JP2006009961A - マイクロバルブ、その製造方法および燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体ウエハを材料とし、半導体加工技術を用いて作製した、小型の圧力調整用のマイクロバルブおよびそれを搭載した燃料電池を提供する。
【解決手段】 半導体ウェハを用いて製造された圧力調整用のマイクロバルブであって、気体の導入口０３１と導出口０３２を結ぶ流路０３３と、流路０３３中に設けられた弁体０２５と、弁体０２５とバルブ軸０２３を介して連結して設けられたダイアフラム０２４を有し、前記ダイアフラム２４は流路０３３の内部０３４と外部０３５とを隔てて配置され、流路０３３の内部０３４の圧力と外部０３５の圧力の差圧によって変形することにより弁体０２５が変位して開閉するマイクロバルブおよびそれを搭載した燃料電池。
【選択図】 図４

Description

本発明は、マイクロバルブ、その製造方法および燃料電池に関する。詳しくは半導体加工技術を用いて製造した圧力調整、特に減圧機構を有するマイクロバルブおよびその製造方法に関するものであり、また前記マイクロバルブを搭載した小型電気機器に搭載可能な発電量が数ミリワットから数百ワットまでの小型固体高分子型燃料電池に関するものである。

従来、減圧弁は機械加工技術を用いて様々なタイプのものが製造されてきた。減圧弁は、アクティブ駆動のもの、パッシブ駆動のものに大きく分類される。アクティブ駆動の減圧弁は、圧力センサとバルブ駆動手段、制御機構とを備え、２次圧力が設定圧力に減圧されるようにバルブを駆動する。一方、パッシブ駆動の減圧弁は、設定圧力になると、圧力差を利用して、バルブが自動的に開閉する。これらの減圧弁は大型のものではあるが、すでに実用化されている。

一方、半導体加工技術を用いて様々な微小機械要素が製造されてきた。半導体加工技術は、サブミクロンオーダーの微細加工が可能な上、バッチプロセスにより大量生産化が容易であるという特徴を有する。非特許文献１においては、複数の半導体基板を材料を用い、半導体加工技術を用いて製造したアクティブ駆動のマイクロバルブについて開示している。本マイクロバルブはＰＺＴに電圧をかけることによって駆動されている。

一方、小型の電気機器に搭載するエネルギー源として、小型の燃料電池が注目されている。燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来のリチウムイオン２次電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。特に、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが最適である。しかし、水素は常温で気体であり、小型の燃料タンクの中に高密度に水素を貯蔵するための技術が必要である。

第一の方法は水素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法である。タンク内のガスの圧力を２００気圧にすると体積水素密度は１８ｍｇ／ｃｍ³ 程度となる。第二の方法は水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。水素を液化するためには、大きなエネルギーが必要であること、また、液体水素が自然気化して、漏れだしてしまうことが問題であるが、高密度な保存が可能である。第三の方法は水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。この方法では、水素吸蔵合金の比重が大きいため、重量ベースでは、２ｗｔ％程度の水素しか吸蔵できず、燃料タンクが重たくなってしまうという問題点があるが、体積ベースでの吸蔵量は大きいので、小型化には有効である。

一方、固体高分子型燃料電池の発電は以下の様にして行われる。高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂がよく用いられる。例えば、このような膜としては、デュポン社のナフィオンなどがよく知られている。固体高分子電解質膜を、白金などの触媒を担持した一対の多孔質電極、すなわち、燃料極と酸化剤極とで狭持した膜電極複合体が発電セルとなる。この発電セルに対して、酸化剤極には酸化剤を、燃料極には燃料を供給することにより、高分子電解質膜中をプロトンが移動し、発電が行われる。

高分子電解質膜は機械的強度を保ち、また、燃料ガスが透過しないようにするために通常５０〜１００μｍ程度の厚さのものが使用される。これらの固体高分子電解質膜の強度は３００〜５００ｋＰａ（３〜５ｋｇ／ｃｍ² ）程度である。従って、差圧による膜の破断を防ぐためには、燃料電池の酸化剤極室と燃料極室との差圧が、平常時には５０ｋＰａ（０．５ｋｇ／ｃｍ² ）、非常時でも１００ｋＰａ（１ｋｇ／ｃｍ² ）以下になるように制御することが好ましい。

