JP2012057692A

JP2012057692A - マイクロバルブ

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Publication number: JP2012057692A
Application number: JP2010200627A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Takahashi; 一法高橋
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2012-03-22

Abstract

【課題】静電駆動バルブを改良する。
【解決手段】駆動弁孔２６をもつ駆動弁２０を挟んでその両側に櫛歯形状の一対の駆動電極１６〜１９を設ける。駆動電極１６〜１９への印加電極により、駆動弁孔２６が出口弁孔２５ａの軸上の位置にくる全開状態、及び駆動弁２０が弁体２５から離れ、かつ駆動弁孔２６が出口弁孔２５ａの軸上の位置から外れた位置にくる部分開状態をとりうるように、駆動弁２０は支持部２１により出口弁孔２５ａの軸方向とそれに垂直な方向とに移動可能に支持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は流体制御バルブに関し、特に静電引力によりバルブを駆動して気体又は液体からなる流体の流れを制御する静電駆動方式のマイクロバルブに関する。

流体制御バルブには、高い流体圧力で使用できることと、制御できる流量範囲が広いことが求められる。

電気駆動の流体制御バルブはその駆動方法によって、電磁駆動方式、圧電駆動方式及び静電駆動方式に分けられる。

電磁駆動方式は、直流ソレノイドなど電磁力を用いたアクチュエータでバルブを駆動する方法である。大きな力と大きなストロークが得られる反面、常にコイルに電流を流さなければならないため消費電力が大きいことやアクチュエータが小型化できない問題がある。

圧電駆動方式は、圧電素子アクチュエータを用いてバルブを駆動する方法である。圧電素子アクチュエータには積層型とバイモルフ型がある。積層型圧電アクチュエータを用いたバルブは、ストロークは小さいが大きな力が得られ、消費電力は電磁駆動方式に比べ極めて小さい。バイモルフ型圧電アクチュエータを用いたバルブは、大きさは直流ソレノイドを用いたバルブに比べて小さいとはいえ、アクチュエータの駆動方向の長さが変位の１０００倍程度必要である。また湿度に対して特性が変化する、素子の価格が比較的高い、組立て及び調整に手間がかかるなどの問題がある。

静電駆動方式は、対向電極間に働く静電引力を用いてバルブを駆動する方式である。力は電磁駆動方式や圧電駆動方式に比べて小さく、ストロークは電磁駆動方式に比べ小さい。しかし消費電力は極めて小さく、半導体製造技術を用いればバルブ素子とアクチュエータ部分を一括製作できるため、小型化と低コスト化が可能である（特許文献１、非特許文献１、２参照。）。

［従来の構造］
従来の静電駆動バルブを図１５に示す。

流体出口となる弁孔５の周囲に弁体となるバルブ突起部３が設けられ、突起部３上にはバルブを開閉するダイアフラム２が配置されている。ダイアフラム２は弾性をもち、ばねの機能を兼ねている。流体をバルブに導入するために導入孔１が設けられている。バルブの開閉を駆動するために、固定電極７に対向してダイアフラム２上には駆動電極６が取り付けられている。

このバルブにおいて、導入孔１から流体がバルブに入ると、（Ａ）のようにダイアフラム２をバルブ突起部３に押し付ける流体の圧力による力４が発生し、弁孔５が実質的閉状態になる。ここで、駆動電極６と固定電極７に電圧を印加すると、電極６，７間に静電引力８が発生する。静電引力８が流体の圧力による力より大きくなると、（Ｂ）のようにダイアフラム２が固定電極７側に動き、弁孔５とダイアフラム２に隙間ができて流体が流れる。

ここで「実質的閉状態」とは、「実質的閉状態」におけるバルブ下流への流体の内漏れが使用上問題にならない程度に小さい状態であることを意味する。この内漏れは例えばフルスケール流量の２％以下である。

特開２００４−３３２９０号公報

IEEE Micro Electro Mechanical Systems， 1990. Proceedings， An Investigation of Micro Structures， Sensors， Actuators， Machines and Robots， 1990， pp. 95-98. Solid-State Sensor and Actuator Workshop， 1990. 4th Technical Digest.， IEEE， 1990， pp. 123-127.

