、弁体部相当部１０６が形成される。
【０１２７】
次に、バルブ構造体１の下側構造の加工プロセスを説明する。なお、図１３（Ａ）〜（Ｅ）は、バルブ構造体１の下面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【０１２８】
まず、図１３（Ａ）に示すように、先に表面側構造を形成したシリコン基板１００を裏返し、図１３（Ｂ）に示すように、上に向けた下表面にアルミやクロム等の金属層１４（例えば１μｍ程度）をスパッタリング等により全面に形成し、さらにその上に図１３（Ｃ）に示すように、絶縁層３を全面に形成する。そして、図１３（Ｄ）に示すように、絶縁層３表面に所定形状のマスクを施した後、反対面に形成した分離領域１０７に貫通するスリットを形成してフレーム１０と弁体部１１を分離すると共にこれらを連結する４本卍状のビーム１２が形成される。
【０１２９】
また、このとき同時に切欠部相当凹部１０８に貫通するよう開口を形成して切欠部１６を形成する。反対面側からは金属層１５をスパッタリング等により形成しておく。そして、絶縁層３の表面において、チップ長辺側の両端部に接合用アルミ層４（例えば厚み１μｍ程度）をスパッタリング等で形成すると、バルブ構造体１の構造ができあがる。
【０１３０】
次に、弁座２の加工プロセスについて図１４に基づいて説明する。図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、ガラス基板から弁座２形成する工程を順次示す工程図であり、（Ｄ）は、（Ｃ）のＸ−Ｘ断面での断面図である。図１４（Ａ）に示すように、ガラス基板を準備し、図１４（Ｂ）に示すように、このガラス基板の下面から上面にテーパ状に貫通する弁孔２０を形成すると共に、弁孔２０の上面開口を囲むように環状凹溝２４と逃がし溝２４ａとをサンドブラスト等により形成する。
【０１３１】
そして、図１３（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、全面にスパッタリングで金属層を形成した後、固定電極層２１や連絡用の配線路２３や外部接続用パッド２２に相当する残し部にマスクをして、残し部以外の金属層をエッチング除去し、固定電極層２１や配線路２３、外部接続用パッド２２を形成する。これにより弁座２が作成される。
【０１３２】
なお、ここで述べた加工方法のプロセスは、あくまでバルブ構造体１の形成方法の一例に過ぎず、形状や構成の変更に応じて公知の加工手法を採用し適宜組合せてプロセス設計できる。例えば、ＳＯＩ基板を用いてバルブ構造体１を形成すれば、バルブ構造体１の厚み設計が加工プロセス上、行いやすくなるため好ましく採用される。
【０１３３】
更に、他の変形形態である実施形態を、第４実施形態として図１５乃至図２３に基づいて説明する。図１５は、第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図（第１実施形態乃至第３実施形態において、可動電極層１３をシリコン基板への不純物ドープによる導電性拡散層により構成した変形形態の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図）である。
【０１３４】
また、図１６は、バルブ構造体１を弁座２への搭載側からみた平面図であり、図１７は、図１６のバルブ構造体１のＸ−Ｘ断面での断面図であり、図１８は、弁座２の斜視図である。また、図１９は、絶縁層３を介して対抗する電極（可動電極層１３、固定電極層２１）間において、この電極間の静電気力と絶縁層３の比誘電率との関係を示すグラフである。なお、後述する図２０、図２１は、第４実施形態の変形形態を示す平面図である。
【０１３５】
第４実施形態における半導体マイクロバルブでは、図１６、図１７に示すように、バルブ構造体１の下面において、金属層１４を形成する代わりに、シリコン基板の加工工程中において、このシリコン基板の下面に不純物ドープして導電性拡散層１７を形成している。この導電性拡散層１７は、フレーム１０、弁体部１１及びビーム１２の下面に形成されており、弁体部１１の下面部分が可動電極層１３として機能する。なおこの変形形態では、バルブ構造体１の上面側に金属層１５は形成されない。その代わり、バルブ構造体１の上面側表面には、窒化膜（ＳｉＮ）（図示せず）を形成している。
【０１３６】
この窒化膜は、線膨張係数がシリコン基板より小さいので、ビーム１２の上表面側においては、この窒化膜形成時の熱が冷めるときにこの窒化膜とシリコンとの線膨張係数の差に起因した残存応力がこれらの界面にて生じ、ビーム１２を下向きに反らせている。これにより弁体部１１の下面は、弁座２への搭載前の状態において、下方に突出するようになっている。このことの意義は既に前述した通りである。
【０１３７】
導電性拡散層１７の表面には、前述した第１実施形態乃至第３実施形態と同様に、絶縁層３が形成され、さらにバルブ構造体１の下面における長辺側の両端部に接合用アルミ層４が形成されている。この変形形態では、フレーム１０の下面位置における絶縁層３の一部に導電性拡散層１７にまで至るコンタクトホール３１が形成され、このコンタクトホール３１を形成した部分には、導電性拡散層１７にコンタクトホール３１を介して導通し、絶縁層３の表面に露出するバルブ側電極５が形成されている。このバルブ側電極５は、後述するよう、弁座２側への接続を容易にするためにバンプ電極として形成されている。
【０１３８】
第４実施形態において、弁座２は、その上表面に２つの外部接続用パッド２２、２６を有している。ここで、説明の便宜上、前者を第一の外部接続用パッド２２、後者を第２の外部接続用パッド２６とする。第一の外部接続用パッド２２と第２の外部接続用パッド２６とは電気的に独立して、静電駆動型半導体マイクロバルブを上から見た平面視において、バルブ構造体１の切欠部１６にて露出している。
【０１３９】
また、弁座２の上表面におけるバルブ側電極５と対応する位置には、バルブ通電用の受けパッド２７が形成されており、この受けパッド２７と第２の外部接続用パッド２６とは連絡用の配線路２８により接続されている。そして、バルブ構造体１を弁座２上に搭載一体化するとき、バルブ側電極５が受けパッド２７と一致し接続されるようになっている。この変形形態では、第一の外部接続用パッド２２と第２の外部接続用パッド２６とが共に切欠部１６にて露出しているので、外部電源への接続が容易に行うことができる。
【０１４０】
ところで第４実施形態では、初期状態において、弁体部１１下面側の可動電極層１３と弁座２上の固定電極層２１とは絶縁層３を介して対向していることから、この初期状態からより大きな静電気力を効率良く得るためには、絶縁層３の誘電率を大きくすることが有効である。図１９のグラフは、印加電圧を一定とした条件下でのグラフであり、このグラフからわかるように、電極（可動電極層１３、固定電極層２１）間の絶縁層３が有する比誘電率が大きくなる始める初期範囲において、静電気力が急な勾配で大きくなり、その後、その勾配は、緩やかになる傾向である。従って、絶縁層３の材料として高誘電率の絶縁材料を選択すると好ましい。例えば、ＳｉＯ２は、比誘電率が４、ＳｉＮが７であることからこれらよりも高誘電率（例えば比誘電率３０以上）の絶縁材料を使用すると良い。高誘電率材料の具体例としては、ＢａＴｉＯ３（比誘電率１００〜３００）、ＳｒＴｉＯ３（比誘電率１００〜３００）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（比誘電率３００〜１０００）などが例示できる。
【０１４１】
ここで、図２０は、第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにて、バルブ構造体１のビーム１２の入隅コーナーに面取り部１２ａを設けた態様を示す平面図であり、図２１（Ａ）は、図２０の点線Ｈ１で示す部分の拡大図であり、図２１（Ｂ）は、点線Ｈ２で示す部分の拡大図である。
【０１４２】
第４実施形態においては、その変形形態として、図２０、図２１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ビーム１２がフレーム１０や弁体部１１と連結される付け根部分における入隅コーナーや、ビーム１２の屈曲部に形成される入隅コーナーにおいて、面取り部１２ａが形成されていてもよい。ビーム１２は、薄肉であるため入隅コーナーに応力が一点集中すると応力集中箇所に亀裂を生じやすくなるが、ビーム１２の入隅コーナに面取り部１２ａを形成しておくとで応力集中を防止することができ、ビーム１２の破損等が防止される。この面取り部１２ａは、例えばＣ面やＲ面として形成することができる。
【０１４３】
また、第４実施形態においては、略卍状配置の４本のビーム１２により弁体部１１を支持する両持ちタイプのマイクロバルブを説明してきたが、他の変形形態を例示することができる。図２２は、ビーム１２をいわゆる片持ち梁状にした一態様を示す平面図であり、ビーム１２をフレーム１０と弁体部１１との分離領域を一周回したような形状とした変形形態であり、図２３は、ビーム１２を片持ち梁状にした他の態様を示す平面図であり、ビーム１２を最も一般的な一文字状のカンチレバー形状にした変形形態である。
【０１４４】
次に、弁体部１１の変位を規制するストッパを備えた実施形態を、第５実施形態として図２４乃至図２８に基づいて説明する。図２４乃至図２６は、第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、ガラスストッパ６を設けた半導体マイクロバルブの一態様を示す断面図）である。
【０１４５】
図２７は、第５実施形態におけるガラスストッパ６を一部に設けた静電駆動型半導体マイクロバルブを示す斜視図である。図２８（Ａ）は、第５実施形態におけるバルブ構造体１の構造内にストッパ片７を設けた静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図であり、図２８（Ｂ）は、Ｘ−Ｘ断面での断面図である。
【０１４６】
まず、第５実施形態においては、図２４乃至図２７に示すように、弁体部１１の変位を規制するストッパの一例として、ガラス製のストッパ（以降、ガラスストッパと称する。）６を設ける。
【０１４７】
図２４に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第１実施形態である図１乃至図４に示した具体例において、ガラスストッパ６を備えた構成である。このものでは、ガラスストッパ６の下側面に弁体部１１上面とのギャップ確保のための凹部である座ぐり部６１が形成されている。この例では、フレーム１０の上面も金属層１５にて被覆されているので、ガラスストッパ６を陽極接合にて固定できる。ここで、フレーム１０の上に金属層１５を設けず、フレーム１０にガラスストッパ６を直接陽極接合するようにしても勿論よい。
【０１４８】
なお、図２４における座ぐり部６１は、例えば、サンドブラストを用いて、ガラスストッパ６の弁体部１１に相対する部分を所定の厚み分だけ除去することで形成することができる。なお、この場合、サンドブラスト加工は、シリコン等をエッチング加工することに比べ、大きな高速で形成することができるため、大流量を得るバルブ用途に適している。
【０１４９】
一方、図２５に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第４実施形態である図１５乃至図１８に示した具体例において、平板状のガラスストッパ６を備えた構成である。この例では、フレーム１０の上面に、ストッパ接合層であるストッパ接合用アルミ層８がギャップを確保するに十分な厚みで形成されており、このストッパ接合用アルミ層８を介してガラスストッパ６がフレーム１０上に陽極接合されている。なお、ストッパ接合用アルミ層８は、スパッタリング等の半導体プロセスを用いることで、０．１μｍ程度の精度で厚み設定が可能であるので、弁体部１１とガラスストッパ６とのギャップが精度良く確保できる。
【０１５０】
このように静電駆動型半導体マイクロバルブは、ガラスストッパ６を設けておくことで、例えば弁孔２０に大きな流体圧が加わった場合等において、弁体部１１がビーム１２の撓みの許容以上に変位してビーム１２を破損するのを防止することができる。
【０１５１】
また、図２６に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁体部１１の厚みがフレーム１０の厚みより薄い構成である。弁体部１１の厚み加工は、例えば、弁体部１１のガラスストッパ６に対する面を、ＫＯＨ等溶液等により異方性エッチングすることで所定厚みだけ除去して行い、弁体部１１の厚みがフレーム１０の厚みより薄くなるように予め加工してもよい。この場合、異方性エッチングで取り除く所定の厚みとは、弁体部１１が変位する際に、弁体部１１の上側面とガラスストッパ６の下側面とのギャップが十分確保されるような厚みであり、異方性エッチングにては、１μｍ以下の精度で設定可能である。なお、図２６のものでは、例えば、フレーム１０にガラスストッパ６を直接陽極接合する。
【０１５２】
ここで、図２４、図２６に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、ガラスストッパ６がフレーム１０の全面を覆うサイズである（図示せず）が、ガラスストッパ６が少なくとも弁体部１１と所定の間隔、つまり、弁体部１１が変位する際に、弁体部１１の上側面とガラスストッパ６の下側面とのギャップが十分確保されるような間隔が確保されていれば、例えば、図２７に示すように、フレーム１０の一部を覆うようなサイズ構成であってもよい。
【０１５３】
なお、第５実施形態においては、ストッパはガラスを用いているが、例えば、樹脂系の材料のものも用いることもできる。この場合、プレス成形等の加工が容易であるので、低コストでストッパが形成される。
【０１５４】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、ガラスストッパ６は、弁体部１１の変位を規制することで、弁体部１１の変位が過大になることを防止するとともに、弁体部１１の破壊を防止する。また、弁体部１１とガラスストッパ６とのギャップを精度良く形成することで、流体の流量範囲の制御が精度良くなる。また、前述のギャップにより可動電極層１３と固定電極層２１との間に働く静電力が決定されるので、駆動電圧を低く抑える設計が可能になる。
【０１５５】
ここで、第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにて、ガラスストッパ６を設ける代わりに、図２８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、バルブ構造体１の構造中に突出片であるストッパ片７を有するようにしたものであってもよい。図２８では、フレーム１０の内壁部の一部に下側及び内側に開放する座ぐり部９が形成されており、ストッパ片７は、弁体部１１の側辺部の一部からフレーム１０に向かって延び、座ぐり部９内に導入されていて、座ぐり部９内壁に対してストッパ片は、間隔を有して遊挿状態となっている。そして弁体部１１が上方に変位したとき、座ぐり部９の天面にストッパ片７が当って、弁体部１１の上方への変位が規制されるようになっている。
【０１５６】
このストッパ片７及び座ぐり部９を形成するにあたっては、例えば座ぐり部９とストッパ片７との離間領域のうち、基板厚み方向は、下面からのエッチングで掘り込み形成し、また基板面と平行な方向は、犠牲層エッチングで掘り込むといった手法が挙げられる。この際、犠牲層で除去する位置に埋め込み酸化膜を有するＳＯＩ基板を用いると便利である。なお、図２８のものは、ストッパ片７を弁体部１１に一箇所設けた例となっているが、弁体部１１の４つの各側面に形成しても良く、また、弁体部１１からではなく、ビーム１２の先端側に側方に突設しても構わない。突出片は、バルブ構造体１の構造中に形成されたものであってもよい。
【０１５７】
次に、フレーム１０や、ストッパや、ストッパ接合層に開口部を備えた実施形態を、第６実施形態として図２９乃至図３１に基づいて説明する。図２９は、第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図及び斜視図（（Ａ）は、断面図であり、（Ｂ）は、斜視図）である。図３０、図３１は、第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの変形形態を示す断面図である。
【０１５８】
図２９に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第５実施形態である図２５に示した具体例において、排出口の機能を果たす微細な開口部である孔部６ａを備えた構成である。図２５において、ストッパ接合用アルミ層８の一部が除去された構成となっており、ストッパ接合用アルミ層８の除去は、通常の半導体プロセスにて行い、孔部６ａが形成される。この場合、バルブ構造体１とガラスストッパ６の間で形成される空間Ｓは、孔部６ａの存在のために、完全な閉空間とはならないが、ほとんど閉空間に近い状態になる。なお、ガラスストッパ６は、フレーム１０の全面を覆っているが、図２９（Ｂ）にては、便宜上、孔部６ａの上側部を除去した形で図示している。
【０１５９】
ここで、孔部６ａは、半導体プロセスにて形成されるので、加工が高精度になされるため、空間Ｓ内の圧力調整が行いやすい。また、バルブ構造体１とガラスストッパ６の間で、孔部６ａを介して静電駆動型半導体マイクロバルブ外部と空間Ｓとが連通することで、弁体部１１が駆動する際に、空気ダンパーの効果が得られ、更に弁体部１１の破壊を防止することができる。孔部６ａの上下方向の開口長さ（図２９のｈ）は、微細であるが、その微細の程度は、弁孔２０の開口径（直径）と同オーダー程度である。例えば、弁孔２０の開口径（直径）が０．３ｍｍである場合、孔部６ａの上下方向の開口長さが０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度である。なお、孔部６ａの上下方向の開口長さは、弁孔２０の開口径以下であることが好ましい。
