JP4352760B2 - Electrostatic drive type semiconductor micro valve - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板をマイクロマシンニング加工して形成したバルブ構造体を使用し、流体の流れを制御するマイクロバルブに関し、詳しくは静電気力により流体の流れる弁孔の開閉動作を行う静電駆動型半導体マイクロバルブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、マイクロエレクトロニクス分野や医療機器用途などにおける流体制御部品として、シリコン等の半導体基板をマイクロマシンニング技術により微細構造加工してバルブ部材としてのマイクロ構造体を形成し、これを用いて流体の流通制御をできるようにしたマイクロバルブが各所で研究開発されている。
【０００３】
一般に、このマイクロバルブでは、バルブ部材に弁孔を開閉するための弁体が形成されており、前記弁孔を有する弁座部材と前記バルブ部材とを一体に組合せて構成し、前記バルブ部材に形成した弁体を前記弁座部材に対し変位動作させることにより前記弁孔を開閉して当該弁孔を流れる流体の流通を制御できるようになっている。このマイクロバルブの弁開閉動作の駆動方式としては、いわゆるバイメタル原理を応用した熱駆動式と対向電極間に生じる静電気力を利用した静電駆動式がある。そのうち後者方式のものの一例として、例えば特許文献１に開示されたような弁素子がある。
【０００４】
この弁素子は、流体が通過するノズルが形成されたノズルプレートと、電極板と、この電極板を被覆する絶縁層と、前記ノズルを開閉するバルブ屈撓部分に一体的に形成されている可撓性で導電性のあるバルブビームから構成されている。前記電極板とこの電極板を被覆する絶縁層は、前記ノズルプレートに積層配置されており、前記バルブビームの屈撓部分は、前記電極板上の絶縁層に対して所定の間隔を保持した配置となっており、前記電極板と前記バルブビームとの間に電圧を印加したとき、前記バルブビームの屈撓により前記バルブが前記ノズルを開閉するようになっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−３０７９５９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、対向する電極間に生ずる静電気力の大きさは、両電極面が平行で且つ一定電圧が印加される条件下で、エネルギー損失を考慮しないものとすると、理論上は次式の如く算出される。
【０００７】
静電気力［Ｎ］＝（１／２）×（印加電圧［Ｖ］）2×（電極面積）2×（電極間物質の誘電率［Ｃ／Ｎ・ｍ2］）／（電極間距離［ｍ］）2
上式から、電極間に生ずる静電気力は、電極間距離が大きくなるとその２乗に比例して小さくなることになることがわかる。この点を勘案して、従来技術として示した前記特許文献１に記載の弁素子について考察すると、この弁素子は、前記ノズルビームが導電性であり、電圧印加しない初期状態では、前記電極板とは前記絶縁層を介して所定の間隔を保持して対向した配置となっているので、前記バルブを変位させて前記ノズルを開閉し前記ノズルを流れる流体の流通を良好に制御するためにより大きな静電気力を得るには、前記所定の間隔を小さく設計したり、印加電圧を大きくしたり、或いは電極面積を大きくすることになる。
【０００８】
しかしながら、前記所定の間隔が余り小さいと前記ノズルを開放状態にしたときに良好な流体の流通を確保できなくなるため、少なくともある一定距離以上の間隔は必ず確保されなければならず、更に大きな静電気力を得るには、印加電圧や電極面積の大きさ設定に依存することとなる。
【０００９】
これに加え、前記所定の間隔が開いた初期状態から電圧印加して前記バルブを前記ノズルに当接するまで変位させ前記ノズルを閉止するときには、単に前記バルブを前記ノズル側に引き寄せる力だけでなく、バルブビームが撓むときに元の状態に戻ろうとする復元弾性に抗するための力も要するため、前記弁孔を流れる流体圧に抗するよりも大きい静電気力が必要である。
【００１０】
これに対し、近年ではデバイスの小型化傾向にあるため、電極面積を大きくする設計は、デバイスのサイズを大きくする要因となり望ましくない。また、近年は低消費電力化も要望されているため、印加電圧を大きくすることはこれと相反する結果となり望ましくない。従って、前記従来技術に係る弁素子の構造では、小型化を追求する上で、ノズルを流れる流体の良好な制御と低消費電力化とを高いレベルで両立するには限界があった。
【００１１】
本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、半導体基板をマイクロマシンニング加工することにより、中央領域に開口を有するフレームと、該フレームの開口内に配置された弁体部と、該弁体部と前記フレームとを連結し、前記弁体部が前記フレームに対し基板厚み方向に変位可能となる撓み性を有する薄肉のビームと、を備えるバルブ構造体と、表面に開口する弁孔を有し、該弁孔に前記弁体部が一致するようにして前記フレームを表面に固定することによって前記バルブ構造体が搭載される弁座と、を具備し、前記バルブ構造体は、前記弁体部における前記弁座への対向面において形成された可動電極層を有し、前記弁座は、前記表面において前記可動電極層に対向するよう形成された固定電極層を有し、前記可動電極層及び前記固定電極層の少なくとも一方の表面には、これら両電極層間の導通を防止するための絶縁層が形成され、前記弁体部は、前記可動電極層及び前記固定電極層に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触しており、前記可動電極層及び前記固定電極層に電圧を印加した状態では、これら両電極層間に前記弁孔を閉止する静電気力を発生させ、前記ビームは、前記弁体部を前記弁孔の開口周辺領域に対し押し付ける弾性力を有する。
【００１３】
ここで、前述の「前記可動電極層及び前記固定電極層に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触して」とは、電圧が印加されず且つ前記弁孔に流体圧がかかっていない状況下（以下、初期状態と称する。）にあるときには、前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域に接触していることを意味している。
【００１４】
また前記「接触圧」とは、この初期状態において前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域への接触する状態を保持するよう前記ビームの支持力にて前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域に押付けられる比較的微小な圧力のことである。従って、電圧無印加の状態であっても前記接触圧よりも大きな流体圧が前記弁孔に加わった場合には、前記弁体部は、押し上げられることになる。
【００１５】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブでは、前述のように、電圧を印加しない状態において、前記弁体部が前記弁座における前記弁孔の開口周辺領域に接触していることから、電圧印加して前記弁孔を閉止するときには、前記弁体部を変位させるエネルギーは無用であるため、必要となる前記静電気力は前記弁孔を流れる流体の圧力に抗するのに要する力だけとなる。
【００１６】
しかも、前記可動電極層と前記固定電極層との距離は、実質的に前記絶縁層の厚み分のみの最小限の大きさとなるため、電圧印加を開始した初期から最大の静電気力が効率良く得られるため、前記弁孔を閉止するに要する消費電力が比較的小さくてすむ。
【００１７】
一方、前記弁孔を開放する場合には、電圧を印加しない状態で前記弁孔に前記弁体部の接触圧よりも大きい流体圧が加わると前記弁体部が押し上げられて開放状態となる。この前記弁孔の開放しやすさは、前記弁体部の接触圧に依存しており、前記弁体部の接触圧が小さければ小さな流体圧でも前記弁孔が開放するようになる。なお、前記弁体部の接触圧は、例えば前記ビームによる前記弁体部の支持力を調整することで、所望の大きさにすることが可能である。
【００１８】
以上のように、このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる。
【００２０】
そして、このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記弾性力により、前記弁孔に対する前記弁体部の接触状態を確実に得ることができ、例えば、当該静電駆動型半導体マイクロバルブが重力方向に対して前記バルブ構造体が前記弁座より下側になるような状態で使用される場合、前記弁体部の自重による重力が当該弁体部が前記弁孔から離れる方向に働くが、前記ビームの弾性力により前記弁孔に対する前記弁体部の接触状態を維持できる。
【００２１】
また、本発明の請求項２に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームにおける弁座側への対向面には、前記ビームを構成する前記半導体基板の材料が有する線膨張係数よりも大きい線膨張係数の材料からなる薄膜層が形成されている。
【００２２】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記半導体基板の材料と前記薄膜層の材料との線膨張係数の差に起因する残存応力が、前記ビームが前記弁座向きに反る方向に生じるために、前記ビームは、前記弾性力が付勢されるので、前記バルブ構造体が前記弁座に搭載され両者が一体化される前の状態から、前記ビームが前記弁座の向きに撓みやすくなる。
【００２３】
また、本発明の請求項３に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１又は請求項２に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームにおける前記弁座に対しての非対向面には、前記ビームを構成する前記半導体基板の材料が有する線膨張係数よりも小さい線膨張係数の材料からなる薄膜層が形成されている。
【００２４】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記半導体基板の材料と前記薄膜層の材料との線膨張係数の差に起因する残存応力が、前記ビームが前記弁座向きに反る方向に生じるために、前記ビームは、前記弾性力が付勢されるので、前記バルブ構造体が前記弁座に搭載され両者が一体化される前の状態から、前記ビームが前記弁座の向きに更に撓みやすくなる。
【００２５】
また、本発明の請求項４に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むよう環状に突出し、その先端面が前記弁孔の閉止状態における前記弁体部と前記弁座との封止面となる環状突状部が形成されている。
【００２６】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記環状突状部が前記対向面の他の部位より前記弁体部側に突出して当該弁体部に接触するので、確実な接触状態が得やすくなる。
【００２７】
また、本発明の請求項５に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むような環状溝部を形成するとともに、該環状溝部に少なくとも一端が連通する連通溝部を形成する。
【００２８】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記環状溝部及び前記連通溝部により、前記弁孔から流れ出る流体がスムーズに排出される。また、前記環状溝部及び前記連通溝部により、前記弁孔を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行えるので、開閉応答性は、比較的良好に確保される。
【００２９】
また、本発明の請求項６に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部から所定の距離をとり放射状に配置された溝部を形成する。
【００３０】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記放射状に配置された溝部により、前記弁孔から流れ出る流体がスムーズに排出される。また、前記放射状に配置された溝部により、前記弁孔を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行えるので、開閉応答性は、比較的良好に確保される。
【００３１】
