JP2007002924A - Micro valve - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a microvalve that controls the flow of fluid.
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)。 Conventionally, a microvalve that uses a structure formed by processing a semiconductor substrate such as a silicon substrate with micromachining technology as a pump that controls the flow of a small amount of fluid in the field of microelectronics or medical electronics. Have been researched and developed in various places. For example, an integrated electrostatic actuator that drives a valve body formed on a structure using electrostatic attraction has been proposed (see Patent Document 1). .
この種のマイクロバルブは、例えば、図17(a)に示すように、流体の流入口11および流出口(弁口)12が厚み方向に貫設され一表面側(図17(a)の上面側)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、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の内側に連続一体に設けられ弁座形成基板10の上記一表面から離間した第1のダイヤフラム部22および第1のダイヤフラム部22の中央部から弁座形成基板10側へ突出して設けられ流出口12を開閉する弁体23を有する弁体形成基板20と、弁体形成基板20における弁座形成基板10側とは反対側に固着され弁体形成基板20との間に閉鎖空間36を形成する閉鎖空間形成用基板30とを備えている。ここにおいて、上述のマイクロバルブは、弁体形成基板20がシリコン基板を用いて形成されるとともに、弁座形成基板10および閉鎖空間形成用基板30がそれぞれガラス基板を用いて形成されており、弁体形成基板20と弁座形成基板10とが陽極接合により固着されるとともに、弁体形成基板20と閉鎖空間形成用基板30とが陽極接合により固着されている。
In this type of microvalve, for example, as shown in FIG. 17 (a), a
また、上述のマイクロバルブは、流出口12を開放する向きに弁体23を変位させる駆動手段として、第1のダイヤフラム部22の中央部に設けられた不純物拡散層(例えば、ボロンを高濃度に拡散した不純物拡散層)からなる可動電極24と、閉鎖空間形成用基板30に設けられ可動電極24と対向する金属膜からなる固定電極31とを備えており、可動電極24に電気的に接続されたパッド27aと固定電極31に電気的に接続されたパッド(図示せず)との間に電圧を印加したときに可動電極24と固定電極31との間に発生する静電力によって流出口12を開放する向きに弁体23を変位させるようになっている。すなわち、上述のマイクロバルブは、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、図17(a)に示すように弁体23により流出口12が閉止されている。これに対して、可動電極24と固定電極31との間に駆動電圧源Eから規定電圧以上の電圧を印加すると、図17(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。要するに、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17(a)は、流入口11を通して第1のダイヤフラム部22と弁座形成基板10との間の流出口側内部空間S2へ流体が導入された状態を示しており、図17(b)に示すように流出口12が開放されると、流入口11を通して流出口側内部空間S2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17(b)中の矢印は流体の流れる経路を示している)。
The above-described microvalve has an impurity diffusion layer (for example, boron at a high concentration) provided at the center of the
ところで、上述のマイクロバルブでは、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を通して流出口側内部空間S2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の上記一表面側に第2のダイヤフラム部25が形成されており、上記閉鎖空間36には、例えば、不活性ガスや空気などの気体からなる受圧媒体が大気圧に等しい圧力で封入されている。したがって、上述のマイクロバルブでは、駆動手段により弁体23を変位させていない状態で流入口11を通して弁座形成基板10と第2のダイヤフラム部25との間の流入口側内部空間S1へ流入した流体の圧力を受けて、流入口側内部空間S1と閉鎖空間36とを仕切る第2のダイヤフラム部25が撓む(閉鎖空間形成用基板30側へ凸となる形で変形する)ことによって弁体23が流出口12を閉止する向きの力である閉止力が作用する。
しかしながら、上述のマイクロバルブでは、駆動手段により弁体23を駆動していない状態において、流入口側内部空間S1へ導入された流体の圧力が低くなるにつれて閉止力が小さくなるので、流入口側内部空間S1へ流入した流体の圧力によっては流体が流出口12を通して漏れることがあった。
However, in the above-described microvalve, the closing force is reduced as the pressure of the fluid introduced into the inlet side internal space S1 is reduced in a state where the
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、駆動手段により弁体を変位させていない状態における弁体による流出口の閉止力を従来に比べて高めることができ、流入口側内部空間へ流入した流体の圧力が低くても流体が漏れるのを防止することができるマイクロバルブを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned reasons, and the object thereof is to increase the closing force of the outlet by the valve body in a state where the valve body is not displaced by the driving means, compared to the conventional one. An object of the present invention is to provide a microvalve capable of preventing the fluid from leaking even when the pressure of the fluid flowing into the inlet side internal space is low.
請求項1の発明は、流体の流入口および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、半導体基板を用いて形成されて弁座形成基板の前記一表面側に固着されるフレームおよびフレームの内側に設けられ弁座形成基板との間に流出口側内部空間を形成する第1のダイヤフラム部および第1のダイヤフラム部の中央部から弁座形成基板側へ突出し流出口を開閉する弁体および弁座形成基板との間に流入口および流出口側内部空間に連通する流入口側内部空間を形成する第2のダイヤフラム部を有する弁体形成基板と、弁体形成基板における弁座形成基板とは反対側に固着され弁体形成基板との間に前記閉鎖空間を形成する閉鎖空間形成用基板と、流出口を開放する向きに弁体を変位させる駆動手段とを備え、駆動手段により弁体を変位させていない状態で流入口側内部空間と閉鎖空間とを仕切る第2のダイヤフラム部が流入口側内部空間に流入した流体の圧力を受けて撓むことによって弁体が流出口を閉止する向きの力である閉止力が作用するマイクロバルブであって、駆動手段により弁体を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段が設けられてなることを特徴とする。
The invention according to
この発明によれば、駆動手段により弁体を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段が設けられているので、駆動手段により弁体を変位させていない状態における弁体による流出口の閉止力を従来に比べて高めることができ、流入口側内部空間へ流入した流体の圧力が低くても流体が漏れるのを防止することができる。 According to the present invention, since the biasing means for increasing the closing force when the valve body is not displaced by the driving means is provided, the outlet of the outlet by the valve body when the valve body is not displaced by the driving means is provided. The closing force can be increased as compared with the conventional case, and it is possible to prevent the fluid from leaking even if the pressure of the fluid flowing into the inlet side internal space is low.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記駆動手段は、前記弁体形成基板において前記第1のダイヤフラム部の中央部に設けられた不純物拡散層からなる可動電極と、前記閉鎖空間形成用基板に設けられ可動電極と対向する固定電極とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記流出口を開放する向きに前記弁体を変位させるものであり、前記バイアス手段は、前記弁体形成基板における前記閉鎖空間形成用基板との対向面側で前記第1のダイヤフラム部と前記フレームにおける前記第1のダイヤフラム部の周辺部とに跨って積層され前記駆動手段により前記弁体を変位させていない状態で前記閉止力が増大するように前記第1のダイヤフラム部に応力を与える応力付与膜からなることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the driving means includes a movable electrode formed of an impurity diffusion layer provided in a central portion of the first diaphragm portion on the valve body forming substrate, and the closed space. A fixed electrode provided on the forming substrate and opposed to the movable electrode, and the outlet is formed by an electrostatic force generated between the movable electrode and the fixed electrode when a voltage is applied between the movable electrode and the fixed electrode. The valve body is displaced in an opening direction, and the biasing unit is configured to displace the first diaphragm portion and the first frame in the frame on the side of the valve body forming substrate facing the closed space forming substrate. The first diaphragm portion is stressed so that the closing force is increased in a state where the valve body is not displaced by the driving means, which is stacked across the periphery of the diaphragm portion of the first diaphragm portion. Characterized by comprising the stress applying film.