【０１６０】
また、その他の変形形態を図３０、図３１に示す。図３０に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第５実施形態である図２６に示した具体例において、フレーム１０の一部をエッチング等の加工技術により一部除去して開口部である孔部６ａを形成した一例である。また、図３１に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、図２５においてストッパ接合用アルミ層８を設けず、かつ、図２４に示す座ぐり部６１と同様に形成可能な、一端を静電駆動型半導体マイクロバルブ外縁まで伸びた段部６１ａを備えるとともに、この段部６１ａの外縁側であるフレーム１０の一部が除去され孔部６ａを備えた構成である。
【０１６１】
なお、段部６１ａは、例えば数十μｍ程度の深さをサンドブラスト加工等により形成する場合には、段部６１ａの形成と同時に、孔部６ａの形成も可能である。この場合、孔部６ａの上下方向の高さは、段部６１ａの高さに等しくなるが、幅方向のサイズは、加工時のマスク形状により自由に制御可能であるので、空間Ｓの圧力調整が効率的に行える。
【０１６２】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、孔部６ａにより、前述の空間Ｓ内の流体の圧力が孔部６ａの外部、つまり静電駆動型半導体マイクロバルブ外部の圧力よりも高くなるので、静電駆動型半導体マイクロバルブに流入してくる側の流体圧力と空間Ｓ内の圧力との圧力差が縮小され、弁体部１１を駆動する静電力が小さくても弁体部１１が駆動可能であり、微小流量を高精度に制御することができる静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。
【０１６３】
なお、第６実施形態においては、開口部である微細な孔部６ａは、フレーム１０や、ガラスストッパ６や、ストッパ接合用アルミ層８に形成したものを例示しているが、少なくとも、フレーム１０、ガラスストッパ６、ストッパ接合用アルミ層８のいずれかに形成されていれば、フレーム１０や、ガラスストッパ６や、ストッパ接合用アルミ層８の各部にまたがる形で孔部６ａが形成されていても勿論よい。
【０１６４】
次に、第１実施形態における異なる電極の取り出し構造を示した実施形態を、第７実施形態として図３２に基づいて説明する。図３２は、第７実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１６５】
図３２に示すように、図２（Ｂ）に示したＹ−Ｙ断面において、静電駆動型半導体マイクロバルブは、フレーム１０における弁座２に対しての非対向面（図３２ではバルブ構造体１の上面）には、フレーム１０内を通じて可動電極層１３と電気的に接続される可動電極層側電極パッド３０を備えている。
【０１６６】
また、弁座２におけるバルブ構造体１に対しての非対向面（図３２では弁座２の下面）には、固定電極層側電極パッド３００が形成され、弁孔２０に沿って箇所には、固定電極層側電極パッド３００と電気的に接続されている第４導電部３２である配線路等が形成され、第４導電部３２と固定電極層２１とは、電気的に接続されている。なお、可動電極層側電極パッド３０と固定電極層側電極パッド３００との間に外部電源に接続することにより、可動電極層１３と固定電極層２１との間に電圧印加することができる。
【０１６７】
静電駆動型半導体マイクロバルブは、可動電極層１３を基板であるフレーム１０内を通じて、可動電極層側電極パッド３０と導通させることで、可動電極層１３が可動電極層側電極パッド３０のところまで引き出された構成になる。また、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁孔２０を経由して設けた第４導電部３２を介して固定電極層側電極パッド３００と導通させることで、固定電極層２１が固定電極層側電極パッド３００のところまで引き出された構成となる。
【０１６８】
ここで、可動電極層１３、固定電極層２１、可動電極層側電極パッド３０、固定電極層側電極パッド３００、第４導電部３２といった配線の材料は、例えばアルミ、クロム等の金属薄膜を例示することができるが、この薄膜は、真空蒸着、スパッタ、イオンプレーティング等の方法により形成することができる。なお、固定電極層側電極パッド３００、第４導電部３２、固定電極層２１は、各々が電気的に接続されていれば、一体形成したものであってもよし、勿論各々別途形成してもよい。
【０１６９】
なお、弁体部１１、フレーム１０、各ビーム１２の下表面に設けた可動電極層１３又は金属層１４の表面には、弁座２側との導通を防止するために絶縁層３が形成されている。
【０１７０】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、可動電極層側電極パッド３０、固定電極層側電極パッド３００といった外部電源に接続する電極をバルブ外部に取り出すことにより、チップサイズの増大がないため、より小型な静電駆動型マイクロバルブを提供することができる。また、小型化によりチップの取れ数が増大するため、製造コストを低減させることができる。
【０１７１】
次に、第７実施形態における変形形態を示した実施形態を、第８実施形態として図３３に基づいて説明する。図３３は、第８実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１７２】
図３３に示すように、図３２において、バルブ構造体１を構成する半導体基板は、ＳＯＩ基板である、つまりバルブ構造体１が活性層４０、絶縁性である埋め込み中間酸化膜４１、支持層４２からなるＳＯＩ基板で構成されている。なお、第８実施形態においては、活性層４０は、弁座２との対向面側に配置された構成である。
【０１７３】
フレーム１０は、活性層４０から支持層４２まで貫通する凹部４３を備え、この凹部４３の内面には、アルミ、クロム等の導電性を有する第１導電部４４である導電性の膜を形成して、活性層４０と支持層４２と可動電極層側電極パッド３０とを電気的に接続させ、活性層４０と支持層４２とを導通させ、基板であるフレーム１０内を通じて、可動電極層１３が可動電極層側電極パッド３０まで引き出された構成である。
【０１７４】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、バルブ構造体１にＳＯＩ基板を使用し、活性層４０の薄いものを用いることで、薄肉のビーム１２を精度よく形成することができる。それにより、ビーム１２の剛性を低減させることができるため、バルブの排気性能を向上させるとともに駆動電圧の低減が可能となる。ここで、駆動電圧を低減させる代わりに電極面積を縮小すれば、チップサイズの小型化が実現でき、更なる製造コストの低減がはかれる。
【０１７５】
次に、第８実施形態における変形形態を示した実施形態を、第９実施形態として図３４に基づいて説明する。図３４は、第９実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１７６】
図３４に示すように、第２導電部４５である導電性の膜は、例えば、フレーム１０における弁体部１１への対向面から、弁体部１１に対向する側のフレーム１０壁面側を経由して、バルブ構造体１の上面まで形成されており、可動電極層側電極パッドの機能を兼ねており、活性層４０と支持層４２とが電気的に接続される。なお、第２導電部４５に関して、可動電極層側電極パッドを機能する領域と、フレーム１０における弁体部１１への対向する領域と、弁体部１１に対向する側のフレーム１０壁面側の領域とは、一体形成して電気的に接続するようにしても、各々別々に形成し、電気的に接続するようにしてもよい。なお、第２導電部４５の材料は、一例としてアルミ、クロム等である。なお、第８実施形態においては、ＳＯＩ基板で構成された弁体部１１、ビーム１２の周辺にも、図３４に示すように、第２導電部４５と同材料の導電性の膜（４５ａ）を覆うように形成している。
【０１７７】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、バルブ構造体１にＳＯＩ基板を使用し、活性層４０の薄いものを用いることで、薄肉のビーム１２を精度よく形成することができる。それにより、ビーム１２の剛性を低減させることができるため、バルブの排気性能を向上させるとともに駆動電圧の低減が可能となる。ここで、駆動電圧を低減させる代わりに電極面積を縮小すれば、チップサイズの小型化が実現でき、更なる製造コストの低減がはかれる。
【０１７８】
次に、第７実施形態における変形形態を示した実施形態を、第１０実施形態として図３５に基づいて説明する。図３５は、第１０実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１７９】
図３５に示すように、静電駆動型半導体マイクロバルブは、静電駆動型半導体マイクロバルブの外部と貫通する開口部である微細な孔部６ａを備え、弁体部１１の変位を規制する例えばガラスストッパ６をバルブ構造体１の上に備えており、ガラスストッパ６と、バルブ構造体１と、弁座２からなる３層構造である。第１０実施形態においては、フレーム１０の上面に、第７実施形態では可動電極層側電極パッド３０として機能していた金属膜３０ａがギャップを確保するに十分な厚みで形成されており、金属膜３０ａを介してガラスストッパ６がフレーム１０上に陽極接合されている。
【０１８０】
なお、ガラスストッパ６は、例えばフレーム１０と弁体部１１との間の上部に位置する箇所に孔部６ａを設けており、この孔部６ａは、例えば弁孔２０に大きな流体圧が加わった場合等において、第６実施形態の図２９乃至図３１に示した孔部６ａと同様の機能を果たすので、ここでは詳細な説明は省略する。ここで、開口部である孔部６ａは、ストッパに対して厚み方向に貫通しているので、孔部６ａに例えば管状の部材（図示せず）を取り付けることで、孔部６ａから流体媒体の取り出しが容易に行える。
【０１８１】
ここで、第１０実施形態においては、孔部６ａには、金属膜３０ａと電気的に接続して、ガラスストッパ６の上面まで形成された第３導電部４６である配線路を備えており、第３導電部４６は、ガラスストッパ６の上面で、外部電源に接続する可動電極層側電極パッド３０ｂと電気的に接続されている。なお、第３導電部４６の材料は、一例としてアルミ、クロム等であり、第１０実施形態では、ガラスストッパ６の孔部６ａ及び上面部にわたり第３導電部４６が形成されている構成を一例として示している。
【０１８２】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、金属膜３０ａと第３導電部４６と、可動電極層側電極パッド３０ｂを電気的に接続することで、可動電極層１３がガラスストッパ６の上面まで引き出された構成となり、より小型な静電駆動型マイクロバルブを提供することができる。
【０１８３】
次に、他の実施形態を、第１１実施形態として図３６に基づいて説明する。図３６は、第１１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１８４】
静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１のフレーム１０と弁座２との間に設けられる金属薄膜等の接合用電極５０を備えており、接合用電極５０を介してバルブ構造体１と弁座２とが陽極接合される。弁座２におけるフレーム１０との接合面側には、図３６に示すように、接合用電極５０と電気的に接続される配線路５１と、可動電極層側電極パッド５２と、固定電極層側電極パッド５３とが形成されている。
【０１８５】
ここで、可動電極層１３は、接合用電極５０と配線路５１と可動電極層側電極パッド５２とを導通させることにより、可動電極層側電極パッド５２まで引き出された状態になる。
【０１８６】
また、固定電極層側電極パッド５３は、図３６に示すように、例えば固定電極層２１を弁座２の端部まで例えば連絡配線を利用して延設して、固定電極層２１と固定電極層側電極パッド５３とを導通させることにより、固定電極層２１を固定電極層側電極パッド５３まで引き出している。なお、接合用電極５０、配線路５１、可動電極層側電極パッド５２、固定電極層側電極パッド５３の材料は、一例としてアルミ、クロム等である。
【０１８７】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、可動電極層側電極パッド５２と固定電極層側電極パッド５３とを同一平面上に形成すことができるため、プローブ検査や実装が容易となる。また、可動電極層側電極パッド５２の位置を図３２に示すような構造の場合に比べて低くすることができるため、薄型のパッケージに収めることができ、例えば、薄型化ニーズの高い携帯型商品への搭載で優位性を持たせることができる。
【０１８８】
最後に、第１実施形態における環状凹溝２４、逃がし溝２４ａに関する（２つの）変形形態である実施形態を、第１２実施形態として図３７、図３８に基づいて説明する。図３７、図３８は、第１２実施形態における弁座２を示す平面図である。
【０１８９】
ここで、第１実施形態においては、図４、図１４に示すように、逃がし溝２４ａは、一端が環状凹溝２４に連通し、他端が静電駆動型半導体マイクロバルブの外部に開放されているが、第１２実施形態においては、静電駆動型半導体マイクロバルブは、図３７に示すように、例えば、他端が固定電極層２１の範囲内に収まるような終点である構成の連通溝部２４ｃを備えている点が異なっている。なお、連通溝部２４ｃにおける前述の他端は、弁座２から外部に開放されず、つまり静電駆動型半導体マイクロバルブから外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であればよい。
【０１９０】
なお、更に第１実施形態における変形形態としては、静電駆動型半導体マイクロバルブは、図３８に示すように、弁孔２０から所定の距離をとり、弁座２の各辺に対して放射状に配置された溝部２４ｄを備えた構成である。なお、この放射状に配置された溝部２４ｄは、例えば本数が８本で弁孔２０を取り囲む溝であるが、その本数は所望の数であってよく、弁座２から外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であればよい。
【０１９１】
また、各放射状に配置された溝部２４ｄの配置は、対称対となるように配置されることが好ましく、この場合、放射状に配置された溝部２４ｄにより、弁孔２０から流れ出る流体がスムーズに排出される。なお、上述の連通溝部２４ｃ、放射状に配置された溝部２４ｄは、サンドブラスト等により形成することができる。
【０１９２】
なお、第１２実施形態においては、上述の放射状に配置された溝部２４ｄは、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０から所定の距離をとるように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【０１９３】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、連通溝部２４ｃや放射状に配置された溝部２４ｄが弁座２から外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であるので、ダイシング等の製造時に異物が混入することを防止することができる。
【０１９４】
ここで、第７実施形態乃至第９実施形態及び第１１実施形態において、第１実施形態乃至第６実施形態及び第１２実施形態に示したような変形箇所を組み合わせた構成で静電駆動型半導体マイクロバルブを形成しても勿論よく、また、第１０実施形態において、第１実施形態乃至第４実施形態及び第１２実施形態に示した変形形態を組み合わせた構成で静電駆動型半導体マイクロバルブを形成しても勿論よい。
【０１９５】
また、第１実施形態乃至第１２実施形態においては、環状溝部２４及び連通溝部２４ａ（又は連通溝部２４ｃ）は、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０を内側に含むように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【０１９６】
なお、本発明は、前述の実施形態及びその説明に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形形態もこの発明に含まれる。
【０１９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図である。
【図２】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの開放状態を示す断面図である。
【図４】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの開放状態を示す斜視図である。
【図５】第１実施形態におけるバルブ構造体の変形形態を示す断面図である。
【図６】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの他の変形形態を示す断面図である。
【図７】第２実施形態における弁座を示す断面図である。
【図８】第３実施形態における弁座を示す断面図である。
【図９】第３実施形態における弁体部を示す断面図である。
【図１０】第３実施形態における弁体部の変形形態を示す平面図である。
【図１１】第３実施形態における弁体部の他の変形形態を示す断面図である。
【図１２】第１実施形態におけるバルブ構造体の上面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【図１３】第１実施形態におけるバルブ構造体の下面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【図１４】第１実施形態における弁座の加工プロセスを示す工程図及び断面図である。
