JP2006090527A - マイクロバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】流出口を流れる流体の流量の精度を容易に高めることが可能なマイクロバルブを提供する。
【解決手段】第１のシリコン基板を用いて形成され流体の流出口１２が厚み方向に貫設され一表面側において流出口１２の周部に弁座１３が突設された弁座形成基板１０と、第２のシリコン基板を用いて形成されて流出口１２を開閉する弁体２３を有し弁座形成基板１０の上記一表面側に固着される弁体形成基板２０と、弁体２３を駆動するマイクロアクチュエータ用のアクチュエータ形成基板３０とを備え、弁座形成基板１０に、弁座形成基板１０と弁体形成基板２０との間に形成される流体の流路に連通する流入口１１が厚み方向で貫設され、〔流入口１１の圧力損失〕＞〔流出口１２の圧力損失〕の関係を満たすように流入口１１および流出口１２の構造パラメータを設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の流れを制御するマイクロバルブに関するものである。

従来から、マイクロエレクトロニクス分野や医療用のエレクトロニクス分野などにおいて、微量な流体の流れを制御するポンプとして、シリコン基板のような半導体基板をマイクロマシンニング技術により加工して形成した構造体を用いたマイクロバルブが各所で研究開発されており、例えば、構造体に形成した弁体を静電引力を利用して駆動する静電型アクチュエータが一体化されたものが提案されている（特許文献１参照）。

この種のマイクロバルブは、例えば、図１０（ａ）に示すように、ガラス基板を用いて形成され流体の流出口１２’が厚み方向に貫設されるとともに一表面（図１０（ａ）における上面）側において流出口１２’の周部に弁座１３’が突設された弁座形成基板１０’と、シリコン基板を用いて形成され弁座形成基板１０’の上記一表面側に固着されるフレーム２１’およびフレーム２１’の内側に配置され流出口１２’を開閉するように上記厚み方向に変位可能な弁体２３’およびフレーム２１’と弁体２３’とを連結する薄肉の撓み部２２’を一体に有する弁体形成基板２０’とを備えている。つまり、弁体２３’は撓み部２２’を介してフレーム２１’に支持されている。一方、弁座形成基板１０’は、流出口１２’が円形状に開口され、流出口１２’の周部において弁体２３’との対向面に上述の弁座１３’が形成されている。なお、弁体形成基板２０’のフレーム２１’と弁座形成基板１０’とは陽極接合により固着されている。

また、図１０（ａ）に示す構成のマイクロバルブは、対向配置される一対の電極間に作用する静電力によって弁体２３’を弁座形成基板１０’の厚み方向に変位させるものであって、上記一対の電極の一方を構成する可動電極（図示せず）が弁体２３’における弁座形成基板１０’側とは反対側に形成され、弁体形成基板２０’における弁座形成基板１０’とは反対側に固着されるガラス製のアクチュエータ形成基板３０’に上記一対の電極の他方を構成する固定電極３１’が設けられている。ここにおいて、図１０（ａ）に示したマイクロバルブでは、アクチュエータ形成基板３０’の周部に流体の流入口３８’を貫設し、弁体形成基板２０’に、流入口３８’と弁座形成基板１０’の流路用凹部１４’とを連通させる連通孔２８’を厚み方向に貫設してある。ここにおいて、弁体形成基板２０’のフレーム２１’とアクチュエータ形成基板３０’とは、弁体形成基板２０’のフレーム２１’におけるアクチュエータ形成基板３０’との対向面に形成されたアルミニウム薄膜からなる陽極接合用電極１２５’を介して陽極接合により固着してある。

上述のマイクロバルブは、上記可動電極および固定電極３１’それぞれ接続されたパッド（図示せず）を介して上記可動電極と固定電極３１’との間に電圧を印加していない状態では、図１１（ａ）に示すように弁体２３’が弁座１３’の先端面に密着することで流出口１２’が弁体２３’により閉止されている。これに対して、上記可動電極と固定電極３１’との間に規定電圧以上の電圧を印加すると、図１１（ｂ）に示すように弁体２３’が流出口１２’から離れる向きに変位して流出口１２’が開放される。すなわち、上述のマイクロバルブは、ノーマリクローズ型のマイクロバルブを構成している。なお、図１１（ａ）は、弁体形成基板２０’と弁座形成基板１０’との間の空間へアクチュエータ形成基板３０’に形成された流入口３８’を通して流体が導入された状態を示しており、流出口１２’が開放されると、流入口３８’を通して弁体形成基板２０’と弁座形成基板１０’との間の空間へ導入された流体が流出口１２’を通って流出することとなる（図１０（ａ）中の矢印で示した経路は流体の流れる経路を示している）。

上述のマイクロバルブでは、図１０（ｂ）に示すように、円環状の弁座１３’の内周の半径をｒ1、弁座１３’の外周の半径をｒ2、円周率をπ、弁座１３’の先端面（つまり、流出口１２’の閉止時において弁体２３’と密着する弁座面）における有効長さをｗとすると、有効長さｗは下記の数式で表される。

また、弁座１３’の外周の半径ｒ2と内周の半径ｒ1との差（シール長）をＬ、流出口１２’が開放された状態で流出口１２’を流れる流体の流量をＱ、上記可動電極が固定電極３１’に引き付けられた状態（つまり、図１１（ｂ）の状態）での弁体２３’と弁座１３’との間のギャップ長をｄ（ギャップ長ｄは、上記可動電極と固定電極３１’との間に電圧が印加されていない状態での上記可動電極と固定電極３１’との間隔に等しい）、弁体形成基板２０’と弁座形成基板１０’との間に形成される空間Ｅ１の圧力（つまり、流出口１２’の入口側の圧力）をＰ１、弁座形成基板１０’における弁体形成基板２０’とは反対側の外部空間Ｅ２の圧力（つまり、流出口１２’の出口側の圧力）をＰ２とすると、流量Ｑは下記の数式で表される。