この発明によれば、前記バイアス手段を一般的な半導体製造プロセスにより精度良く形成することができる。 According to the present invention, the bias means can be formed with high accuracy by a general semiconductor manufacturing process.
請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記バイアス手段は、前記第1のダイヤフラム部の周部であって前記フレームに近づくにつれて前記弁座形成基板側へ近づくように断面凹状に形成された部位からなることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the biasing means is a peripheral portion of the first diaphragm portion and is formed in a concave cross section so as to approach the valve seat forming substrate side as it approaches the frame. It consists of the site | part made.
この発明によれば、前記第1のダイヤフラム部を半導体製造プロセスにより形成する際のマスクを適宜設計することにより、前記バイアス手段を形成することが可能となり、請求項2に発明に比べて製造プロセスを簡略化できる。 According to the present invention, it is possible to form the bias means by appropriately designing a mask when the first diaphragm portion is formed by a semiconductor manufacturing process. Can be simplified.
請求項4の発明は、請求項1の発明において、前記駆動手段は、前記弁体形成基板において前記第1のダイヤフラム部の中央部に設けられた可動電極と、前記閉鎖空間形成用基板に設けられ可動電極と対向する固定電極とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記流出口を開放する向きに前記弁体を変位させるものであり、前記閉鎖空間形成用基板は、前記第1のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第1のダイヤフラム部の変位空間を確保する第1の凹部であって内底面に固定電極が設けられたギャップ形成用凹部と、前記第2のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第2のダイヤフラム部の変位空間を確保する第2の凹部であって第1の凹部よりも深い圧力調整空間用凹部と、前記弁体形成基板との対向面側においてギャップ形成用凹部と圧力調整空間用凹部とを連通させる第3の凹部からなる連通用凹部とを有し、前記バイアス手段は、圧力調整空間用凹部において前記第2のダイヤフラム部の周部に対応する部位の深さを前記第2のダイヤフラム部の中央部に対応する部位の深さに比べて浅くするように圧力調整空間用凹部の内面に突設された段突起からなることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the driving means is provided on the movable electrode provided in the central portion of the first diaphragm portion on the valve body forming substrate and on the closed space forming substrate. A fixed electrode opposed to the movable electrode, and when the voltage is applied between the movable electrode and the fixed electrode, the electrostatic outlet generated between the movable electrode and the fixed electrode causes the outlet to open. The valve body is displaced, and the closed space forming substrate is a first recess formed in a portion facing the first diaphragm portion and securing a displacement space of the first diaphragm portion. A gap forming recess provided with a fixed electrode on the bottom surface, and a second recess formed in a portion facing the second diaphragm portion to secure a displacement space of the second diaphragm portion, the first recess Yo A deep recess for pressure adjustment space, and a communication recess comprising a third recess for communicating the gap formation recess and the pressure adjustment space recess on the side facing the valve element forming substrate, and the bias The means is configured to reduce the depth of the portion corresponding to the peripheral portion of the second diaphragm portion in the concave portion for pressure adjustment space as compared with the depth of the portion corresponding to the central portion of the second diaphragm portion. It consists of the step protrusion protrudingly provided in the inner surface of the recessed part for adjustment space.
この発明によれば、前記バイアス手段が、圧力調整空間用凹部において前記第2のダイヤフラム部の周部に対応する部位の深さを前記第2のダイヤフラム部の中央部に対応する部位の深さに比べて浅くするように圧力調整空間用凹部の内面に突設された段突起からなるので、前記閉鎖空間のうち圧力調整空間用凹部において前記第2のダイヤフラム部の周部に対応する空間での圧力損失を低減でき、前記閉止力を高めることができる。 According to the present invention, the bias means determines the depth of the portion corresponding to the peripheral portion of the second diaphragm portion in the concave portion for pressure adjustment space to the depth of the portion corresponding to the central portion of the second diaphragm portion. In the space corresponding to the peripheral portion of the second diaphragm portion in the recessed portion for the pressure adjustment space in the closed space. The pressure loss can be reduced, and the closing force can be increased.