また、本発明の請求項７に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームにおける前記弁座への対向面には、前記可動電極層が連続的に形成され、前記弁座における前記固定電極層は、前記ビームとの対向領域まで形成されている。
【００３２】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記可動電極層と前記固定電極層の対向面積が大きくなるので、同じ印加電圧の大きさで大きな静電気力が得られることになり、低消費電力化に有利となる。
【００３３】
また、本発明の請求項８に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面には、前記弁体部と前記弁座とが接触界面で固着するのを防止する固着防止手段を設けている。
【００３４】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、例えば、前記弁体部と前記弁座とが前記接触状態から解離し難くなる現象、つまり界面固着現象が生じた場合、前記固着防止手段にてこの界面固着現象による前記弁体部と前記弁座との間の固着力を低減させることができるので、安定した弁開閉を実現することができる。
【００３５】
また、本発明の請求項９に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項８に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記固着防止手段は、前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の表面に形成された微小突起である。
【００３６】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、形成容易な前記微小突起により、前記弁体部と前記弁座との間に水分が付着し難くなり、前記界面固着現象が防止される。
【００３７】
また、本発明の請求項１０に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項８又は請求項９に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記固着防止手段は、前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の表面に形成された表面粗面化処理及び／又は疎水化処理が施された箇所である。
【００３８】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記固着防止手段として表面粗面化処理が施された箇所が形成されている場合には、前記弁体部と前記弁座の接触界面中に水分が介在しても、界面中の水の層が均一膜厚にならないために、前記界面固着現象が防止され、また、前記固着防止手段として疎水化処理が施された箇所が形成されている場合には、前記接触界面中に水分が付着し難くなるために、前記界面固着現象が防止される。
【００３９】
また、本発明の請求項１１に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体は、前記ビームを４本有し、各ビームは、前記フレーム内の各辺から延出して略卍状を成すよう配置されている。
【００４０】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記バルブ構造体のサイズが小さくても前記ビームの長さを大きくすることができるため、小型化に有利であり、前記弁体部が基板厚み方向に変位するとき、基板の主面と平行な面において回転を伴いながら高い位置までのストロークも可能となる。
【００４１】
また、本発明の請求項１２に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体は、前記ビームが前記フレーム内の一辺から延出されて片持ち梁状に前記弁体部を支持している。
【００４２】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記バルブ構造体の構造が比較的簡単なものとなるため、半導体基板からの加工が行いやすくなる。
【００４３】
また、本発明の請求項１３に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記絶縁層は、ＳｉＯ2及びＳｉＮよりも高誘電率の絶縁材料からなる。
【００４４】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記絶縁層が高誘電率になるほど同じ印加電圧に対する前記可動電極層と前記固定電極層の間に生じる静電気力が大きくなるため、前記絶縁層がＳｉＯ2及びＳｉＮよりも高誘電率とすることで、前記静電気力を効率的に取得することができる。
【００４５】
また、本発明の請求項１４に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１３に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記絶縁層は、比誘電率が３０以上である。
【００４６】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記絶縁層を比誘電率３０以上とすることで、より効率的に前記静電気力を取得することができる。
【００４７】
また、本発明の請求項１５に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記絶縁層は、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3から選ばれた少なくとも一種からなる層である。
【００４８】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記絶縁層をＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3から選ばれた少なくとも一種からなる層とすることで、更に効率的に前記静電気力を取得することができる。
【００４９】
また、本発明の請求項１６に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部は、前記フレームに比べて薄肉に形成されている。
【００５０】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記弁体部を前記フレームに比べて薄肉に形成することで、前記弁体部の質量が小さくなるため、前記弁孔の開閉動作を行いやすくなる。
【００５１】
また、本発明の請求項１７に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１６に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側には凹所を備えている。
【００５２】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記凹所を容易に形成することができるので、前記弁体部を容易に薄肉化することができる。
【００５３】
また、本発明の請求項１８に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１６に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側の面には補強リブを備えている。
【００５４】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記補強リブを設けることで、前記弁体部に対する補強効果が得られる。
【００５５】
また、本発明の請求項１９に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１８のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ビームと前記フレーム及び／又は弁体部との連結部に形成される入隅コーナー、及び／又は前記ビームの屈曲部に形成される入隅コーナーにおいて面取り部が形成されている。
【００５６】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記ビームが薄肉であるため、前記入隅コーナーに応力集中すると応力集中箇所には亀裂を生じやすくなるため、前記入隅コーナーに前記面取り部を形成することで、応力集中を防止することができる。
【００５７】
また、本発明の請求項２０に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記フレームにおける前記弁座に対しての非対向面には、前記フレーム内を通じて前記可動電極層と電気的に接続される可動電極層側電極パッドを設けている。
【００５８】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記可動電極層側電極パッドによって電極の取り出しすることができるので、チップサイズの増大がなく、より小型な静電駆動型マイクロバルブを提供することができる。また、小型化によりチップの取れ数が増大するため、製造コストを低減させることができる。
【００５９】
また、本発明の請求項２１に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２０に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体は、支持層、中間酸化膜、活性層からなるＳＯＩ基板で構成され、前記弁座との対向面側に前記活性層を配置する場合に、前記活性層から前記支持層まで貫通する凹部を設け、該凹部の内面には、導電性を有する第１導電部を設けて前記活性層と前記支持層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００６０】
また、本発明の請求項２２に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２０に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体は、支持層、中間酸化膜、活性層からなるＳＯＩ基板で構成され、前記フレームにおける前記弁体部への対向面には、前記活性層と前記支持層とを電気的に接続する導電性を有する第２導電部を設け、前記活性層と前記支持層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００６１】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記バルブ構造体に前記ＳＯＩ基板を使用することで、前記ビームを精度よく薄肉化形成することができ、前記ビームの剛性を低減させることができるため、バルブの排気性能を向上させるとともに駆動電圧の低減が可能となる。ここで、駆動電圧を低減させる代わりに電極面積を縮小すれば、チップサイズの小型化が実現でき、更なる製造コストの低減がはかれる。
【００６２】
また、本発明の請求項２３に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項２２のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁体部の変位を規制するストッパを更に備える。
【００６３】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、例えば前記弁孔に大きな流体圧が加わる場合に、前記弁体部が前記ビームの撓みの許容以上に変位し、前記ビームを破損する恐れがあるが、前記ストッパにより前記弁体部の必要以上の変位を規制することで、前記ビームの破損を防止することができる。
【００６４】
また、本発明の請求項２４に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２３に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ストッパは、前記バルブ構造体とは別部材として前記弁体部と所定間隔をおいて前記バルブ構造体上に載置されたものである。
【００６５】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記ストッパを前記バルブ構造体とすることで、前記弁体部が破壊されることを防止することができる。
【００６６】
また、本発明の請求項２５に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２３に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記バルブ構造体の前記フレームの内壁部は、座ぐりされた座ぐり部を備え、前記ストッパは、前記ビーム又は前記弁体部から側方に延出され前記座ぐり部内に遊挿された突出片である。