【図１５】第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図である。
【図１６】第４実施形態におけるバルブ構造体を弁座への搭載側からみた平面図である。
【図１７】第４実施形態におけるバルブ構造体の断面図である。
【図１８】第４実施形態における弁座の斜視図である。
【図１９】第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにおける静電気力と比誘電率との関係を示すグラフである。
【図２０】第４実施形態におけるバルブ構造体の変形形態を示す平面図である。
【図２１】図２０に示す点線Ｈ１、Ｈ２部分を拡大した平面図である。
【図２２】第４実施形態におけるビームの変形形態を示す平面図である。
【図２３】第４実施形態におけるビームの他の変形形態を示す平面図である。
【図２４】第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図２５】第５実施形態における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図２６】第５実施形態における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図２７】第５実施形態における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す斜視図である。
【図２８】第５実施形態におけるバルブ構造体にストッパ片を設けた平面図及び断面図である。
【図２９】第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図及び斜視図である。
【図３０】第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの変形形態を示す断面図である。
【図３１】第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの他の変形形態を示す断面図である。
【図３２】第７実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３３】第８実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３４】第９施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３５】第１０実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３６】第１１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３７】第１２実施形態における弁座を示す平面図である。
【図３８】第１２実施形態における弁座の他の変形形態を示す平面図である。
【符号の説明】
１ バルブ構造体
２ 弁座
３ 絶縁層
６ ガラスストッパ
６ａ 孔部
１０ フレーム
１０ａ 開口部
１１ 弁体部
１２ ビーム
１３ 可動電極層
２０ 弁孔
２１ 固定電極層
３０、３０ｂ、５２ 可動電極層側電極パッド
３０ａ 金属膜
３２、４４、４５、４６ 導電部
４０ 活性層
４１ 中間酸化膜
４２ 支持層
４３ 凹部
５０ 接合用電極
５１ 配線路
５３、３００ 固定電極層側電極パッド
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板をマイクロマシンニング加工して形成したバルブ構造体を使用し、流体の流れを制御するマイクロバルブに関し、詳しくは静電気力により流体の流れる弁孔の開閉動作を行う静電駆動型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】
従来から、マイクロエレクトロニクス分野や医療機器用途などにおける流体制御部品として、シリコン等の半導体基板をマイクロマシンニング技術により微細構造加工してバルブ部材としてのマイクロ構造体を形成し、これを用いて流体の流通制御をできるようにしたマイクロバルブが各所で研究開発されている。
【０００３】
一般に、このマイクロバルブでは、バルブ部材に弁孔を開閉するための弁体が形成されており、前記弁孔を有する弁座部材と前記バルブ部材とを一体に組合せて構成し、前記バルブ部材に形成した弁体を前記弁座部材に対し変位動作させることにより前記弁孔を開閉して当該弁孔を流れる流体の流通を制御できるようになっている。このマイクロバルブの弁開閉動作の駆動方式としては、いわゆるバイメタル原理を応用した熱駆動式と対向電極間に生じる静電気力を利用した静電駆動式がある。そのうち後者方式のものの一例として、例えば特許文献１に開示されたような弁素子がある。
【０００４】
この弁素子は、流体が通過するノズルが形成されたノズルプレートと、電極板と、この電極板を被覆する絶縁層と、前記ノズルを開閉するバルブ屈撓部分に一体的に形成されている可撓性で導電性のあるバルブビームから構成されている。前記電極板とこの電極板を被覆する絶縁層は、前記ノズルプレートに積層配置されており、前記バルブビームの屈撓部分は、前記電極板上の絶縁層に対して所定の間隔を保持した配置となっており、前記電極板と前記バルブビームとの間に電圧を印加したとき、前記バルブビームの屈撓により前記バルブが前記ノズルを開閉するようになっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−３０７９５９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、対向する電極間に生ずる静電気力の大きさは、両電極面が平行で且つ一定電圧が印加される条件下で、エネルギー損失を考慮しないものとすると、理論上は次式の如く算出される。
【０００７】
静電気力［Ｎ］＝（１／２）×（印加電圧［Ｖ］）２×（電極面積）２×（電極間物質の誘電率［Ｃ／Ｎ・ｍ２］）／（電極間距離［ｍ］）２
上式から、電極間に生ずる静電気力は、電極間距離が大きくなるとその２乗に比例して小さくなることになることがわかる。この点を勘案して、従来技術として示した前記特許文献１に記載の弁素子について考察すると、この弁素子は、前記ノズルビームが導電性であり、電圧印加しない初期状態では、前記電極板とは前記絶縁層を介して所定の間隔を保持して対向した配置となっているので、前記バルブを変位させて前記ノズルを開閉し前記ノズルを流れる流体の流通を良好に制御するためにより大きな静電気力を得るには、前記所定の間隔を小さく設計したり、印加電圧を大きくしたり、或いは電極面積を大きくすることになる。
【０００８】
しかしながら、前記所定の間隔が余り小さいと前記ノズルを開放状態にしたときに良好な流体の流通を確保できなくなるため、少なくともある一定距離以上の間隔は必ず確保されなければならず、更に大きな静電気力を得るには、印加電圧や電極面積の大きさ設定に依存することとなる。
【０００９】
これに加え、前記所定の間隔が開いた初期状態から電圧印加して前記バルブを前記ノズルに当接するまで変位させ前記ノズルを閉止するときには、単に前記バルブを前記ノズル側に引き寄せる力だけでなく、バルブビームが撓むときに元の状態に戻ろうとする復元弾性に抗するための力も要するため、前記弁孔を流れる流体圧に抗するよりも大きい静電気力が必要である。
【００１０】
これに対し、近年ではデバイスの小型化傾向にあるため、電極面積を大きくする設計は、デバイスのサイズを大きくする要因となり望ましくない。また、近年は低消費電力化も要望されているため、印加電圧を大きくすることはこれと相反する結果となり望ましくない。従って、前記従来技術に係る弁素子の構造では、小型化を追求する上で、ノズルを流れる流体の良好な制御と低消費電力化とを高いレベルで両立するには限界があった。
【００１１】
本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、半導体基板をマイクロマシンニング加工することにより、中央領域に開口を有するフレームと、該フレームの開口内に配置された弁体部と、該弁体部と前記フレームとを連結し、前記弁体部が前記フレームに対し基板厚み方向に変位可能となる撓み性を有する薄肉のビームと、を備えるバルブ構造体と、表面に開口する弁孔を有し、該弁孔に前記弁体部が一致するようにして前記フレームを表面に固定することによって前記バルブ構造体が搭載される弁座と、を具備し、前記バルブ構造体は、前記弁体部における前記弁座への対向面において形成された可動電極層を有し、前記弁座は、前記表面において前記可動電極層に対向するよう形成された固定電極層を有し、前記可動電極層及び前記固定電極層の少なくとも一方の表面には、これら両電極層間の導通を防止するための絶縁層が形成され、前記弁体部は、前記可動電極層及び前記固定電極層に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触しており、前記可動電極層及び前記固定電極層に電圧を印加した状態では、これら両電極層間に前記弁孔を閉止する静電気力を発生させる。
【００１３】
ここで、前述の「前記可動電極層及び前記固定電極層に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触して」とは、電圧が印加されず且つ前記弁孔に流体圧がかかっていない状況下（以下、初期状態と称する。）にあるときには、前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域に接触していることを意味している。
【００１４】
また前記「接触圧」とは、この初期状態において前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域への接触する状態を保持するよう前記ビームの支持力にて前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域に押付けられる比較的微小な圧力のことである。従って、電圧無印加の状態であっても前記接触圧よりも大きな流体圧が前記弁孔に加わった場合には、前記弁体部は、押し上げられることになる。
【００１５】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブでは、前述のように、電圧を印加しない状態において、前記弁体部が前記弁座における前記弁孔の開口周辺領域に接触していることから、電圧印加して前記弁孔を閉止するときには、前記弁体部を変位させるエネルギーは無用であるため、必要となる前記静電気力は前記弁孔を流れる流体の圧力に抗するのに要する力だけとなる。
【００１６】
しかも、前記可動電極層と前記固定電極層との距離は、実質的に前記絶縁層の厚み分のみの最小限の大きさとなるため、電圧印加を開始した初期から最大の静電気力が効率良く得られるため、前記弁孔を閉止するに要する消費電力が比較的小さくてすむ。
【００１７】
一方、前記弁孔を開放する場合には、電圧を印加しない状態で前記弁孔に前記弁体部の接触圧よりも大きい流体圧が加わると前記弁体部が押し上げられて開放状態となる。この前記弁孔の開放しやすさは、前記弁体部の接触圧に依存しており、前記弁体部の接触圧が小さければ小さな流体圧でも前記弁孔が開放するようになる。なお、前記弁体部の接触圧は、例えば前記ビームによる前記弁体部の支持力を調整することで、所望の大きさにすることが可能である。
【００１８】
以上のように、このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる。
【００１９】
また、本発明の請求項２に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームは、前記弁体部を前記弁孔の開口周辺領域に対し押し付ける弾性力を有する。
【００２０】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記弾性力により、前記弁孔に対する前記弁体部の接触状態を確実に得ることができ、例えば、当該静電駆動型半導体マイクロバルブが重力方向に対して前記バルブ構造体が前記弁座より下側になるような状態で使用される場合、前記弁体部の自重による重力が当該弁体部が前記弁孔から離れる方向に働くが、前記ビームの弾性力により前記弁孔に対する前記弁体部の接触状態を維持できる。
【００２１】
また、本発明の請求項３に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームにおける弁座側への対向面には、前記ビームを構成する前記半導体基板の材料が有する線膨張係数よりも大きい線膨張係数の材料からなる薄膜層が形成されている。
【００２２】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記半導体基板の材料と前記薄膜層の材料との線膨張係数の差に起因する残存応力が、前記ビームが前記弁座向きに反る方向に生じるために、前記ビームは、前記弾性力が付勢されるので、前記バルブ構造体が前記弁座に搭載され両者が一体化される前の状態から、前記ビームが前記弁座の向きに撓みやすくなる。
【００２３】
また、本発明の請求項４に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２又は請求項３に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームにおける前記弁座に対しての非対向面には、前記ビームを構成する前記半導体基板の材料が有する線膨張係数よりも小さい線膨張係数の材料からなる薄膜層が形成されている。
【００２４】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記半導体基板の材料と前記薄膜層の材料との線膨張係数の差に起因する残存応力が、前記ビームが前記弁座向きに反る方向に生じるために、前記ビームは、前記弾性力が付勢されるので、前記バルブ構造体が前記弁座に搭載され両者が一体化される前の状態から、前記ビームが前記弁座の向きに更に撓みやすくなる。
【００２５】
また、本発明の請求項５に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むよう環状に突出し、その先端面が前記弁孔の閉止状態における前記弁体部と前記弁座との封止面となる環状突状部が形成されている。
【００２６】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記環状突状部が前記対向面の他の部位より前記弁体部側に突出して当該弁体部に接触するので、確実な接触状態が得やすくなる。
【００２７】
また、本発明の請求項６に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むような環状溝部を形成するとともに、該環状溝部に少なくとも一端が連通する連通溝部を形成する。
【００２８】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記環状溝部及び前記連通溝部により、前記弁孔から流れ出る流体がスムーズに排出される。また、前記環状溝部及び前記連通溝部により、前記弁孔を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行えるので、開閉応答性は、比較的良好に確保される。
【００２９】
また、本発明の請求項７に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部から所定の距離をとり放射状に配置された溝部を形成する。
【００３０】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記放射状に配置された溝部により、前記弁孔から流れ出る流体がスムーズに排出される。また、前記放射状に配置された溝部により、前記弁孔を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行えるので、開閉応答性は、比較的良好に確保される。
【００３１】
また、本発明の請求項８に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームにおける前記弁座への対向面には、前記可動電極層が連続的に形成され、前記弁座における前記固定電極層は、前記ビームとの対向領域まで形成されている。
【００３２】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記可動電極層と前記固定電極層の対向面積が大きくなるので、同じ印加電圧の大きさで大きな静電気力が得られることになり、低消費電力化に有利となる。
【００３３】
また、本発明の請求項９に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面には、前記弁体部と前記弁座とが接触界面で固着するのを防止する固着防止手段を設けている。
【００３４】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、例えば、前記弁体部と前記弁座とが前記接触状態から解離し難くなる現象、つまり界面固着現象が生じた場合、前記固着防止手段にてこの界面固着現象による前記弁体部と前記弁座との間の固着力を低減させることができるので、安定した弁開閉を実現することができる。
【００３５】
また、本発明の請求項１０に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項９に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記固着防止手段は、前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の表面に形成された微小突起である。