請求項5の発明は、請求項1の発明において、前記駆動手段は、前記弁体形成基板において前記第1のダイヤフラム部の中央部に設けられた可動電極と、前記閉鎖空間形成用基板に設けられ可動電極と対向する固定電極とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記流出口を開放する向きに前記弁体を変位させるものであり、前記弁体形成基板は、前記第2のダイヤフラム部における前記閉鎖空間形成用基板との対向面に複数の環状の凹溝が同心的に形成され、前記閉鎖空間形成用基板は、前記第1のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第1のダイヤフラム部の変位空間を確保する第1の凹部であって内底面に固定電極が設けられたギャップ形成用凹部と、前記第2のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第2のダイヤフラム部の変位空間を確保する第2の凹部であって第1の凹部よりも深い圧力調整空間用凹部と、前記弁体形成基板との対向面側においてギャップ形成用凹部と圧力調整空間用凹部とを連通させる第3の凹部からなる連通用凹部とを有し、前記バイアス手段は、圧力調整空間用凹部の内底面において各凹溝それぞれに対向する各部位から突設された複数の小突起よりなることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the driving means is provided on the valve body forming substrate at a movable electrode provided at a central portion of the first diaphragm portion and on the closed space forming substrate. A fixed electrode opposed to the movable electrode, and when the voltage is applied between the movable electrode and the fixed electrode, the electrostatic outlet generated between the movable electrode and the fixed electrode causes the outlet to open. A valve body is displaced, and the valve body forming substrate has a plurality of annular concave grooves concentrically formed on a surface of the second diaphragm portion facing the closed space forming substrate, and the closed space The forming substrate is a first recess that is formed in a portion facing the first diaphragm portion and secures a displacement space of the first diaphragm portion, and a gap forming recess provided with a fixed electrode on the inner bottom surface. When, A second concave portion that is formed in a portion facing the second diaphragm portion and secures a displacement space of the second diaphragm portion and is deeper than the first concave portion, and the valve body formation A communication recess composed of a third recess for communicating the gap forming recess and the pressure adjusting space recess on the side facing the substrate, and the biasing means is provided on each inner bottom surface of the pressure adjusting space recess. It is characterized by comprising a plurality of small protrusions projecting from each part facing each of the concave grooves.
この発明によれば、前記第2のダイヤフラム部における前記閉鎖空間形成用基板との対向面に複数の環状の凹溝が同心的に形成されていることにより、前記第2のダイヤフラム部を平板状の形状に形成する場合に比べて撓みやすくなり、前記バイアス手段が、圧力調整空間用凹部の内底面において各凹溝それぞれに対向する各部位から突設された複数の小突起よりなるので、前記閉鎖空間のうち圧力調整空間用凹部において前記第2のダイヤフラム部との間に形成されている空間での圧力損失を低減でき、前記閉止力を高めることができる。 According to this invention, the plurality of annular concave grooves are formed concentrically on the surface of the second diaphragm portion facing the closed space forming substrate, so that the second diaphragm portion has a flat plate shape. Compared with the case of forming the shape, the bias means is composed of a plurality of small protrusions projecting from the respective portions facing the respective concave grooves on the inner bottom surface of the pressure adjusting space concave portion. Pressure loss in the space formed between the second diaphragm portion and the pressure adjusting space recess in the closed space can be reduced, and the closing force can be increased.
請求項6の発明は、請求項1の発明において、前記バイアス手段は、前記流出口側内部空間と前記流入口側内部空間との間に形成される流路であって前記流出口側内部空間の圧力が前記流入口側内部空間の圧力に比べて低くなるように圧力損失を生じさせる圧力調整用流路からなることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the bias means is a flow path formed between the outlet side internal space and the inlet side internal space, and the outlet side internal space. It is characterized by comprising a pressure adjusting flow path that causes a pressure loss so that the pressure of the gas is lower than the pressure in the inlet side internal space.
この発明によれば、前記駆動手段により弁体を変位させていない状態において前記流出口側内部空間の圧力が前記流入口側内部空間の圧力に比べて低くなるので、前記流出口側内部空間の圧力に対する前記閉鎖空間の相対的な圧力を高めることができ、前記閉止力を高めることができる。 According to this invention, since the pressure in the outlet side internal space is lower than the pressure in the inlet side internal space in a state where the valve element is not displaced by the driving means, The relative pressure of the closed space with respect to the pressure can be increased, and the closing force can be increased.
請求項7の発明は、請求項1の発明において、前記バイアス手段は、前記閉鎖空間に大気圧よりも高い圧力で封入された気体からなることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the bias means is made of a gas sealed in the closed space at a pressure higher than atmospheric pressure.
この発明によれば、製造時に前記閉鎖空間に封入する気体の圧力を適宜設定することで前記閉止力を高めることができる。 According to the present invention, the closing force can be increased by appropriately setting the pressure of the gas sealed in the closed space during manufacturing.
請求項8の発明は、請求項1の発明において、前記駆動手段は、前記弁体形成基板において前記第1のダイヤフラム部の中央部に設けられた可動電極と、前記閉鎖空間形成用基板に設けられ可動電極と対向する固定電極とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記流出口を開放する向きに前記弁体を変位させるものであり、前記閉鎖空間形成用基板は、前記第1のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第1のダイヤフラム部の変位空間を確保する第1の凹部であって内底面に固定電極が設けられたギャップ形成用凹部と、前記第2のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第2のダイヤフラム部の変位空間を確保する第2の凹部であって第1の凹部よりも深い圧力調整空間用凹部と、前記弁体形成基板との対向面側においてギャップ形成用凹部と圧力調整空間用凹部とを連通させる第3の凹部からなる連通用凹部と、前記弁体形成基板との対向面側においてギャップ形成用凹部に連続して形成される溝であって固定電極と前記弁体形成基板に重ならない部位に設けられるパッドとを接続する配線が内底面に設けられる配線形成用溝とを有し、前記弁体形成基板と前記閉鎖空間形成用基板とを固着した状態において配線形成用溝により形成される通気路は樹脂により封止され、前記バイアス手段は、前記閉鎖空間に大気圧よりも高い圧力で封入された気体からなることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the driving means is provided on a movable electrode provided at a central portion of the first diaphragm portion in the valve body forming substrate and on the closed space forming substrate. A fixed electrode opposed to the movable electrode, and when the voltage is applied between the movable electrode and the fixed electrode, the electrostatic outlet generated between the movable electrode and the fixed electrode causes the outlet to open. The valve body is displaced, and the closed space forming substrate is a first recess formed in a portion facing the first diaphragm portion and securing a displacement space of the first diaphragm portion. A gap forming recess provided with a fixed electrode on the bottom surface, and a second recess formed in a portion facing the second diaphragm portion to secure a displacement space of the second diaphragm portion, the first recess Yo A deep recess for pressure adjustment space, a communication recess comprising a third recess for communicating the gap formation recess and the pressure adjustment space recess on the side facing the valve element forming substrate, and the valve element forming substrate Forming a wiring formed on the inner bottom surface of the groove formed continuously on the gap forming concave portion on the opposite surface side to connect the fixed electrode and the pad provided on the portion not overlapping the valve body forming substrate An air passage formed by the wiring forming groove in a state in which the valve body forming substrate and the closed space forming substrate are fixed to each other, and the biasing means includes the closed space. It is characterized by comprising a gas sealed at a pressure higher than atmospheric pressure.