バルブが広い制御範囲をもつためには、ストロークは大きい方がよい。しかし、図１５に示されたような従来の静電駆動バルブは、駆動力もストロークも小さい。これは、駆動電極が平行平板型静電アクチュエータを構成しているからである。具体的には、可動電極６を支えるばねのばね定数が一定で、静電引力とばねによる力以外に力が働かないとすると、ばねのばね定数が実用上一定と見なせる場合、可動電極６が固定電極７に接触しない状態で静的な安定が保たれるのは、ストロークが電極間初期ギャップの１／３以下の範囲に限られる。そのため、通常使用される１００Ｖ以下の電圧では、変位量は数μｍより大きくすることは困難である。

電極間初期ギャップを広げるとストロークは大きくなるが、初期の駆動力は電極間初期ギャップに反比例するため駆動力が小さくなり、十分な力を出すことができない。

駆動力を大きくするためにはバルブの駆動電圧を高くするか、電極の面積を大きくすればよい。しかし駆動電圧は電極間の放電が起こらない範囲に制限されるためいくらでも大きくできるものではない。また、電極の面積を大きくすることは、小型化と逆行するため好ましくない。よって従来の静電駆動バルブには広い制御範囲をもつことは困難であるという問題があった。

そこで、本発明は静電駆動バルブのこのような問題を解決することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため本発明の静電駆動バルブは、電極形状を櫛歯状にしたアクチュエータを採用する。さらに本発明の静電駆動バルブは、電圧を印加しない場合にバルブが実質的閉状態になるようにし、櫛歯型静電アクチュエータを用いて、駆動弁を弁孔軸方向と弁孔軸に対して垂直方向の２方向に移動させることにより開状態となるようにバルブを駆動する。

本発明のマイクロバルブは、流体出口となる出口弁孔をもつ弁体と、駆動弁孔をもつ駆動弁と、駆動弁を移動可能に支持する支持部と、駆動弁の移動を駆動する駆動電極と、流通させようとする流体を導入する流体導入部とを備えている。

支持部は、駆動弁のうち駆動弁孔以外の部分が弁体に接触して出口弁孔を塞ぐ実質的全閉状態、駆動弁が弁体から離れ、かつ駆動弁孔が出口弁孔の軸上の位置にくる全開状態、及び駆動弁が弁体から離れ、かつ駆動弁孔が出口弁孔の軸上の位置から外れた位置にくる部分開状態をとりうるように、駆動弁を出口弁孔の軸方向とそれに垂直な方向とに移動可能に支持するものである。

駆動電極は駆動弁を挟んでその両側に配置された一対の駆動電極である。各駆動電極は出口弁孔の軸方向に垂直な平面内で駆動弁を挟んで互いに反対側で駆動弁に取り付けられた櫛歯形状の可動電極、及びそれぞれの可動電極に組み合わされた櫛歯形状の固定電極からなる。両駆動電極への電圧印加により駆動弁を出口弁孔の軸方向への移動と出口弁孔の軸方向に対する垂直方向への移動を駆動する。

流体導入部は、流通させようとする流体を駆動弁に対して弁体の反対側に導入するとともに、駆動電極の電圧非印加時には流体の圧力により駆動弁を弁体に押しつけて実質的全閉状態とするものである。

好ましい形態では、駆動弁、支持部及び駆動電極は単結晶シリコンの微細加工により形成されたものである。その単結晶シリコンの好ましい例は、シリコン基板上に絶縁層を介して単結晶シリコン層が形成されたＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板のその単結晶シリコン層である。

好ましい形態では、一対の駆動電極は駆動弁に対して等しい力が及ぶように電圧印加されることにより部分開状態をとり、駆動弁孔が出口弁孔の軸上の位置にくるように一方の駆動電極が駆動弁に及ぼす力を他方の駆動電極が駆動弁に及ぼす力よりも大きくなるように電圧印加をすることにより全開状態をとる。