【００６７】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記座ぐり部内に前記突出片を設けることで、前記弁体部が上方に変位することを規制することができる。
【００６８】
また、本発明の請求項２６に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２３又は請求項２４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記フレームと前記ストッパとの間に、前記両者を接合するための接合層を設け、該接合層にて、前記ストッパと前記弁体部との間にギャップを形成する。
【００６９】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記接合層により、前記弁体部と前記ストッパとのギャップが精度良く確保でき、流体の流量範囲の制御が精度良くなる。また、前述のギャップにより前記可動電極層と前記固定電極層との間に働く静電力が決定されるので、駆動電圧を低く抑える設計が可能になる。
【００７０】
また、本発明の請求項２７に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２３又は請求項２４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ストッパにおける前記弁体部に対しての対向面には、凹部を備えている。
【００７１】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記凹部により、前記弁体部と前記ストッパとのギャップが精度良く確保でき、流体の流量範囲の制御が精度良くなる。また、前述のギャップにより前記可動電極層と前記固定電極層との間に働く静電力が決定されるので、駆動電圧を低く抑える設計が可能になる。
【００７２】
また、本発明の請求項２８に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２６又は請求項２７に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ストッパは、少なくとも前記フレーム上面全面を覆うサイズであり、前記接合層又は前記フレーム又は前記ストッパの、少なくともいずれかに開口部を備えている。
【００７３】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記開口部により、静電駆動型半導体マイクロバルブ内外の圧力差が縮小され、前記弁体部を駆動する静電力が小さくても前記弁体部が駆動可能であり、微小流量を高精度に制御することができる。
【００７４】
また、本発明の請求項２９に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２８に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記ストッパにおける前記弁体部に対しての対向面には、段部を備えるとともに、該段部は、前記開口部に連通する。
【００７５】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記段部が前記開口部に連通することで、静電駆動型半導体マイクロバルブ内の圧力調整が効率的に行える。
【００７６】
また、本発明の請求項３０に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２８に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記開口部は、前記ストッパに対して厚み方向に貫通する。
【００７７】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記開口部が前記ストッパに対して厚み方向に貫通しているので、例えば管状の部材を取り付けることで、流体媒体の取り出しが容易に行える。
【００７８】
また、本発明の請求項３１に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項３０に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記開口部に沿って前記ストッパ表面まで、導電性を有する第３導電部を形成して、該第３導電部と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００７９】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記可動電極層側電極パッドと前記第３導電部とを電気的に接続することで、前記可動電極層がストッパの上面まで引き出された構成となり、より小型な静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。
【００８０】
また、本発明の請求項３２に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項２０乃至請求項３１のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁座における前記バルブ構造体に対しての非対向面には、固定電極層側電極パッドを形成し、前記弁孔には、導電性を有する第４導電部を設け、該第４導電部と前記固定電極層と前記固定電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００８１】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記固定電極層側電極パッドといった外部電源に接続する電極を静電駆動型半導体マイクロバルブ外部に取り出すことにより、チップサイズの増大がないため、より小型な静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。
【００８２】
また、本発明の請求項３３に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、前記弁座における前記フレームへの対向面には、可動電極層側電極パッド及び固定電極層側電極パッドを形成し、前記フレームと前記弁体との間であり、前記可動電極層及び前記固定電極層が形成されていない箇所に導電性の接合用導電部を設け、該接合用導電部と前記可動電極層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続するとともに、前記固定電極層と前記固定電極層側電極パッドとを電気的に接続している。
【００８３】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブは、前記可動電極層側電極パッドと前記固定電極層側電極パッドとを同一平面上に形成すことができるため、プローブ検査や実装が容易となる。
【００８４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００８５】
まず、第１実施形態を図１乃至図６に基づいて説明する。図１は、第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図であり、図２（Ａ）は、図１のＸ−Ｘ断面での断面図であり、図２（Ｂ）は、Ｙ−Ｙ断面での断面図である。また、図３は、図２（Ａ）における開放状態を示す断面図であり、図４は、開放状態を示す斜視図である。なお、後述の図５、図６は、第１実施形態の変形形態を示す断面図である。
【００８６】
図１乃至図４に示すように、静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１と、このバルブ構造体１が搭載される弁座２とを一体に組合せることで構成されている。ここで、静電駆動型半導体マイクロバルブの上下方向は、実際の使用状態での方位性に依存するため一義的に規定できないが、第１実施形態の記述では説明の便宜上、図２乃至図４に示すように、弁座２の配置側を下側、バルブ構造体１の配置側を上側というように上下方向を規定するものとする。
【００８７】
バルブ構造体１は、シリコン基板をマイクロマシンニング加工することにより形成された、いわゆるＭＥＭＳ構造体であって、基板主面の中央領域に略正方形に開口する開口部１０ａを有するとともに上下方向（基板厚み方向）から見た外形の平面視も矩形状に形成されたフレーム１０と、フレーム１０の開口部１０ａ内に配置された弁体部１１と、弁体部１１とフレーム１０を連結し、弁体部１１がフレーム１０に対し上下方向に変位可能となる撓み性を有する４本の薄肉のビーム１２とを有している。
【００８８】
図１に示すように、バルブ構造体１において、フレーム１０は、上方から見た平面視が長方形となっており、開口部１０ａは、この長方形の一方の短辺側に幾分偏って形成されていて、他方の短辺側におけるフレーム片の幅寸法が大きくなっている。バルブ構造体１は、この幅寸法が大きいフレーム片の位置において、外向きに開放する切欠部１６を備えている。
【００８９】
また、フレーム１０の開口部１０ａ内には、フレーム１０と弁体部１１との間にこれらを離間する分離領域が弁体部１１を囲むよう形成されており、各ビーム１２は、この分離領域内にてバルブ構造体１の下部側に配置されて、フレーム１０の内壁下端部と弁体部１１の下端部とを接続している。
【００９０】
ここで、第１実施形態においては、バルブ構造体１において前述の分離領域のうちビーム１２よりも上側部分は、異方性エッチングにより掘り込み形成されており、故にフレーム１０の内壁と弁体部１１の外周側壁は、前述の分離領域が幅寸法が下方向に狭小するテ−パ状を成す傾斜面となっている。なお、前述の分離領域は、ＲＩＥ（リアクティブ イオン エッチング）やＩＣＰ（インダクティブリ カップルド プラズマ）等のドライエッチングにより垂直に掘り込まれたものであってもよい。
【００９１】
また、弁体部１１を支持している４本のビーム１２は、バルブ構造体１を上方から見た平面視において、弁体部１１を中心として９０度回転させたときのビーム１２の回転写像が隣の他のビーム１２と重なるような略卍状を成すものとなっている。より詳しく述べると、４本の各ビーム１２は各々、その基端がフレーム１０の各内側コーナー近傍位置においてこの内側コーナーで交差するフレーム１０の内側壁の２辺のうちの一辺に連結されており、且つフレーム１０の前記内側コーナーで交差する他辺側の内側壁と弁体部１１の側壁との間（分離領域）に沿って前記基端から先端部に向かって延設され、ビーム１２の先端部は、弁体部１１の方に屈曲して弁体部１１のコーナー辺りに連結されている。
【００９２】
第１実施形態では、ビーム１２の配置は、フレーム１０と弁体部１１とを最短距離で結ぶのではなく、４本のビームが略卍状を成すようフレーム１０と弁体部１１との間の分離領域に沿わせて延設したものとしていることで、前述の分離領域の幅が狭くともビーム１２の長さを大きく取れるため、バルブ構造体１のサイズの小型化設計が容易である。また、弁体部１１が上方に変位するとき、基板主面と平行な面において、回転を伴いながら高い位置までの変位ストロークが可能となる。
【００９３】
また、第１実施形態においては、バルブ構造体１の下面、すなわちフレーム１０と弁体部１１と各ビーム１２の下面には、アルミ等の金属層１４が形成されており、また、バルブ構造体１の上面及び側面にもアルミ等の金属層１５がフレーム１０と弁体部１１と各ビーム１２を覆うよう形成されており、この金属層１５は、金属層１４とバルブ構造体１の側面下端部辺りで一体接続している。金属層１４の下表面には、金属層１４が弁座２側に導通するのを防止するための絶縁層３が形成されている。
【００９４】
第１実施形態においては、このバルブ構造体１の下面に形成した金属層１４のうち、弁体部１１の下面部分が後述する弁座２の固定電極層２１に対向する可動電極層１３として機能するものとなっている。また、バルブ構造体１の下面における長辺側の両端部には、弁座２の上表面への接合用アルミ層４が帯状に設けられている。
【００９５】
ここで、本発明の好ましい態様では、ビーム１２は、弁体部１１を弁座２における弁孔２０の開口周辺領域に対し押し付ける弾性力を有していることが望まれる。つまり、この弾性力により、弁孔２０に対する弁体部１１の良好な接触状態を確実に得ることができるからである。例えば、静電駆動型半導体マイクロバルブがバルブ構造体１と弁座２の配置が上下反対となるような状態で使用される場合を想定すると、弁体部１１の自重による重力は、弁体部１１が弁孔２０から離れる方向に働くこととなるが、ビーム１２が前述の弾性力を有していれば重力に抗して弁孔２０に対する弁体部１１の接触状態を維持できる。