要するに、上述のマイクロバルブでは、シール長Ｌが長くなるほど流量Ｑが減少し、ギャップ長ｄ、有効長さｗが長くなるほど流量Ｑが増加するので、シール長Ｌ、ギャップ長ｄ、有効長さｗ、それぞれを適宜設計することにより、流出口１２’の開放時に所望の流量Ｑの流体を流すことが可能となる。
特開２００４−１７６８０２号公報

ところで、上述の数２から分かるように、マイクロバルブの流出口１２’を流れる流体の流量Ｑは、ギャップ長ｄの３乗に比例するので、流出口１２’を流れる流体の流量Ｑの精度を高めるためには、ギャップ長ｄの精度を高める必要があり、ギャップ長ｄが上記可動電極と固定電極３１’との間に電圧を印加していない状態での上記可動電極と固定電極３１’との間の間隔（電極間距離）に等しいから、電極間距離の精度を向上させる必要がある。

ここにおいて、上述のマイクロバルブの製造にあたっては、弁体２３’を有する弁体形成基板２０’を、固定電極３１’を有するアクチュエータ形成基板３０’および弁座１３’を有する弁座形成基板１０’それぞれと陽極接合により固着するので、アクチュエータ形成基板３０’の形成にあたっては、ガラス基板の一面において固定電極３１’の形成予定部位を含む所定領域に深さが数μｍのギャップ形成用凹部３３’を形成し、ギャップ形成用凹部３３’の内底面に固定電極３１’を形成している。したがって、所望の電極間距離および陽極接合用電極１２５’の膜厚に応じてギャップ形成用凹部３３’の深さ寸法および固定電極３１’の膜厚を設計すればよい。

しかしながら、上記可動電極と固定電極３１’との間に形成されるギャップのギャップ長ｄを数μｍの値で精度良く得るためには、弁体形成基板２０’とアクチュエータ形成基板３０’とを固着する工程において、高度な接合技術が必要であり、製品間で流出口１２’を流れる流体の流量Ｑのばらつきが大きく、流出口１２’を流れる流体の流量Ｑの精度を高めるのが難しかった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、流出口を流れる流体の流量の精度を容易に高めることが可能なマイクロバルブを提供することにある。

請求項１の発明は、第１の半導体基板もしくはガラス基板を用いて形成され流体の流出口が厚み方向に貫設され一表面側において流出口の周部に弁座が突設された弁座形成基板と、第２の半導体基板を用いて形成されて流出口を開閉する弁体を有し弁座形成基板の上記一表面側に固着される弁体形成基板と、弁体を駆動するマイクロアクチュエータとを備え、弁座形成基板と弁体形成基板との一方に、弁座形成基板と弁体形成基板との間に形成される流体の流路に連通する流体の流入口が厚み方向で貫設され、
〔流入口の圧力損失〕＞〔流出口の圧力損失〕
の関係を満たすことを特徴とする。

この発明によれば、流出口を開放させた状態で流出口を流れる流体の流量が弁体と弁座との間のギャップ長によらず、流入口の構造パラメータにより決まることとなり、上記構造パラメータのうち流入口の開口形状に関する構造パラメータは、第１の半導体基板を用いて弁座形成基板を形成する場合には第１の半導体基板と第２の半導体基板との一方に一般的な半導体製造プロセスで利用されるリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを利用して流入口を形成することで高精度化を図れ、ガラス基板を用いて弁座形成基板を形成する場合には一般的なガラス加工技術であるドリル加工やサンドブラスト加工によってガラス基板に流入口を形成するか、一般的な半導体製造プロセスで利用されるリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを利用して第２の半導体基板に流入口を形成することにより高精度化を図れ、上記構造パラメータのうち流入口の長さ（流路長）は第１の半導体基板もしくはガラス基板と第２の半導体基板との一方において流入口を貫設する部位の厚みに等しいから、流出口を流れる流量を決める各構造パラメータの高精度化が容易であり、流出口を流れる流体の流量の精度を容易に高めることが可能となる。

請求項２の発明は、第１の半導体基板もしくはガラス基板を用いて形成され流体の流出口が厚み方向に貫設され一表面側において流出口の周部に弁座が突設された弁座形成基板と、第２の半導体基板を用いて形成されて流出口を開閉する弁体を有し弁座形成基板の上記一表面側に固着される弁体形成基板と、弁体を駆動するマイクロアクチュエータとを備え、弁座形成基板と弁体形成基板との一方に、弁座形成基板と弁体形成基板との間に形成される流体の流路に連通する流体の流入口が厚み方向で複数貫設され、
〔各流入口それぞれの圧力損失の総和〕＞〔流出口の圧力損失〕
の関係を満たすことを特徴とする。

この発明によれば、流出口を開放させた状態で流出口を流れる流体の流量が弁体と弁座との間のギャップ長によらず、流入口の構造パラメータにより決まることとなり、上記構造パラメータのうち流入口の開口形状に関する構造パラメータは、第１の半導体基板を用いて弁座形成基板を形成する場合には第１の半導体基板と第２の半導体基板との一方に一般的な半導体製造プロセスで利用されるリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを利用して流入口を形成することで高精度化を図れ、ガラス基板を用いて弁座形成基板を形成する場合には一般的なガラス加工技術であるドリル加工やサンドブラスト加工によってガラス基板に流入口を形成するか、一般的な半導体製造プロセスで利用されるリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを利用して第２の半導体基板に流入口を形成することにより高精度化を図れ、上記構造パラメータのうち流入口の長さ（流路長）は第１の半導体基板もしくはガラス基板と第２の半導体基板との一方において流入口を貫設する部位の厚みに等しいから、流出口を流れる流量を決める各構造パラメータの高精度化が容易であり、流出口を流れる流体の流量の精度を容易に高めることが可能となる。また、流入口を複数備えていることにより、流体中の塵などで１つの流入口が塞がれても残りの流入口を通して流体を流すことができるという利点がある。