【００３６】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、形成容易な前記微小突起により、前記弁体部と前記弁座との間に水分が付着し難くなり、前記界面固着現象が防止される。
【００３７】
また、本発明の請求項１１に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項９又は請求項１０に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記固着防止手段は、前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の表面に形成された表面粗面化処理及び／又は疎水化処理が施された箇所である。
【００３８】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記固着防止手段として表面粗面化処理が施された箇所が形成されている場合には、前記弁体部と前記弁座の接触界面中に水分が介在しても、界面中の水の層が均一膜厚にならないために、前記界面固着現象が防止され、また、前記固着防止手段として疎水化処理が施された箇所が形成されている場合には、前記接触界面中に水分が付着し難くなるために、前記界面固着現象が防止される。
【００３９】
また、本発明の請求項１２に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体は、前記ビームを４本有し、各ビームは、前記フレーム内の各辺から延出して略卍状を成すよう配置されている。
【００４０】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記バルブ構造体のサイズが小さくても前記ビームの長さを大きくすることができるため、小型化に有利であり、前記弁体部が基板厚み方向に変位するとき、基板の主面と平行な面において回転を伴いながら高い位置までのストロークも可能となる。
【００４１】
また、本発明の請求項１３に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体は、前記ビームが前記フレーム内の一辺から延出されて片持ち梁状に前記弁体部を支持している。
【００４２】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記バルブ構造体の構造が比較的簡単なものとなるため、半導体基板からの加工が行いやすくなる。
【００４３】
また、本発明の請求項１４に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記絶縁層は、ＳｉＯ２及びＳｉＮよりも高誘電率の絶縁材料からなる。
【００４４】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記絶縁層が高誘電率になるほど同じ印加電圧に対する前記可動電極層と前記固定電極層の間に生じる静電気力が大きくなるため、前記絶縁層がＳｉＯ２及びＳｉＮよりも高誘電率とすることで、前記静電気力を効率的に取得することができる。
【００４５】
また、本発明の請求項１５に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記絶縁層は、比誘電率が３０以上である。
【００４６】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記絶縁層を比誘電率３０以上とすることで、より効率的に前記静電気力を取得することができる。
【００４７】
また、本発明の請求項１６に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１５に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記絶縁層は、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３から選ばれた少なくとも一種からなる層である。
【００４８】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記絶縁層をＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３から選ばれた少なくとも一種からなる層とすることで、更に効率的に前記静電気力を取得することができる。
【００４９】
また、本発明の請求項１７に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部は、前記フレームに比べて薄肉に形成されている。
【００５０】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記弁体部を前記フレームに比べて薄肉に形成することで、前記弁体部の質量が小さくなるため、前記弁孔の開閉動作を行いやすくなる。
【００５１】
また、本発明の請求項１８に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１７に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側には凹所を備えている。
【００５２】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記凹所を容易に形成することができるので、前記弁体部を容易に薄肉化することができる。
【００５３】
また、本発明の請求項１９に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１７に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側の面には補強リブを備えている。
【００５４】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記補強リブを設けることで、前記弁体部に対する補強効果が得られる。
【００５５】
また、本発明の請求項２０に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームと前記フレーム及び／又は弁体部との連結部に形成される入隅コーナー、及び／又は前記ビームの屈曲部に形成される入隅コーナーにおいて面取り部が形成されている。
【００５６】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記ビームが薄肉であるため、前記入隅コーナーに応力集中すると応力集中箇所には亀裂を生じやすくなるため、前記入隅コーナーに前記面取り部を形成することで、応力集中を防止することができる。
【００５７】
また、本発明の請求項２１に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項２０のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記フレームにおける前記弁座に対しての非対向面には、前記フレーム内を通じて前記可動電極層と電気的に接続される可動電極層側電極パッドを設けている。
【００５８】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記可動電極層側電極パッドによって電極の取り出しすることができるので、チップサイズの増大がなく、より小型な静電駆動型マイクロバルブを提供することができる。また、小型化によりチップの取れ数が増大するため、製造コストを低減させることができる。
【００５９】
また、本発明の請求項２２に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体は、支持層、中間酸化膜、活性層からなるＳＯＩ基板で構成され、前記弁座との対向面側に前記活性層を配置する場合に、前記活性層から前記支持層まで貫通する凹部を設け、該凹部の内面には、導電性を有する第１導電部を設けて前記活性層と前記支持層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００６０】
また、本発明の請求項２３に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体は、支持層、中間酸化膜、活性層からなるＳＯＩ基板で構成され、前記フレームにおける前記弁体部への対向面には、前記活性層と前記支持層とを電気的に接続する導電性を有する第２導電部を設け、前記活性層と前記支持層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００６１】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記バルブ構造体に前記ＳＯＩ基板を使用することで、前記ビームを精度よく薄肉化形成することができ、前記ビームの剛性を低減させることができるため、バルブの排気性能を向上させるとともに駆動電圧の低減が可能となる。ここで、駆動電圧を低減させる代わりに電極面積を縮小すれば、チップサイズの小型化が実現でき、更なる製造コストの低減がはかれる。
【００６２】
また、本発明の請求項２４に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項２３のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部の変位を規制するストッパを更に備える。
【００６３】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、例えば前記弁孔に大きな流体圧が加わる場合に、前記弁体部が前記ビームの撓みの許容以上に変位し、前記ビームを破損する恐れがあるが、前記ストッパにより前記弁体部の必要以上の変位を規制することで、前記ビームの破損を防止することができる。
【００６４】
また、本発明の請求項２５に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ストッパは、前記バルブ構造体とは別部材として前記弁体部と所定間隔をおいて前記バルブ構造体上に載置されたものである。
【００６５】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記ストッパを前記バルブ構造体とすることで、前記弁体部が破壊されることを防止することができる。
【００６６】
また、本発明の請求項２６に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体の前記フレームの内壁部は、座ぐりされた座ぐり部を備え、前記ストッパは、前記ビーム又は前記弁体部から側方に延出され前記座ぐり部内に遊挿された突出片である。
【００６７】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記座ぐり部内に前記突出片を設けることで、前記弁体部が上方に変位することを規制することができる。
【００６８】
また、本発明の請求項２７に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２４又は請求項２５に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記フレームと前記ストッパとの間に、前記両者を接合するための接合層を設け、該接合層にて、前記ストッパと前記弁体部との間にギャップを形成する。
【００６９】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記接合層により、前記弁体部と前記ストッパとのギャップが精度良く確保でき、流体の流量範囲の制御が精度良くなる。また、前述のギャップにより前記可動電極層と前記固定電極層との間に働く静電力が決定されるので、駆動電圧を低く抑える設計が可能になる。
【００７０】
また、本発明の請求項２８に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２４又は請求項２５に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ストッパにおける前記弁体部に対しての対向面には、凹部を備えている。
【００７１】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記凹部により、前記弁体部と前記ストッパとのギャップが精度良く確保でき、流体の流量範囲の制御が精度良くなる。また、前述のギャップにより前記可動電極層と前記固定電極層との間に働く静電力が決定されるので、駆動電圧を低く抑える設計が可能になる。
【００７２】
また、本発明の請求項２９に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２７又は請求項２８に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ストッパは、少なくとも前記フレーム上面全面を覆うサイズであり、前記接合層又は前記フレーム又は前記ストッパの、少なくともいずれかに開口部を備えている。
【００７３】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記開口部により、静電駆動型半導体マイクロバルブ内外の圧力差が縮小され、前記弁体部を駆動する静電力が小さくても前記弁体部が駆動可能であり、微小流量を高精度に制御することができる。
【００７４】
また、本発明の請求項３０に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２９に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ストッパにおける前記弁体部に対しての対向面には、段部を備えるとともに、該段部は、前記開口部に連通する。
【００７５】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記段部が前記開口部に連通することで、静電駆動型半導体マイクロバルブ内の圧力調整が効率的に行える。
【００７６】
また、本発明の請求項３１に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２９に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記開口部は、前記ストッパに対して厚み方向に貫通する。
【００７７】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記開口部が前記ストッパに対して厚み方向に貫通しているので、例えば管状の部材を取り付けることで、流体媒体の取り出しが容易に行える。
【００７８】
また、本発明の請求項３２に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項３１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記開口部に沿って前記ストッパ表面まで、導電性を有する第３導電部を形成して、該第３導電部と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００７９】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記可動電極層側電極パッドと前記第３導電部とを電気的に接続することで、前記可動電極層がストッパの上面まで引き出された構成となり、より小型な静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。
【００８０】
また、本発明の請求項３３に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２１乃至請求項３２のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体における前記バルブ構造体に対しての非対向面には、固定電極層側電極パッドを形成し、前記弁孔には、導電性を有する第４導電部を設け、該第４導電部と前記固定電極層と前記固定電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００８１】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記固定電極層側電極パッドといった外部電源に接続する電極を静電駆動型半導体マイクロバルブ外部に取り出すことにより、チップサイズの増大がないため、より小型な静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。
【００８２】
また、本発明の請求項３４に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項２０のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁座における前記フレームへの対向面には、可動電極層側電極パッド及び固定電極層側電極パッドを形成し、前記フレームと前記弁体との間であり、前記可動電極層及び前記固定電極層が形成されていない箇所に導電性の接合用導電部を設け、該接合用導電部と前記可動電極層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続するとともに、前記固定電極層と前記固定電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００８３】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記可動電極層側電極パッドと前記固定電極層側電極パッドとを同一平面上に形成すことができるため、プローブ検査や実装が容易となる。
【００８４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００８５】