燃料タンク圧と酸化剤極室との差圧が上記圧力よりも小さい場合、燃料タンクと燃料極室とを直結し、特に減圧の必要はないが、一方、酸化剤極室が大気に解放されており、また、より高密度に燃料を充填する場合においては、燃料タンク内の圧力が高くなるので、高分子電解質膜の破断を防ぐために燃料タンクから燃料極室に燃料を供給する過程において、減圧する事が必要となる。また、発電の起動・停止操作や、発電電力を安定させるためにも、上記圧力調整機構は必要となる。

特許文献１においては、小型バルブを燃料タンクと燃料電池セルの間に設けることにより、燃料電池セルを大きな圧力差による破断から防ぎ、発電の起動、停止を制御し、発電電力を安定に保っている。特に、燃料供給路と酸化剤供給路との境界にダイヤフラムを使用し、バルブに直結することで、電気を使用しないで、燃料供給路と酸化剤供給路との差圧により駆動し、燃料電池セルに供給する燃料圧を最適に制御する減圧弁を実現している。
特開平２００４−３１１９９号公報 Ｈ．Ｊｅｒｍａｎ，"Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．"，４，２１０−２１６，１９９４年

しかしながら、バルブを作製するのに、従来の機械加工技術・組み立て技術では、精度が十分でなく、超小型の圧力調整バルブ（レギュレータ）を製造するのは非常に困難であった。また、製造コストが高くなってしまうという問題を有していた。

また、半導体加工技術を用いた従来のマイクロバルブ製造技術では、１次流路に高い圧力をかけたときに作動流体が漏れやすいという欠点があった。特に、バルブをクローズ状態で維持するためには、エネルギーを必要とするという課題があった。

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、半導体ウエハを材料とし、半導体加工技術を用いて、バルブを非常に小型化した減圧機構を有する圧力調整用のマイクロバルブを提供するものである。

また、半導体ウエハ部材同士を接合することにより、部材間の隙間からの漏れが非常に少ない圧力調整用のマイクロバルブを提供するものである。
また、本発明は、上記のマイクロバルブを小型燃料電池に搭載することによって、燃料タンクからの燃料ガスの圧力を一定に保って燃料電池セルに供給することができる燃料電池を提供するものである。

すなわち、本発明の第一は、半導体ウェハを用いて製造された圧力調整用のマイクロバルブであって、気体の導入口と導出口を結ぶ流路と、前記流路中に設けられた弁体と、前記弁体とバルブ軸を介して連結して設けられたダイアフラムを有し、前記ダイアフラムは流路の内部と外部とを隔てて配置され、前記流路の内部の圧力と外部の圧力の差圧によって変形することにより弁体が変位して開閉することを特徴とするマイクロバルブである。

また、本発明の第二は、複数の半導体ウェハを用いて圧力調整用のマイクロバルブを製造する方法であって、第１の半導体ウェハにアルミマスクを形成する工程、前記アルミマスクがない部分をエッチングした後、アルミマスクのある部分をエッチングしてダイアフラム、流路およびバルブ軸の一部分を形成する工程、前記バルブ軸の一部分の面の上に第２の半導体ウェハを接合し、エッチングして前記バルブ軸の一部分の上に他の部分を接合したバルブ軸を形成する工程、前記バルブ軸の面の上に第３の半導体ウェハを接合し、エッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程を有することを特徴とするマイクロバルブの製造方法である。

また、本発明の第三は、複数の半導体ウェハを用いて圧力調整用のマイクロバルブを製造する方法であって、第１の半導体ウェハにアルミマスクを形成する工程、前記アルミマスクがない部分をエッチングした後、アルミマスクのある部分をエッチングしてダイアフラム、流路およびバルブ軸の一部分を形成する工程、第２の半導体ウェハと第３の半導体ウェハが接合されたウェハの第２の半導体ウェハをエッチングしてバルブ軸の他の部分を形成する工程、前記第１の半導体ウェハのバルブ軸の一部分と第２の半導体ウェハのバルブ軸の他の部分とを合わせて第１〜第３の半導体ウェハを接合する工程、前記第３の半導体ウェハをエッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程を有することを特徴とするマイクロバルブの製造方法である。

前記第１の半導体ウェハに位置あわせのためのアライメントマークをつける工程を含むことを特徴とする。
前記第１の半導体ウェハにアルミマスクを形成する工程は、２枚のアルミマスクを重ねて形成することを特徴とする。