さらに好ましい形態では、支持部には駆動弁の移動を全開状態の位置で停止させるストッパが設けられている。

両駆動電極に電圧を印加して駆動弁を出口弁孔の軸方向に駆動することにより、このマイクロバルブが実質的全閉状態から少し開いた部分開状態となる。さらに一方の駆動電極の静電引力が他方の駆動電極の静電引力よりも大きくなるように駆動電圧を印加することにより駆動弁を出口弁孔の軸方向に対して垂直方向に駆動させて全開状態まで移動させることができる。その移動の変位量に応じて、部分開状態での駆動弁の弁孔と弁体の出口弁孔との重なる面積が変化し、流体の圧力損失が変化する。これによって流体の圧力や流量を制御できる。

本発明の静電駆動マイクロバルブは、電極形状を櫛歯状にすることで、従来の平行平板型のバルブよりも駆動力が大きく、駆動弁の駆動範囲が広くなる。そのため、圧力と流量の制御範囲が広くなる。

静電駆動バルブであるので、電磁駆動方式や圧電駆動方式のバルブに比べて、製作工程が簡易であり量産性に優れる。

また平行平板型静電アクチュエータは、ストロークが電極間初期ギャップの１／３以下という制限があったが、本発明の櫛歯型静電アクチュエータはこの制約に縛られない。そのため大きいストロークを得ることができる。

一実施例のマイクロバルブを示す図であり、（Ａ）は（Ｂ）のＣ−Ｃ’線位置での水平断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＤ−Ｄ’線位置での垂直断面図である。同実施例を実質的全閉状態で示す図であり、（Ａ），（Ｂ）は図１と同じ位置を示す断面図である。同実施例を部分開状態で示す図であり、（Ａ），（Ｂ）は図１と同じ位置を示す断面図である。同実施例を全開状態で示す図であり、（Ａ），（Ｂ）は図１と同じ位置を示す断面図である。同実施例を示す図であり、（Ａ），（Ｂ）は図２と同じ実質的全閉状態で示したものであり、（Ｃ）は駆動弁２０と弁体２５の近傍の拡大断面図、（Ｄ）はばね２１の拡大斜視図、（Ｅ）は駆動電極の一部の拡大斜視図である。同実施例において出口弁孔２５ａと駆動弁孔２６が一部重なった部分開状態での出口弁孔２５ａと駆動弁孔２６の位置関係を示したものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。同実施例における駆動電極への印加電圧と駆動弁２０の変位量の関係を示すグラフである。同実施例における駆動弁２０の変位量と流量の関係を示すグラフである。同実施例における駆動電極への印加電圧と流量の関係を示すグラフである。従来の平行平板型の静電駆動バルブについて、アクチュエータ印加電圧と流量の関係を示すグラフである。一実施例のマイクロバルブの製造工程の一部として、ＳＯＩ基板に駆動弁２０などのバルブ構成要素を形成する工程を示したものであり、（Ａ）から（Ｄ）はその工程を断面図で示したもの、（ａ）から（ｄ）はそれぞれの平面図である。同実施例のマイクロバルブの製造工程の一部として、カバーガラス１４を形成する工程を示したものであり、（Ａ）から（Ｃ）はその工程を断面図で示したもの、（ａ）から（ｃ）はそれぞれの平面図である。同実施例のマイクロバルブを組み立てる工程を示したものであり、（Ａ）から（Ｂ）はその工程を断面図で示したもの、（ａ）から（ｂ）はそれぞれの平面図である。一実施例のマイクロバルブの実装例を示した概略断面図である。従来の静電駆動マイクロバルブを示す図であり、（Ａ）は（Ｂ）のＡ−Ａ’線位置での水平断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’線位置での垂直断面図を実質的全閉状態で示したもの、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’線位置での垂直断面図を開状態で示したものである。

図１に一実施例のマイクロバルブを示す。このマイクロバルブは４層構造であり、下層側の３層はＳＯＩ基板を加工して形成したものである。最下層からハンドルシリコン層１１、犠牲層１２、デバイスシリコン層１３、そして最上側のカバーガラス１４である。デバイスシリコン層１３は、例えばボロンなどのＰ型、リンなどのＮ型不純物が導入された単結晶シリコン層からなり、導電性をもっている。