まず、第１実施形態を図１乃至図６に基づいて説明する。図１は、第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図であり、図２（Ａ）は、図１のＸ−Ｘ断面での断面図であり、図２（Ｂ）は、Ｙ−Ｙ断面での断面図である。また、図３は、図２（Ａ）における開放状態を示す断面図であり、図４は、開放状態を示す斜視図である。なお、後述の図５、図６は、第１実施形態の変形形態を示す断面図である。
【００８６】
図１乃至図４に示すように、静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１と、このバルブ構造体１が搭載される弁座２とを一体に組合せることで構成されている。ここで、静電駆動型半導体マイクロバルブの上下方向は、実際の使用状態での方位性に依存するため一義的に規定できないが、第１実施形態の記述では説明の便宜上、図２乃至図４に示すように、弁座２の配置側を下側、バルブ構造体１の配置側を上側というように上下方向を規定するものとする。
【００８７】
バルブ構造体１は、シリコン基板をマイクロマシンニング加工することにより形成された、いわゆるＭＥＭＳ構造体であって、基板主面の中央領域に略正方形に開口する開口部１０ａを有するとともに上下方向（基板厚み方向）から見た外形の平面視も矩形状に形成されたフレーム１０と、フレーム１０の開口部１０ａ内に配置された弁体部１１と、弁体部１１とフレーム１０を連結し、弁体部１１がフレーム１０に対し上下方向に変位可能となる撓み性を有する４本の薄肉のビーム１２とを有している。
【００８８】
図１に示すように、バルブ構造体１において、フレーム１０は、上方から見た平面視が長方形となっており、開口部１０ａは、この長方形の一方の短辺側に幾分偏って形成されていて、他方の短辺側におけるフレーム片の幅寸法が大きくなっている。バルブ構造体１は、この幅寸法が大きいフレーム片の位置において、外向きに開放する切欠部１６を備えている。
【００８９】
また、フレーム１０の開口部１０ａ内には、フレーム１０と弁体部１１との間にこれらを離間する分離領域が弁体部１１を囲むよう形成されており、各ビーム１２は、この分離領域内にてバルブ構造体１の下部側に配置されて、フレーム１０の内壁下端部と弁体部１１の下端部とを接続している。
【００９０】
ここで、第１実施形態においては、バルブ構造体１において前述の分離領域のうちビーム１２よりも上側部分は、異方性エッチングにより掘り込み形成されており、故にフレーム１０の内壁と弁体部１１の外周側壁は、前述の分離領域が幅寸法が下方向に狭小するテ−パ状を成す傾斜面となっている。なお、前述の分離領域は、ＲＩＥ（リアクティブ イオン エッチング）やＩＣＰ（インダクティブリ カップルド プラズマ）等のドライエッチングにより垂直に掘り込まれたものであってもよい。
【００９１】
また、弁体部１１を支持している４本のビーム１２は、バルブ構造体１を上方から見た平面視において、弁体部１１を中心として９０度回転させたときのビーム１２の回転写像が隣の他のビーム１２と重なるような略卍状を成すものとなっている。より詳しく述べると、４本の各ビーム１２は各々、その基端がフレーム１０の各内側コーナー近傍位置においてこの内側コーナーで交差するフレーム１０の内側壁の２辺のうちの一辺に連結されており、且つフレーム１０の前記内側コーナーで交差する他辺側の内側壁と弁体部１１の側壁との間（分離領域）に沿って前記基端から先端部に向かって延設され、ビーム１２の先端部は、弁体部１１の方に屈曲して弁体部１１のコーナー辺りに連結されている。
【００９２】
第１実施形態では、ビーム１２の配置は、フレーム１０と弁体部１１とを最短距離で結ぶのではなく、４本のビームが略卍状を成すようフレーム１０と弁体部１１との間の分離領域に沿わせて延設したものとしていることで、前述の分離領域の幅が狭くともビーム１２の長さを大きく取れるため、バルブ構造体１のサイズの小型化設計が容易である。また、弁体部１１が上方に変位するとき、基板主面と平行な面において、回転を伴いながら高い位置までの変位ストロークが可能となる。
【００９３】
また、第１実施形態においては、バルブ構造体１の下面、すなわちフレーム１０と弁体部１１と各ビーム１２の下面には、アルミ等の金属層１４が形成されており、また、バルブ構造体１の上面及び側面にもアルミ等の金属層１５がフレーム１０と弁体部１１と各ビーム１２を覆うよう形成されており、この金属層１５は、金属層１４とバルブ構造体１の側面下端部辺りで一体接続している。金属層１４の下表面には、金属層１４が弁座２側に導通するのを防止するための絶縁層３が形成されている。
【００９４】
第１実施形態においては、このバルブ構造体１の下面に形成した金属層１４のうち、弁体部１１の下面部分が後述する弁座２の固定電極層２１に対向する可動電極層１３として機能するものとなっている。また、バルブ構造体１の下面における長辺側の両端部には、弁座２の上表面への接合用アルミ層４が帯状に設けられている。
【００９５】
ここで、本発明の好ましい態様では、ビーム１２は、弁体部１１を弁座２における弁孔２０の開口周辺領域に対し押し付ける弾性力を有していることが望まれる。つまり、この弾性力により、弁孔２０に対する弁体部１１の良好な接触状態を確実に得ることができるからである。例えば、静電駆動型半導体マイクロバルブがバルブ構造体１と弁座２の配置が上下反対となるような状態で使用される場合を想定すると、弁体部１１の自重による重力は、弁体部１１が弁孔２０から離れる方向に働くこととなるが、ビーム１２が前述の弾性力を有していれば重力に抗して弁孔２０に対する弁体部１１の接触状態を維持できる。
【００９６】
前述の弾性力を得るために、第１実施形態の半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１を弁座２に搭載する前の状態において、弁体部１１の下面がバルブ構造体１の下面の接合部分（接合用アルミ層４の下面）よりも下方に位置するよう、ビーム１２を無負荷状態（外力が加わらない状態）で下向きに撓ませた状態としている。
【００９７】
このようにすることで、バルブ構造体１を弁座２の上表面に搭載し接合用アルミ層４を介して接合一体化する際に、弁体部１１の下面が接合用アルミ層４が弁座２の上表面に当たるよりも先行して弁座２表面（弁孔２０の周り）に接触し、その結果、バルブ構造体１を弁座２に接合した状態では、弁体部１１は、上方に押し上げられ、その分だけビーム１２は、無負荷状態と比べて上方に撓むこととなって、元の位置への復元弾性力が弁体部１１を弁座２に対し押し付ける方向に生じる。
【００９８】
この状態を実現するため、第１実施形態では、絶縁層３としてＳｉＯ２膜やポリイミド等のようにビーム１２の構成材料であるシリコンよりも線膨張係数（α）が大きい薄膜層を用いることで、ビーム１２は、前述の接合一体化の前の状態において、下向きに撓むようにすることができる。つまり、絶縁層３の材料としてαがシリコンよりも大きい場合、例えば絶縁層３の製膜プロセスにおいては、加熱下で製膜した後、冷却されるとき、シリコンと絶縁層３とは両者の線膨張係数の差に起因して冷却による熱収縮率に差を生じ、熱収縮の大きい絶縁層３がシリコンを下向きに変形させる残存応力がこれらの界面で発生する。
【００９９】
従って、薄肉に形成されたビーム１２は、この残存応力により歪んで先端側が下向きに撓んだ状態となる。なお、ビーム１２において、芯部分のシリコンと絶縁層３との間に金属層１４が介在しているが、ビーム１２の上表面側の金属層１５と熱収縮率による歪み応力が相殺されるため、金属層１４の存在は特に問題とならない。
【０１００】
なお、図５は、第１実施形態の変形形態を示す断面図であるが、静電駆動型半導体マイクロバルブ（のバルブ構造体１）は、図５に示すように、弁体部１１の部分のみ絶縁層３の厚みを大きくしたり、或いは金属層１４（可動電極層１３部分）の厚みを大きくして、弁体部１１の下面を下方に突き出るようにすることもできる。なお、このように弁体部１１の下面が弁座２との接合前において、両者の接合面よりも下方に突き出ていると、バルブ構造体１を弁座２上に搭載一体化するときに、弁体部１１下面の下方への突出寸法が上下方向のマージンとなり、弁体部１１下面と弁座２との確実な接触が確保できるという効果も期待できる。
【０１０１】
次に、弁座２について説明する。例えば図２に示すように、第１実施形態において、弁座２は、ガラス基板を加工することによりバルブ構造体１の外形サイズと略同じサイズの長方形となるよう形成されている。弁座２は、弁体部１１と対応する位置において、下面から上表面に貫通する弁孔２０を備えている。この弁孔２０は、前述のガラス基板の下面から掘り込まれて上表面の開口に向かって狭小するテーパ状となっている。
【０１０２】
また、弁座２の上表面には、弁体部１１の底面と対向する領域において、アルミ等の金属層からなる固定電極層２１が形成されている。また、弁座２の上表面には、バルブ構造体１の切欠部１６に対応する位置において、外部接続用の電極パッド（以降、外部接続用パッドと称する。）２２が形成されており、外部接続用パッド２２と固定電極層２１は、配線路２３により接続されていて、外部接続用パッド２２を外部電源に接続するとにより固定電極層２１に電圧印加できるようになっている。
【０１０３】
さらに弁座２の上表面には、弁孔２０の開口周縁部２５を囲むように、環状溝部である例えば環状凹溝２４が形成され、また、この環状凹溝２４に一端が連通するとともに他端（以降、環状凹溝２４ではない端を他端と称する。）が弁座２の長辺側端に延びて開放し外部に通じた連通溝部である例えば外部連絡用の凹溝（逃がし溝）２４ａ（後述の図１４参照）が形成されている。
【０１０４】
第１実施形態において、静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１を弁座２に搭載して両者を組合せ、一体化することで構成されており、バルブ構造体１を弁座２両者の接続固定は、バルブ構造体１の下面に設けた接合用アルミ層４を介して弁座２の上表面にバルブ構造体１を陽極接合することでなされている。このとき、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、絶縁層３がバルブ構造体１と弁座２との間の電気的な絶縁性を確保し、弁体部１１は、可動電極層１３及び固定電極層２１に電圧を印加しない初期状態では、その接触圧によって弁座２の固定電極層２１に接触し弁孔２０を塞いでいる。また図３、図４に示すように、この初期状態から弁孔２０に下方から流体の圧力が加わったとき、大きな流体圧が前記接触圧よりも大きくなると弁体部１１は、押し上げられ、弁孔２０は、開放される。
【０１０５】
一方、可動電極層１３及び固定電極層２１の間に電圧を印加したとき、これら可動電極層１３、２１の間に絶縁層３を介して静電気力が生じて、弁孔２０が強固に閉じる。なお、印加する電圧の大きさを適宜調節することにより、弁孔２０の開放量が調節でき、更に、流体のリーク量の制御が可能となる。
【０１０６】
静電駆動型半導体マイクロバルブでは、初期状態において、弁体部１１が弁孔２０を閉じる位置にあることから、電圧印加して弁孔２０を静電気力で強制的に閉止するときに弁体部１１を変位させるエネルギーは無用であり、必要となる静電気力は、弁孔２０を流れる流体の圧力に抗するのに要する力だけとなる。しかも、可動電極層１３と固定電極層２１との距離は、実質的に絶縁層３の厚み分のみであることから、電圧印加を開始した初期から最大の静電気力が効率良く得られる。従って、弁孔２０を閉止するに要するエネルギーは、非常に効率が良く、故に消費電力が小さくてすむ。
【０１０７】
第１実施形態においては、図２に示すように、固定電極層２１の表面高さは、環状凹溝２４を挟んで、内側及び外側ともフラットであり、弁体部１１の下面（絶縁層３表面）もフラット面になっている。従って、弁孔２０が閉じているとき、固定電極層２１の表面と弁体部１１の下面は、広い面積で密着することとなるため、弁孔２０を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア抜きできないとダンパー効果により開閉応答性が悪くなる恐れがあるが、環状凹溝２４及び逃がし溝２４ａを通じて前述の界面のエア逃がしを行えるので、弁孔２０を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行え、開閉応答性は、比較的良好に確保される。また、環状凹溝２４及び逃がし溝２４ａにより、弁孔２０から流れ出る流体がスムーズに排出される。
【０１０８】
なお、第１実施形態では、可動電極層１３と固定電極層２１の対向面積は、弁体部１１の下面面積と略等しくなっているが、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す変形形態ように、固定電極層２１の大きさを広げてビーム１２の下面とも対向するようにしてもよい。ここで、図６は、図２において、固定電極層２１を大きくした変形形態を示すものであって、図６（Ａ）は、図１のＸ−Ｘ断面に相当する断面での断面図であり、図６（Ｂ）は、図１のＹ−Ｙ断面に相当する断面での断面図である。この場合、ビーム１２の下面の金属層１４も可動電極層１３の一部として機能し、対向面積が大きくなるため、より大きな静電気力が得られ、弁孔２０の閉止力は大きくなり、消費電力低減に有利となる。
【０１０９】
一方、静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁孔２０を開放するときの開放しやすさは、弁体部１１の接触圧の大きさに依存しており、この弁体部１１の接触圧は、ビーム１２による弁体部１１の支持力に概ね依存している。第１実施形態では、ビーム１２は、４本の略卍状配置となっているため、例えばダイヤフラムや十字ビーム等で弁体部１１を支持する場合に比べるとテンションの逃げ場があり、またビーム長も比較的大きくでき、上方向の変位ストロークも大きいので、弁孔２０の開放性は良好なものとなる。
【０１１０】
なお、弁座２に対する弁体部１１の接触圧は、ビーム１２の幅寸法や厚み寸法、長さ寸法を変更する等してビーム１２が弁体部１１を支持する支持剛性を調整することで適宜設計可能である。
【０１１１】
以上のように、かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、流体の良好な制御と低消費電力化を高いレベルで両立できるものとなっている。さらに静電駆動型半導体マイクロバルブは、初期状態において、弁孔２０が弁体部１１により塞がっているので、上方から流体圧が加わったときには、逆止弁としての機能も期待できる。
【０１１２】
次に、他の実施形態を、第２実施形態として図７に基づいて説明する。図７は、第２実施形態における弁座２の断面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁孔２０の周囲を高くした変形形態を示す断面図である。
【０１１３】
図７に示すように、弁座２は、例えば弁座２における弁孔２０の開口周縁部２５’をその周囲よりも環状突状部として一段高く環状に突出させ、その先端面が弁孔２０の閉止状態における弁体部１１と当接する封止面となるような構成とする。
【０１１４】
この場合、第１実施形態にて前述した「弁体部１１の下面がバルブ構造体１の下面の接合部分（接合用アルミ層４の下面）よりも下方に位置するよう」にするときと同様に、ビーム１２に弁体部１１をこの開口周縁部２５’に対し押し付ける弾性力を備えるので、良好な接触状態が得られる。すなわち、弁座２の上表面において、環状突状部である開口周縁部２５’が一段高く突出することで、バルブ構造体１を弁座２に搭載するとき開口周縁部２５’が弁体部１１に当たりやすくなるからである。そして、バルブ構造体１を弁座２に接合固定するとき開口周縁部２５’が弁体部１１を上方に押し上げ、これに伴いビーム１２も上向きに撓むため、下向きに復元弾性力を生ずることとなる。
【０１１５】
なお、第２実施形態においては、環状突状部である開口周縁部２５’をその周囲よりも一段高くする形成する場合を挙げたが、同様の考え方で、弁座２と弁体部１１の対向面の何れか一方に、弁孔２０の開口部を内側に含むような環状の突状部（図示せず）を別途設け、この環状の突状部の先端面が弁孔２０の閉止状態において、弁体部１１と当接する封止面となるようにしてもよい。
【０１１６】
また、第２実施形態においては、環状突状部である開口周縁部２５’は、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０を内側に含むように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【０１１７】
ところで、一般的に、密接させた２つの平行な面の界面内に水分が存在すると、乾燥状態のときと比べて、密接させた２つの面が容易には解離し難くなる、いわゆる界面固着現象が発生する恐れがある。使用条件等によっては、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁孔２０を弁体部１１で閉止した状態において、弁体部１１の下面（絶縁層３の表面）と弁座２の固定電極層２１表面との接触界面内に水分が存在することが想定され、この場合には、界面固着現象が発生して、弁体部１１が弁座２への接触状態から解離し難くなる。このような界面固着現象を解決するためには、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁体部１１の下面（絶縁層３の表面）と弁座２側の対向面（固定電極層２１の表面）における少なくとも一方の接触部位の表面に、前述の界面固着現象を防止するための固着防止手段を備えることが有効である。
【０１１８】
そこで次に、静電駆動型半導体マイクロバルブに固着防止手段を設けた実施形態を、第３実施形態として図８乃至図１１に基づいて説明する。図８は、第３実施形態における弁座２を示す断面図である。なお、図９乃至図１１は、第３実施形態の変形形態を示す図である。
【０１１９】
弁座２は、固定電極層２１の表面に微小突起２４ｂを固着防止手段として備えている。