この発明によれば、製造時に前記閉鎖空間に封入する気体の圧力を適宜設定することで前記閉止力を高めることができる。また、前記閉鎖空間を加圧封止するために前記閉鎖空間と外部とを連通させる貫通孔を別途に形成する場合に比べて、製造が容易になるという利点がある。 According to the present invention, the closing force can be increased by appropriately setting the pressure of the gas sealed in the closed space during manufacturing. In addition, there is an advantage that the manufacturing is facilitated as compared with a case where a through-hole that communicates between the closed space and the outside is separately formed for pressure-sealing the closed space.
請求項1の発明では、駆動手段により弁体を変位させていない状態における弁体による流出口の閉止力を従来に比べて高めることができ、流入口側内部空間へ流入した流体の圧力が低くても流体が漏れるのを防止することができるという効果がある。 In the first aspect of the invention, the closing force of the outlet by the valve body in a state where the valve body is not displaced by the driving means can be increased as compared with the conventional one, and the pressure of the fluid flowing into the inlet side internal space is low. However, there is an effect that the fluid can be prevented from leaking.
(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5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、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、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の内側に連続一体に設けられ弁座形成基板10の上記一表面から離間した第1のダイヤフラム部22および第1のダイヤフラム部22の中央部から弁座形成基板10側へ突出して設けられ流出口12を開閉する弁体23を有する弁体形成基板20と、弁体形成基板20における弁座形成基板10側とは反対側に固着され弁体形成基板20との間に閉鎖空間36を形成する閉鎖空間形成用基板30とを備えている。ここにおいて、本実施形態のマイクロバルブは、弁体形成基板20が低不純物濃度のp形のシリコン基板200(図7(a)参照)を用いて形成されるとともに、弁座形成基板10がパイレックス(登録商標)からなる第1のガラス基板100(図9(a)参照)を用いて形成され、閉鎖空間形成用基板30もパイレックス(登録商標)からなる第2のガラス基板300(図10(a)参照)を用いて形成されており、弁体形成基板20と弁座形成基板10とが陽極接合により固着されるとともに、弁体形成基板20と閉鎖空間形成用基板30とが陽極接合により固着されている。なお、上述のp形のシリコン基板200としては、主表面が(100)面のp形シリコン基板を用いている。また、本実施形態では、シリコン基板200が弁体形成基板20の基礎となる半導体基板を構成している。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the microvalve of the present embodiment will be described with reference to FIGS. The microvalve of this embodiment can be used by being provided on a supply path for liquid fuel (for example, methanol, pure water, aqueous methanol solution, etc.) to a small fuel cell or fuel reformer, for example. It can be used for other purposes. In the microvalve of this embodiment, an
また、本実施形態のマイクロバルブは、流出口12を開放する向きに弁体23を変位させる駆動手段として、第1のダイヤフラム部22の中央部に設けられた高濃度の不純物拡散層(例えば、ボロンを高濃度に拡散した不純物拡散層)からなる可動電極24と、閉鎖空間形成用基板30に設けられ可動電極24と対向する金属膜(例えば、白金膜とクロム薄膜との積層膜)からなる固定電極31とを備えており、可動電極24に電気的に接続されたパッド27aと固定電極31に電気的に接続されたパッド37a(図5参照)との間に電圧を印加したときに可動電極24と固定電極31との間に発生する静電力によって流出口12を開放する向きに弁体23を変位させるようになっている。すなわち、本実施形態のマイクロバルブの基本的な動作原理は図17に示した従来例と同じであり、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により流出口12が閉止されている。これに対して、可動電極24と固定電極31との間に駆動電圧源E(図17(b)参照)から規定電圧以上の電圧を印加すると、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。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。なお、固定電極31を構成する金属膜の材料は白金やクロムに限らず、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。
The microvalve of the present embodiment is a high-concentration impurity diffusion layer (for example, provided in the center of the
また、本実施形態のマイクロバルブでは、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を通して弁座形成基板10と第1のダイヤフラム部22との間の流出口側内部空間S2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の上記一表面側に第2のダイヤフラム部25が形成されており、閉鎖空間36には、例えば、不活性ガスや空気などの気体からなる受圧媒体が大気圧に等しい圧力で封入されている。したがって、本実施形態のマイクロバルブでは、駆動手段により弁体23を変位させていない状態で流入口11を通して弁座形成基板10と第2のダイヤフラム部25との間の流入口側内部空間S1へ流入した流体の圧力を受けて、流入口側内部空間S1と閉鎖空間36とを仕切る第2のダイヤフラム部25が撓む(閉鎖空間形成用基板30側へ凸となる形で変形する)ことによって弁体23が流出口12を閉止する向きの力である閉止力が作用する。
Moreover, in the microvalve of this embodiment, in the state where the
上述の弁座形成基板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15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、流入口側内部空間S1と流出口側内部空間S2とが連通するようになっている。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15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15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、弁座13の表面には、弁体形成基板20のフレーム21と弁座形成基板10とを陽極接合により固着する際に、弁体23と弁座13とが接合されるのを防止する金属薄膜(例えば、クロム薄膜)からなる接合防止膜14が形成されている。