【００９６】
前述の弾性力を得るために、第１実施形態の半導体マイクロバルブは、バルブ構造体1を弁座２に搭載する前の状態において、弁体部１１の下面がバルブ構造体１の下面の接合部分（接合用アルミ層４の下面）よりも下方に位置するよう、ビーム１２を無負荷状態（外力が加わらない状態）で下向きに撓ませた状態としている。
【００９７】
このようにすることで、バルブ構造体１を弁座２の上表面に搭載し接合用アルミ層４を介して接合一体化する際に、弁体部１１の下面が接合用アルミ層４が弁座２の上表面に当たるよりも先行して弁座２表面（弁孔２０の周り）に接触し、その結果、バルブ構造体１を弁座２に接合した状態では、弁体部１１は、上方に押し上げられ、その分だけビーム１２は、無負荷状態と比べて上方に撓むこととなって、元の位置への復元弾性力が弁体部１１を弁座２に対し押し付ける方向に生じる。
【００９８】
この状態を実現するため、第１実施形態では、絶縁層３としてＳｉＯ2膜やポリイミド等のようにビーム１２の構成材料であるシリコンよりも線膨張係数（α）が大きい薄膜層を用いることで、ビーム１２は、前述の接合一体化の前の状態において、下向きに撓むようにすることができる。つまり、絶縁層３の材料としてαがシリコンよりも大きい場合、例えば絶縁層３の製膜プロセスにおいては、加熱下で製膜した後、冷却されるとき、シリコンと絶縁層３とは両者の線膨張係数の差に起因して冷却による熱収縮率に差を生じ、熱収縮の大きい絶縁層３がシリコンを下向きに変形させる残存応力がこれらの界面で発生する。
【００９９】
従って、薄肉に形成されたビーム１２は、この残存応力により歪んで先端側が下向きに撓んだ状態となる。なお、ビーム１２において、芯部分のシリコンと絶縁層３との間に金属層１４が介在しているが、ビーム１２の上表面側の金属層１５と熱収縮率による歪み応力が相殺されるため、金属層１４の存在は特に問題とならない。
【０１００】
なお、図５は、第１実施形態の変形形態を示す断面図であるが、静電駆動型半導体マイクロバルブ（のバルブ構造体１）は、図５に示すように、弁体部１１の部分のみ絶縁層３の厚みを大きくしたり、或いは金属層１４（可動電極層１３部分）の厚みを大きくして、弁体部１１の下面を下方に突き出るようにすることもできる。なお、このように弁体部１１の下面が弁座２との接合前において、両者の接合面よりも下方に突き出ていると、バルブ構造体１を弁座２上に搭載一体化するときに、弁体部１１下面の下方への突出寸法が上下方向のマージンとなり、弁体部１１下面と弁座２との確実な接触が確保できるという効果も期待できる。
【０１０１】
次に、弁座２について説明する。例えば図２に示すように、第１実施形態において、弁座２は、ガラス基板を加工することによりバルブ構造体１の外形サイズと略同じサイズの長方形となるよう形成されている。弁座２は、弁体部１１と対応する位置において、下面から上表面に貫通する弁孔２０を備えている。この弁孔２０は、前述のガラス基板の下面から掘り込まれて上表面の開口に向かって狭小するテーパ状となっている。
【０１０２】
また、弁座２の上表面には、弁体部１１の底面と対向する領域において、アルミ等の金属層からなる固定電極層２１が形成されている。また、弁座２の上表面には、バルブ構造体１の切欠部１６に対応する位置において、外部接続用の電極パッド（以降、外部接続用パッドと称する。）２２が形成されており、外部接続用パッド２２と固定電極層２１は、配線路２３により接続されていて、外部接続用パッド２２を外部電源に接続するとにより固定電極層２１に電圧印加できるようになっている。
【０１０３】
さらに弁座２の上表面には、弁孔２０の開口周縁部２５を囲むように、環状溝部である例えば環状凹溝２４が形成され、また、この環状凹溝２４に一端が連通するとともに他端（以降、環状凹溝２４ではない端を他端と称する。）が弁座２の長辺側端に延びて開放し外部に通じた連通溝部である例えば外部連絡用の凹溝（逃がし溝）２４ａ（後述の図１４参照）が形成されている。
【０１０４】
第１実施形態において、静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１を弁座２に搭載して両者を組合せ、一体化することで構成されており、バルブ構造体１を弁座２両者の接続固定は、バルブ構造体１の下面に設けた接合用アルミ層４を介して弁座２の上表面にバルブ構造体１を陽極接合することでなされている。このとき、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、絶縁層３がバルブ構造体１と弁座２との間の電気的な絶縁性を確保し、弁体部１１は、可動電極層１３及び固定電極層２１に電圧を印加しない初期状態では、その接触圧によって弁座２の固定電極層２１に接触し弁孔２０を塞いでいる。また図３、図４に示すように、この初期状態から弁孔２０に下方から流体の圧力が加わったとき、大きな流体圧が前記接触圧よりも大きくなると弁体部１１は、押し上げられ、弁孔２０は、開放される。
【０１０５】
一方、可動電極層１３及び固定電極層２１の間に電圧を印加したとき、これら可動電極層１３、２１の間に絶縁層３を介して静電気力が生じて、弁孔２０が強固に閉じる。なお、印加する電圧の大きさを適宜調節することにより、弁孔２０の開放量が調節でき、更に、流体のリーク量の制御が可能となる。
【０１０６】
静電駆動型半導体マイクロバルブでは、初期状態において、弁体部１１が弁孔２０を閉じる位置にあることから、電圧印加して弁孔２０を静電気力で強制的に閉止するときに弁体部１１を変位させるエネルギーは無用であり、必要となる静電気力は、弁孔２０を流れる流体の圧力に抗するのに要する力だけとなる。しかも、可動電極層１３と固定電極層２１との距離は、実質的に絶縁層３の厚み分のみであることから、電圧印加を開始した初期から最大の静電気力が効率良く得られる。従って、弁孔２０を閉止するに要するエネルギーは、非常に効率が良く、故に消費電力が小さくてすむ。
【０１０７】
第１実施形態においては、図２に示すように、固定電極層２１の表面高さは、環状凹溝２４を挟んで、内側及び外側ともフラットであり、弁体部１１の下面（絶縁層３表面）もフラット面になっている。従って、弁孔２０が閉じているとき、固定電極層２１の表面と弁体部１１の下面は、広い面積で密着することとなるため、弁孔２０を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア抜きできないとダンパー効果により開閉応答性が悪くなる恐れがあるが、環状凹溝２４及び逃がし溝２４ａを通じて前述の界面のエア逃がしを行えるので、弁孔２０を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行え、開閉応答性は、比較的良好に確保される。また、環状凹溝２４及び逃がし溝２４ａにより、弁孔２０から流れ出る流体がスムーズに排出される。
【０１０８】
なお、第１実施形態では、可動電極層１３と固定電極層２１の対向面積は、弁体部１１の下面面積と略等しくなっているが、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す変形形態ように、固定電極層２１の大きさを広げてビーム１２の下面とも対向するようにしてもよい。ここで、図６は、図２において、固定電極層２１を大きくした変形形態を示すものであって、図６（Ａ）は、図１のＸ−Ｘ断面に相当する断面での断面図であり、図６（Ｂ）は、図１のＹ−Ｙ断面に相当する断面での断面図である。この場合、ビーム１２の下面の金属層１４も可動電極層１３の一部として機能し、対向面積が大きくなるため、より大きな静電気力が得られ、弁孔２０の閉止力は大きくなり、消費電力低減に有利となる。
【０１０９】
一方、静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁孔２０を開放するときの開放しやすさは、弁体部１１の接触圧の大きさに依存しており、この弁体部１１の接触圧は、ビーム１２による弁体部１１の支持力に概ね依存している。第１実施形態では、ビーム１２は、４本の略卍状配置となっているため、例えばダイヤフラムや十字ビーム等で弁体部１１を支持する場合に比べるとテンションの逃げ場があり、またビーム長も比較的大きくでき、上方向の変位ストロークも大きいので、弁孔２０の開放性は良好なものとなる。
【０１１０】
なお、弁座２に対する弁体部１１の接触圧は、ビーム１２の幅寸法や厚み寸法、長さ寸法を変更する等してビーム１２が弁体部１１を支持する支持剛性を調整することで適宜設計可能である。
【０１１１】
以上のように、かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、流体の良好な制御と低消費電力化を高いレベルで両立できるものとなっている。さらに静電駆動型半導体マイクロバルブは、初期状態において、弁孔２０が弁体部１１により塞がっているので、上方から流体圧が加わったときには、逆止弁としての機能も期待できる。
【０１１２】
次に、他の実施形態を、第２実施形態として図７に基づいて説明する。図７は、第２実施形態における弁座２の断面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁孔２０の周囲を高くした変形形態を示す断面図である。
【０１１３】
図７に示すように、弁座２は、例えば弁座２における弁孔２０の開口周縁部２５’をその周囲よりも環状突状部として一段高く環状に突出させ、その先端面が弁孔２０の閉止状態における弁体部１１と当接する封止面となるような構成とする。
【０１１４】
この場合、第１実施形態にて前述した「弁体部１１の下面がバルブ構造体１の下面の接合部分（接合用アルミ層４の下面）よりも下方に位置するよう」にするときと同様に、ビーム１２に弁体部１１をこの開口周縁部２５’に対し押し付ける弾性力を備えるので、良好な接触状態が得られる。すなわち、弁座２の上表面において、環状突状部である開口周縁部２５’が一段高く突出することで、バルブ構造体１を弁座２に搭載するとき開口周縁部２５’が弁体部１１に当たりやすくなるからである。そして、バルブ構造体１を弁座２に接合固定するとき開口周縁部２５’が弁体部１１を上方に押し上げ、これに伴いビーム１２も上向きに撓むため、下向きに復元弾性力を生ずることとなる。
【０１１５】
なお、第２実施形態においては、環状突状部である開口周縁部２５’をその周囲よりも一段高くする形成する場合を挙げたが、同様の考え方で、弁座２と弁体部１１の対向面の何れか一方に、弁孔２０の開口部を内側に含むような環状の突状部（図示せず）を別途設け、この環状の突状部の先端面が弁孔２０の閉止状態において、弁体部１１と当接する封止面となるようにしてもよい。
【０１１６】
また、第２実施形態においては、環状突状部である開口周縁部２５’は、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０を内側に含むように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【０１１７】
ところで、一般的に、密接させた２つの平行な面の界面内に水分が存在すると、乾燥状態のときと比べて、密接させた２つの面が容易には解離し難くなる、いわゆる界面固着現象が発生する恐れがある。使用条件等によっては、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁孔２０を弁体部１１で閉止した状態において、弁体部１１の下面（絶縁層３の表面）と弁座２の固定電極層２１表面との接触界面内に水分が存在することが想定され、この場合には、界面固着現象が発生して、弁体部１１が弁座２への接触状態から解離し難くなる。このような界面固着現象を解決するためには、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁体部１１の下面（絶縁層３の表面）と弁座２側の対向面（固定電極層２１の表面）における少なくとも一方の接触部位の表面に、前述の界面固着現象を防止するための固着防止手段を備えることが有効である。
【０１１８】
そこで次に、静電駆動型半導体マイクロバルブに固着防止手段を設けた実施形態を、第３実施形態として図８乃至図１１に基づいて説明する。図８は、第３実施形態における弁座２を示す断面図である。なお、図９乃至図１１は、第３実施形態の変形形態を示す図である。
【０１１９】
弁座２は、固定電極層２１の表面に微小突起２４ｂを固着防止手段として備えている。
微小突起２４ｂは、界面に水分の均一な薄層が形成されるのを防止して、弁体部１１と弁座２とが固着することを防止している。なお、微小突起２４ｂは、突出高が余り大きすぎると前記接触界面から流体の好ましくないリークを生じるので、接触界面からの流体リーク量が許容範囲に納まる高さとする。
