JP3944036B2

JP3944036B2 - マイクロバルブ

Info

Publication number: JP3944036B2
Application number: JP2002262462A
Authority: JP
Inventors: 誠石田; 英邦高尾; 和宏宮村
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2022-09-09
Also published as: JP2004100800A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、微量の液体や気体などの流体の流れを遮断したり開放したりする機能を有するマイクロバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
ＷＯ９９２４７４４Ａ１号公報
従来のマイクロバルブとして、例えば、上記特許文献１に記載されたものがある。図７は、この特許文献１に記載されたマイクロバルブを概略的に示すもので、この図において、７０は上部ガラス基板７１、２枚のシリコン基板７２，７３および下部ガラス基板７４をこの順で積層してなる積層体である。そして、この積層体７０の内部のシリコン基板７２，７３には、それぞれキャビティ７２ａ，７３ａが互いに連通した状態で形成され、シリコン基板７２の上面にキャビティ７２ａを覆うようにしてダイヤフラム７５が設けられ、シリコン基板７２，７３の境界面にはヒータ７６が設けられ、下側のキャビティ７３ａは下部ガラス基板７３によって封止されている。そして、７７は上部ガラス基板７１の下方側に形成される液体など流体が流通する微小な流路で、入口７８および出口７９を備え、常時は開状態となっている。
【０００３】
上記構成のマイクロバルブは、キャビティ７２ａ，７３ａ内に、例えば空気または窒素ガスのように熱容量の小さい（熱膨張率の大きい）ガスが封入しておき、ヒータ７６に通電するとこれが発熱して前記ガスが膨張する。このガスの膨張によって、ダイヤフラム７５が図中の仮想線で示すように上方に動いて、前記微小流路７７の一部がシャットオフされ、これにより、流路７７の入口７８側と出口側７９とが遮断され、流体の流れが閉じられる。そして、前記ヒータ７６への通電を停止すると、その発熱がなくなるので、前記ガスがもとの状態に収縮し、ダイヤフラム７５が図中の実線で示すように復帰し、微小流路７７が開状態となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記図７に示したマイクロバルブにおいては、ダイヤフラム７５およびヒータ７６といった部材を用いることにより、微小流路を遮断したり開放したりすることができるが、次のような課題があった。すなわち、前記マイクロバルブは、全体が４層構造であり、特に、弁としての機能を果たすダイヤフラム７５とこれを駆動させるためのヒータ７６が上下二段になるように配置されているので、その製作がきわめて困難であるとともに、特に、ヒータ７６が積層体７０の表面ではなく、第二層より下位に位置するように設けられているので、これに対する配線構造が複雑になるといった課題がある。
【０００５】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、構造が簡単で、特に、ヒータに対する配線構造が簡単であり、製作が容易なマイクロバルブを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明のマイクロバルブは、微小流路が下方側に形成された第１の基板と、前記微小流路に臨むように形成されたゲート部に対して接離自在のダイヤフラムの可動部とヒータが形成されるとともに、前記ダイヤフラムの可動部およびヒータの下方にそれぞれ位置するように間隔をおいて形成され互いに連通するキャビティを備えた第２の基板と、前記各キャビティの下方を閉塞する第３の基板とを重ね合わせた三層構造よりなり、前記ヒータへの通電発熱に伴い前記キャビティ内の圧力が上昇し前記ダイヤフラムの可動部が上動して前記ゲート部に密着することにより、前記微小流路が閉じられるように構成されているマイクロバルブであって、前記第２の基板の上面に、ＳｉＯ ₂ 膜が形成され、このＳｉＯ ₂ 膜の上面で一つのキャビティの上部に臨む部分に前記ヒータが形成されているとともに、前記ＳｉＯ ₂ 膜の上面全域に、弾性、電気絶縁性、耐薬品性及び断熱性を備えた素材からなるダイヤフラムを形成することにより、該ダイヤフラムにより前記ヒータを覆うとともに前記各キャビティの上部を封止し密閉構造としたことを特徴としている（請求項１）。
【０００７】
上記請求項１に記載のマイクロバルブにおいて、ダイヤフラムの可動部とヒータが同一平面内に設けられていることが好ましい（請求項２）。
【０００８】
上記構成のマイクロバルブにおいては、全体構成が三層であり構造が簡単であり、特に、ヒータを第二層以上に位置するように設けることができるので、これに対する配線構造が簡単になる。特に、請求項２に記載されているように、ダイヤフラムの可動部とヒータとを同一平面内に設けた場合には、外部からの実装が可能となり、より容易に製作することが可能になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１〜図３は、この発明の第１の実施の形態を示すものである。これらの図において、１はこの発明のマイクロバルブの本体で、第１の基板２、第２の基板３および第３の基板４をこの順で重ね合わせた三層構造の積層体に形成されている。そして、最上位に位置する第１の基板２および最下位に位置する第３の基板４は、例えば上下両面が平板なガラス基板よりなり、真ん中の第２の基板３は、例えば上下両面が平板なシリコン基板よりなる。なお、バルブ本体１は、縦×横×厚さが５〜６ｍｍ×５〜６ｍｍ×１ｍｍというようにきわめて小さい。
【００１０】
５は上部ガラス基板２の下方部に形成される適宜の幅および深さを有する微小流路で、６はこの微小流路５に臨むようにして下方に突出して形成されるゲート部である。このゲート部６は、後述するダイヤフラム１２の可動部１２ａとともに開閉弁Ｖを構成するものである。７，８は上部ガラス基板２に形成される孔で、微小流路５を外部に接続するためのものである。
【００１１】