請求項３の発明は、流体の流出口が厚み方向に貫設され一表面側において流出口の周部に弁座が形成された弁座形成基板と、流出口を開閉する弁体を有し弁座形成基板の上記一表面側に固着される弁体形成基板と、弁体を駆動するマイクロアクチュエータとを備え、弁座形成基板と弁体形成基板との一方に、流体の流入口が厚み方向で貫設されるとともに、弁座形成基板と弁体形成基板との間において流入口の２次側の空間と流出口の１次側の空間とを連通させる圧力調整用流路が凹設され、
〔圧力調整用流路の圧力損失〕＞〔流出口の圧力損失〕
の関係を満たすことを特徴とする。

この発明によれば、流出口を開放させた状態で流出口を流れる流体の流量が弁体と弁座との間のギャップ長によらず、圧力調整用流路の構造パラメータにより決まることとなり、上記構造パラメータのうち開口形状に関する構造パラメータおよび深さ寸法および長さ寸法（流路長）は一般的な半導体製造プロセスで利用されるリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを利用することで高精度化を図れるから、流出口を流れる流量を決める各構造パラメータの高精度化が容易であり、流出口を流れる流体の流量の精度を容易に高めることが可能となる。

請求項４の発明は、流体の流出口が厚み方向に貫設され一表面側において流出口の周部に弁座が形成された弁座形成基板と、流出口を開閉する弁体を有し弁座形成基板の上記一表面側に固着される弁体形成基板と、弁体を駆動するマイクロアクチュエータとを備え、弁座形成基板と弁体形成基板との一方に、流体の流入口が厚み方向で貫設されるとともに、弁座形成基板と弁体形成基板との間において流入口の２次側の空間と流出口の１次側の空間とを連通させる圧力調整用流路が複数凹設され、
〔各圧力調整用流路それぞれの圧力損失の総和〕＞〔流出口の圧力損失〕
の関係を満たすことを特徴とする。

この発明によれば、流出口を開放させた状態で流出口を流れる流体の流量が弁体と弁座との間のギャップ長によらず、圧力調整用流路の構造パラメータにより決まることとなり、上記構造パラメータのうち開口形状に関する構造パラメータおよび深さ寸法および長さ寸法（流路長）は一般的な半導体製造プロセスで利用されるリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを利用することで高精度化を図れるから、流出口を流れる流量を決める各構造パラメータの高精度化が容易であり、流出口を流れる流体の流量の精度を容易に高めることが可能となる。また、圧力調整用流路を複数備えていることにより、流体中の塵などで１つの圧力調整用流路が塞がれても残りの圧力調整用流路を通して流体を流すことができるという利点がある。

請求項１〜４の発明では、流出口を流れる流体の流量の精度を容易に高めることが可能となるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態のマイクロバルブについて図１〜図３を参照しながら説明する。なお、本実施形態のマイクロバルブは、例えば、小型の燃料電池や燃料改質器への液体燃料（例えば、メタノール、純水、メタノール水溶液など）の供給路上に設けて使用することができるが、他の用途への使用も可能である。 本実施形態のマイクロバルブは、導電率が比較的低い半導体基板（例えば、シリコン基板）を用いて形成され流体（例えば、液体燃料）の流入口１１および流出口（弁口）１２が厚み方向に貫設されるとともに一表面（図１における上面）側において流出口１２の周部に弁座１３が突設された弁座形成基板１０と、導電率が比較的高い半導体基板（例えば、シリコン基板）を用いて形成され弁座形成基板１０の上記一表面側に固着されるフレーム２１およびフレーム２１の内側に配置され流出口１２を開閉するように上記厚み方向に変位可能な弁体２３およびフレーム２１の一表面（図１における上面）側でフレーム２１と弁体２３とを連結する薄肉の撓み部２２を一体に有する弁体形成基板２０と、ガラス基板を用いて形成され弁体形成基板２０の一表面（図１における上面）側に固着されるアクチュエータ形成基板３０とを備えている。ここにおいて、本実施形態では、弁体２３が可動電極２４を兼ねており、アクチュエータ形成基板３０は、弁体２３との対向部位に弁体２３からなる可動電極２４とともに弁体２３を駆動する静電型のマイクロアクチュエータを構成する金属薄膜（例えば、クロム薄膜）からなる固定電極３１を有している。すなわち、本実施形態のマイクロバルブは、対向配置される一対の電極間に作用する静電力によって弁体２３を弁座形成基板１０の厚み方向に変位させるものであって、上記一対の電極の一方を構成する可動電極２４を弁体形成基板２０の弁体２３に備え、弁体形成基板２０と固着されるアクチュエータ形成基板３０に上記一対の電極の他方を構成する固定電極３１が設けられている。なお、固定電極３１を構成する金属薄膜の材料はクロムに限らず、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、タングステン、金などを採用してもよい。また、弁体形成基板２０の基礎となるシリコン基板として導電率が比較的低いシリコン基板を採用して、弁体２３における流出口１２との対向面とは反対側に、可動電極２４を高濃度不純物拡散層や金属膜により構成するようにしてもよい。