【０１２０】
なお、固着防止手段は、この微小突起２４ｂの他、弁体部１１の絶縁層３表面又は固定電極層２１の表面に、所望の表面粗面化処理や所望の疎水化処理を施した箇所であってもよいし、所望の表面粗面化処理と所望の疎水化処理の両処理を施した箇所であってもよい。また、固着防止手段は、微小突起２４ｂに表面粗面化処理を施したものであってもよいし、微小突起２４ｂに疎水化処理を施したものであってもよいし、微小突起２４ｂに表面粗面化処理、疎水化処理の両処理を施したものであってもよい。
【０１２１】
また、さらに第３実施形態の変形形態について述べると、例えば図９に示すように、弁体部１１は、上面側を除去してフレーム１０に比べて薄肉に形成されていてもよい。なお、図９は、第３実施形態における弁体部１１を示す断面図（第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁体部１１の厚みを薄肉化した変形形態を示す弁体部１１の断面図）である。この場合、弁体部１１の質量が小さくなるので変位させやすくなり、弁孔２０の開閉動作が行いやすくなる。この弁体部１１を薄肉化する手法は、例えば金属層１５を形成する前にシリコン部分をエッチングして削っておくことでもよく、この場合は、弁体部１１の全体の厚みが薄くなる。
【０１２２】
ここで、図１０は、第３実施形態における弁体部１１の変形形態を示す平面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、可動電極層１３が形成されている面とは反対側の面に補強リブ１１ａを設けた図である。弁体部１１を薄肉化した場合、図１０に示すように、弁体部１１の上表面は、補強リブ１１ａを備えて、薄くなって強度低下した分を補強させるようにするとよい。
【０１２３】
また他の薄肉化手法としては、図１１のように、弁体部１１の上表面において、凹所１１ｂを掘り込み形成してもよい。図１１は、第３実施形態における弁体部１１の変形形態を示す断面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、可動電極層１３が形成されている面とは反対側の面に凹所１１ｂを形成して薄肉化した図である。この凹所１１ｂは、弁体部１１のシリコン基板部分を上方から所定厚を残すようにしてエッチングで掘り込むことで形成できる。
【０１２４】
ここで、上述の第１実施形態の半導体マイクロバルブについて、バルブ構造体１及び弁座２の形成方法の一例を図１２乃至図１４に基づいて簡単に説明する。
【０１２５】
図１２（Ａ）、（Ｂ）は、バルブ構造体１の上面側構造の加工プロセスを示す工程図である。なお、この図１２では、チップレベルでのバルブ構造体１のプロセスについて記載しているが、実際にはシリコンウエハの状態で各セル毎に構造体を形成した後に個別のチップに切断されるものである。
【０１２６】
まず、図１２（Ａ）に示すように、シリコン基板１００は、除去されて開口部１０ａとなる面１０３と切欠部１６となる面１０４を除いて、弁体部１１の上面部分の面１０２とフレーム１０の上面部分の面１０１とにレジストやＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜等でマスクをされる。そして図１２（Ｂ）に示すように、異方性エッチングにより底部に薄肉の厚み部分を残して分離領域１０７と切欠部相当凹部１０８を掘り込み、これにより残存部分であるフレーム相当部１０５、弁体部相当部１０６が形成される。
【０１２７】
次に、バルブ構造体１の下側構造の加工プロセスを説明する。なお、図１３（Ａ）〜（Ｅ）は、バルブ構造体１の下面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【０１２８】
まず、図１３（Ａ）に示すように、先に表面側構造を形成したシリコン基板１００を裏返し、図１３（Ｂ）に示すように、上に向けた下表面にアルミやクロム等の金属層１４（例えば１μｍ程度）をスパッタリング等により全面に形成し、さらにその上に図１３（Ｃ）に示すように、絶縁層３を全面に形成する。そして、図１３（Ｄ）に示すように、絶縁層３表面に所定形状のマスクを施した後、反対面に形成した分離領域１０７に貫通するスリットを形成してフレーム１０と弁体部１１を分離すると共にこれらを連結する４本卍状のビーム１２が形成される。
【０１２９】
また、このとき同時に切欠部相当凹部１０８に貫通するよう開口を形成して切欠部１６を形成する。反対面側からは金属層１５をスパッタリング等により形成しておく。そして、絶縁層３の表面において、チップ長辺側の両端部に接合用アルミ層４（例えば厚み１μｍ程度）をスパッタリング等で形成すると、バルブ構造体１の構造ができあがる。
【０１３０】
次に、弁座２の加工プロセスについて図１４に基づいて説明する。図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、ガラス基板から弁座２形成する工程を順次示す工程図であり、（Ｄ）は、（Ｃ）のＸ−Ｘ断面での断面図である。図１４（Ａ）に示すように、ガラス基板を準備し、図１４（Ｂ）に示すように、このガラス基板の下面から上面にテーパ状に貫通する弁孔２０を形成すると共に、弁孔２０の上面開口を囲むように環状凹溝２４と逃がし溝２４ａとをサンドブラスト等により形成する。
【０１３１】
そして、図１３（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、全面にスパッタリングで金属層を形成した後、固定電極層２１や連絡用の配線路２３や外部接続用パッド２２に相当する残し部にマスクをして、残し部以外の金属層をエッチング除去し、固定電極層２１や配線路２３、外部接続用パッド２２を形成する。これにより弁座２が作成される。
【０１３２】
なお、ここで述べた加工方法のプロセスは、あくまでバルブ構造体１の形成方法の一例に過ぎず、形状や構成の変更に応じて公知の加工手法を採用し適宜組合せてプロセス設計できる。例えば、ＳＯＩ基板を用いてバルブ構造体１を形成すれば、バルブ構造体１の厚み設計が加工プロセス上、行いやすくなるため好ましく採用される。
【０１３３】
更に、他の変形形態である実施形態を、第４実施形態として図１５乃至図２３に基づいて説明する。図１５は、第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図（第１実施形態乃至第３実施形態において、可動電極層１３をシリコン基板への不純物ドープによる導電性拡散層により構成した変形形態の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図）である。
【０１３４】
また、図１６は、バルブ構造体１を弁座２への搭載側からみた平面図であり、図１７は、図１６のバルブ構造体１のＸ−Ｘ断面での断面図であり、図１８は、弁座２の斜視図である。また、図１９は、絶縁層３を介して対抗する電極（可動電極層１３、固定電極層２１）間において、この電極間の静電気力と絶縁層３の比誘電率との関係を示すグラフである。なお、後述する図２０、図２１は、第４実施形態の変形形態を示す平面図である。
【０１３５】
第４実施形態における半導体マイクロバルブでは、図１６、図１７に示すように、バルブ構造体１の下面において、金属層１４を形成する代わりに、シリコン基板の加工工程中において、このシリコン基板の下面に不純物ドープして導電性拡散層１７を形成している。この導電性拡散層１７は、フレーム１０、弁体部１１及びビーム１２の下面に形成されており、弁体部１１の下面部分が可動電極層１３として機能する。なおこの変形形態では、バルブ構造体１の上面側に金属層１５は形成されない。その代わり、バルブ構造体１の上面側表面には、窒化膜（ＳｉＮ）（図示せず）を形成している。
【０１３６】
この窒化膜は、線膨張係数がシリコン基板より小さいので、ビーム１２の上表面側においては、この窒化膜形成時の熱が冷めるときにこの窒化膜とシリコンとの線膨張係数の差に起因した残存応力がこれらの界面にて生じ、ビーム１２を下向きに反らせている。これにより弁体部１１の下面は、弁座２への搭載前の状態において、下方に突出するようになっている。このことの意義は既に前述した通りである。
【０１３７】
導電性拡散層１７の表面には、前述した第１実施形態乃至第３実施形態と同様に、絶縁層３が形成され、さらにバルブ構造体１の下面における長辺側の両端部に接合用アルミ層４が形成されている。この変形形態では、フレーム１０の下面位置における絶縁層３の一部に導電性拡散層１７にまで至るコンタクトホール３１が形成され、このコンタクトホール３１を形成した部分には、導電性拡散層１７にコンタクトホール３１を介して導通し、絶縁層３の表面に露出するバルブ側電極５が形成されている。このバルブ側電極５は、後述するよう、弁座２側への接続を容易にするためにバンプ電極として形成されている。
【０１３８】
第４実施形態において、弁座２は、その上表面に２つの外部接続用パッド２２、２６を有している。ここで、説明の便宜上、前者を第一の外部接続用パッド２２、後者を第２の外部接続用パッド２６とする。第一の外部接続用パッド２２と第２の外部接続用パッド２６とは電気的に独立して、静電駆動型半導体マイクロバルブを上から見た平面視において、バルブ構造体１の切欠部１６にて露出している。
【０１３９】
また、弁座２の上表面におけるバルブ側電極５と対応する位置には、バルブ通電用の受けパッド２７が形成されており、この受けパッド２７と第２の外部接続用パッド２６とは連絡用の配線路２８により接続されている。そして、バルブ構造体１を弁座２上に搭載一体化するとき、バルブ側電極５が受けパッド２７と一致し接続されるようになっている。この変形形態では、第一の外部接続用パッド２２と第２の外部接続用パッド２６とが共に切欠部１６にて露出しているので、外部電源への接続が容易に行うことができる。
【０１４０】
ところで第４実施形態では、初期状態において、弁体部１１下面側の可動電極層１３と弁座２上の固定電極層２１とは絶縁層３を介して対向していることから、この初期状態からより大きな静電気力を効率良く得るためには、絶縁層３の誘電率を大きくすることが有効である。図１９のグラフは、印加電圧を一定とした条件下でのグラフであり、このグラフからわかるように、電極（可動電極層１３、固定電極層２１）間の絶縁層３が有する比誘電率が大きくなる始める初期範囲において、静電気力が急な勾配で大きくなり、その後、その勾配は、緩やかになる傾向である。従って、絶縁層３の材料として高誘電率の絶縁材料を選択すると好ましい。例えば、ＳｉＯ2は、比誘電率が４、ＳｉＮが７であることからこれらよりも高誘電率（例えば比誘電率３０以上）の絶縁材料を使用すると良い。高誘電率材料の具体例としては、ＢａＴｉＯ3（比誘電率１００〜３００）、ＳｒＴｉＯ3（比誘電率１００〜３００）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3（比誘電率３００〜１０００）などが例示できる。
【０１４１】
ここで、図２０は、第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにて、バルブ構造体１のビーム１２の入隅コーナーに面取り部１２ａを設けた態様を示す平面図であり、図２１（Ａ）は、図２０の点線Ｈ１で示す部分の拡大図であり、図２１（Ｂ）は、点線Ｈ２で示す部分の拡大図である。
【０１４２】
第４実施形態においては、その変形形態として、図２０、図２１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ビーム１２がフレーム１０や弁体部１１と連結される付け根部分における入隅コーナーや、ビーム１２の屈曲部に形成される入隅コーナーにおいて、面取り部１２ａが形成されていてもよい。ビーム１２は、薄肉であるため入隅コーナーに応力が一点集中すると応力集中箇所に亀裂を生じやすくなるが、ビーム１２の入隅コーナに面取り部１２ａを形成しておくとで応力集中を防止することができ、ビーム１２の破損等が防止される。この面取り部１２ａは、例えばＣ面やＲ面として形成することができる。
【０１４３】
また、第４実施形態においては、略卍状配置の４本のビーム１２により弁体部１１を支持する両持ちタイプのマイクロバルブを説明してきたが、他の変形形態を例示することができる。図２２は、ビーム１２をいわゆる片持ち梁状にした一態様を示す平面図であり、ビーム１２をフレーム１０と弁体部１１との分離領域を一周回したような形状とした変形形態であり、図２３は、ビーム１２を片持ち梁状にした他の態様を示す平面図であり、ビーム１２を最も一般的な一文字状のカンチレバー形状にした変形形態である。
【０１４４】