On one surface of the valve
弁体形成基板20は、上述のシリコン基板200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あり、弁体23が第1のダイヤフラム部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八角形状となっており、第1のダイヤフラム部22から離れる(弁座13に近づく)につれて断面積が徐々に小さくなっている。また、弁体形成基板20は、弁座形成基板10側とは反対の一表面側に高濃度の不純物拡散層(例えば、ボロンを高濃度に拡散した不純物拡散層)204が形成されており、当該不純物拡散層204のうち第1のダイヤフラム部22の中央部に形成された部位が可動電極24を構成している。また、第1のダイヤフラム部22は、周方向に交差する断面がコルゲート板状の形状となっており、閉鎖空間形成用基板30との対向面側に複数の環状の凹溝22aが同心的に形成されている。また、第2のダイヤフラム部25も、周方向に交差する断面がコルゲート板状の形状となっており、閉鎖空間形成用基板30との対向面側に複数の環状の凹溝25aが同心的に形成されている。このように、各ダイヤフラム部22,25を断面コルゲート状の形状とすることで各ダイヤフラム部22,25それぞれを平板状の形状に形成されている場合に比べて撓みやすくすることができる。
The valve
なお、可動電極24と電気的に接続されるパッド27aは、固定電極31と電気的に接続されるパッド37aとともに、閉鎖空間形成用基板30に設けられており、可動電極24は、不純物拡散層204の一部と、閉鎖空間形成用基板30においてパッド27aに連続一体に形成された金属配線26aとを介して、パッド27aと電気的に接続されている。
The
また、閉鎖空間形成用基板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上述の各パッド27a,37aが露出するように、長辺の寸法(図1(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1(a)における左右方向の寸法)よりも長く設定されている。ここにおいて、閉鎖空間形成用基板30は、弁体形成基板20の周部と陽極接合により固着されている。なお、平成空間形成用基板30における弁体形成基板20との対向面は、ギャップ形成用凹部33に連続して形成される溝であって固定電極31と弁体形成基板20に重ならない部位に設けられるパッド37aとを接続する金属配線からなる配線39aが内底面に設けられる配線形成用溝38(図5(b)および図6)参照)が形成されており、弁体形成基板20と閉鎖空間形成用基板30とを固着した状態において配線形成用溝38により形成される通気路は、後述のように樹脂(例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など)からなる封止部40(図11(c)参照)により封止される。
In addition, the outer peripheral shape of the closed
閉鎖空間形成用基板30における弁体形成基板20との対向面において、第1のダイヤフラム部22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の変位空間を確保する第1の凹部である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膜からなる固定電極31が形成されている。また、ギャップ形成用凹部33は、円形状に開口されている。なお、閉鎖空間形成用基板30には、弁体形成基板20のフレーム21と閉鎖空間形成用基板30とを陽極接合により固着する際に、ギャップ形成用凹部33の内底面と第1のダイヤフラム部22とが接合されるのを防止するためにギャップ形成用凹部33よりも深い溝部41も形成されている。
On the surface of the closed
また、閉鎖空間形成用基板30における弁体形成基板20との対向面において、第2のダイヤフラム部25に対向する部位には第2のダイヤフラム部25の変位空間を確保する第2の凹部であり第1の凹部よりも深い圧力調整空間用凹部34が形成されており、圧力空間用凹部34の内底面には、弁体形成基板20のフレーム21と閉鎖空間形成用基板30とを陽極接合により固着する際に、第2のダイヤフラム部25と圧力調整空間用凹部34の内底面とが接合されるのを防止する金属膜(例えば、白金膜とクロム膜との積層膜)からなる接合防止膜32が形成されている。ここに、圧力調整空間用凹部34は、円形状に開口されている。
Further, a portion of the closed
また、閉鎖空間形成用基板30は、弁体形成基板20との対向面に、ギャップ形成用凹部33と圧力調整空間用凹部34とを連通させる第3の凹部からなる連通用凹部35が形成されている。ここにおいて、閉鎖空間形成用基板30に各凹部33,34,35を設けたことにより閉鎖空間形成用基板30と弁体形成基板20とを固着した状態で閉鎖空間形成用基板30と弁体形成基板20の間に形成される閉鎖空間36には、上述の受圧媒体が封入されている。
In addition, the closed
したがって、本実施形態のマイクロバルブにおいても、流入口11を通して弁座形成基板10と第2のダイヤフラム部25との間の流入口側内部空間S1へ流入した流体の圧力を受けて閉鎖空間36の容積が縮小するように第2のダイヤフラム部25が変形する(閉鎖空間形成用基板30側へ凸となる形で撓む)ことによって、閉鎖空間36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)の力である閉止力が作用するので、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17(a)と同様に第2のダイヤフラム部25が変形し、弁体23により流出口12が閉止される。これに対して、可動電極24と固定電極31との間に上記閉止力に抗して弁体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、可動電極24と固定電極31との間に発生する静電力によって可動電極24が固定電極31に近づくように第1のダイヤフラム部22が撓んで流出口12が開放されるので、流体が流れることとなる。なお、弁体23のストローク量を数μm程度に設定すれば、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。
Therefore, also in the microvalve of the present embodiment, the closed
ところで、本実施形態のマイクロバルブでは、駆動手段により弁体23を変位させていない状態における上記閉止力を増大させるバイアス手段として、弁体形成基板20における閉鎖空間形成用基板30との対向面側で第1のダイヤフラム部22とフレーム21における第1のダイヤフラム部22の周辺部とに跨って積層され駆動手段により弁体23を変位させていない状態で上記閉止力が増大するように第1のダイヤフラム部22に応力を与える応力付与膜28を備えており、応力付与膜28を設けていない場合に引張応力が働いている第1のダイヤフラム部22に圧縮応力が働くようになっている。ここで、応力付与膜28は周部は、フレーム21の厚みが一定となっている部位に重なっている。なお、本実施形態では、応力付与膜28を、TEOS(Si(OC2H5)4)とO2とを原料ガスとしたプラズマCVD法により堆積させたシリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、CVD法により堆積させたシリコン窒化膜により構成してもよい。なお、応力付与膜28として上述のシリコン酸化膜を採用する場合の膜厚は例えば1μm程度に設定すればよく、応力付与膜28として上述のシリコン窒化膜を採用する場合の膜厚は例えば120nm程度に設定すればよい。
By the way, in the microvalve of the present embodiment, as the biasing means for increasing the closing force when the
以下、本実施形態のマイクロバルブの製造方法に関して、弁体形成基板20、弁座形成基板10、閉鎖空間形成用基板30それぞれについて個別に説明する。