ハンドルシリコン層１１の中央部に弁体２５が設けられ、弁体２５の中心には流体出口となる出口弁孔２５ａが開けられている。弁体２５は出口弁孔２５ａの周辺部を指す。

犠牲層１２上のデバイスシリコン層１３により駆動弁２０が形成されており、駆動弁２０は弁体２５と対向する位置に配置されている。駆動弁２０は、駆動電極により駆動されていない状態において、出口弁孔２５ａの軸上の位置から外れた位置に駆動弁孔２６をもっている。

駆動弁２０は支持部となるばね２１により内側フレーム２２ａに支持され、内側フレーム２２ａは外側フレーム２２と一体に形成されている。外側フレーム２２と内側フレーム２２ａは犠牲層１２の残存部分を介してハンドルシリコン層１１に一体化された状態で固定されている。ばね２１、内側フレーム２２ａ及び外側フレーム２２はデバイスシリコン層１３により形成されている。

ばね２１は、駆動弁２０と内側フレーム２２ａとの間に２組が配置されている。各組のばね２１は駆動弁２０を挟む２対のばねを含んでいる。各対のばねは２本の梁を組み合わせた構造をもっている。この２組のばね２１により、駆動弁２０を弁孔２５ａの軸２７方向（図１（Ｂ）の上下方向）とそれに垂直な方向（図１（Ａ）の平面内の左右方向）に移動可能に支持している。

支持部となるばね２１の構造はこの構造に限らず、駆動弁２０と外側クレーム２２との間に配置された２組のばねとすることもできる。その場合、各組のばねは１本の梁からなるものでもよく、２本の梁からなるものでもよい。

駆動弁２０の移動を駆動するために、駆動弁２０を挟んで弁孔２５ａの軸２７に垂直な平面内で内側フレーム２２ａの外側にデバイスシリコン層１３により形成された一対の駆動電極が配置されている。各駆動電極は櫛歯電極からなる可動電極１８，１９と、それぞれの可動電極１８，１９に組み合わされる櫛歯電極からなる固定電極１６，１７とからなっている。可動電極１８，１９は駆動弁２０に取り付けられ、固定電極１６，１７は犠牲層１２の残存部分を介してハンドルシリコン層１１に一体化された状態で固定されている。駆動電極に電圧が印加されていない状態では、一方の可動電極１９は他方の可動電極１６よりも固定電極に深く噛み合っており、可動電極１８，１９は図１の状態からが左方向に移動できるように設計されている。また、両駆動電極に等しく電圧を印加すると等しい大きさの静電引力が働くように設計されている。

固定電極１６に電圧を印加するために固定電極１６に接続電極２３ａが設けられ、固定電極１７に電圧を印加するために固定電極１７に接続電極２３ｂが設けられ、可動電極１８，１９に電圧を印加するために外側フレーム２２に接続電極２３ｃが設けられている。電極２３ｃに印加された電圧は外側フレーム２２から内側フレーム２２ａ、ばね２１及び駆動弁２０を介して可動電極１８，１９に伝わる。

このマイクロバルブに液体又は気体からなる流体を導入するために、駆動弁２０に対し内側フレーム２２ａよりも外側で、内側フレーム２２ａと外側フレーム２２で囲まれた部分のハンドルシリコン層１１に導入孔１５が開けられている。導入孔１５から導入された流体は外側フレーム２２と内側フレーム２２ａ間の空間を通り、駆動弁２０とカバーガラス１４の間の空間に導入される。駆動弁２０が配置されている空間は外側フレーム２２と内側フレーム２２ａで周囲が囲まれ、上下はカバーガラス１４とハンドルシリコン層１１で挟まれていることにより、導入孔１５から導入された流体は駆動弁２０とカバーガラス１４の間の上部空間に導入される。

ばね２１の一部には、駆動２０の弁孔２６が弁体２５の出口弁孔２５ａの軸上まで移動した位置で駆動弁２０の移動を停止させるように、ストッパ２４が設けられている。ストッパ２４はこの実施例のようにばね２１の一部に設けられたものに限らず、駆動弁２０の移動を所定の位置で停止させることができるものであればよい。