次に、弁体部１１の変位を規制するストッパを備えた実施形態を、第５実施形態として図２４乃至図２８に基づいて説明する。図２４乃至図２６は、第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、ガラスストッパ６を設けた半導体マイクロバルブの一態様を示す断面図）である。
【０１４５】
図２７は、第５実施形態におけるガラスストッパ６を一部に設けた静電駆動型半導体マイクロバルブを示す斜視図である。図２８（Ａ）は、第５実施形態におけるバルブ構造体１の構造内にストッパ片７を設けた静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図であり、図２８（Ｂ）は、Ｘ−Ｘ断面での断面図である。
【０１４６】
まず、第５実施形態においては、図２４乃至図２７に示すように、弁体部１１の変位を規制するストッパの一例として、ガラス製のストッパ（以降、ガラスストッパと称する。）６を設ける。
【０１４７】
図２４に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第１実施形態である図１乃至図４に示した具体例において、ガラスストッパ６を備えた構成である。このものでは、ガラスストッパ６の下側面に弁体部１１上面とのギャップ確保のための凹部である座ぐり部６１が形成されている。この例では、フレーム１０の上面も金属層１５にて被覆されているので、ガラスストッパ６を陽極接合にて固定できる。ここで、フレーム１０の上に金属層１５を設けず、フレーム１０にガラスストッパ６を直接陽極接合するようにしても勿論よい。
【０１４８】
なお、図２４における座ぐり部６１は、例えば、サンドブラストを用いて、ガラスストッパ６の弁体部１１に相対する部分を所定の厚み分だけ除去することで形成することができる。なお、この場合、サンドブラスト加工は、シリコン等をエッチング加工することに比べ、大きな高速で形成することができるため、大流量を得るバルブ用途に適している。
【０１４９】
一方、図２５に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第４実施形態である図１５乃至図１８に示した具体例において、平板状のガラスストッパ６を備えた構成である。この例では、フレーム１０の上面に、ストッパ接合層であるストッパ接合用アルミ層８がギャップを確保するに十分な厚みで形成されており、このストッパ接合用アルミ層８を介してガラスストッパ６がフレーム１０上に陽極接合されている。なお、ストッパ接合用アルミ層８は、スパッタリング等の半導体プロセスを用いることで、０．１μｍ程度の精度で厚み設定が可能であるので、弁体部１１とガラスストッパ６とのギャップが精度良く確保できる。
【０１５０】
このように静電駆動型半導体マイクロバルブは、ガラスストッパ６を設けておくことで、例えば弁孔２０に大きな流体圧が加わった場合等において、弁体部１１がビーム１２の撓みの許容以上に変位してビーム１２を破損するのを防止することができる。
【０１５１】
また、図２６に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁体部１１の厚みがフレーム１０の厚みより薄い構成である。弁体部１１の厚み加工は、例えば、弁体部１１のガラスストッパ６に対する面を、ＫＯＨ等溶液等により異方性エッチングすることで所定厚みだけ除去して行い、弁体部１１の厚みがフレーム１０の厚みより薄くなるように予め加工してもよい。この場合、異方性エッチングで取り除く所定の厚みとは、弁体部１１が変位する際に、弁体部１１の上側面とガラスストッパ６の下側面とのギャップが十分確保されるような厚みであり、異方性エッチングにては、１μｍ以下の精度で設定可能である。なお、図２６のものでは、例えば、フレーム１０にガラスストッパ６を直接陽極接合する。
【０１５２】
ここで、図２４、図２６に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、ガラスストッパ６がフレーム１０の全面を覆うサイズである（図示せず）が、ガラスストッパ６が少なくとも弁体部１１と所定の間隔、つまり、弁体部１１が変位する際に、弁体部１１の上側面とガラスストッパ６の下側面とのギャップが十分確保されるような間隔が確保されていれば、例えば、図２７に示すように、フレーム１０の一部を覆うようなサイズ構成であってもよい。
【０１５３】
なお、第５実施形態においては、ストッパはガラスを用いているが、例えば、樹脂系の材料のものも用いることもできる。この場合、プレス成形等の加工が容易であるので、低コストでストッパが形成される。
【０１５４】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、ガラスストッパ６は、弁体部１１の変位を規制することで、弁体部１１の変位が過大になることを防止するとともに、弁体部１１の破壊を防止する。また、弁体部１１とガラスストッパ６とのギャップを精度良く形成することで、流体の流量範囲の制御が精度良くなる。また、前述のギャップにより可動電極層１３と固定電極層２１との間に働く静電力が決定されるので、駆動電圧を低く抑える設計が可能になる。
【０１５５】
ここで、第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにて、ガラスストッパ６を設ける代わりに、図２８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、バルブ構造体１の構造中に突出片であるストッパ片７を有するようにしたものであってもよい。図２８では、フレーム１０の内壁部の一部に下側及び内側に開放する座ぐり部９が形成されており、ストッパ片７は、弁体部１１の側辺部の一部からフレーム１０に向かって延び、座ぐり部９内に導入されていて、座ぐり部９内壁に対してストッパ片は、間隔を有して遊挿状態となっている。そして弁体部１１が上方に変位したとき、座ぐり部９の天面にストッパ片７が当って、弁体部１１の上方への変位が規制されるようになっている。
【０１５６】
このストッパ片７及び座ぐり部９を形成するにあたっては、例えば座ぐり部９とストッパ片７との離間領域のうち、基板厚み方向は、下面からのエッチングで掘り込み形成し、また基板面と平行な方向は、犠牲層エッチングで掘り込むといった手法が挙げられる。この際、犠牲層で除去する位置に埋め込み酸化膜を有するＳＯＩ基板を用いると便利である。なお、図２８のものは、ストッパ片７を弁体部１１に一箇所設けた例となっているが、弁体部１１の４つの各側面に形成しても良く、また、弁体部１１からではなく、ビーム１２の先端側に側方に突設しても構わない。突出片は、バルブ構造体１の構造中に形成されたものであってもよい。
【０１５７】
次に、フレーム１０や、ストッパや、ストッパ接合層に開口部を備えた実施形態を、第６実施形態として図２９乃至図３１に基づいて説明する。図２９は、第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図及び斜視図（（Ａ）は、断面図であり、（Ｂ）は、斜視図）である。図３０、図３１は、第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの変形形態を示す断面図である。
【０１５８】
図２９に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第５実施形態である図２５に示した具体例において、排出口の機能を果たす微細な開口部である孔部６ａを備えた構成である。図２５において、ストッパ接合用アルミ層８の一部が除去された構成となっており、ストッパ接合用アルミ層８の除去は、通常の半導体プロセスにて行い、孔部６ａが形成される。この場合、バルブ構造体１とガラスストッパ６の間で形成される空間Ｓは、孔部６ａの存在のために、完全な閉空間とはならないが、ほとんど閉空間に近い状態になる。なお、ガラスストッパ６は、フレーム１０の全面を覆っているが、図２９（Ｂ）にては、便宜上、孔部６ａの上側部を除去した形で図示している。
【０１５９】
ここで、孔部６ａは、半導体プロセスにて形成されるので、加工が高精度になされるため、空間Ｓ内の圧力調整が行いやすい。また、バルブ構造体１とガラスストッパ６の間で、孔部６ａを介して静電駆動型半導体マイクロバルブ外部と空間Ｓとが連通することで、弁体部１１が駆動する際に、空気ダンパーの効果が得られ、更に弁体部１１の破壊を防止することができる。孔部６ａの上下方向の開口長さ（図２９のｈ）は、微細であるが、その微細の程度は、弁孔２０の開口径（直径）と同オーダー程度である。例えば、弁孔２０の開口径（直径）が０．３ｍｍである場合、孔部６ａの上下方向の開口長さが０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度である。なお、孔部６ａの上下方向の開口長さは、弁孔２０の開口径以下であることが好ましい。
【０１６０】
また、その他の変形形態を図３０、図３１に示す。図３０に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第５実施形態である図２６に示した具体例において、フレーム１０の一部をエッチング等の加工技術により一部除去して開口部である孔部６ａを形成した一例である。また、図３１に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、図２５においてストッパ接合用アルミ層８を設けず、かつ、図２４に示す座ぐり部６１と同様に形成可能な、一端を静電駆動型半導体マイクロバルブ外縁まで伸びた段部６１ａを備えるとともに、この段部６１ａの外縁側であるフレーム１０の一部が除去され孔部６ａを備えた構成である。
【０１６１】
なお、段部６１ａは、例えば数十μｍ程度の深さをサンドブラスト加工等により形成する場合には、段部６１ａの形成と同時に、孔部６ａの形成も可能である。この場合、孔部６ａの上下方向の高さは、段部６１ａの高さに等しくなるが、幅方向のサイズは、加工時のマスク形状により自由に制御可能であるので、空間Ｓの圧力調整が効率的に行える。
【０１６２】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、孔部６ａにより、前述の空間Ｓ内の流体の圧力が孔部６ａの外部、つまり静電駆動型半導体マイクロバルブ外部の圧力よりも高くなるので、静電駆動型半導体マイクロバルブに流入してくる側の流体圧力と空間Ｓ内の圧力との圧力差が縮小され、弁体部１１を駆動する静電力が小さくても弁体部１１が駆動可能であり、微小流量を高精度に制御することができる静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。
【０１６３】
なお、第６実施形態においては、開口部である微細な孔部６ａは、フレーム１０や、ガラスストッパ６や、ストッパ接合用アルミ層８に形成したものを例示しているが、少なくとも、フレーム１０、ガラスストッパ６、ストッパ接合用アルミ層８のいずれかに形成されていれば、フレーム１０や、ガラスストッパ６や、ストッパ接合用アルミ層８の各部にまたがる形で孔部６ａが形成されていても勿論よい。
【０１６４】
次に、第１実施形態における異なる電極の取り出し構造を示した実施形態を、第７実施形態として図３２に基づいて説明する。図３２は、第７実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１６５】
図３２に示すように、図２（Ｂ）に示したＹ-Ｙ断面において、静電駆動型半導体マイクロバルブは、フレーム１０における弁座２に対しての非対向面（図３２ではバルブ構造体１の上面）には、フレーム１０内を通じて可動電極層１３と電気的に接続される可動電極層側電極パッド３０を備えている。
【０１６６】
また、弁座２におけるバルブ構造体１に対しての非対向面（図３２では弁座２の下面）には、固定電極層側電極パッド３００が形成され、弁孔２０に沿って箇所には、固定電極層側電極パッド３００と電気的に接続されている第４導電部３２である配線路等が形成され、第４導電部３２と固定電極層２１とは、電気的に接続されている。なお、可動電極層側電極パッド３０と固定電極層側電極パッド３００との間に外部電源に接続することにより、可動電極層１３と固定電極層２１との間に電圧印加することができる。
【０１６７】
静電駆動型半導体マイクロバルブは、可動電極層１３を基板であるフレーム１０内を通じて、可動電極層側電極パッド３０と導通させることで、可動電極層１３が可動電極層側電極パッド３０のところまで引き出された構成になる。また、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁孔２０を経由して設けた第４導電部３２を介して固定電極層側電極パッド３００と導通させることで、固定電極層２１が固定電極層側電極パッド３００のところまで引き出された構成となる。
【０１６８】