微小突起２４ｂは、界面に水分の均一な薄層が形成されるのを防止して、弁体部１１と弁座２とが固着することを防止している。なお、微小突起２４ｂは、突出高が余り大きすぎると前記接触界面から流体の好ましくないリークを生じるので、接触界面からの流体リーク量が許容範囲に納まる高さとする。
【０１２０】
なお、固着防止手段は、この微小突起２４ｂの他、弁体部１１の絶縁層３表面又は固定電極層２１の表面に、所望の表面粗面化処理や所望の疎水化処理を施した箇所であってもよいし、所望の表面粗面化処理と所望の疎水化処理の両処理を施した箇所であってもよい。また、固着防止手段は、微小突起２４ｂに表面粗面化処理を施したものであってもよいし、微小突起２４ｂに疎水化処理を施したものであってもよいし、微小突起２４ｂに表面粗面化処理、疎水化処理の両処理を施したものであってもよい。
【０１２１】
また、さらに第３実施形態の変形形態について述べると、例えば図９に示すように、弁体部１１は、上面側を除去してフレーム１０に比べて薄肉に形成されていてもよい。なお、図９は、第３実施形態における弁体部１１を示す断面図（第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁体部１１の厚みを薄肉化した変形形態を示す弁体部１１の断面図）である。この場合、弁体部１１の質量が小さくなるので変位させやすくなり、弁孔２０の開閉動作が行いやすくなる。この弁体部１１を薄肉化する手法は、例えば金属層１５を形成する前にシリコン部分をエッチングして削っておくことでもよく、この場合は、弁体部１１の全体の厚みが薄くなる。
【０１２２】
ここで、図１０は、第３実施形態における弁体部１１の変形形態を示す平面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、可動電極層１３が形成されている面とは反対側の面に補強リブ１１ａを設けた図である。弁体部１１を薄肉化した場合、図１０に示すように、弁体部１１の上表面は、補強リブ１１ａを備えて、薄くなって強度低下した分を補強させるようにするとよい。
【０１２３】
また他の薄肉化手法としては、図１１のように、弁体部１１の上表面において、凹所１１ｂを掘り込み形成してもよい。図１１は、第３実施形態における弁体部１１の変形形態を示す断面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、可動電極層１３が形成されている面とは反対側の面に凹所１１ｂを形成して薄肉化した図である。この凹所１１ｂは、弁体部１１のシリコン基板部分を上方から所定厚を残すようにしてエッチングで掘り込むことで形成できる。
【０１２４】
ここで、上述の第１実施形態の半導体マイクロバルブについて、バルブ構造体１及び弁座２の形成方法の一例を図１２乃至図１４に基づいて簡単に説明する。
【０１２５】
図１２（Ａ）、（Ｂ）は、バルブ構造体１の上面側構造の加工プロセスを示す工程図である。なお、この図１２では、チップレベルでのバルブ構造体１のプロセスについて記載しているが、実際にはシリコンウエハの状態で各セル毎に構造体を形成した後に個別のチップに切断されるものである。
【０１２６】
まず、図１２（Ａ）に示すように、シリコン基板１００は、除去されて開口部１０ａとなる面１０３と切欠部１６となる面１０４を除いて、弁体部１１の上面部分の面１０２とフレーム１０の上面部分の面１０１とにレジストやＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜等でマスクをされる。そして図１２（Ｂ）に示すように、異方性エッチングにより底部に薄肉の厚み部分を残して分離領域１０７と切欠部相当凹部１０８を掘り込み、これにより残存部分であるフレーム相当部１０５、弁体部相当部１０６が形成される。
【０１２７】
次に、バルブ構造体１の下側構造の加工プロセスを説明する。なお、図１３（Ａ）〜（Ｅ）は、バルブ構造体１の下面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【０１２８】
まず、図１３（Ａ）に示すように、先に表面側構造を形成したシリコン基板１００を裏返し、図１３（Ｂ）に示すように、上に向けた下表面にアルミやクロム等の金属層１４（例えば１μｍ程度）をスパッタリング等により全面に形成し、さらにその上に図１３（Ｃ）に示すように、絶縁層３を全面に形成する。そして、図１３（Ｄ）に示すように、絶縁層３表面に所定形状のマスクを施した後、反対面に形成した分離領域１０７に貫通するスリットを形成してフレーム１０と弁体部１１を分離すると共にこれらを連結する４本卍状のビーム１２が形成される。
【０１２９】
また、このとき同時に切欠部相当凹部１０８に貫通するよう開口を形成して切欠部１６を形成する。反対面側からは金属層１５をスパッタリング等により形成しておく。そして、絶縁層３の表面において、チップ長辺側の両端部に接合用アルミ層４（例えば厚み１μｍ程度）をスパッタリング等で形成すると、バルブ構造体１の構造ができあがる。
【０１３０】
次に、弁座２の加工プロセスについて図１４に基づいて説明する。図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、ガラス基板から弁座２形成する工程を順次示す工程図であり、（Ｄ）は、（Ｃ）のＸ−Ｘ断面での断面図である。図１４（Ａ）に示すように、ガラス基板を準備し、図１４（Ｂ）に示すように、このガラス基板の下面から上面にテーパ状に貫通する弁孔２０を形成すると共に、弁孔２０の上面開口を囲むように環状凹溝２４と逃がし溝２４ａとをサンドブラスト等により形成する。
【０１３１】
そして、図１３（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、全面にスパッタリングで金属層を形成した後、固定電極層２１や連絡用の配線路２３や外部接続用パッド２２に相当する残し部にマスクをして、残し部以外の金属層をエッチング除去し、固定電極層２１や配線路２３、外部接続用パッド２２を形成する。これにより弁座２が作成される。
【０１３２】
なお、ここで述べた加工方法のプロセスは、あくまでバルブ構造体１の形成方法の一例に過ぎず、形状や構成の変更に応じて公知の加工手法を採用し適宜組合せてプロセス設計できる。例えば、ＳＯＩ基板を用いてバルブ構造体１を形成すれば、バルブ構造体１の厚み設計が加工プロセス上、行いやすくなるため好ましく採用される。
【０１３３】
更に、他の変形形態である実施形態を、第４実施形態として図１５乃至図２３に基づいて説明する。図１５は、第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図（第１実施形態乃至第３実施形態において、可動電極層１３をシリコン基板への不純物ドープによる導電性拡散層により構成した変形形態の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図）である。
【０１３４】
また、図１６は、バルブ構造体１を弁座２への搭載側からみた平面図であり、図１７は、図１６のバルブ構造体１のＸ−Ｘ断面での断面図であり、図１８は、弁座２の斜視図である。また、図１９は、絶縁層３を介して対抗する電極（可動電極層１３、固定電極層２１）間において、この電極間の静電気力と絶縁層３の比誘電率との関係を示すグラフである。なお、後述する図２０、図２１は、第４実施形態の変形形態を示す平面図である。
【０１３５】
第４実施形態における半導体マイクロバルブでは、図１６、図１７に示すように、バルブ構造体１の下面において、金属層１４を形成する代わりに、シリコン基板の加工工程中において、このシリコン基板の下面に不純物ドープして導電性拡散層１７を形成している。この導電性拡散層１７は、フレーム１０、弁体部１１及びビーム１２の下面に形成されており、弁体部１１の下面部分が可動電極層１３として機能する。なおこの変形形態では、バルブ構造体１の上面側に金属層１５は形成されない。その代わり、バルブ構造体１の上面側表面には、窒化膜（ＳｉＮ）（図示せず）を形成している。
【０１３６】
この窒化膜は、線膨張係数がシリコン基板より小さいので、ビーム１２の上表面側においては、この窒化膜形成時の熱が冷めるときにこの窒化膜とシリコンとの線膨張係数の差に起因した残存応力がこれらの界面にて生じ、ビーム１２を下向きに反らせている。これにより弁体部１１の下面は、弁座２への搭載前の状態において、下方に突出するようになっている。このことの意義は既に前述した通りである。
【０１３７】
導電性拡散層１７の表面には、前述した第１実施形態乃至第３実施形態と同様に、絶縁層３が形成され、さらにバルブ構造体１の下面における長辺側の両端部に接合用アルミ層４が形成されている。この変形形態では、フレーム１０の下面位置における絶縁層３の一部に導電性拡散層１７にまで至るコンタクトホール３１が形成され、このコンタクトホール３１を形成した部分には、導電性拡散層１７にコンタクトホール３１を介して導通し、絶縁層３の表面に露出するバルブ側電極５が形成されている。このバルブ側電極５は、後述するよう、弁座２側への接続を容易にするためにバンプ電極として形成されている。
【０１３８】
第４実施形態において、弁座２は、その上表面に２つの外部接続用パッド２２、２６を有している。ここで、説明の便宜上、前者を第一の外部接続用パッド２２、後者を第２の外部接続用パッド２６とする。第一の外部接続用パッド２２と第２の外部接続用パッド２６とは電気的に独立して、静電駆動型半導体マイクロバルブを上から見た平面視において、バルブ構造体１の切欠部１６にて露出している。
【０１３９】
また、弁座２の上表面におけるバルブ側電極５と対応する位置には、バルブ通電用の受けパッド２７が形成されており、この受けパッド２７と第２の外部接続用パッド２６とは連絡用の配線路２８により接続されている。そして、バルブ構造体１を弁座２上に搭載一体化するとき、バルブ側電極５が受けパッド２７と一致し接続されるようになっている。この変形形態では、第一の外部接続用パッド２２と第２の外部接続用パッド２６とが共に切欠部１６にて露出しているので、外部電源への接続が容易に行うことができる。
【０１４０】
ところで第４実施形態では、初期状態において、弁体部１１下面側の可動電極層１３と弁座２上の固定電極層２１とは絶縁層３を介して対向していることから、この初期状態からより大きな静電気力を効率良く得るためには、絶縁層３の誘電率を大きくすることが有効である。図１９のグラフは、印加電圧を一定とした条件下でのグラフであり、このグラフからわかるように、電極（可動電極層１３、固定電極層２１）間の絶縁層３が有する比誘電率が大きくなる始める初期範囲において、静電気力が急な勾配で大きくなり、その後、その勾配は、緩やかになる傾向である。従って、絶縁層３の材料として高誘電率の絶縁材料を選択すると好ましい。例えば、ＳｉＯ２は、比誘電率が４、ＳｉＮが７であることからこれらよりも高誘電率（例えば比誘電率３０以上）の絶縁材料を使用すると良い。高誘電率材料の具体例としては、ＢａＴｉＯ３（比誘電率１００〜３００）、ＳｒＴｉＯ３（比誘電率１００〜３００）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（比誘電率３００〜１０００）などが例示できる。
【０１４１】
ここで、図２０は、第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにて、バルブ構造体１のビーム１２の入隅コーナーに面取り部１２ａを設けた態様を示す平面図であり、図２１（Ａ）は、図２０の点線Ｈ１で示す部分の拡大図であり、図２１（Ｂ）は、点線Ｈ２で示す部分の拡大図である。
【０１４２】
第４実施形態においては、その変形形態として、図２０、図２１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ビーム１２がフレーム１０や弁体部１１と連結される付け根部分における入隅コーナーや、ビーム１２の屈曲部に形成される入隅コーナーにおいて、面取り部１２ａが形成されていてもよい。ビーム１２は、薄肉であるため入隅コーナーに応力が一点集中すると応力集中箇所に亀裂を生じやすくなるが、ビーム１２の入隅コーナに面取り部１２ａを形成しておくとで応力集中を防止することができ、ビーム１２の破損等が防止される。この面取り部１２ａは、例えばＣ面やＲ面として形成することができる。
【０１４３】
また、第４実施形態においては、略卍状配置の４本のビーム１２により弁体部１１を支持する両持ちタイプのマイクロバルブを説明してきたが、他の変形形態を例示することができる。図２２は、ビーム１２をいわゆる片持ち梁状にした一態様を示す平面図であり、ビーム１２をフレーム１０と弁体部１１との分離領域を一周回したような形状とした変形形態であり、図２３は、ビーム１２を片持ち梁状にした他の態様を示す平面図であり、ビーム１２を最も一般的な一文字状のカンチレバー形状にした変形形態である。
【０１４４】
次に、弁体部１１の変位を規制するストッパを備えた実施形態を、第５実施形態として図２４乃至図２８に基づいて説明する。図２４乃至図２６は、第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、ガラスストッパ６を設けた半導体マイクロバルブの一態様を示す断面図）である。
【０１４５】
図２７は、第５実施形態におけるガラスストッパ６を一部に設けた静電駆動型半導体マイクロバルブを示す斜視図である。図２８（Ａ）は、第５実施形態におけるバルブ構造体１の構造内にストッパ片７を設けた静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図であり、図２８（Ｂ）は、Ｘ−Ｘ断面での断面図である。
【０１４６】
まず、第５実施形態においては、図２４乃至図２７に示すように、弁体部１１の変位を規制するストッパの一例として、ガラス製のストッパ（以降、ガラスストッパと称する。）６を設ける。
【０１４７】
図２４に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第１実施形態である図１乃至図４に示した具体例において、ガラスストッパ６を備えた構成である。このものでは、ガラスストッパ６の下側面に弁体部１１上面とのギャップ確保のための凹部である座ぐり部６１が形成されている。この例では、フレーム１０の上面も金属層１５にて被覆されているので、ガラスストッパ６を陽極接合にて固定できる。ここで、フレーム１０の上に金属層１５を設けず、フレーム１０にガラスストッパ６を直接陽極接合するようにしても勿論よい。
【０１４８】
なお、図２４における座ぐり部６１は、例えば、サンドブラストを用いて、ガラスストッパ６の弁体部１１に相対する部分を所定の厚み分だけ除去することで形成することができる。なお、この場合、サンドブラスト加工は、シリコン等をエッチング加工することに比べ、大きな高速で形成することができるため、大流量を得るバルブ用途に適している。
【０１４９】
一方、図２５に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第４実施形態である図１５乃至図１８に示した具体例において、平板状のガラスストッパ６を備えた構成である。この例では、フレーム１０の上面に、ストッパ接合層であるストッパ接合用アルミ層８がギャップを確保するに十分な厚みで形成されており、このストッパ接合用アルミ層８を介してガラスストッパ６がフレーム１０上に陽極接合されている。なお、ストッパ接合用アルミ層８は、スパッタリング等の半導体プロセスを用いることで、０．１μｍ程度の精度で厚み設定が可能であるので、弁体部１１とガラスストッパ６とのギャップが精度良く確保できる。
【０１５０】
このように静電駆動型半導体マイクロバルブは、ガラスストッパ６を設けておくことで、例えば弁孔２０に大きな流体圧が加わった場合等において、弁体部１１がビーム１２の撓みの許容以上に変位してビーム１２を破損するのを防止することができる。
【０１５１】
また、図２６に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁体部１１の厚みがフレーム１０の厚みより薄い構成である。弁体部１１の厚み加工は、例えば、弁体部１１のガラスストッパ６に対する面を、ＫＯＨ等溶液等により異方性エッチングすることで所定厚みだけ除去して行い、弁体部１１の厚みがフレーム１０の厚みより薄くなるように予め加工してもよい。この場合、異方性エッチングで取り除く所定の厚みとは、弁体部１１が変位する際に、弁体部１１の上側面とガラスストッパ６の下側面とのギャップが十分確保されるような厚みであり、異方性エッチングにては、１μｍ以下の精度で設定可能である。なお、図２６のものでは、例えば、フレーム１０にガラスストッパ６を直接陽極接合する。
【０１５２】
ここで、図２４、図２６に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、ガラスストッパ６がフレーム１０の全面を覆うサイズである（図示せず）が、ガラスストッパ６が少なくとも弁体部１１と所定の間隔、つまり、弁体部１１が変位する際に、弁体部１１の上側面とガラスストッパ６の下側面とのギャップが十分確保されるような間隔が確保されていれば、例えば、図２７に示すように、フレーム１０の一部を覆うようなサイズ構成であってもよい。
【０１５３】
なお、第５実施形態においては、ストッパはガラスを用いているが、例えば、樹脂系の材料のものも用いることもできる。この場合、プレス成形等の加工が容易であるので、低コストでストッパが形成される。
【０１５４】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、ガラスストッパ６は、弁体部１１の変位を規制することで、弁体部１１の変位が過大になることを防止するとともに、弁体部１１の破壊を防止する。また、弁体部１１とガラスストッパ６とのギャップを精度良く形成することで、流体の流量範囲の制御が精度良くなる。また、前述のギャップにより可動電極層１３と固定電極層２１との間に働く静電力が決定されるので、駆動電圧を低く抑える設計が可能になる。