前記第３の半導体ウェハをエッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程の後に、マイクロバルブの表面を改質する表面改質工程を含むことを特徴とする。
前記表面改質工程の後に、表面にコーティング材を被覆する表面被覆工程を含むことを特徴とする。

さらに、本発明の第四は、上記のマイクロバルブを有することを特徴とする燃料電池である。

本発明は、半導体ウエハを材料とし、半導体加工技術を用いて、バルブを非常に小型化した減圧機構を有する圧力調整用のマイクロバルブを提供することができる。
また、半導体ウエハ部材同士を接合することにより、部材間の隙間からの漏れが非常に少ない圧力調整用のマイクロバルブを提供することができる。

また、本発明は、上記のマイクロバルブを小型燃料電池に搭載することによって、燃料タンクからの燃料ガスの圧力を一定に保って燃料電池セルに供給することができる燃料電池を提供することができる。

本発明のマイクロバルブについて説明する。
本発明のマイクロバルブは、半導体ウェハを用いて製造された圧力調整用のマイクロバルブであって、気体の導入口と導出口を結ぶ流路と、前記流路中に設けられた弁体と、前記弁体とバルブ軸を介して連結して設けられたダイアフラムを有し、前記ダイアフラムは流路の内部と外部とを隔てて配置され、前記流路の内部の圧力と外部の圧力の差圧によって変形することにより弁体が変位して開閉することを特徴とする。

前記弁体、バルブ軸およびダイアフラムは、シリコンウェハおよびＳＯＩウェハの少なくとも一つからなることを特徴とする。
複数の半導体基板を構造材料に用いることを特徴とする圧力調整機構を有するマイクロバルブで、弁体とダイヤフラムとの間にシリコン酸化物層を有することを特徴とする。また、マイクロバルブは下記の製造方法によって製造される。

次に、本発明のマイクロバルブの製造方法について説明する。
本発明のマイクロバルブの製造方法の第一の方法は、複数の半導体ウェハを用いて圧力調整用のマイクロバルブを製造する方法であって、第１の半導体ウェハにアルミマスクを形成する工程、前記アルミマスクがない部分をエッチングした後、アルミマスクのある部分をエッチングしてダイアフラム、流路およびバルブ軸の一部分を形成する工程、前記バルブ軸の一部分の面の上に第２の半導体ウェハを接合し、エッチングして前記バルブ軸の一部分の上に他の部分を接合したバルブ軸を形成する工程、前記バルブ軸の面の上に第３の半導体ウェハを接合し、エッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程を有することを特徴とするマイクロバルブの製造方法である。

本発明のマイクロバルブの製造方法の第二の方法は、複数の半導体ウェハを用いて圧力調整用のマイクロバルブを製造する方法であって、第１の半導体ウェハにアルミマスクを形成する工程、前記アルミマスクがない部分をエッチングした後、アルミマスクのある部分をエッチングしてダイアフラム、流路およびバルブ軸の一部分を形成する工程、第２の半導体ウェハと第３の半導体ウェハが接合されたウェハの第２の半導体ウェハをエッチングしてバルブ軸の他の部分を形成する工程、前記第１の半導体ウェハのバルブ軸の一部分と第２の半導体ウェハのバルブ軸の他の部分とを合わせて第１〜第３の半導体ウェハを接合する工程、前記第３の半導体ウェハをエッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程を有することを特徴とするマイクロバルブの製造方法である。

上記の本発明の製造方法は、いずれも半導体加工技術を用いた微細構造製造方法であって、構造材料に複数の半導体ウェハを用いることを特徴とする圧力調整機構を有するマイクロバルブ製造方法である。

前記半導体加工技術が成膜工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程、ボンディング工程、リリーシング工程からなることを特徴とする。
半導体基板上に位置あわせのためのアライメントマークをつける工程を含むことを特徴とする。

シリコン異方性エッチング工程を含むことを特徴とする。
ＩＣＰ−ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）工程を含むことを特徴とする。
エッチングに２枚のアルミマスクを重ねて使用することを特徴とする。

加工済みのウェハにベアウェハをボンディングする工程を含むことを特徴とする。
リリース工程にｖａｐｏｒ ＨＦ（フッ化水素蒸気）を用いることを特徴とする。
表面改質工程および表面被覆工程を含むことを特徴とする。