弁座形成基板１０の上記一表面には、流入口１１と流出口１２との間において流体の流路となる流路用凹部１４が流入口１１および流出口１２を囲むように形成されており、弁体形成基板２０の撓み部２２と弁座形成基板１０との間の空間が流入口１１と連通する。ここで、流入口１１および流出口１２の開口形状は円形状とし、流路用凹部１４の内周形状は矩形状としてある。また、弁座形成基板１０における流出口１２の周部には、上述の弁座１３が流路用凹部１４の内底面よりも突出する形で連続一体に形成されており、可動電極２４と固定電極３１との間に電圧を印加していない状態では、弁体２３が弁座１３の先端面（弁座面）に密着するようになっている。なお、流路用凹部１４は、ドライエッチングやウエットエッチングにより形成する。また、弁座形成基板１０の基礎となるシリコン基板の厚さを２００μｍ程度に設定し、流路用凹部１４の深さを４０μｍに設定してあるが、これらの数値は特に限定するものではない。

弁座形成基板１０における流入口１１および流出口１２は、シリコン基板からなる半導体基板における流入口１１および流出口１２の形成予定部位を、垂直方向（厚み方向）への深堀加工が可能なドライエッチング装置（例えば、誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置）を用いてドライエッチングすることによって形成している。なお、流入口１１および流出口１２については後述する。

弁体形成基板２０は、導電率が比較的高いシリコン基板からなる半導体基板をマイクロマシンニング技術により加工することで形成してあり、具体的には、リソグラフィ技術、エッチング技術などを利用して、フレーム２１および撓み部２２および弁体２３を形成してあり、弁体２３が撓み部２２を介してフレーム２１に支持されている。弁体２３は弁座形成基板１０の厚み方向に直交する断面形状が円形状となっており、弁座形成基板１０に対向する先端面での直径が弁座１３の外径よりも大きくなっている。また、撓み部２２は弁体２３を全周に亙って囲む円環状に形成されている。弁体形成基板２０は、フレーム２１の上記一表面側に露出した一対のパッド２６ａ，２６ｂを備えており、一方のパッド２６ａが可動電極２４に電気的に接続され、他方のパッド２６ｂが固定電極３１に金属配線３２を介して電気的に接続されている。ここに、他方のパッド２６とフレーム２１との間にはシリコン酸化膜からなる絶縁膜２７を介在させてある。なお、各パッド２６ａ，２６ｂの材料としては、例えば、アルミニウムや、アルミニウムとシリコンとの合金などを採用すればよく、各パッド２６ａ，２６ｂそれぞれには、金属細線（例えば、アルミニウムワイヤ）Ｗ，Ｗがワイヤボンディングによって接続される。

ここに、弁体形成基板２０の基礎となるシリコン基板の厚さは３００μｍ程度に設定し、撓み部２２の厚さを数μｍ〜２０μｍ程度に設定してあるが、これらの厚さは特に限定するものではない。なお、本実施形態のマイクロバルブでは、弁体形成基板２０および弁座形成基板１０の外周形状を矩形状とし、弁体形成基板２０のフレーム２１と弁座形成基板１０の周部とを接着剤や半田などの接合材を用いることなく陽極接合により固着しているので、弁体２３のストローク量の管理が容易になる。

また、アクチュエータ基板３０の外周形状は、矩形状に形成されているが、弁体形成基板２０に固着した状態において弁体形成基板２０のパッド２６ａ，２６ｂが露出するように、長辺の寸法（図２（ａ）における左右方向の寸法）が弁体形成基板２０の長辺の寸法（図２（ｂ）における左右方向の寸法）よりも短く設定されている。ここにおいて、アクチュエータ形成基板３０は、弁体形成基板２０との対向面における周部がフレーム２１に陽極接合により固着されている。

アクチュエータ形成基板３０における弁体形成基板２０との対向面において、撓み部２２および弁体２３に対向する部位には弁座形成基板１０の厚み方向への弁体２３の移動空間４１を確保するためのギャップ形成用凹部３３が形成されており、ギャップ形成用凹部３３の内底面に上述の金属薄膜からなる固定電極３１を形成してある。ここに、ギャップ形成用凹部３３は、円形状に開口されている。固定電極３１は、例えば、スパッタ法、蒸着法、めっき法などによって形成すればよい。アクチュエータ形成基板３０としてはシリコンと熱膨張係数が略等しく且つ耐熱性を有するパイレックス（登録商標）を採用すればよい。また、アクチュエータ形成基板３０の基礎となるガラス基板の厚さを５００μｍ程度に設定し、ギャップ形成用凹部３３の深さを４μｍに設定してあるが、これらの数値は特に限定するものではない。

なお、図１はパッド２６ａ，２６ｂを介して可動電極２４と固定電極３１との間に電圧を印加していない状態を示しており、流出口１２が弁体２３により閉止されているが、パッド２６ａ，２６ｂを介して可動電極２４と固定電極３１との間に規定電圧以上の電圧を印加すれば弁体２３が流出口１２から離れる向きに変位して流出口１２が開放され、撓み部２２とベース基板１０との間の空間が流出口１２を通して外部と連通するから、流入口１１−流路用凹部１４−流出口１２の経路で流体が流れる。要するに、本実施形態のマイクロバルブは、ノーマリクローズ型のマイクロバルブを構成している。ここにおいて、弁体２３によって流出口１２を閉止した状態における可動電極２４と固定電極３１との間の間隔は、数μｍ（例えば、３μｍ程度）に設定してある。