次に、このマイクロバルブの動作について説明する。
図２は実質的全閉状態を表したものである。駆動電極はすべて接地電位（ＧＮＤ）となっている。このとき駆動弁２０の弁孔２６は出口弁孔２５ａの軸２７上から外れた位置にある。導入孔１５から流体を導入すると、駆動弁２０とカバーガラス１４の間の空間に導かれ、流体の圧力によって駆動弁２０を弁体２５の方向に押し付ける。弁孔２６と出口弁孔２５ａの位置がずれているため、駆動弁２０は孔のない部分で弁体２５を押し付けることにより出口弁孔２５ａを塞ぎ、実質的全閉状態となる。

次に、図３のように、可動電極１８，１９を接地電位とし、両固定電極１６，１７に等しい電圧Ｖを印加する。両駆動電極では等しい大きさの静電引力が働き、可動電極１８，１９は固定電極１６，１７側に引き上げられて、出口弁孔２５ａの軸２７方向（図３（Ｂ）で上方向）に移動し、駆動弁２０は弁体２５から離れて弁体２５と駆動弁２０の間に隙間ができる。このとき駆動弁孔２６と出口弁孔２５ａの位置がずれているため、マイクロバルブは一部開いた部分開状態となる。

次に、図４に示されるように、可動電極１８，１９を接地電位としたまま、一方の固定電極１７を電圧Ｖ、他方の固定電極１６をそれよりも高電圧のＶ＋となるように電圧を印加する。固定電極１６と可動電極１８の間の静電力が他方の固定電極１７と可動電極１９の間の静電力よりも強くなる結果、駆動弁２０は図４で左方向に移動する。その移動量は一方の固定電極１７への印加電圧Ｖに対する他方の固定電極１６への印加電圧Ｖ＋の大きさに依存し、駆動弁孔２６と出口弁孔２５ａの重なりの大きさが変化し、それに伴って流量が変化する。印加電圧Ｖ＋を大きくしていくと、最終的にはばね２１がストッパ２４に当たった位置で停止する。その位置はちょうど駆動弁孔２６の軸と出口弁孔２５ａの軸２７が一致する位置であり、駆動弁孔２６から入った流体が最も流路抵抗の少ない状態で出口弁孔２５ａから流出する位置である。この状態が全開状態である。

この実施例では、ストッパ２４が設けられているので、駆動弁２０が変位しすぎて、固定電極１６と可動電極１８が接触することがない。固定電極１６と可動電極１８が接触すると、スティッキング（くっつき離れなくなる）やショートの原因となるが、ストッパ２４によりそのような事態を避けることができる。

［設計計算と性能］
一実施例のマイクロバルブの構造を図５に示す。図５（Ａ），（Ｂ）は実質的全閉状態で示したものであり、図２と同じ図面である。各部分の寸法を表１に示す。

駆動弁２０と弁体２５の近傍の拡大図を図５（Ｃ）に示す。ここで、ｇ_valveは駆動弁２０と弁体２５との隙間であり、駆動電極に電圧をかけず、流体も導入しないで流体圧力もかかっていいない初期状態（部分開状態と同じ）では、ＳＯＩ犠牲層の厚さと同じとなる。

ばね２１の拡大図を図５（Ｄ）に示す。このばね２１は両端を回転拘束された２つの梁を直列接続したものと考えることができる。駆動電極の拡大図を図５（Ｅ）に示す。図６は出口弁孔２５ａと駆動弁孔２６が一部重なった部分開状態での出口弁孔２５ａと駆動弁孔２６の位置関係を示したものである。出口弁孔２５ａと駆動弁孔２６の重なり部Ａが大きくなるほど流れる流体の流路抵抗が少なくなり、流量が大きくなる。

性能の計算値を以下に示す。

［静電引力の計算］
ｘ方向（出口弁孔２５ａの軸２７方向に垂直な方向）、ｚ方向（出口弁孔２５ａの軸２７方向）の静電引力をそれぞれＦ_elecX、Ｆ_elecZとすると以下の式で与えられる。

Ｃは櫛歯電極間の静電容量、Ｖは電極間の電圧である。

ここで、電極間の静電容量Ｃは以下の式で与えられる。

ｎ_combは櫛歯の本数である。Ｃ_sideは一対の櫛歯電極側面の静電容量、Ｃ_tipは一対の櫛歯先端の静電容量でありそれぞれ以下の式で与えられる。

εは空気中の誘電率、ｗ_combは櫛歯の幅、ｈ_combは櫛歯の厚さ、ｓ_combは初期状態におけるｘ方向の櫛歯の間隔、ｌ_combは櫛歯の長さ、ｇ_combは櫛歯同士の間隔である。