Hereinafter, each of the valve
まず、弁体形成基板20の形成方法について図7および図8を参照しながら説明する。
First, a method for forming the valve
上述のシリコン基板200の主表面側(図7(a)における上面側)および裏面(図7(a)の下面側)にパイロジェニック酸化によりシリコン酸化膜201,202を形成することにより、図7(a)に示す構造を得る。なお、パイロジェニック酸化の工程において、例えば、酸化温度を1100℃、酸化時間を145分とすれば、各シリコン酸化膜201,202の膜厚は1000nm程度となるが、酸化条件や膜厚は特に限定するものではない。
By forming
その後、シリコン基板200において上述の各ダイヤフラム部22,25の各凹溝22a,25aに対応する部位を露出させるために、シリコン基板200の主表面側のシリコン酸化膜201上に、上述の各ダイヤフラム部22,25の各凹溝22a,25aに対応する部位が開孔された第1のレジスト層(図示せず)を形成してから、第1のレジスト層をマスクとしてシリコン基板200の主表面側のシリコン酸化膜201をドライエッチンすることでシリコン酸化膜201をパターニングし、続いて、第1のレジスト層を除去することにより、図7(b)に示す構造を得る。
Thereafter, in order to expose the portions of the
そして、パターニングされたシリコン酸化膜201をマスクとして、フッ酸系の薬液(例えば、HF:HNO3:CH3COOH=1:3:8)を用いた等方性エッチングによってシリコン基板200の主表面に各凹溝22a,25aを形成することにより、図7(c)に示す構造を得る。なお、各凹溝22a,25aの深さは25μmに設定してあるが、この値は特に限定するものではない。
Then, using the patterned
その後、シリコン基板200の裏面側のシリコン酸化膜202を第2のレジスト層(図示せず)により覆ってから、シリコン基板200の主表面側のシリコン酸化膜201をエッチング除去し、続いて、第2のレジスト層を除去することにより、図7(d)に示す構造を得る。
Thereafter, the
その後、シリコン基板200の主表面側にボロンを固相拡散させることで高濃度の不純物拡散層204を形成するとともに、不純物拡散層204の表面側にシリコン酸化膜205を形成することにより、図7(e)に示す構造を得る。なお、固相拡散の工程において、例えば、拡散温度を1125℃、拡散時間を12時間とすれば、シリコン酸化膜205の膜厚は400nm程度となる。
Thereafter, boron is solid-phase diffused on the main surface side of the
その後、シリコン基板200の裏面側のシリコン酸化膜202上に、各ダイヤフラム部22,25を形成するためにパターニングされた第3のレジスト層(図示せず)を形成してから、第3のレジスト層をマスクとしてシリコン基板200の裏面側のシリコン酸化膜202をドライエッチングすることでシリコン酸化膜202をパターニングし、続いて、第3のレジスト層を除去し、さらにその後、シリコン基板200の主表面側のシリコン酸化膜205をエッチング除去することにより、図7(f)に示す構造を得る。
Thereafter, a third resist layer (not shown) patterned to form the
さらにその後、シリコン基板200の主表面側に、応力付与膜28の基礎となるシリコン酸化膜208を、TEOS(Si(OC2H5)4)とO2とを原料ガスとしたプラズマCVD法により堆積させることにより、図7(g)に示す構造を得る。
Thereafter, a
その後、シリコン基板200の主表面側のシリコン酸化膜208上にクロム膜209を形成することにより、図8(a)に示す構造を得る。
Thereafter, a
その後、シリコン基板200の主表面側のクロム膜209上に、所望パターンの応力付与膜28を形成するためにパターニングされた第4のレジスト層(図示せず)を形成してから、第4のレジスト層をマスクとしてクロム膜209をエッチングすることでクロム膜209をパターニングし、続いて、第4のレジスト層を除去することにより、図8(b)に示す構造を得る。
Thereafter, a fourth resist layer (not shown) patterned to form a
そして、ダイシングを行ってから、シリコン基板200の裏面側のパターニングされたシリコン酸化膜202をマスクとしてシリコン基板200を裏面側から不純物拡散層204に達する深さまでエッチングすることで第1のダイヤフラム部22および第2のダイヤフラム部25を形成することにより、図8(c)に示す構造を得る。このエッチング工程における薬液として、例えば、EPW(エチレンジアミンピロカテコール)の溶液を用いることによって、ボロンが高濃度に拡散された不純物拡散層204をエッチングストッパ層として利用することができ、各ダイヤフラム部22,25がそれぞれ不純物拡散層204の一部により構成され、厚くなりすぎたり薄くなりすぎるのを防止することができる。なお、第1のダイヤフラム部22の中央部が可動電極24を構成する。
Then, after the dicing, the
その後、上述のパターニングされたクロム膜209をマスクとしてシリコン酸化膜208の不要部分をウェットエッチングすることで残りのシリコン酸化膜202よりなる応力付与膜28を形成してから、クロム膜209を除去することにより、図8(d)に示す構造の弁体形成基板20が得られる。
Thereafter, unnecessary portions of the
次に、弁座形成基板10の形成方法について図9を参照しながら説明する。
Next, a method for forming the valve
まず、第1のガラス基板100の一表面側(図9(a)における上面側)の全面にクロム膜101をスパッタ法などにより形成した後、第1のガラス基板100の上記一表面に流路用凹部15および弁座13を形成するためにパターニングされた第5のレジスト層(図示せず)を形成してから、第5のレジスト層をマスクとしてクロム膜101をエッチングすることでクロム膜101をパターニングし、続いて、第5のレジスト層を除去することにより、図9(a)に示す構造を得る。
First, after a
そして、パターニングされたクロム膜101をマスクとしてフッ酸系の薬品(例えば、BHF、濃度が50%のHFなど)を利用して第1のガラス基板100の上記一表面に流路用凹部15を形成してから、クロム膜101を除去することにより、図9(b)に示す構造を得る。
Then, using the patterned
その後、第1のガラス基板100に厚み方向に貫通する流入口11および流出口12をドリル加工によって形成することにより、図9(c)に示す構造を得る。
Then, the structure shown in FIG.9 (c) is obtained by forming the
その後、第1のガラス基板100の上記一表面側に、上述の接合防止膜14の基礎となるクロム膜104をスパッタ法などによって形成することにより、図9(d)に示す構造を得る。
Thereafter, a
その後、第1のガラス基板100の上記一表面側のクロム膜104上に、接合防止膜14を形成するためにパターニングされた第6のレジスト層(図示せず)を形成してから、第6のレジスト層をマスクとしてクロム膜104の不要部分をウェットエッチングすることで残りのクロム膜104からなる接合防止膜14を形成し、続いて、第6のレジスト層を除去してから、ダイシングを行うことにより、図9(e)に示す構造の弁座形成基板10が得られる。
Thereafter, a sixth resist layer (not shown) patterned to form the
次に、閉鎖空間形成用基板30の形成方法について図10を参照しながら説明する。
Next, a method for forming the closed
まず、第2のガラス基板300の一表面側(図10(a)における上面側)の全面にクロム膜301をスパッタ法などにより形成した後、第2のガラス基板300の上記一表面に圧力調整空間用凹部34および溝部41を形成するためにパターニングされた第7のレジスト層301を形成してから、第7のレジスト層302をマスクとしてクロム膜301をエッチングすることでクロム膜301をパターニングすることにより、図10(a)に示す構造を得る。
First, a