ところで、流出口１２が弁体２３により閉止された状態において、流入口１１を通して撓み部２２とベース基板１０との間の空間に流れ込んだ流体の圧力により弁体２３が浮き上がって流出口１２が開放されるのを防止するために、弁体形成基板２０のフレーム２１の上記一表面側に他の部位に比べて薄肉の圧力調整用ダイヤフラム部２５が形成され、アクチュエータ形成基板３０における弁体形成基板２０との対向面において、圧力調整用ダイヤフラム部２５に対向する部位には円形状に開口した圧力調整空間用凹部３４が形成され、圧力調整空間用凹部３４とギャップ形成用凹部３３との間には圧力調整空間用凹部３４とギャップ形成用凹部３３とを連通させる連通用凹部３５が形成されている。圧力調整用ダイヤフラム部２５の厚さは撓み部２２の厚さと同じ厚さに設定してあるので、製造時に圧力調整用ダイヤフラム部２５と撓み部２２とを同時に形成することができる。また、アクチュエータ形成基板３０の各凹部３３，３４，３５は、アクチュエータ形成基板３０の基礎となるガラス基板における各凹部３３，３４，３５それぞれの形成予定部位をサンドブラスト法、フッ酸系の薬液によるウェットエッチング、ドライエッチングなどにより加工することで形成してある。

ここにおいて、アクチュエータ形成基板３０に各凹部３３，３４，３５を設けたことによりアクチュエータ形成基板３０と弁体形成基板２０との間に形成される空間には、気体（例えば、窒素、アルゴン、キセノン、ヘリウムなどの不活性ガスや空気など）若しくは液体（例えば、フロリナート、シリコーンオイル、フレオン、シリコーンゲルなど）からなる受圧媒体が封入されている。受圧媒体として用いる液体として電気絶縁性を有するものが好ましい。また、受圧媒体として気体を採用する場合には、不活性ガスを用いた方が空気を用いた場合よりも長期的な信頼性が向上し安定した開閉動作が得られる。

したがって、本実施形態のマイクロバルブでは、流入口１１を通して弁座形成基板１０と圧力調整用ダイヤフラム部２５との間の空間へ流入した流体の圧力を受けて圧力調整空間（圧力調整空間用凹部３４の内面と圧力調整用ダイヤフラム部２５とで囲まれる空間）４２の容積が縮小するように圧力調整用ダイヤフラム部２５が変形する（アクチュエータ形成基板３０側へ凸となる形で撓む）ことによって、アクチュエータ形成基板３０と弁体形成基板２０との間の空間内の受圧媒体が圧縮されて圧力が高まって弁体２３が流出口１２を閉止する向き（つまり、弁体２３を押し下げる向き）の力が作用するので、可動電極２４と固定電極３１との間に電圧が印加されていない状態では、図１に示すように、圧力調整用ダイヤフラム部２５が変形し、弁体２３が浮き上がることなく弁体２３により流出口１２が確実に閉止されている。これに対して、可動電極２４と固定電極３１との間に上述の力に抗して弁体２３が流出口１２を開くのに必要な規定電圧以上の電圧を印加すれば、両電極２４，３１間に発生する静電力によって可動電極２４が固定電極３１に当接するように撓み部２２が撓んで流出口１２が開放されるので、上述のように、流入口１１−流路用凹部１４−流出口１２の経路で流体が流れることとなる。ここにおいて、本実施形態のマイクロバルブでは、可動電極２４と固定電極３１との間の間隔が弁体２３のストローク量に等しく、弁体２３のストローク量を数μｍ程度に設定することができるので、応答性が良く、粘性が高い流体であっても数μｌ／ｍｉｎレベルの微量な流体を精度良く高速に制御することができる。また、弁体２３のストローク量が小さいので、数Ｖ程度の電圧を印加することにより、流出口１２の開閉を行うことができる。

なお、本実施形態のマイクロバルブの製造にあたっては、弁体形成基板２０を多数形成したシリコンウェハと弁座形成基板１０を多数形成したシリコンウェハおよびアクチュエータ形成基板３０を多数形成したガラス基板を陽極接合してからダイシングすれば、工程の簡略化および製造コストの低減を図れ、生産性を向上させることができる。

ところで、本実施形態のマイクロバルブにおける弁座形成基板１０は、上述のようにシリコン基板を基礎として流入口１１および流出口１２を形成してあり、流出口１２よりも流入口１１のサイズを小さくしてある。言い換えれば、流入口１１の内径を流出口１２の内径よりも小さくしてある。ここに、流入口１１および流出口１２の形成にあたって、リソグラフィ技術およびドライエッチング技術を利用するので、高精度に形成することが可能である。ここで、流入口１１および流出口１２は、垂直方向への深堀加工が可能なエッチング装置（例えば、誘導結合型プラズマを利用したドライエッチング装置）を用いたドライエッチングにより形成することが望ましい。

ここにおいて、本実施形態のマイクロバルブでは、流入口１１の構造パラメータと流出口１２の構造パラメータとを、
〔流入口１１の圧力損失〕＞〔流出口１２の圧力損失〕
の関係を満たすように設計すればよい。

具体的に説明すれば、図３に示すように、円環状の弁座１３の内周の半径をｒ1、弁座１３の外周の半径をｒ2、円周率をπ、弁座１３の先端面（つまり、流出口１２の閉止時において弁体２３と密着する弁座面）における有効長さ（図３（ｂ）中の仮想円Ｃの円周）をｗとすると、有効長さｗは上述の数１で表される。

また、弁座１３の弁座面における外周の半径ｒ2と内周の半径ｒ1との差（シール長）をＬ、流出口１２が開放された状態で流出口１２を流れる流体の流量をＱout、可動電極２４が固定電極３１に引き付けられた状態での弁体２３と弁座１３との間のギャップ長をｄ（ギャップ長ｄは、可動電極２４と固定電極３１との間に電圧が印加されていない状態での可動電極２４と固定電極３１との間隔に等しい）、流出口１２の近傍で弁体形成基板２０と弁座形成基板１０との間に形成される空間Ｅ１の圧力、つまり、流出口１２の１次側（入口側）の圧力をＰin、弁座形成基板１０における弁体形成基板２０とは反対側の外部空間Ｅ２の圧力、つまり、流出口１２の２次側（出口側）の圧力をＰout、流体の粘性係数をηとすると、流量Ｑoutは下記の数式で表される（なお、図３（ａ）中の一点鎖線の矢印は流出口１２を通る流体の流れを示している）。