ｓ_combが移動量ｘに対して十分大きくなるように設計されているので、Ｃｔｉｐは無視できるため、

となる。

以上より、ｘ、ｚ方向の静電引力は以下の式となる。

一方、ｘ、ｚ方向のばねのバネ定数は以下の式で与えられる。

ここで、Ｅ_Siは材料のシリコンのヤング率、ｗ_springはばねの幅、ｈ_springはばねの厚さ、ｌ_springはばねの長さである。

以上をまとめて力の釣り合いを考える。櫛歯電極は２対あり、固定電極１６の電圧をＶ≡、固定電極１７の電圧をＶ≡とすると、出口弁孔２５ａの軸方向に垂直な方向２８の力の対合いは、以下の式で表すことができる。

また、出口弁孔２５ａの軸２７方向の力の釣り合いは以下の式で表わすことができる。弁孔の軸２７の方向の変位ｚがｇ_v（ｇ_valveのこと）を超えるとばねによる復元力と静電引力は符号が反転する。そのため十分大きい電圧を印加することにより、弁孔軸２７の方向の変位ｚ＝ｇ_vで安定する。

設計値として、表１の値を使用し、固定電極１６の電圧Ｖ≡と出口弁孔２５ａの軸方向に垂直な方向２８への変位ｘの関係を求めた。結果を図７に示す。図７は、固定電極１７の電圧Ｖ≡を５０Ｖとし、固定電極１６の電圧Ｖ≡を５０Ｖから上げていったときの駆動弁２０の固定電極１６側への変位量を示している。横軸の印加電圧は固定電極１６の電圧Ｖ≡と固定電極１７の電圧Ｖ≡との電圧差を表わしており、縦軸は駆動弁２０の変位量を表わしている。固定電極１６の電圧Ｖ≡を７５Ｖ（図７の横軸の印加電圧では２５Ｖ）にすると、駆動弁２０の変位量として３５μｍが得られる。

この３５μｍの変位量はばね２１がストッパ２４によって停止する位置での変位量であり、固定電極１６にそれ以上の電圧を印加しても駆動弁２０はそれ以上に変位することはない。これは固定電極１６と可動電極１８が接触することによるスティッキングやショートを防ぐとともに、駆動弁孔２６と出口弁孔２５ａが再びずれて流量が減少することを防ぐためである。

（数値の表記で、例えば３.００Ｅ−０３は３.００×１０^-3を意味する。）

［流量の計算］
バルブ弁体部孔と弁孔が完全にずれている場合（図５（Ｃ））、流量は平行平板流路を仮定してナビエ・ストークス方程式を解くことにより、近似的に以下の式で表される。この流量が最小流量である。

またバルブが全開で、バルブ弁体部孔と弁孔が完全に重なっているとき（全開状態）、流量は円管を仮定してナビエ・ストークス方程式を解くことにより、近似的に以下の式で表される。この流量が最大流量である。

表２の条件で計算すると、このバルブは最大流量３４８．３ｓｃｃｍ、最小流量３．９ｓｃｃｍとなる。よってこのバルブは、３．９ｓｃｃｍから３４８．３ｓｃｃｍの広い流量制御範囲もつ。

流量は、駆動弁孔２６と出口弁孔２５ａとの重なり合う面積Ａ（図６）に比例すると仮定したときの、駆動弁２０の変位と流量の関係を図８に示す。

またこのときのアクチュエータ印加電圧と流量の関係を図９に示す。図９のアクチュエータ印加電圧とは、図７の横軸と同じく、固定電極１７の電圧Ｖ≡を５０Ｖとして固定電極１６の電圧Ｖ≡を５０Ｖから上げていったときの固定電極１６の電圧Ｖ≡と固定電極１７の電圧Ｖ≡との電圧差である。アクチュエータ印加電圧が２５Ｖでばね２１がストップ２４にあたって駆動弁２０の移動が停止して流量の増加も停止するため、それ以上に印加電圧を高めても流量は変化しない。