前記表面被覆工程における被覆材料がパリレンであることを特徴とする。
前記表面被覆工程の前にエッチング工程を行うことを特徴とする。
構造材料にＳＯＩウェハを用いることを特徴とする。

ダイヤフラム、バルブ軸、弁体の順に製造することを特徴とする。
前記構造作成後に弁体のリリーシング工程を行うことを特徴とする。
前記リリーシング工程の後に表面被覆工程を行うことを特徴とする。

さらに、本発明の燃料電池は、上記のマイクロバルブを搭載することを特徴とする燃料電池である。

実施例１
本発明のマイクロバルブ製造方法について説明する。
本発明のマイクロバルブは、まず半導体ウェハにダイヤフラム部を作製し、その上に新規ウェハを接合後、バルブ軸部を作製し、さらに、その上に新規ウェハを接合後、弁体を作製し、最後に弁体をリリース（解放）することによって、製造される。ウェハには両面研磨されたものを使用するのが好ましい。

図１Ａおよび図１Ｂは、本発明のマイクロバルブ製造方法の一例を示す工程図である。図１Ａおよび図１Ｂに基づいて、本発明のマイクロバルブ製造方法を説明する。
まず、図１（ａ）示す第１のステップは、半導体ウェハ００１の表面に位置あわせのためのアライメントマーク０２１を作製するプロセス（工程）である。ウェハには厚さ３００μｍの両面研磨シリコンウェハ００１を用いた。Ｓｈｉｐｌｅｙ社、商品名 Ｓ１８０５をフォトレジストに使用し、パターニング後、ＩＣＰ−ＲＩＥエッチング（反応性イオンエッチング）によって、深さ３０μｍのアライメントマーク０２１を作製した。

図１（ｂ）に示す第２のステップでは、ダイヤフラム、バルブ軸の一部、および、その支持部のためのマスクを作製する。まず、２枚のアルミマスクを順番にウェハ００１の第１のステップで作製したアライメントマーク０２１と反対側の面にパターニングした。１枚目のアルミマスク０１１は＜Ｓｈｉｐｌｅｙ社、商品名 Ｓ１８０５をフォトレジストに使用し、ダイヤフラム０２４と支持部０２２を形成するためのマスクをパターニング後、真空蒸着によって成膜した。さらに、その上に、２枚目のアルミマスク０１２をフォトレジストによって、バルブ軸０２３と出口流路０２６になる部分をパターニング後、真空蒸着によって成膜した。

図１（ｃ）に示す第３のステップでは、ダイヤフラム０２４、バルブ軸０２３の一部、および、その支持部０２２を作製する。ＩＣＰ−ＲＩＥエッチング（反応性イオンエッチング）によってシリコンウェハを垂直に１５０μｍエッチングした。

図１（ｄ）に示す第４のステップでは、エッチング時間を制御することによって、２枚目のアルミニウムマスク０１２のみをウェットエッチングによって取り除いた。
図１（ｅ）に示す第５のステップでは、残ったマスクを用いて、ＩＣＰ−ＲＩＥエッチングによって１２５μｍシリコンウェハを垂直にエッチングした。これにより２５μｍのシリコンウェハ部分が残り、これがダイヤフラム０２４となる。また、出口流路０２６が形成される。

２枚のマスクを重ねて使用する方法は、これまで、フォトレジストとアルミマスクの組み合わせでは試みられてきた。しかし、この方式では、２段階目のエッチングがうまくいかないという課題があった。そこで、本発明では、２枚のアルミマスクを用いた。

図１（ｆ）に示す第６のステップは、ウェハのダイレクトボンディング工程である。まず、残ったアルミマスクをウェットエッチングで取り除いた。厚さ３００μｍの両面研磨シリコンウェハをまず、ＳＰＭ洗浄（過酸化水素水と硫酸の混合液中で８０℃１０分間洗浄）後、１％フッ酸で洗浄し、ＳＣ１洗浄（過酸化水素水とアンモニア水の混合液中で７５℃１０分間洗浄）した。次に前の工程までに作製したウェハ００１と新しいウェハ００２とを重ね合わせ、４５０ｋＰａ（約４．５ａｔｍ）の圧力で１０分間保持した。その後、試料を３時間で１１００℃に加熱し、４時間保持後、自然冷却によりアニールを行った。