９，１０はシリコン基板３に適宜の間隔をおいて形成されるキャビティで、両者９，１０は、図２に示すように、下部ガラス基板４側の間隙３ａにおいて連通するとともに、それらの下方は下部ガラス基板４によって封止されている。これらのキャビティ９，１０は、シリコン基板３の上面のＳｉＯ₂ 膜１１の上面に設けられるダイヤフラム１２によって、その上部が封止され、密閉構造となっている。
【００１２】
そして、前記ダイヤフラム１２は、適当な弾性、電気絶縁性、耐薬品性および断熱性を備えてなる素材、例えばシリコンゴムよりなり、キャビティ９，１０の上部を封止し、キャビティ９の上部に臨む部分（可動部）１２ａは、ゲート部６とともに開閉弁Ｖを構成し、図２に示すように、常時やや下方に垂れ下がり、ゲート部６との間に間隙ｇが形成され、開閉弁Ｖが開状態となるように構成されている。また、１３は他方のキャビティ１０の上部に臨む部分に平面視蛇行した状態で可及的に広がるようにして形成されるヒータで、ダイヤフラム１２によって覆われている。なお、図３において、１４ａ，１４ｂはヒータ１３の電源接続端子である。
【００１３】
ここで、上記マイクロバルブの製作手順の一例を示す。
（１）厚さ３００μｍのシリコン基板３の上面に厚さ０．５μｍのＳｉＯ₂ 膜１１を形成し、その上面に厚さ１μｍのヒータ１３を形成する。
（２）シリコン基板３の上面に、シリコンゴムをスピンコートし加熱重合することによりダイヤフラム１２を形成する。これによりヒータ１３が覆われる。
（３）前記ダイヤフラム１２の可動部１２ａおよびヒータ１３の下方のシリコン基板３をその下面側からエッチングして、前記可動部１２ａおよびヒータ１３の下方にキャビティ９，１０を形成する。
（４）上部ガラス基板２に微小流路５およびこの微小流路５に対する流入口７および流出口８を形成する。このとき、上部ガラス基板２および微小流路５の一部に臨むようにゲート部６も併せて形成する。
（５）シリコン基板３の上面、下面にそれぞれ上部ガラス基板２および下部ガラス基板４を貼り合わせる。下部ガラス基板４をシリコン基板３の下面に貼り合わせる際、キャビティ９，１０内に空気が充填されるようにする。この場合、シリコンゴムシートのヒータ１３から離れた部分１２ａを若干垂れ下げた状態にし、可動部とする。
【００１４】
上記構成のマイクロバルブにおいては、ヒータ１３に通電を行わないとき（常時）は、ダイヤフラム１２の可動部１２ａが図１および図２において実線で示すように下方に垂れ下がって、上部ガラス基板２のゲート部６との間に間隙ｇが形成され、微小流路５は開放されている。したがって、この状態においては、流入孔７からバルブ本体１内に入った流体は、微小流路５を経て流出孔８側から抜け出していくことができる。
【００１５】
そして、ヒータ１３に通電を行うとこれが発熱して、ヒータ１３に対応するキャビティ１０内の空気が膨張し、図２において矢印１５で示すように、キャビティ１０内の膨張した空気がダイヤフラム１２の可動部１２ａに対応するキャビティ９側に流れ込む。これにより、キャビティ９内に圧力が上昇し、ダイヤフラム１２の可動部１２ａが下方から上方に押圧されて、上方に動く。このように、ダイヤフラム１２の可動部１２ａの上動することにより、ダイヤフラム１２の可動部１２ａの上面がゲート部６に密着し、ギャップｇが閉じられ微小流路５が遮断される。したがって、この状態においては、流入孔７からバルブ本体１内に入った流体は、ダイヤフラム１２の可動部１２ａとゲート部６との密着により流出孔８側に移動するのが妨げられる。
【００１６】
上述の説明から理解されるように、この発明のマイクロバルブは、三層構造のバルブ本体１内の上方に微小流路５を形成するとともに、キャビティ９，１０を形成し、このキャビティ９，１０の上方にダイヤフラム１２およびヒータ１３を設け、ヒータ１３によってキャビティ９，１０内の空気を膨張させることにより、ダイヤフラム１２の可動部１２ａを上動させるといった簡単な構成で、微小流路５を遮断したり開放することができる。すなわち、微小流路５に設けられる開閉弁Ｖは、ゲート部６とダイヤフラムの可動部１２ａとで構成されているので、構成が簡単でありながらも確実に開閉動作を行うことでき、また、この開閉弁Ｖを微小流路５の任意の位置に形成することができる。
【００１７】
そして、前記マイクロバルブは、三層構造であるので、構造が従来のものに比べて簡単であり、特に、ダイヤフラム１２とヒータ１３とを同一平面内に設けているので、外部からの実装が可能となり、ヒータ１３に対する電源供給のための配線およびその取り出しを容易に行うことができ、製作を容易に行うことができる。
【００１８】
図４および図５は、この発明の第２の実施の形態を示すもので、この実施の形態においては、ダイヤフラム１２のキャビティ９に臨む可動部１２ａを常時（ヒータ１３に通電を行っていないとき）、水平状態となるように設けるとともに、ゲート部６の下面６ａを下方に凹となるように湾曲した状態に形成し、前記可動部１２ａが上動したとき、可動部１２ａの上面がゲート部６の下面６ａに密着するように構成してある。このようにしたものにおいても、上記第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することはいうまでもない。
【００１９】
図６は、この発明の第３の実施の形態を示すもので、この実施の形態においては、ダイヤフラムの可動部１２ａを、微小流路５に連なる外部接続孔７，８のうちの一方７に対応する位置に設けたものである。このようにしたものにおいても、上記第１および第２の実施の形態と同様の作用効果を奏することはいうまでもない。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のマイクロバルブにおいては、全体構成が三層であり構造が簡単であり、特に、ヒータを第二層以上に位置するように設けることができるので、これに対する配線構造が簡単になる。したがって、製作が容易であり、大量かつ安価に製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るマイクロバルブの正面縦断面図である。
【図２】前記マイクロバルブの側縦断面図である。
【図３】前記マイクロバルブの第２層以下の平面構成を示す図である。
【図４】第２の実施の形態に係るマイクロバルブの正面縦断面図である。
【図５】前記マイクロバルブの側縦断面図である。
【図６】第３の実施の形態に係るマイクロバルブの側縦断面図である。
【図７】従来のマイクロバルブを示す断面図である。
【符号の説明】
２…第１の基板、３…第２の基板、４…第３の基板、５…微小流路、６…ゲート部、９，１０…キャビティ、１２…ダイヤフラム、１２ａ…ダイヤフラムの可動部、１３…ヒータ。