比較のために、従来の平行平板型の静電駆動バルブについて、アクチュエータ印加電圧と流量の関係を図１０に示す。その場合はアクチュエータ印加電圧がある値を越えると両電極がくっつくスティッキングが起こって弁が全開となり、流量が急激に増大する。

*ここで abs は絶対圧を示す

［製作方法］
一実施例のマイクロバルブの製作工程を図１１から図１３に示す。製作には半導体製造技術を用いる。

図１１はＳＯＩ基板に駆動弁２０などのバルブ構成要素を形成する工程を示したものである。（Ａ）から（Ｄ）はその工程を断面図で示したもの、（ａ）から（ｄ）はそれぞれの平面図である。

（Ａ）ハンドルシリコン層１１、犠牲層１２及びデバイスシリコン層１３からなるＳＯＩ基板を用意する。

（Ｂ）ハンドルシリコン層１１に出口弁孔２５ａと導入孔１５を形成するためのレジストパタンをフォトリソグラフィーによって形成した後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によるドライエッチングによってレジストパタンをハンドルシリコン層１１に転写する。

（Ｃ）デバイスシリコン層１３に電極１６〜１９、駆動弁２０、ばね２１、フレーム２２、２２ａなどの構造を形成するためのレジストパタンをフォトリソグラフィーによって形成した後、ＲＩＥによるドライエッチングによってレジストパタンをデバイスシリコン層１３に転写する。

（Ｄ）その後、犠牲層１２を気相フッ化水素酸によりエッチングすることで、可動電極１８，１９、駆動弁２０及びばね２１の下側の犠牲層１２を除去して可動電極１８，１９、駆動弁２０及びばね２１を自立構造（宙に浮いた構造）とし、固定電極１６，１７及びフレーム２２，２２ａの下側の犠牲層１２を残して固定電極１６，１７及びフレーム２２，２２ａは犠牲層１２を介してハンドルシリコン層１１に固定された状態とする。犠牲層１２のエッチングは時間により制御する。例えばエッチング時間を犠牲層厚さの２倍がエッチングできる程度の時間とする。

図１２はカバーガラス１４を形成する工程を示したものである。（Ａ）から（Ｃ）はその工程を断面図で示したもの、（ａ）から（ｃ）はそれぞれの平面図である。

（Ａ）カバーガラスの材料としてテンパックス（登録商標）ガラス基板１４を用意する

（Ｂ）ガラス基板にマイクロバルブを被う凹部を形成するためのレジストパタンをフォトリソグラフィーによって形成した後、バッファードフッ化水素酸（ＢＨＦ）エッチングによってレジストパタンをガラス基板１４に転写する。

（Ｃ）次に電極へコンタクトを取るための孔５０，５２，５４を、マイクロドリル又はサンドブラストによってガラス基板１４に開ける。

図１３はマイクロバルブを組み立てる工程を示したものである。（Ａ）から（Ｂ）はその工程を断面図で示したもの、（ａ）から（ｂ）はそれぞれの平面図である。

（Ａ）マイクロバルブの構成要素を形成したＳＯＩ基板５６とガラス基板１４を陽極接合によって接合する。

（Ｂ）最後にクロム／金(シリコン上に密着層としてクロム膜を形成し、その上に金膜を積層したもの)を接続電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃの電極パタンとして蒸着によって形成する。

［実装例］
一実施例のマイクロバルブを流路に実装した一例を図１４に示す。

入力流体管３２と出力流体管３３を取り付けた流路板３４に一実施例のマイクロバルブ６０を接着剤により貼り付けたものである。マイクロバルブ６０の導入孔１５が入力流体管３２に接続され、マイクロバルブ６０の出口弁孔２５ａが出力流体管３３につながるように、マイクロバルブ６０が流路板３４に対して位置決めして取りつけられている。マイクロバルブ６０の接続電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃは電極ワイヤ３０を介して電極パッド３１へ接続されている。

１１ハンドルシリコン層
１２犠牲層
１３デバイスシリコン層
１４カバーガラス
１５導入孔
１６，１７固定電極
１８，１９可動電極
２０駆動弁
２１ばね
２２外側フレーム
２３接続電極
２４ストッパ
２５弁体
２５a 出口弁孔
２６駆動弁孔
２７弁孔軸
２８弁孔軸に垂直な方向
２９バルブ素子