【０１５５】
ここで、第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにて、ガラスストッパ６を設ける代わりに、図２８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、バルブ構造体１の構造中に突出片であるストッパ片７を有するようにしたものであってもよい。図２８では、フレーム１０の内壁部の一部に下側及び内側に開放する座ぐり部９が形成されており、ストッパ片７は、弁体部１１の側辺部の一部からフレーム１０に向かって延び、座ぐり部９内に導入されていて、座ぐり部９内壁に対してストッパ片は、間隔を有して遊挿状態となっている。そして弁体部１１が上方に変位したとき、座ぐり部９の天面にストッパ片７が当って、弁体部１１の上方への変位が規制されるようになっている。
【０１５６】
このストッパ片７及び座ぐり部９を形成するにあたっては、例えば座ぐり部９とストッパ片７との離間領域のうち、基板厚み方向は、下面からのエッチングで掘り込み形成し、また基板面と平行な方向は、犠牲層エッチングで掘り込むといった手法が挙げられる。この際、犠牲層で除去する位置に埋め込み酸化膜を有するＳＯＩ基板を用いると便利である。なお、図２８のものは、ストッパ片７を弁体部１１に一箇所設けた例となっているが、弁体部１１の４つの各側面に形成しても良く、また、弁体部１１からではなく、ビーム１２の先端側に側方に突設しても構わない。突出片は、バルブ構造体１の構造中に形成されたものであってもよい。
【０１５７】
次に、フレーム１０や、ストッパや、ストッパ接合層に開口部を備えた実施形態を、第６実施形態として図２９乃至図３１に基づいて説明する。図２９は、第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図及び斜視図（（Ａ）は、断面図であり、（Ｂ）は、斜視図）である。図３０、図３１は、第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの変形形態を示す断面図である。
【０１５８】
図２９に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第５実施形態である図２５に示した具体例において、排出口の機能を果たす微細な開口部である孔部６ａを備えた構成である。図２５において、ストッパ接合用アルミ層８の一部が除去された構成となっており、ストッパ接合用アルミ層８の除去は、通常の半導体プロセスにて行い、孔部６ａが形成される。この場合、バルブ構造体１とガラスストッパ６の間で形成される空間Ｓは、孔部６ａの存在のために、完全な閉空間とはならないが、ほとんど閉空間に近い状態になる。なお、ガラスストッパ６は、フレーム１０の全面を覆っているが、図２９（Ｂ）にては、便宜上、孔部６ａの上側部を除去した形で図示している。
【０１５９】
ここで、孔部６ａは、半導体プロセスにて形成されるので、加工が高精度になされるため、空間Ｓ内の圧力調整が行いやすい。また、バルブ構造体１とガラスストッパ６の間で、孔部６ａを介して静電駆動型半導体マイクロバルブ外部と空間Ｓとが連通することで、弁体部１１が駆動する際に、空気ダンパーの効果が得られ、更に弁体部１１の破壊を防止することができる。孔部６ａの上下方向の開口長さ（図２９のｈ）は、微細であるが、その微細の程度は、弁孔２０の開口径（直径）と同オーダー程度である。例えば、弁孔２０の開口径（直径）が０．３ｍｍである場合、孔部６ａの上下方向の開口長さが０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度である。なお、孔部６ａの上下方向の開口長さは、弁孔２０の開口径以下であることが好ましい。
【０１６０】
また、その他の変形形態を図３０、図３１に示す。図３０に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第５実施形態である図２６に示した具体例において、フレーム１０の一部をエッチング等の加工技術により一部除去して開口部である孔部６ａを形成した一例である。また、図３１に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、図２５においてストッパ接合用アルミ層８を設けず、かつ、図２４に示す座ぐり部６１と同様に形成可能な、一端を静電駆動型半導体マイクロバルブ外縁まで伸びた段部６１ａを備えるとともに、この段部６１ａの外縁側であるフレーム１０の一部が除去され孔部６ａを備えた構成である。
【０１６１】
なお、段部６１ａは、例えば数十μｍ程度の深さをサンドブラスト加工等により形成する場合には、段部６１ａの形成と同時に、孔部６ａの形成も可能である。この場合、孔部６ａの上下方向の高さは、段部６１ａの高さに等しくなるが、幅方向のサイズは、加工時のマスク形状により自由に制御可能であるので、空間Ｓの圧力調整が効率的に行える。
【０１６２】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、孔部６ａにより、前述の空間Ｓ内の流体の圧力が孔部６ａの外部、つまり静電駆動型半導体マイクロバルブ外部の圧力よりも高くなるので、静電駆動型半導体マイクロバルブに流入してくる側の流体圧力と空間Ｓ内の圧力との圧力差が縮小され、弁体部１１を駆動する静電力が小さくても弁体部１１が駆動可能であり、微小流量を高精度に制御することができる静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。
【０１６３】
なお、第６実施形態においては、開口部である微細な孔部６ａは、フレーム１０や、ガラスストッパ６や、ストッパ接合用アルミ層８に形成したものを例示しているが、少なくとも、フレーム１０、ガラスストッパ６、ストッパ接合用アルミ層８のいずれかに形成されていれば、フレーム１０や、ガラスストッパ６や、ストッパ接合用アルミ層８の各部にまたがる形で孔部６ａが形成されていても勿論よい。
【０１６４】
次に、第１実施形態における異なる電極の取り出し構造を示した実施形態を、第７実施形態として図３２に基づいて説明する。図３２は、第７実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１６５】
図３２に示すように、図２（Ｂ）に示したＹ−Ｙ断面において、静電駆動型半導体マイクロバルブは、フレーム１０における弁座２に対しての非対向面（図３２ではバルブ構造体１の上面）には、フレーム１０内を通じて可動電極層１３と電気的に接続される可動電極層側電極パッド３０を備えている。
【０１６６】
また、弁座２におけるバルブ構造体１に対しての非対向面（図３２では弁座２の下面）には、固定電極層側電極パッド３００が形成され、弁孔２０に沿って箇所には、固定電極層側電極パッド３００と電気的に接続されている第４導電部３２である配線路等が形成され、第４導電部３２と固定電極層２１とは、電気的に接続されている。なお、可動電極層側電極パッド３０と固定電極層側電極パッド３００との間に外部電源に接続することにより、可動電極層１３と固定電極層２１との間に電圧印加することができる。
【０１６７】
静電駆動型半導体マイクロバルブは、可動電極層１３を基板であるフレーム１０内を通じて、可動電極層側電極パッド３０と導通させることで、可動電極層１３が可動電極層側電極パッド３０のところまで引き出された構成になる。また、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁孔２０を経由して設けた第４導電部３２を介して固定電極層側電極パッド３００と導通させることで、固定電極層２１が固定電極層側電極パッド３００のところまで引き出された構成となる。
【０１６８】
ここで、可動電極層１３、固定電極層２１、可動電極層側電極パッド３０、固定電極層側電極パッド３００、第４導電部３２といった配線の材料は、例えばアルミ、クロム等の金属薄膜を例示することができるが、この薄膜は、真空蒸着、スパッタ、イオンプレーティング等の方法により形成することができる。なお、固定電極層側電極パッド３００、第４導電部３２、固定電極層２１は、各々が電気的に接続されていれば、一体形成したものであってもよし、勿論各々別途形成してもよい。
【０１６９】
なお、弁体部１１、フレーム１０、各ビーム１２の下表面に設けた可動電極層１３又は金属層１４の表面には、弁座２側との導通を防止するために絶縁層３が形成されている。
【０１７０】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、可動電極層側電極パッド３０、固定電極層側電極パッド３００といった外部電源に接続する電極をバルブ外部に取り出すことにより、チップサイズの増大がないため、より小型な静電駆動型マイクロバルブを提供することができる。また、小型化によりチップの取れ数が増大するため、製造コストを低減させることができる。
【０１７１】
次に、第７実施形態における変形形態を示した実施形態を、第８実施形態として図３３に基づいて説明する。図３３は、第８実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１７２】
図３３に示すように、図３２において、バルブ構造体１を構成する半導体基板は、ＳＯＩ基板である、つまりバルブ構造体１が活性層４０、絶縁性である埋め込み中間酸化膜４１、支持層４２からなるＳＯＩ基板で構成されている。なお、第８実施形態においては、活性層４０は、弁座２との対向面側に配置された構成である。
【０１７３】
フレーム１０は、活性層４０から支持層４２まで貫通する凹部４３を備え、この凹部４３の内面には、アルミ、クロム等の導電性を有する第１導電部４４である導電性の膜を形成して、活性層４０と支持層４２と可動電極層側電極パッド３０とを電気的に接続させ、活性層４０と支持層４２とを導通させ、基板であるフレーム１０内を通じて、可動電極層１３が可動電極層側電極パッド３０まで引き出された構成である。
【０１７４】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、バルブ構造体１にＳＯＩ基板を使用し、活性層４０の薄いものを用いることで、薄肉のビーム１２を精度よく形成することができる。それにより、ビーム１２の剛性を低減させることができるため、バルブの排気性能を向上させるとともに駆動電圧の低減が可能となる。ここで、駆動電圧を低減させる代わりに電極面積を縮小すれば、チップサイズの小型化が実現でき、更なる製造コストの低減がはかれる。
【０１７５】
次に、第８実施形態における変形形態を示した実施形態を、第９実施形態として図３４に基づいて説明する。図３４は、第９実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１７６】
図３４に示すように、第２導電部４５である導電性の膜は、例えば、フレーム１０における弁体部１１への対向面から、弁体部１１に対向する側のフレーム１０壁面側を経由して、バルブ構造体１の上面まで形成されており、可動電極層側電極パッドの機能を兼ねており、活性層４０と支持層４２とが電気的に接続される。なお、第２導電部４５に関して、可動電極層側電極パッドを機能する領域と、フレーム１０における弁体部１１への対向する領域と、弁体部１１に対向する側のフレーム１０壁面側の領域とは、一体形成して電気的に接続するようにしても、各々別々に形成し、電気的に接続するようにしてもよい。なお、第２導電部４５の材料は、一例としてアルミ、クロム等である。なお、第８実施形態においては、ＳＯＩ基板で構成された弁体部１１、ビーム１２の周辺にも、図３４に示すように、第２導電部４５と同材料の導電性の膜（４５ａ）を覆うように形成している。
【０１７７】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、バルブ構造体１にＳＯＩ基板を使用し、活性層４０の薄いものを用いることで、薄肉のビーム１２を精度よく形成することができる。それにより、ビーム１２の剛性を低減させることができるため、バルブの排気性能を向上させるとともに駆動電圧の低減が可能となる。ここで、駆動電圧を低減させる代わりに電極面積を縮小すれば、チップサイズの小型化が実現でき、更なる製造コストの低減がはかれる。
【０１７８】
次に、第７実施形態における変形形態を示した実施形態を、第１０実施形態として図３５に基づいて説明する。図３５は、第１０実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１７９】
図３５に示すように、静電駆動型半導体マイクロバルブは、静電駆動型半導体マイクロバルブの外部と貫通する開口部である微細な孔部６ａを備え、弁体部１１の変位を規制する例えばガラスストッパ６をバルブ構造体１の上に備えており、ガラスストッパ６と、バルブ構造体１と、弁座２からなる３層構造である。第１０実施形態においては、フレーム１０の上面に、第７実施形態では可動電極層側電極パッド３０として機能していた金属膜３０ａがギャップを確保するに十分な厚みで形成されており、金属膜３０ａを介してガラスストッパ６がフレーム１０上に陽極接合されている。
【０１８０】
なお、ガラスストッパ６は、例えばフレーム１０と弁体部１１との間の上部に位置する箇所に孔部６ａを設けており、この孔部６ａは、例えば弁孔２０に大きな流体圧が加わった場合等において、第６実施形態の図２９乃至図３１に示した孔部６ａと同様の機能を果たすので、ここでは詳細な説明は省略する。ここで、開口部である孔部６ａは、ストッパに対して厚み方向に貫通しているので、孔部６ａに例えば管状の部材（図示せず）を取り付けることで、孔部６ａから流体媒体の取り出しが容易に行える。
【０１８１】
ここで、第１０実施形態においては、孔部６ａには、金属膜３０ａと電気的に接続して、ガラスストッパ６の上面まで形成された第３導電部４６である配線路を備えており、第３導電部４６は、ガラスストッパ６の上面で、外部電源に接続する可動電極層側電極パッド３０ｂと電気的に接続されている。なお、第３導電部４６の材料は、一例としてアルミ、クロム等であり、第１０実施形態では、ガラスストッパ６の孔部６ａ及び上面部にわたり第３導電部４６が形成されている構成を一例として示している。
【０１８２】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、金属膜３０ａと第３導電部４６と、可動電極層側電極パッド３０ｂを電気的に接続することで、可動電極層１３がガラスストッパ６の上面まで引き出された構成となり、より小型な静電駆動型マイクロバルブを提供することができる。
【０１８３】
次に、他の実施形態を、第１１実施形態として図３６に基づいて説明する。図３６は、第１１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１８４】
静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１のフレーム１０と弁座２との間に設けられる金属薄膜等の接合用電極５０を備えており、接合用電極５０を介してバルブ構造体１と弁座２とが陽極接合される。弁座２におけるフレーム１０との接合面側には、図３６に示すように、接合用電極５０と電気的に接続される配線路５１と、可動電極層側電極パッド５２と、固定電極層側電極パッド５３とが形成されている。
【０１８５】
ここで、可動電極層１３は、接合用電極５０と配線路５１と可動電極層側電極パッド５２とを導通させることにより、可動電極層側電極パッド５２まで引き出された状態になる。
【０１８６】
また、固定電極層側電極パッド５３は、図３６に示すように、例えば固定電極層２１を弁座２の端部まで例えば連絡配線を利用して延設して、固定電極層２１と固定電極層側電極パッド５３とを導通させることにより、固定電極層２１を固定電極層側電極パッド５３まで引き出している。なお、接合用電極５０、配線路５１、可動電極層側電極パッド５２、固定電極層側電極パッド５３の材料は、一例としてアルミ、クロム等である。
【０１８７】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、可動電極層側電極パッド５２と固定電極層側電極パッド５３とを同一平面上に形成すことができるため、プローブ検査や実装が容易となる。また、可動電極層側電極パッド５２の位置を図３２に示すような構造の場合に比べて低くすることができるため、薄型のパッケージに収めることができ、例えば、薄型化ニーズの高い携帯型商品への搭載で優位性を持たせることができる。
【０１８８】
最後に、第１実施形態における環状凹溝２４、逃がし溝２４ａに関する（２つの）変形形態である実施形態を、第１２実施形態として図３７、図３８に基づいて説明する。図３７、図３８は、第１２実施形態における弁座２を示す平面図である。
【０１８９】
ここで、第１実施形態においては、図４、図１４に示すように、逃がし溝２４ａは、一端が環状凹溝２４に連通し、他端が静電駆動型半導体マイクロバルブの外部に開放されているが、第１２実施形態においては、静電駆動型半導体マイクロバルブは、図３７に示すように、例えば、他端が固定電極層２１の範囲内に収まるような終点である構成の連通溝部２４ｃを備えている点が異なっている。なお、連通溝部２４ｃにおける前述の他端は、弁座２から外部に開放されず、つまり静電駆動型半導体マイクロバルブから外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であればよい。
【０１９０】
なお、更に第１実施形態における変形形態としては、静電駆動型半導体マイクロバルブは、図３８に示すように、弁孔２０から所定の距離をとり、弁座２の各辺に対して放射状に配置された溝部２４ｄを備えた構成である。なお、この放射状に配置された溝部２４ｄは、例えば本数が８本で弁孔２０を取り囲む溝であるが、その本数は所望の数であってよく、弁座２から外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であればよい。