そして、パターニングされたクロム膜301をマスクとしてフッ酸系の薬品(例えば、濃度が50%のHFなど)を利用して第2のガラス基板300の上記一表面に圧力調整空間凹凹部34および溝部41を形成することにより、図10(b)に示す構造を得る。
Then, using the patterned
その後、第2のガラス基板300の上記一表面側の全面にクロム膜303をスパッタ法などによって形成することにより、図10(c)に示す構造を得る。
Thereafter, a
その後、第2のガラス基板300の上記一表面側のクロム膜303上に、ギャップ形成用凹部33および連通用凹部35を形成するためにパターニングされた第8のレジスト層(図示せず)を形成してから、第8のレジスト層をマスクとしてクロム膜303の不要部分をエッチングすることでクロム膜303をパターニングし、続いて、第8のレジスト層を除去することにより、図10(d)に示す構造を得る。
Thereafter, an eighth resist layer (not shown) patterned to form the
その後、パターニングされたクロム膜303をマスクとして第2のガラス基板300の上記一表面にギャップ形成用凹部33および連通用凹部35を形成してから、クロム膜303を除去することにより、図10(e)に示す構造を得る。
Thereafter, the
その後、メタルマスクを利用してスパッタ法などによって白金膜とクロム膜との積層膜からなる固定電極31および接合防止膜32を形成してから、ダイシングを行うことにより、図10(f)に示す構造の閉鎖空間形成用基板30が得られる。
Thereafter, a fixed
次に、上述の弁体形成基板20と弁座形成基板10と閉鎖空間形成用基板30とでマイクロバルブを形成するにあたっては、まず、図11(a)に示すように、弁体形成基板20と閉鎖空間形成用基板30とを重ね合わせてから、真空中で第1の所定温度(例えば、400℃)に加熱して弁体形成基板20と閉鎖空間形成用基板30との間に閉鎖空間形成用基板30を低電位側として直流電圧源E1から第1の所定電圧(例えば、600V)を印加して陽極接合し、その後、図11(b)に示すように、弁体形成基板20に弁座形成基板10を重ね合わせてから、真空中で第2の所定温度(例えば、400℃)に加熱して弁体形成基板20と弁座形成基板10との間に弁座形成基板10を低電位側として直流電圧源E2から第2の所定電圧(例えば、600V)を印加して陽極接合を行ない、続いて、図11(c)に示すように上述の配線形成用溝38により形成される通気路を大気圧中で樹脂(例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など)により封止して封止部40を形成する。
Next, when forming a microvalve with the above-described valve
以上説明した本実施形態のマイクロバルブでは、駆動手段により弁体23を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段が設けられているので、駆動手段により弁体23を変位させていない状態における弁体23による流出口12の閉止力を従来に比べて高めることができ、流入口側内部空間S1へ流入した流体の圧力が低くても流体が漏れるのを防止することができる。また、バイアス手段が上述の応力付与膜28により構成されているので、バイアス手段を一般的な半導体製造プロセスにより精度良く形成することができる。
In the microvalve of the present embodiment described above, the biasing means for increasing the closing force when the
(実施形態2)
ところで、実施形態1では、上述の応力付与膜28が、駆動手段により弁体23を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段を構成していたが、本実施形態のマイクロバルブでは、図12に示すように、第1のダイヤフラム部22の周部であってフレーム21に近づくにつれて弁座形成基板10側へ近づくように断面凹状に形成された部位22bが、駆動手段により弁体23を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段を構成している。また、本実施形態では、弁体形成基板20のフレーム21と閉鎖空間形成用基板30とを陽極接合により固着する際に可動電極24と固定電極31とが接合されないように可動電極24における固定電極31との対向面に、接合防止膜29が形成されている。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。
(Embodiment 2)
By the way, in the first embodiment, the
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、第1のダイヤフラム部22の周部であってフレーム21に近づくにつれて弁座形成基板10側へ近づくように断面凹状に形成された部位22bを設けたことにより、実施形態1にて説明した不純物拡散層204の一部により構成される第1のダイヤフラム部22に、当該部位22bを設けていない場合に比べて弁体23を弁座形成基板10側へ押し下げる向きの力が作用するこことなる。本実施形態における弁体形成基板20の形成にあたっては、実施形態1にて説明した弁体形成基板20の形成方法において、凹溝22a,25aを形成する際のマスクの形状を変更すればよい。要するに、本実施形態のマイクロバルブでは、第1のダイヤフラム部22および第2のダイヤフラム部25を半導体製造プロセスにより形成する際のマスクを適宜設計することにより、バイアス手段を形成することが可能となり、実施形態1に比べて製造プロセスを簡略化できる。
Thus, in the microvalve of the present embodiment, a
(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、駆動手段により弁体23を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段が、図13に示すように、圧力調整空間用凹部34において第2のダイヤフラム部25の周部に対応する部位の深さを第2のダイヤフラム部25の中央部に対応する部位の深さに比べて浅くするように圧力調整空間用凹部34の内面に突設された段突起34bにより構成されている点が相違する。また、本実施形態では、弁体形成基板20のフレーム21と閉鎖空間形成用基板30とを陽極接合により固着する際に可動電極24と固定電極31とが接合されないように可動電極24における固定電極31との対向面に、接合防止膜29が形成されている。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。
(Embodiment 3)
The basic configuration of the microvalve of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and the biasing means for increasing the closing force when the
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、圧力調整空間用凹部34において第2のダイヤフラム部25の周部に対応する部位の深さを第2のダイヤフラム部25の中央部に対応する部位の深さに比べて浅くする段突起34bが圧力調整空間用凹部34の内面に突設されているので、段突起34bが突設されていない場合に比べて閉鎖空間36の体積を小さくでき、第2のダイヤフラム部25が流入口側内部空間S1の圧力によって圧力調整空間用凹部34の内底面側へ撓んだときに閉鎖空間36のうち第2のダイヤフラム部25の周部に対応する空間を狭くすることができるから、閉鎖空間36のうち圧力調整空間用凹部34において第2のダイヤフラム部25の周部に対応する空間での圧力損失を低減でき、上記閉止力を高めることができる。
Therefore, in the microvalve of the present embodiment, the depth of the portion corresponding to the peripheral portion of the
なお、上述の段突起34bは、実施形態1にて説明した閉鎖空間形成用基板30の形成方法において、マスクの形状を変更することにより形成できるので、製造プロセスが複雑になることはない。