一方、流入口１１を流れる流体の流量をＱin、流入口１１の開口面の半径（流路の半径）をｒ、流入口１１の長さ（流路長）をｌ、流入口１１の近傍で弁座形成基板１０における弁体形成基板２０とは反対側の外部空間Ｅ３の圧力、つまり、流入口１１の１次側（入口側）の圧力をＰin’、弁体形成基板２０と弁座形成基板１０との間に形成される空間Ｅ４の圧力、つまり、流入口１１の２次側（出口側）の圧力をＰout’、流体の粘性係数をηとすると、流量Ｑinは下記の数式で表される（なお、図３（ａ）中の実線の矢印は流入口１１を通る流体の流れを示している）。

上述の数３において、流出口１２の圧力損失は、〔Ｐin−Ｐout〕で表され、上述の数４において、流入口１１の圧力損失は、〔Ｐin’−Ｐout’〕で表される。

したがって、〔流入口１１の圧力損失〕＞〔流出口１２の圧力損失〕
の関係は、下記の数式に整理することができる。

しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、流出口１２を開放させた状態で流出口１２を流れる流体の流量Ｑoutが弁体２３と弁座１３との間のギャップ長ｄによらず、流入口１１の構造パラメータにより決まることとなり、上記構造パラメータである流入口１１の開口面の半径ｒは一般的な半導体製造プロセスで利用されるリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを利用して流入口１１を形成することで高精度化を図れ、上記構造パラメータである流入口１１の流路長ｌは弁座形成基板１０の基礎となるシリコン基板において流入口１１を貫設する部位の厚みに等しいから、流出口１２を流れる流量Ｑoutを決める各構造パラメータの高精度化が容易であり、流出口１２を流れる流体の流量Ｑoutの精度を容易に高めることが可能となる。

なお、上述の例では、半導体基板を用いて弁座形成基板１０を形成してあるが、ガラス基板を用いて弁座形成基板１０を形成してもよく、上記構造パラメータである流入口１１の開口面の半径ｒは一般的なガラス加工技術であるドリル加工やサンドブラスト加工によって上記ガラス基板に流入口１１を形成することにより高精度化を図れ、上記構造パラメータである流入口１１の流路長ｌは弁座形成基板１０の基礎となる上記ガラス基板において流入口１１を貫設する部位の厚みに等しいから、流出口１２を流れる流量Ｑoutを決める各構造パラメータの高精度化が容易であり、流出口１２を流れる流体の流量Ｑoutの精度を容易に高めることが可能となる。

（実施形態２）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態１と略同じであって、図４および図５に示すように、実施形態１に比べて流入口１１のサイズ（流入口１１の流路の半径ｒ）を小さくして、開口形状が円形状の流入口１１を複数形成している点が相違する。ここにおいて、各流入口１１のサイズは同じサイズに設定してある。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ところで、本実施形態のマイクロバルブでは、各流入口１１の構造パラメータと流出口１２の構造パラメータとを、
〔各流入口１１それぞれの圧力損失の総和〕＞〔流出口１２の圧力損失〕
の関係を満たすように設計すればよい。

具体的に説明すれば、流出口１２が開放された状態で流出口１２を流れる流体の流量Ｑoutは実施形態１にて説明した数３で表され、各流入口１１それぞれを流れる流体の流量をＱ_ｉ（ｉ＝１，…，ｎ）、流入口１１の開口面の半径（流路の半径）をｒ_ｉ（ｉ＝１，…，ｎ）、流入口１１の長さ（流路長）をｌ_ｉ（ｉ＝１，…，ｎ）、流入口１１の近傍で弁座形成基板１０における弁体形成基板２０とは反対側の外部空間Ｅ３の圧力、つまり、流入口１１の１次側（入口側）の圧力をＰin’、弁体形成基板２０と弁座形成基板１０との間に形成される空間Ｅ４の圧力、つまり、流入口１１の２次側（出口側）の圧力をＰout’、流体の粘性係数をηとすると、
〔各流入口１１それぞれの圧力損失の総和〕＞〔流出口１２の圧力損失〕
の関係は、下記の数式のように整理することができる。

しかして、本実施形態のマイクロバルブにおいても、実施形態１と同様に、流出口１２を開放させた状態で流出口１２を流れる流体の流量Ｑoutが弁体２３と弁座１３との間のギャップ長ｄによらず、流入口１１の構造パラメータにより決まることとなり、上記構造パラメータである流入口１１の開口面の半径ｒ_ｉは一般的な半導体製造プロセスで利用されるリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを利用して流入口１１を形成することで高精度化を図れ、上記構造パラメータである流入口１１の流路長ｌ_ｉは弁座形成基板１０の基礎となるシリコン基板において流入口１１を貫設する部位の厚みに等しいから、流出口１２を流れる流量Ｑoutを決める各構造パラメータの高精度化が容易であり、流出口１２を流れる流体の流量Ｑoutの精度を容易に高めることが可能となる。