ここで、可動電極層１３、固定電極層２１、可動電極層側電極パッド３０、固定電極層側電極パッド３００、第４導電部３２といった配線の材料は、例えばアルミ、クロム等の金属薄膜を例示することができるが、この薄膜は、真空蒸着、スパッタ、イオンプレーティング等の方法により形成することができる。なお、固定電極層側電極パッド３００、第４導電部３２、固定電極層２１は、各々が電気的に接続されていれば、一体形成したものであってもよし、勿論各々別途形成してもよい。
【０１６９】
なお、弁体部１１、フレーム１０、各ビーム１２の下表面に設けた可動電極層１３又は金属層１４の表面には、弁座２側との導通を防止するために絶縁層３が形成されている。
【０１７０】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、可動電極層側電極パッド３０、固定電極層側電極パッド３００といった外部電源に接続する電極をバルブ外部に取り出すことにより、チップサイズの増大がないため、より小型な静電駆動型マイクロバルブを提供することができる。また、小型化によりチップの取れ数が増大するため、製造コストを低減させることができる。
【０１７１】
次に、第７実施形態における変形形態を示した実施形態を、第８実施形態として図３３に基づいて説明する。図３３は、第８実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１７２】
図３３に示すように、図３２において、バルブ構造体１を構成する半導体基板は、ＳＯＩ基板である、つまりバルブ構造体１が活性層４０、絶縁性である埋め込み中間酸化膜４１、支持層４２からなるＳＯＩ基板で構成されている。なお、第８実施形態においては、活性層４０は、弁座２との対向面側に配置された構成である。
【０１７３】
フレーム１０は、活性層４０から支持層４２まで貫通する凹部４３を備え、この凹部４３の内面には、アルミ、クロム等の導電性を有する第１導電部４４である導電性の膜を形成して、活性層４０と支持層４２と可動電極層側電極パッド３０とを電気的に接続させ、活性層４０と支持層４２とを導通させ、基板であるフレーム１０内を通じて、可動電極層１３が可動電極層側電極パッド３０まで引き出された構成である。
【０１７４】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、バルブ構造体１にＳＯＩ基板を使用し、活性層４０の薄いものを用いることで、薄肉のビーム１２を精度よく形成することができる。それにより、ビーム１２の剛性を低減させることができるため、バルブの排気性能を向上させるとともに駆動電圧の低減が可能となる。ここで、駆動電圧を低減させる代わりに電極面積を縮小すれば、チップサイズの小型化が実現でき、更なる製造コストの低減がはかれる。
【０１７５】
次に、第８実施形態における変形形態を示した実施形態を、第９実施形態として図３４に基づいて説明する。図３４は、第９実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１７６】
図３４に示すように、第２導電部４５である導電性の膜は、例えば、フレーム１０における弁体部１１への対向面から、弁体部１１に対向する側のフレーム１０壁面側を経由して、バルブ構造体１の上面まで形成されており、可動電極層側電極パッドの機能を兼ねており、活性層４０と支持層４２とが電気的に接続される。なお、第２導電部４５に関して、可動電極層側電極パッドを機能する領域と、フレーム１０における弁体部１１への対向する領域と、弁体部１１に対向する側のフレーム１０壁面側の領域とは、一体形成して電気的に接続するようにしても、各々別々に形成し、電気的に接続するようにしてもよい。なお、第２導電部４５の材料は、一例としてアルミ、クロム等である。なお、第８実施形態においては、ＳＯＩ基板で構成された弁体部１１、ビーム１２の周辺にも、図３４に示すように、第２導電部４５と同材料の導電性の膜（４５ａ）を覆うように形成している。
【０１７７】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、バルブ構造体１にＳＯＩ基板を使用し、活性層４０の薄いものを用いることで、薄肉のビーム１２を精度よく形成することができる。それにより、ビーム１２の剛性を低減させることができるため、バルブの排気性能を向上させるとともに駆動電圧の低減が可能となる。ここで、駆動電圧を低減させる代わりに電極面積を縮小すれば、チップサイズの小型化が実現でき、更なる製造コストの低減がはかれる。
【０１７８】
次に、第７実施形態における変形形態を示した実施形態を、第１０実施形態として図３５に基づいて説明する。図３５は、第１０実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１７９】
図３５に示すように、静電駆動型半導体マイクロバルブは、静電駆動型半導体マイクロバルブの外部と貫通する開口部である微細な孔部６ａを備え、弁体部１１の変位を規制する例えばガラスストッパ６をバルブ構造体１の上に備えており、ガラスストッパ６と、バルブ構造体１と、弁座２からなる３層構造である。第１０実施形態においては、フレーム１０の上面に、第７実施形態では可動電極層側電極パッド３０として機能していた金属膜３０ａがギャップを確保するに十分な厚みで形成されており、金属膜３０ａを介してガラスストッパ６がフレーム１０上に陽極接合されている。
【０１８０】
なお、ガラスストッパ６は、例えばフレーム１０と弁体部１１との間の上部に位置する箇所に孔部６ａを設けており、この孔部６ａは、例えば弁孔２０に大きな流体圧が加わった場合等において、第６実施形態の図２９乃至図３１に示した孔部６ａと同様の機能を果たすので、ここでは詳細な説明は省略する。ここで、開口部である孔部６ａは、ストッパに対して厚み方向に貫通しているので、孔部６ａに例えば管状の部材（図示せず）を取り付けることで、孔部６ａから流体媒体の取り出しが容易に行える。
【０１８１】
ここで、第１０実施形態においては、孔部６ａには、金属膜３０ａと電気的に接続して、ガラスストッパ６の上面まで形成された第３導電部４６である配線路を備えており、第３導電部４６は、ガラスストッパ６の上面で、外部電源に接続する可動電極層側電極パッド３０ｂと電気的に接続されている。なお、第３導電部４６の材料は、一例としてアルミ、クロム等であり、第１０実施形態では、ガラスストッパ６の孔部６ａ及び上面部にわたり第３導電部４６が形成されている構成を一例として示している。
【０１８２】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、金属膜３０ａと第３導電部４６と、可動電極層側電極パッド３０ｂを電気的に接続することで、可動電極層１３がガラスストッパ６の上面まで引き出された構成となり、より小型な静電駆動型マイクロバルブを提供することができる。
【０１８３】
次に、他の実施形態を、第１１実施形態として図３６に基づいて説明する。図３６は、第１１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図（図１におけるＹ−Ｙ断面での断面図）である。
【０１８４】
静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１のフレーム１０と弁座２との間に設けられる金属薄膜等の接合用電極５０を備えており、接合用電極５０を介してバルブ構造体１と弁座２とが陽極接合される。弁座２におけるフレーム１０との接合面側には、図３６に示すように、接合用電極５０と電気的に接続される配線路５１と、可動電極層側電極パッド５２と、固定電極層側電極パッド５３とが形成されている。
【０１８５】
ここで、可動電極層１３は、接合用電極５０と配線路５１と可動電極層側電極パッド５２とを導通させることにより、可動電極層側電極パッド５２まで引き出された状態になる。
【０１８６】
また、固定電極層側電極パッド５３は、図３６に示すように、例えば固定電極層２１を弁座２の端部まで例えば連絡配線を利用して延設して、固定電極層２１と固定電極層側電極パッド５３とを導通させることにより、固定電極層２１を固定電極層側電極パッド５３まで引き出している。なお、接合用電極５０、配線路５１、可動電極層側電極パッド５２、固定電極層側電極パッド５３の材料は、一例としてアルミ、クロム等である。
【０１８７】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、可動電極層側電極パッド５２と固定電極層側電極パッド５３とを同一平面上に形成すことができるため、プローブ検査や実装が容易となる。また、可動電極層側電極パッド５２の位置を図３２に示すような構造の場合に比べて低くすることができるため、薄型のパッケージに収めることができ、例えば、薄型化ニーズの高い携帯型商品への搭載で優位性を持たせることができる。
【０１８８】
最後に、第１実施形態における環状凹溝２４、逃がし溝２４ａに関する（２つの）変形形態である実施形態を、第１２実施形態として図３７、図３８に基づいて説明する。図３７、図３８は、第１２実施形態における弁座２を示す平面図である。
【０１８９】
ここで、第１実施形態においては、図４、図１４に示すように、逃がし溝２４ａは、一端が環状凹溝２４に連通し、他端が静電駆動型半導体マイクロバルブの外部に開放されているが、第１２実施形態においては、静電駆動型半導体マイクロバルブは、図３７に示すように、例えば、他端が固定電極層２１の範囲内に収まるような終点である構成の連通溝部２４ｃを備えている点が異なっている。なお、連通溝部２４ｃにおける前述の他端は、弁座２から外部に開放されず、つまり静電駆動型半導体マイクロバルブから外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であればよい。
【０１９０】
なお、更に第１実施形態における変形形態としては、静電駆動型半導体マイクロバルブは、図３８に示すように、弁孔２０から所定の距離をとり、弁座２の各辺に対して放射状に配置された溝部２４ｄを備えた構成である。なお、この放射状に配置された溝部２４ｄは、例えば本数が８本で弁孔２０を取り囲む溝であるが、その本数は所望の数であってよく、弁座２から外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であればよい。
【０１９１】
また、各放射状に配置された溝部２４ｄの配置は、対称対となるように配置されることが好ましく、この場合、放射状に配置された溝部２４ｄにより、弁孔２０から流れ出る流体がスムーズに排出される。なお、上述の連通溝部２４ｃ、放射状に配置された溝部２４ｄは、サンドブラスト等により形成することができる。
【０１９２】
なお、第１２実施形態においては、上述の放射状に配置された溝部２４ｄは、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０から所定の距離をとるように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【０１９３】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、連通溝部２４ｃや放射状に配置された溝部２４ｄが弁座２から外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であるので、ダイシング等の製造時に異物が混入することを防止することができる。
【０１９４】
ここで、第７実施形態乃至第９実施形態及び第１１実施形態において、第１実施形態乃至第６実施形態及び第１２実施形態に示したような変形箇所を組み合わせた構成で静電駆動型半導体マイクロバルブを形成しても勿論よく、また、第１０実施形態において、第１実施形態乃至第４実施形態及び第１２実施形態に示した変形形態を組み合わせた構成で静電駆動型半導体マイクロバルブを形成しても勿論よい。
【０１９５】
また、第１実施形態乃至第１２実施形態においては、環状溝部２４及び連通溝部２４ａ（又は連通溝部２４ｃ）は、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０を内側に含むように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【０１９６】
なお、本発明は、前述の実施形態及びその説明に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形形態もこの発明に含まれる。
【０１９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る静電駆動型半導体マイクロバルブは、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図である。