Claims

流体出口となる出口弁孔（２５ａ）をもつ弁体（２５）と、
駆動弁孔（２６）をもつ駆動弁（２０）と、
前記駆動弁孔（２６）が前記出口弁孔（２５ａ）の軸上の位置にくる全開状態、及び前記駆動弁孔（２６）が前記出口弁孔（２５ａ）の軸上の位置から外れた位置にくる部分開状態をとりうるように、前記駆動弁（２０）を前記出口弁孔（２５ａ）の軸方向に垂直な方向に移動可能に支持する支持部（２１）と、
前記駆動弁（２０）を挟んでその両側に配置された一対の駆動電極であって、各駆動電極は前記出口弁孔（２５ａ）の軸方向に垂直な平面内で前記駆動弁（２０）を挟んで互いに反対側で前記駆動弁（２０）に取り付けられた櫛歯形状の可動電極（１８，１９）、及びそれぞれの可動電極（１８，１９）に組み合わされた櫛歯形状の固定電極（１６，１７）からなり、両駆動電極への電圧印加により前記駆動弁（２０）を前記軸方向に対して垂直方向へ駆動する駆動電極と、
流通しようとする流体を前記駆動弁（２０）に対して前記弁体（２５）の反対側に導入する流体導入部と、
を備えたマイクロバルブ。
前記駆動弁（２０）のうち前記駆動弁孔（２６）以外の部分が前記弁体（２５）に接触して前記出口弁孔（２５ａ）を塞ぐ実質的全閉状態、前記駆動弁（２０）が前記弁体（２５）から離れ、かつ前記駆動弁孔（２６）が前記出口弁孔（２５ａ）の軸上の位置にくる全開状態、及び前記駆動弁（２０）が前記弁体（２５）から離れ、かつ前記駆動弁孔（２６）が前記出口弁孔（２５ａ）の軸上の位置から外れた位置にくる部分開状態、をとりうるように、前記駆動弁（２０）を前記出口弁孔（２５ａ）の軸方向とそれに垂直な方向とに移動可能に支持する支持部（２１）と、
前記駆動弁（２０）を挟んでその両側に配置された一対の駆動電極であって、各駆動電極は前記出口弁孔（２５ａ）の軸方向に垂直な平面内で前記駆動弁（２０）を挟んで互いに反対側で前記駆動弁（２０）に取り付けられた櫛歯形状の可動電極（１８，１９）、及びそれぞれの可動電極（１８，１９）に組み合わされた櫛歯形状の固定電極（１６，１７）からなり、両駆動電極への電圧印加により前記駆動弁（２０）を前記出口弁孔（２５ａ）の軸方向への移動と前記軸方向に対する垂直方向へ駆動する駆動電極と、
流通しようとする流体を前記駆動弁（２０）に対して前記弁体（２５）の反対側に導入するとともに、前記駆動電極の電圧非印加時には前記流体の圧力により前記駆動弁（２０）を前記弁体（２５）に押し付けて前記実質的全閉状態とする流体導入部と、
を備えたマイクロバルブ。
前記駆動弁（２０）、支持部（２１）及び駆動電極（１６，１７，１８，１９）は単結晶シリコンの微細加工により形成されたものである請求項１又は２に記載のマイクロバルブ。
前記単結晶シリコンはシリコン基板上に絶縁層を介して単結晶シリコン層が形成されたＳＯＩ基板の前記単結晶シリコン層である請求項３に記載のマイクロバルブ。
前記一対の駆動電極は前記駆動弁（２０）に対して等しい力が及ぶように電圧印加されることにより前記部分開状態をとり、前記駆動弁孔（２６）が前記出口弁孔（２５ａ）の軸上の位置にくるように一方の駆動電極が前記駆動弁（２０）に及ぼす力を他方の駆動電極が前記駆動弁（２０）に及ぼす力よりも大きくなるように電圧印加をすることにより前記全開状態をとるものである請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロバルブ。
前記駆動弁（２０）の移動を前記全開状態の位置で停止させるストッパ（２４）が設けられている請求項５に記載のマイクロバルブ。