In addition, since the above-mentioned
(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と略同じであって、駆動手段により弁体23を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段を、実施形態3にて説明した段突起34bではなく、図14に示すように、圧力調整空間用凹部34の内底面において第2のダイヤフラム部25の各凹溝25aそれぞれに対向する各部位から突設された複数の小突起34aにより構成している点が相違するだけである。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。
(Embodiment 4)
The basic configuration of the microvalve of the present embodiment is substantially the same as that of the third embodiment, and the biasing means for increasing the closing force when the
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、バイアス手段が、圧力調整空間用凹部34の内底面において第2のダイヤフラム部25の各凹溝25aそれぞれに対向する各部位から突設された複数の小突起34aよりなるので、各小突起34aが設けられていない場合に比べて閉鎖空間36の体積を低減でき、閉鎖空間36のうち圧力調整空間用凹部34において第2のダイヤフラム部25との間に形成されている空間での圧力損失を低減でき、上記閉止力を高めることができる。
Thus, in the microvalve of the present embodiment, the bias means has a plurality of small protrusions protruding from the respective portions facing the respective
(実施形態5)
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、実施形態1では弁座形成基板10の上記一表面に設けられた流路用凹部15の内周形状が流入口11と流出口12との両方を囲む矩形状に形成されていたのに対して、図15に示すように、弁座形成基板10の上記一表面に形成されている流路用凹部15の形状が相違する。なお、他の構成は実施形態1にて説明した応力付与膜28を備えていない点以外は実施形態1と同じなので図示および説明を省略する。
(Embodiment 5)
The basic configuration of the microvalve of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. In the first embodiment, the inner peripheral shape of the
本実施形態における弁座形成基板10に形成された流路用凹部15は、流出口12を囲み内周形状が矩形状の流出口側凹部15bと、流入口11を囲み内周形状が矩形状の流入口側凹部15aと、流出口側凹部15bと流入口側凹部15aとを繋ぎ流出口側内部空間S2と流入口側内部空間S1との間に形成される流路であって流出口側内部空間S2の圧力が流入口側内部空間S1の圧力に比べて低くなるように圧力損失を生じさせる圧力調整用流路を形成するための圧力調整用凹部15cとで構成してある。なお、圧力調整用凹部15cはつづら折れ状の形状に形成されている。このような流路用凹部15を形成するには、実施形態1にて説明した弁座形成基板10の形成方法において流路用凹部15を形成する際のマスクの形状を変更すればよい。
The
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、駆動手段により弁体23を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段が、実施形態1にて説明した流出側内部空間S2と流入口側内部空間S1との間に形成される流路であって流出口側内部空間S2の圧力が流入口側内部空間S1の圧力に比べて低くなるように圧力損失を生じさせる圧力調整用流路により構成されているので、駆動手段により弁体23を変位させていない状態において流出口側内部空間S2の圧力が流入口側内部空間S1の圧力に比べて低くなるから、流出口側内部空間S2の圧力に対する閉鎖空間36の相対的な圧力を高めることができ、上記閉止力を高めることができる。
Thus, in the microvalve of the present embodiment, the biasing means for increasing the closing force when the
(実施形態6)
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、実施形態1にてバイアス手段として設けていた応力付与膜28を設けずに、図16に示すように、閉鎖空間形成用基板30に、厚み方向に貫通する貫通孔42を設けておき、閉鎖空間36に乾燥空気などの気体からなる受圧媒体を、大気圧よりも規定圧力(例えば、5kPa〜50kPa程度)だけ高い圧力で封入してあり、閉鎖空間36に大気圧よりも高い圧力で封入された気体がバイアス手段を構成している点に特徴がある。また、本実施形態では、弁体形成基板20のフレーム21と閉鎖空間形成用基板30とを陽極接合により固着する際に可動電極24と固定電極31とが接合されないように可動電極24における固定電極31との対向面に、接合防止膜29が形成されている。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。
(Embodiment 6)
The basic configuration of the microvalve of this embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and a closed space is formed as shown in FIG. 16 without providing the
本実施形態では、閉鎖空間36となる空間を加圧状態で封止するには、弁体形成基板20と閉鎖空間形成用基板30とを陽極接合により固着し、弁体形成基板20と弁座形成基板10とを陽極接合により固着した後で、乾燥空気で内部空間が加圧された加圧容器内で閉鎖空間形成用基板20の貫通孔42および実施形態1にて説明した配線形成用溝38を樹脂などにより封止すればよい。
In the present embodiment, in order to seal the space to be the closed
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、製造時に閉鎖空間36に封入する気体の圧力を適宜設定することで上記閉止力を高めることができる。
Therefore, in the microvalve of the present embodiment, the closing force can be increased by appropriately setting the pressure of the gas sealed in the closed
なお、本実施形態では、閉鎖空間36となる空間を加圧するための通気経路として貫通孔42と配線形成用溝38との両方を採用しているが、通気経路としては、貫通孔42と配線形成用溝38との少なくとも一方が形成されていればよく、通気経路として、配線形成用溝38のみが形成されているようにすれば、つまり、配線形成用溝38を通気経路として兼用すれば、閉鎖空間36を加圧封止するために閉鎖空間36と外部とを連通させる上述の貫通孔42を別途に形成する場合に比べて、製造が容易になるという利点がある。
In the present embodiment, both the through
10 弁座形成基板
11 流入口
12 流出口
13 弁座
15 流路用凹部
20 弁体形成基板
21 フレーム
22 第1のダイヤフラム部
23 弁体
24 可動電極
25 第2のダイヤフラム部
28 応力付与膜
30 閉鎖空間形成用基板
31 固定電極
36 閉鎖空間
S1 流入口側内部空間
S2 流出口側内部空間
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