Claims

微小流路が下方側に形成された第１の基板と、前記微小流路に臨むように形成されたゲート部に対して接離自在のダイヤフラムの可動部とヒータが形成されるとともに、前記ダイヤフラムの可動部およびヒータの下方にそれぞれ位置するように間隔をおいて形成され互いに連通するキャビティを備えた第２の基板と、前記各キャビティの下方を閉塞する第３の基板とを重ね合わせた三層構造よりなり、前記ヒータへの通電発熱に伴い前記キャビティ内の圧力が上昇し前記ダイヤフラムの可動部が上動して前記ゲート部に密着することにより、前記微小流路が閉じられるように構成されているマイクロバルブであって、
前記第２の基板の上面に、ＳｉＯ ₂ 膜が形成され、このＳｉＯ ₂ 膜の上面で一つのキャビティの上部に臨む部分に前記ヒータが形成されているとともに、前記ＳｉＯ ₂ 膜の上面全域に、弾性、電気絶縁性、耐薬品性及び断熱性を備えた素材からなるダイヤフラムを形成することにより、該ダイヤフラムにより前記ヒータを覆うとともに前記各キャビティの上部を封止し密閉構造としたことを特徴とするマイクロバルブ。
ダイヤフラムの可動部とヒータが同一平面内に設けられている請求項１に記載のマイクロバルブ。