なお、上述の例では、半導体基板を用いて弁座形成基板１０を形成してあるが、ガラス基板を用いて弁座形成基板１０を形成してもよく、上記構造パラメータである流入口１１の開口面の半径ｒは一般的なガラス加工技術であるドリル加工やサンドブラスト加工によって上記ガラス基板に流入口１１を形成することにより高精度化を図れ、上記構造パラメータである流入口１１の流路長ｌは弁座形成基板１０の基礎となる上記ガラス基板において流入口１１を貫設する部位の厚みに等しいから、流出口１２を流れる流量Ｑoutを決める各構造パラメータの高精度化が容易であり、流出口１２を流れる流体の流量Ｑoutの精度を容易に高めることが可能となる。

また、本実施形態のマイクロバルブでは、流入口１１を複数備えていることにより、流体中の塵などで１つの流入口１１が塞がれても残りの流入口１１を通して流体を流すことができるという利点がある。

（実施形態３）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態１と略同じであって、図６〜図８に示すように、流入口１１の内径と流出口１２の内径とを同じ寸法としている点と、弁座形成基板１０の上記一表面に形成された流路用凹部１４の平面形状が相違する。すなわち、本実施形態では、流路用凹部１４を、流入口１１を囲むように形成された内周形状が矩形状の流入口側凹部１４ｂと、流出口１２を囲むように形成された内周形状が矩形状の流出口側凹部１４ｃと、流入口側凹部１４ｂと流出口側凹部１４ｃとの間に形成された細長の圧力調整用凹部１４ａとで構成してある。ここにおいて、流路用凹部１４は、一般的な半導体製造プロセスで利用されるリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを利用することで形成してある。また、本実施形態では、弁座形成基板１０の上記一表面に凹設された圧力調整用凹部１４ａが、弁座形成基板１０と弁体形成基板２０との間において流入口１１の２次側の空間Ｅ４と流出口１２の１次側の空間Ｅ１とを連通させる圧力調整用流路（マイクロチャネル）を構成しており、圧力調整用流路１４ａの長手方向に直交する断面（流路断面）の形状は矩形状の形状となっている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ところで、本実施形態のマイクロバルブでは、圧力調整用流路となる圧力調整用凹部１４ａの構造パラメータと流出口１２の構造パラメータとを、
〔圧力調整用流路１４ａの圧力損失〕＞〔流出口１２の圧力損失〕
の関係を満たすように設計すればよい（要するに、圧力調整用流路１４ａにより流量が制限されるように各構造パラメータを設計すればよい）。

具体的に説明すれば、流出口１２が開放された状態で流出口１２を流れる流体の流量Ｑoutは実施形態１にて説明した数３で表され、圧力調整用流路１４ａを流れる流体の流量をＱｘ、圧力調整用流路１４ａの流路断面積をＳ（この流路断面積は、圧力調整用凹部１４ａの深さ寸法および幅寸法により決まる）、圧力調整用流路１４ａの長さ寸法（流路長）をＨ、流入口側凹部１４ｂ側の圧力、つまり、圧力調整用流路１４ａの１次側（入口側）の圧力をＰin”、流出口側凹部１４ｃ側の圧力、つまり、圧力調整用流路１４ａの２次側（出口側）の圧力をＰout”とすると、圧力調整用流路１４ａの圧力損失は〔Ｐin”−Ｐout”〕で表され、
〔圧力調整用流路１４ａの圧力損失〕＞〔流出口１２の圧力損失〕
の関係は、下記の数式のように整理することができる。

しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、流出口１２を開放させた状態で流出口１２を流れる流体の流量Ｑoutが弁体２３と弁座１３との間のギャップ長ｄによらず、圧力調整用流路１４ａの構造パラメータにより決まることとなり、上記構造パラメータのうち開口形状に関する構造パラメータである幅寸法（図８（ａ）における上下方向の寸法）および深さ寸法（図８（ｂ）における上下方向の寸法）および流路長Ｈ（図８（ａ）における左右方向の寸法）は一般的な半導体製造プロセスで利用されるリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを利用することで高精度化を図れるから、流出口１２を流れる流量を決める各構造パラメータの高精度化が容易であり、流出口１２を流れる流体の流量Ｑoutの精度を容易に高めることが可能となる。

（実施形態４）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態３と略同じであり、図９に示すように、流入口側凹部１４ｂと流出口側凹部１４ｃとの間に複数の圧力調整用凹部１４ａを形成している点が相違する。なお、実施形態３と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

したがって、本実施形態のマイクロバルブでは、流入口側凹部１４ｂと流出口側凹部１４ｃとの間に複数の圧力調整用流路１４ａが形成されることとなり、それぞれ圧力調整用流路となる各圧力調整用凹部１４ａの構造パラメータと流出口１２の構造パラメータとを、
〔各圧力調整用流路１４ａそれぞれの圧力損失の総和〕＞〔流出口１２の圧力損失〕
の関係を満たすように設計すればよい。

具体的に説明すれば、流出口１２が開放された状態で流出口１２を流れる流体の流量Ｑoutは実施形態１にて説明した数３で表され、各圧力調整用流路１４ａそれぞれを流れる流体の流量をＱｘ_ｉ（ｉ＝１，…，ｎ）、各圧力調整用流路１４ａそれぞれの流路断面積をＳ_ｉ（ｉ＝１，…，ｎ）、各圧力調整用流路１４ａそれぞれの長さ寸法（流路長）をＨ_ｉ（ｉ＝１，…，ｎ）、流入口側凹部１４ｂ側の圧力、つまり、圧力調整用流路１４ａの１次側（入口側）の圧力をＰin”、流出口側凹部１４ｃ側の圧力、つまり、圧力調整用流路１４ａの２次側（出口側）の圧力をＰout”とすると、
〔各圧力調整用流路１４ａそれぞれの圧力損失の総和〕＞〔流出口１２の圧力損失〕
の関係は、下記の数式のように整理することができる。