図１（ｇ）に示す第７のステップは、バルブ軸０２３の残りの部分を作製する工程である。アルミを新しいウェハの表面に成膜後、第１のステップで作製したアライメントマークをもとに、Ｓｈｉｐｌｅｙ社、商品名 Ｓ１８０５フォトレジストによってバルブ軸をパターニングした。ＩＣＰ−ＲＩＥによって、バルブ軸となる部分を垂直にエッチングして作製した。

図１（ｈ）に示す第８のステップは、弁体になるウェハを接合する工程である。まず、アルミマスクをウェットエッチングによって取り除いた。その後、試料を超音波洗浄によって数分間洗浄した。新しい厚さ３００μｍの両面研磨シリコンウェハ００３の表面を熱酸化し、前の工程までに作製したウェハと接合した。接合条件は第６のステップの場合と同様である。

図１（ｉ）に示す第９のステップは、弁体を形成する工程である。ウェハの接合されていない側のシリコン酸化物層を取り除き、その上にアルミを成膜した。Ｓｈｉｐｌｅｙ社、商品名 Ｓ１８０５フォトレジストによって弁体０２５を形成し、ＩＣＰ−ＲＩＥによって垂直にエッチングした。

図１（ｊ）に示す第１０のステップは、弁体０２５をリリース（解放）する工程である。ｖａｐｏｒ ＨＦ（フッ化水素蒸気）によって２５μｍの長さをサイドエッチングした。エッチング時間は２時間であった。この工程は２５％のフッ酸溶液でのエッチングでは、数時間のエッチング後にシリコン酸化物層が残ってしまい、リリースできなかった。これは、フッ酸溶液では、埋もれたシリコン酸化物を等方的にエッチングできないためである。

さらにマイクロバルブのシール性を向上させるために、マイクロバルブ表面を改質する工程を付け加えてもよい。表面改質工程は、表面にコーティング材を被覆する表面被覆工程、表面をエッチングするエッチング工程、表面に薄膜を成膜する成膜工程、表面を酸化あるいは窒化する工程、イオンを注入する注入工程の少なくとも一つからなる。例えば、改質工程には以下の様なものがある。

まず、マイクロバルブ表面をコーティングするステップを付け加えても良い。また、コーティング工程の前に、コーティング材の密着性を向上させ、また、コーティングに伴い、各部材が厚くなってしまうのを相殺するため、マイクロバルブ表面をエッチングする工程を付け加えても良い。

次に、前記図１（ｊ）に示す第１０のステップで半導体ウェハをエッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程の後に行う、マイクロバルブの表面改質工程について説明する。

図２はマイクロバルブのエッチング工程および表面被覆工程の説明図である。図２（ａ）に示す第１１のステップは、マイクロバルブ表面をエッチングする工程である。エッチングには、例えば、ＸｅＦ₂ ガスを使用する。本ガスを使用することにより、等方的にエッチングすることができ、また、表面を粗くすることができる。エッチング量は次のコーティング厚さとのバランスで決定する。

図２（ｂ）に示す第１２のステップは、マイクロバルブ表面をポリパラキシリレンやポリモノクロロキシリレン等のコーティング材でコーティングする工程である。コーティングには、シール性の高い弾性材料が好ましく、さらには気層成膜可能なものが可能である。このようなコーティング材には、例えば、パリレンがある。パリレン０２６（商品名、日本パリレン（株）社製）をマイクロバルブ表面に１〜２μｍの厚さにコーティングする。

また、マイクロバルブ表面をエッチングする工程の替わりに、マイクロバルブのダイヤフラムを押し、マイクロバルブを開いた状態で、コーティング工程を行うことで、弁体と弁座がコーティング材によって接着してしまうのを防ぐこともできる。

また、ダイヤフラム表面にＴｉＮｉなどの形状記憶合金膜や残留応力を有する薄膜をスパッタリングなどによって成膜したり、ダイヤフラム表面を酸化や窒化など改質したり、ホウ素やリンなどをドーピングすることにより、ダイヤフラムに反りをもたせることができる。これにより、バルブに予圧がかけられ、本バルブが開閉する圧力を変化させることができる。

また、各ウェハのボンディング工程において、ウェハ同士の結晶面をずらすことで、バルブ全体の機械強度を向上させることができる。
実施例２
図３は、本発明のマイクロバルブ製造方法の他の例を示す工程図である。