【０１９１】
また、各放射状に配置された溝部２４ｄの配置は、対称対となるように配置されることが好ましく、この場合、放射状に配置された溝部２４ｄにより、弁孔２０から流れ出る流体がスムーズに排出される。なお、上述の連通溝部２４ｃ、放射状に配置された溝部２４ｄは、サンドブラスト等により形成することができる。
【０１９２】
なお、第１２実施形態においては、上述の放射状に配置された溝部２４ｄは、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０から所定の距離をとるように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【０１９３】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、連通溝部２４ｃや放射状に配置された溝部２４ｄが弁座２から外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であるので、ダイシング等の製造時に異物が混入することを防止することができる。
【０１９４】
ここで、第７実施形態乃至第９実施形態及び第１１実施形態において、第１実施形態乃至第６実施形態及び第１２実施形態に示したような変形箇所を組み合わせた構成で静電駆動型半導体マイクロバルブを形成しても勿論よく、また、第１０実施形態において、第１実施形態乃至第４実施形態及び第１２実施形態に示した変形形態を組み合わせた構成で静電駆動型半導体マイクロバルブを形成しても勿論よい。
【０１９５】
また、第１実施形態乃至第１２実施形態においては、環状溝部２４及び連通溝部２４ａ（又は連通溝部２４ｃ）は、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０を内側に含むように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【０１９６】
なお、本発明は、前述の実施形態及びその説明に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形形態もこの発明に含まれる。
【０１９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図である。
【図２】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの開放状態を示す断面図である。
【図４】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの開放状態を示す斜視図である。
【図５】第１実施形態におけるバルブ構造体の変形形態を示す断面図である。
【図６】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの他の変形形態を示す断面図である。
【図７】第２実施形態における弁座を示す断面図である。
【図８】第３実施形態における弁座を示す断面図である。
【図９】第３実施形態における弁体部を示す断面図である。
【図１０】第３実施形態における弁体部の変形形態を示す平面図である。
【図１１】第３実施形態における弁体部の他の変形形態を示す断面図である。
【図１２】第１実施形態におけるバルブ構造体の上面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【図１３】第１実施形態におけるバルブ構造体の下面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【図１４】第１実施形態における弁座の加工プロセスを示す工程図及び断面図である。
【図１５】第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図である。
【図１６】第４実施形態におけるバルブ構造体を弁座への搭載側からみた平面図である。
【図１７】第４実施形態におけるバルブ構造体の断面図である。
【図１８】第４実施形態における弁座の斜視図である。
【図１９】第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにおける静電気力と比誘電率との関係を示すグラフである。
【図２０】第４実施形態におけるバルブ構造体の変形形態を示す平面図である。
【図２１】図２０に示す点線Ｈ１、Ｈ２部分を拡大した平面図である。
【図２２】第４実施形態におけるビームの変形形態を示す平面図である。
【図２３】第４実施形態におけるビームの他の変形形態を示す平面図である。
【図２４】第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図２５】第５実施形態における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図２６】第５実施形態における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図２７】第５実施形態における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す斜視図である。
【図２８】第５実施形態におけるバルブ構造体にストッパ片を設けた平面図及び断面図である。
【図２９】第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図及び斜視図である。
【図３０】第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの変形形態を示す断面図である。
【図３１】第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの他の変形形態を示す断面図である。
【図３２】第７実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３３】第８実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３４】第９施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３５】第１０実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３６】第１１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３７】第１２実施形態における弁座を示す平面図である。
【図３８】第１２実施形態における弁座の他の変形形態を示す平面図である。
【符号の説明】
１ バルブ構造体
２ 弁座
３ 絶縁層
６ ガラスストッパ
６ａ 孔部
１０ フレーム
１０ａ 開口部
１１ 弁体部
１２ ビーム
１３ 可動電極層
２０ 弁孔
２１ 固定電極層
３０、３０ｂ、５２ 可動電極層側電極パッド
３０ａ 金属膜
３２、４４、４５、４６ 導電部
４０ 活性層
４１ 中間酸化膜
４２ 支持層
４３ 凹部
５０ 接合用電極
５１ 配線路
５３、３００ 固定電極層側電極パッド
Claims (34)
- 半導体基板をマイクロマシンニング加工することにより、中央領域に開口を有するフレームと、
該フレームの開口内に配置された弁体部と、
該弁体部と前記フレームとを連結し、前記弁体部が前記フレームに対し基板厚み方向に変位可能となる撓み性を有する薄肉のビームと、を備えるバルブ構造体と、
表面に開口する弁孔を有し、該弁孔に前記弁体部が一致するようにして前記フレームを表面に固定することによって前記バルブ構造体が搭載される弁座と、
を具備し、
前記バルブ構造体は、前記弁体部における前記弁座への対向面において形成された可動電極層を有し、
前記弁座は、前記表面において前記可動電極層に対向するよう形成された固定電極層を有し、
前記可動電極層及び前記固定電極層の少なくとも一方の表面には、これら両電極層間の導通を防止するための絶縁層が形成され、
前記弁体部は、
前記可動電極層及び前記固定電極層に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触しており、
前記可動電極層及び前記固定電極層に電圧を印加した状態では、これら両電極層間に前記弁孔を閉止する静電気力を発生させる
ことを特徴とする静電駆動型半導体マイクロバルブ。 - 前記ビームは、前記弁体部を前記弁孔の開口周辺領域に対し押し付ける弾性力を有する請求項１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記ビームにおける弁座側への対向面には、前記ビームを構成する前記半導体基板の材料が有する線膨張係数よりも大きい線膨張係数の材料からなる薄膜層が形成されている請求項２に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記ビームにおける前記弁座に対しての非対向面には、前記ビームを構成する前記半導体基板の材料が有する線膨張係数よりも小さい線膨張係数の材料からなる薄膜層が形成されている請求項２又は請求項３に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むよう環状に突出し、その先端面が前記弁孔の閉止状態における前記弁体部と前記弁座との封止面となる環状突状部が形成されている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むような環状溝部を形成するとともに、該環状溝部に少なくとも一端が連通する連通溝部を形成した請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部から所定の距離をとり放射状に配置された溝部を形成した請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記ビームにおける前記弁座への対向面には、前記可動電極層が連続的に形成され、前記弁座における前記固定電極層は、前記ビームとの対向領域まで形成されている請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面には、前記弁体部と前記弁座とが接触界面で固着するのを防止する固着防止手段を設けた請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記固着防止手段は、前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の表面に形成された微小突起である請求項９に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記固着防止手段は、前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の表面に形成された表面粗面化処理及び／又は疎水化処理が施された箇所である請求項９又は請求項１０に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記バルブ構造体は、前記ビームを４本有し、各ビームは、前記フレーム内の各辺から延出して略卍状を成すよう配置されている請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記バルブ構造体は、前記ビームが前記フレーム内の一辺から延出されて片持ち梁状に前記弁体部を支持している請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記絶縁層は、ＳｉＯ２及びＳｉＮよりも高誘電率の絶縁材料からなる請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記絶縁層は、比誘電率が３０以上である請求項１４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記絶縁層は、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３から選ばれた少なくとも一種からなる層である請求項１５に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記弁体部は、前記フレームに比べて薄肉に形成されている請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側には凹所を備えている請求項１７に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側の面には補強リブを備えている請求項１７に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記ビームと前記フレーム及び／又は弁体部との連結部に形成される入隅コーナー、及び／又は前記ビームの屈曲部に形成される入隅コーナーにおいて面取り部が形成されている請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記フレームにおける前記弁座に対しての非対向面には、前記フレーム内を通じて前記可動電極層と電気的に接続される可動電極層側電極パッドを設けた請求項１乃至請求項２０のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記バルブ構造体は、支持層、中間酸化膜、活性層からなるＳＯＩ基板で構成され、前記弁座との対向面側に前記活性層を配置する場合に、前記活性層から前記支持層まで貫通する凹部を設け、該凹部の内面には、導電性を有する第１導電部を設けて、前記活性層と前記支持層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続した請求項２１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記バルブ構造体は、支持層、中間酸化膜、活性層からなるＳＯＩ基板で構成され、前記フレームにおける前記弁体部への対向面には、前記活性層と前記支持層とを電気的に接続する導電性を有する第２導電部を設け、前記活性層と前記支持層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続した請求項２１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記弁体部の変位を規制するストッパを更に備えた請求項１乃至請求項２３のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記ストッパは、前記バルブ構造体とは別部材として前記弁体部と所定間隔をおいて前記バルブ構造体上に載置されたものである請求項２４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記バルブ構造体の前記フレームの内壁部は、座ぐりされた座ぐり部を備え、前記ストッパは、前記ビーム又は前記弁体部から側方に延出され前記座ぐり部内に遊挿された突出片である請求項２４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記フレームと前記ストッパとの間に、前記両者を接合するための接合層を設け、該接合層にて、前記ストッパと前記弁体部との間にギャップを形成した請求項２４又は請求項２５に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記ストッパにおける前記弁体部に対しての対向面には、凹部を備えた請求項２４又は請求項２５に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記ストッパは、少なくとも前記フレーム上面全面を覆うサイズであり、前記接合層又は前記フレーム又は前記ストッパの、少なくともいずれかに開口部を備えた請求項２７又は請求項２８に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記ストッパにおける前記弁体部に対しての対向面には、段部を備えるとともに、該段部は、前記開口部に連通する請求項２９に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記開口部は、前記ストッパに対して厚み方向に貫通した請求項２９に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記開口部に沿って前記ストッパ表面まで、導電性を有する第３導電部を形成して、該第３導電部と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続した請求項３１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記弁体における前記バルブ構造体に対しての非対向面には、固定電極層側電極パッドを形成し、前記弁孔には、導電性を有する第４導電部を設け、該第４導電部と前記固定電極層と前記固定電極層側電極パッドとを電気的に接続した請求項２１乃至請求項３２のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
- 前記弁座における前記フレームへの対向面には、可動電極層側電極パッド及び固定電極層側電極パッドを形成し、前記フレームと前記弁体との間であり、前記可動電極層及び前記固定電極層が形成されていない箇所に導電性の接合用導電部を設け、該接合用導電部と前記可動電極層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続するとともに、前記固定電極層と前記固定電極層側電極パッドとを電気的に接続した請求項１乃至請求項２０のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
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