しかして、図９のように複数の圧力調整用流路１４ａを形成した場合にも、実施形態３と同様に、流出口１２を開放させた状態で流出口１２を流れる流体の流量Ｑoutが弁体２３と弁座１３との間のギャップ長ｄによらず、圧力調整用流路１４ａの構造パラメータにより決まることとなり、流出口１２を流れる流体の流量Ｑoutの精度を容易に高めることが可能となる。

また、本実施形態のマイクロバルブでは、圧力調整用流路１４ａを複数備えていることにより、流体中の塵などで１つの圧力調整用流路１４ａが塞がれても残りの圧力調整用流路１４ａを通して流体を流すことができるという利点がある。

ところで、上記各実施形態では、弁座形成基板１０の厚み方向に流入口１１および流出口１２を貫設してあるが、弁体形成基板２０の厚み方向に流入口１１を貫設してもよい。ここに、流入口１１および流出口１２の開口形状は円形状の形状に限定するものではなく、例えば、矩形状の形状でもよい。また、アクチュエータ形成基板３０の基礎としてガラス基板の代わりにシリコン基板を用いるようにして、流入口１１をアクチュエータ形成基板３０の周部において厚み方向に貫設し、弁体形成基板２０に、流入口１１と弁座形成基板１０の流路用凹部１４とを連通させる連通孔を厚み方向に貫設するようにしてもよい。

実施形態１を示す概略断面図である。 同上を示し、（ａ）はアクチュエータ形成基板の概略平面図、（ｂ）は弁体形成基板の概略平面図、（ｃ）は弁座形成基板の概略平面図である。 同上を示し、（ａ）は要部概略断面図、（ｂ）は要部概略平面図である。 実施形態２を示す概略断面図である。 同上を示し、（ａ）はアクチュエータ形成基板の概略平面図、（ｂ）は弁体形成基板の概略平面図、（ｃ）は弁座形成基板の概略平面図である。 実施形態３を示す概略断面図である。 同上を示し、（ａ）はアクチュエータ形成基板の概略平面図、（ｂ）は弁体形成基板の概略平面図、（ｃ）は弁座形成基板の概略平面図である。 同上を示し、（ａ）は要部概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面に対応する要部の断面図である。 実施形態４を示し、（ａ）はアクチュエータ形成基板の概略平面図、（ｂ）は弁体形成基板の概略平面図、（ｃ）は弁座形成基板の概略平面図である。 従来例を示し、（ａ）は一部破断した概略分解斜視図、（ｂ）は要部説明図である。 同上の動作説明図である。

符号の説明

１０ 弁座形成基板
１１ 流入口
１２ 流出口
１３ 弁座
１４ 流路用凹部
２０ 弁体形成基板
２１ フレーム
２２ 撓み部
２３ 弁体
２５ 圧力調整用ダイヤフラム部
３０ アクチュエータ形成基板
３１ 固定電極
３３ ギャップ形成用凹部

Claims (4)

1. 第１の半導体基板もしくはガラス基板を用いて形成され流体の流出口が厚み方向に貫設され一表面側において流出口の周部に弁座が突設された弁座形成基板と、第２の半導体基板を用いて形成されて流出口を開閉する弁体を有し弁座形成基板の上記一表面側に固着される弁体形成基板と、弁体を駆動するマイクロアクチュエータとを備え、弁座形成基板と弁体形成基板との一方に、弁座形成基板と弁体形成基板との間に形成される流体の流路に連通する流体の流入口が厚み方向で貫設され、
   〔流入口の圧力損失〕＞〔流出口の圧力損失〕
   の関係を満たすことを特徴とするマイクロバルブ。
2. 第１の半導体基板もしくはガラス基板を用いて形成され流体の流出口が厚み方向に貫設され一表面側において流出口の周部に弁座が突設された弁座形成基板と、第２の半導体基板を用いて形成されて流出口を開閉する弁体を有し弁座形成基板の上記一表面側に固着される弁体形成基板と、弁体を駆動するマイクロアクチュエータとを備え、弁座形成基板と弁体形成基板との一方に、弁座形成基板と弁体形成基板との間に形成される流体の流路に連通する流体の流入口が厚み方向で複数貫設され、
   〔各流入口それぞれの圧力損失の総和〕＞〔流出口の圧力損失〕
   の関係を満たすことを特徴とするマイクロバルブ。
3. 流体の流出口が厚み方向に貫設され一表面側において流出口の周部に弁座が形成された弁座形成基板と、流出口を開閉する弁体を有し弁座形成基板の上記一表面側に固着される弁体形成基板と、弁体を駆動するマイクロアクチュエータとを備え、弁座形成基板と弁体形成基板との一方に、流体の流入口が厚み方向で貫設されるとともに、弁座形成基板と弁体形成基板との間において流入口の２次側の空間と流出口の１次側の空間とを連通させる圧力調整用流路が凹設され、
   〔圧力調整用流路の圧力損失〕＞〔流出口の圧力損失〕
   の関係を満たすことを特徴とするマイクロバルブ。
4. 流体の流出口が厚み方向に貫設され一表面側において流出口の周部に弁座が形成された弁座形成基板と、流出口を開閉する弁体を有し弁座形成基板の上記一表面側に固着される弁体形成基板と、弁体を駆動するマイクロアクチュエータとを備え、弁座形成基板と弁体形成基板との一方に、流体の流入口が厚み方向で貫設されるとともに、弁座形成基板と弁体形成基板との間において流入口の２次側の空間と流出口の１次側の空間とを連通させる圧力調整用流路が複数凹設され、
   〔各圧力調整用流路それぞれの圧力損失の総和〕＞〔流出口の圧力損失〕
   の関係を満たすことを特徴とするマイクロバルブ。

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