本発明のマイクロバルブの製造方法において、ＳＯＩウェハを基板材料とした場合について説明する。製造方法の第５のステップまでは、実施例１と同様である。
図３（ａ）に示す第６のステップでは、バルブ軸を作製する工程である。シリコン基板３００μｍ（厚さ３００μｍ）の上にシリコン酸化物層１μｍ、シリコン層３００μｍが形成されているＳＯＩウェハ００４を用いる。アルミをウェハの表面に成膜後、Ｓｈｉｐｌｅｙ社、商品名 Ｓ１８０５フォトレジストによってバルブ軸をパターニングする。ＩＣＰ−ＲＩＥによって、バルブ軸となる部分を垂直にエッチングして作製する。

図３（ｂ）に示す第７のステップでは、第５のステップでダイヤフラムを形成したウェハと第７のステップで弁体を形成したウェハをボンディングする工程である。２枚のウェハをアライメントして重ねあわせ、４５０ｋＰａ（約４．５ａｔｍ）の圧力で１０分間保持する。その後、試料を３時間で１１００℃に加熱し、４時間保持後、自然冷却によりアニールを行う。

図３（ｃ）に示す第８のステップでは、弁体を形成する工程で、図３（ｃ）に示す第９のステップは、弁体をリリースする工程であり、それぞれ実施例１の第９および第１０のステップと同様である。

さらにマイクロバルブのシール性を向上させるために、マイクロバルブ表面をコーティングするステップを付け加えても良い。また、コーティング工程の前に、コーティング材の密着性を向上させ、また、コーティングに伴い、各部材が厚くなってしまうのを相殺するため、マイクロバルブ表面をエッチングする工程を付け加えても良い。これらの工程は、実施例１の図２（ａ）の第１１のステップ、および図２（ｂ）の第１２のステップと同様である。また、マイクロバルブ表面をエッチングする工程の替わりに、マイクロバルブのダイヤフラムを押し、マイクロバルブを開いた状態で、コーティング工程を行うことで、弁体と弁座がコーティング材によって接着してしまうのを防ぐこともできる。

また、ダイヤフラム表面にＴｉＮｉなどの形状記憶合金膜や残留応力を有する薄膜をスパッタリングなどによって成膜したり、ダイヤフラム表面を酸化や窒化など改質したり、ホウ素やリンなどをドーピングすることにより、ダイヤフラムに反りをもたせることができる。これにより、バルブに予圧がかけられ、本バルブが開閉する圧力を変化させることができる。

また、各ウェハのボンディング工程において、ウェハ同士の結晶面をずらすことで、バルブ全体の機械強度を向上させることができる。
実施例３
本発明のマイクロバルブの動作について説明する。

図４は本発明の製造方法により作製したマイクロバルブの断面図である。
図５は本発明のマイクロバルブの開閉の動作を示す説明図である。図５（ａ）は、マイクロバルブのクローズ状態の各部の圧力および断面積を表す説明図、図５（ｂ）はマイクロバルブが開いた状態を表す説明図である。

本発明のマイクロバルブは、気体の導入口０３１と導出口０３２を結ぶ流路０３３と、流路０３３中に設けられた弁体０２５と、弁体０２５とバルブ軸０２３を介して連結して設けられたダイアフラム０２４を有し、前記ダイアフラム２４は流路０３３の内部０３４と外部０３５とを隔てて配置され、流路０３３の内部０３４の圧力と外部０３５の圧力の差圧によって変形することにより弁体０２５が変位して開閉する。

即ち、図５（ａ）のようにダイヤフラム上部の圧力をＰ₀ 、バルブ上流の１次圧力をＰ₁ 、バルブ下流の圧力をＰ₂ とし、弁体の面積をＳ₁ 、ダイヤフラム面積をＳ₂ とする。このとき、圧力の釣り合いから、図５ｂのようにバルブが開く条件は、（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）Ｓ₁ ＜（Ｐ₀ −Ｐ₂ ）Ｓ₂ となる。Ｐ₂ がこの条件の圧力より高いとバルブは閉じ、低いとバルブは開く。これによって、Ｐ₂ を一定に保つことができる。弁体の面積やダイヤフラムの面積、バルブ軸の長さ、ダイヤフラムの厚さなどを調整することで、バルブが開閉する圧力や流量を最適に設計することができる。

実施例４
図６および図７により、本発明のマイクロバルブを搭載した燃料電池について説明する。

図６は本発明の燃料電池の概観を表す斜視図である。図７は本発明の燃料電池のシステムの概要図である。
燃料電池の外寸法は５０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍであり、通常コンパクトデジタルカメラで使用されているリチウムイオン電池の大きさとほぼ同じである。このように本発明の燃料電池は小型で一体化されているため、携帯機器に組み込みやすい形状となっている。本発明の燃料電池は、酸化剤として反応に用いる酸素を外気から取り入れるため、上下面、及び側面に外気を取り入れるための通気孔１３を有する。また、この通気孔は生成した水を水蒸気として逃がしたり、反応により発生した熱を外に逃がす働きもしている。また、一方の側面には、電気を取り出すための電極１２がある。電池内部は、高分子電解質膜１１２、酸化剤極１１１、燃料極１１３からなる燃料電池セル１１と、燃料を貯蔵する燃料タンク１４、燃料タンクと各セルの燃料極とをつなぎ、燃料の流量を制御するマイクロバルブ１５によって構成されている。

燃料タンク１４について説明する。タンクの内部には水素を吸蔵することが可能な水素吸蔵合金が充填されている。燃料電池に用いる高分子電解質膜の耐圧が０．３〜０．５ＭＰａであることから、外気との差圧が０．１ＭＰａ以内の範囲で用いる必要がある。

水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａの特性を持つ水素吸蔵合金として、例えばＬａＮｉ₅ などを用いる。燃料タンクの容積を燃料電池全体の半分とし、タンク肉厚を１ｍｍ、タンク材質をチタンとすると、この時、燃料タンクの重量は５０ｇ程度となり、また、燃料タンク体積は５．２ｃｍ³ になる。ＬａＮｉ₅ は重量当たり１．１ｗｔ％の水素を吸脱着可能なので、燃料タンクに蓄えられている水素量は０．４ｇであり、発電可能なエネルギーは、約１１．３［Ｗ・ｈｒ］であり、従来のリチウムイオン電池の約４倍である。

一方、水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａを超えるような水素吸蔵材料を超える場合には、燃料タンク１４と燃料極１１３との間に減圧のためのマイクロバルブ１５を設ける必要がある。尚、ＬａＮｉ₅ の各温度における解離圧は下記の表１に示すようになっている。タンクに蓄えられた水素はマイクロバルブ１５で減圧され、燃料極１１３に供給される。また酸化剤極１１１には通気孔１３から外気が供給される。燃料電池セルで発電された電気は電極１２から小型電気機器に供給される。

図８は実施例３のマイクロバルブを燃料電池に搭載した状態を示す概略図である。マイクロバルブの１次側は、燃料タンク１４とつながっている。出口流路０２６は、燃料極１１３へとつながり、ダイヤフラム０２４の出口流路と反対面は酸化剤極（外気）と接している。バルブ全体のサイズは１ｃｍ角以内であり、弁体の大きさは１ｍｍ角以内となっている。このように小さなバルブ機構を実現することにより、小型燃料電池に燃料流量の制御機構を組み込むことが可能になっている。

以下に燃料電池の発電に伴うバルブの開閉動作を説明する。発電停止中はマイクロバルブ１５は閉じている。発電が始まると燃料極室の燃料は消費され、燃料極室の燃料の圧力は下がっていく。ダイヤフラム０２４は、外気圧と燃料極室の圧力との差圧から、燃料極室側にたわみ、ダイヤフラム０２４にバルブ軸０２３で直結された弁体０２５は押し下げられ、バルブは開く。これにより、燃料タンク１４から、燃料極室１１３に燃料が供給される。燃料極室の圧力が回復すると、ダイヤフラム０２４は上に押し上げられ、弁体０２５も押し上げられ、マイクロバルブ１５は閉じる。

本発明のマイクロバルブは、半導体ウエハを材料とし、半導体加工技術を用いて、バルブを非常に小型化し、小型燃料電池の燃料タンクからの燃料ガスの圧力を一定に保って燃料電池セルに供給することができるので、小型の電気機器に搭載する小型の燃料電池に利用することができる。

本発明のマイクロバルブ製造方法の一例の前半の工程を示す工程図である。 本発明のマイクロバルブ製造方法の一例の後半の工程を示す工程図である。 マイクロバルブの表面改質工程および表面被覆工程の説明図である。 本発明のマイクロバルブ製造方法の他の例を示す工程図である。 本発明の製造方法により作製したマイクロバルブの断面図である。 本発明のマイクロバルブの開閉の動作を示す説明図である。 本発明の燃料電池の概観を表す斜視図である。 本発明の燃料電池のシステムの概要図である。 本発明のマイクロバルブを燃料電池に搭載した状態を示す概略図である。

符号の説明

００１ 第１のウェハ
００２ 第２のウェハ
００３ 第３のウェハ
００５ ＳＯＩウェハ
０１１ 第１のアルミマスク
０１２ 第２のアルミマスク
０１３ 第３のアルミマスク
０１４ シリコン酸化物層
０１５ 第４のアルミマスク
０２１ アライメントマーク
０２２ 支持部
０２３ バルブ軸
０２４ ダイヤフラム
０２５ 弁体
０２６ 出口流路
０３１ 気体の導入口
０３２ 気体の導出口
０３３ 流路
０３４ 内部
０３５ 外部
１１ 燃料電池セル
１１１ 酸化剤極
１１２ 高分子電解質膜
１１３ 燃料極
１２ 電極
１３ 通気孔
１４ 燃料タンク
１５ マイクロバルブ

Claims (9)

1. 半導体ウェハを用いて作製された圧力調整用のマイクロバルブであって、気体の導入口と導出口を結ぶ流路と、前記流路中に設けられた弁体と、前記弁体とバルブ軸を介して連結して設けられたダイアフラムを有し、前記ダイアフラムは流路の内部と外部とを隔てて配置され、前記流路の内部の圧力と外部の圧力の差圧によって変形することにより弁体が変位して開閉することを特徴とするマイクロバルブ。
2. 前記弁体、バルブ軸およびダイアフラムは、シリコンウェハおよびＳＯＩウェハの少なくとも一つからなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。
3. 複数の半導体ウェハを用いて圧力調整用のマイクロバルブを製造する方法であって、第１の半導体ウェハにアルミマスクを形成する工程、前記アルミマスクがない部分をエッチングした後、アルミマスクのある部分をエッチングしてダイアフラム、流路およびバルブ軸の一部分を形成する工程、前記バルブ軸の一部分の面の上に第２の半導体ウェハを接合し、エッチングして前記バルブ軸の一部分の上に他の部分を接合したバルブ軸を形成する工程、前記バルブ軸の面の上に第３の半導体ウェハを接合し、エッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程を有することを特徴とするマイクロバルブの製造方法。
4. 複数の半導体ウェハを用いて圧力調整用のマイクロバルブを製造する方法であって、第１の半導体ウェハにアルミマスクを形成する工程、前記アルミマスクがない部分をエッチングした後、アルミマスクのある部分をエッチングしてダイアフラム、流路およびバルブ軸の一部分を形成する工程、第２の半導体ウェハと第３の半導体ウェハが接合されたウェハの第２の半導体ウェハをエッチングしてバルブ軸の他の部分を形成する工程、前記第１の半導体ウェハのバルブ軸の一部分と第２の半導体ウェハのバルブ軸の他の部分とを合わせて第１〜第３の半導体ウェハを接合する工程、前記第３の半導体ウェハをエッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程を有することを特徴とするマイクロバルブの製造方法。
5. 前記第１の半導体ウェハに位置あわせのためのアライメントマークをつける工程を含むことを特徴とする請求項３または４に記載のマイクロバルブの製造方法。
6. 前記第１の半導体ウェハにアルミマスクを形成する工程は、２枚のアルミマスクを重ねて形成することを特徴とする請求項３または４に記載のマイクロバルブの製造方法。
7. 前記第３の半導体ウェハをエッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程の後に、マイクロバルブの表面を改質する表面改質工程を含むことを特徴とする請求項３または４に記載のマイクロバルブの製造方法。
8. 前記表面改質工程が、表面にコーティング材を被覆する表面被覆工程、表面をエッチングするエッチング工程、表面に薄膜を成膜する成膜工程、表面を酸化あるいは窒化する工程、イオンを注入する注入工程の少なくとも一つからなることを特徴とする請求項７に記載のマイクロバルブの製造方法。
9. 請求項１または２記載のマイクロバルブを有することを特徴とする燃料電池。

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