【図２】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの開放状態を示す断面図である。
【図４】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの開放状態を示す斜視図である。
【図５】第１実施形態におけるバルブ構造体の変形形態を示す断面図である。
【図６】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの他の変形形態を示す断面図である。
【図７】第２実施形態における弁座を示す断面図である。
【図８】第３実施形態における弁座を示す断面図である。
【図９】第３実施形態における弁体部を示す断面図である。
【図１０】第３実施形態における弁体部の変形形態を示す平面図である。
【図１１】第３実施形態における弁体部の他の変形形態を示す断面図である。
【図１２】第１実施形態におけるバルブ構造体の上面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【図１３】第１実施形態におけるバルブ構造体の下面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【図１４】第１実施形態における弁座の加工プロセスを示す工程図及び断面図である。
【図１５】第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す平面図である。
【図１６】第４実施形態におけるバルブ構造体を弁座への搭載側からみた平面図である。
【図１７】第４実施形態におけるバルブ構造体の断面図である。
【図１８】第４実施形態における弁座の斜視図である。
【図１９】第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにおける静電気力と比誘電率との関係を示すグラフである。
【図２０】第４実施形態におけるバルブ構造体の変形形態を示す平面図である。
【図２１】図２０に示す点線Ｈ１、Ｈ２部分を拡大した平面図である。
【図２２】第４実施形態におけるビームの変形形態を示す平面図である。
【図２３】第４実施形態におけるビームの他の変形形態を示す平面図である。
【図２４】第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図２５】第５実施形態における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図２６】第５実施形態における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図２７】第５実施形態における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す斜視図である。
【図２８】第５実施形態におけるバルブ構造体にストッパ片を設けた平面図及び断面図である。
【図２９】第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図及び斜視図である。
【図３０】第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの変形形態を示す断面図である。
【図３１】第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの他の変形形態を示す断面図である。
【図３２】第７実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３３】第８実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３４】第９施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３５】第１０実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３６】第１１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す断面図である。
【図３７】第１２実施形態における弁座を示す平面図である。
【図３８】第１２実施形態における弁座の他の変形形態を示す平面図である。
【符号の説明】
１ バルブ構造体
２ 弁座
３ 絶縁層
６ ガラスストッパ
６ａ 孔部
１０ フレーム
１０ａ 開口部
１１ 弁体部
１２ ビーム
１３ 可動電極層
２０ 弁孔
２１ 固定電極層
３０、３０ｂ、５２ 可動電極層側電極パッド
３０ａ 金属膜
３２、４４、４５、４６ 導電部
４０ 活性層
４１ 中間酸化膜
４２ 支持層
４３ 凹部
５０ 接合用電極
５１ 配線路
５３、３００ 固定電極層側電極パッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a microvalve that uses a valve structure formed by micromachining a semiconductor substrate and controls the flow of fluid, and more specifically, an electrostatic drive type that opens and closes a valve hole through which fluid flows by electrostatic force. The present invention relates to a semiconductor microvalve.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a fluid control component in the field of microelectronics and medical equipment, a semiconductor substrate such as silicon is finely processed by micromachining technology to form a micro structure as a valve member, which is used to distribute fluid Microvalves that can be controlled are being researched and developed in various places.
[0003]
In general, in this microvalve, a valve body for opening and closing a valve hole is formed in the valve member, and a valve seat member having the valve hole and the valve member are integrally combined to form the valve member. The formed valve body is displaced with respect to the valve seat member to open and close the valve hole, thereby controlling the flow of fluid flowing through the valve hole. As a driving method of the valve opening / closing operation of the microvalve, there are a thermal driving method using a so-called bimetal principle and an electrostatic driving method using an electrostatic force generated between the counter electrodes. One example of the latter type is a valve element as disclosed in Patent Document 1, for example.
[0004]
The valve element may be formed integrally with a nozzle plate in which a nozzle through which fluid passes is formed, an electrode plate, an insulating layer covering the electrode plate, and a valve bending portion that opens and closes the nozzle. It consists of a flexible and conductive bulb beam. The electrode plate and the insulating layer covering the electrode plate are stacked on the nozzle plate, and the bent portion of the bulb beam is disposed at a predetermined distance from the insulating layer on the electrode plate. When a voltage is applied between the electrode plate and the bulb beam, the bulb opens and closes the nozzle by bending of the bulb beam.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A 63-307959
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the magnitude of the electrostatic force generated between the opposing electrodes is theoretically calculated as follows, assuming that both electrode surfaces are parallel and a constant voltage is applied and energy loss is not taken into account. The
[0007]
Electrostatic force [N] = (1/2) × (applied voltage [V])2× (electrode area)2× (Dielectric constant of interelectrode material [C / N · m2] / (Distance between electrodes [m])2
From the above equation, it can be seen that the electrostatic force generated between the electrodes decreases in proportion to the square of the distance between the electrodes. Considering this point, when considering the valve element described in Patent Document 1 shown as the prior art, the valve element is electrically conductive with the electrode plate in the initial state where the nozzle beam is conductive and no voltage is applied. Is arranged opposite to each other with a predetermined interval through the insulating layer, so that a larger static electricity is generated in order to better control the flow of fluid flowing through the nozzle by displacing the valve to open and close the nozzle. In order to obtain force, the predetermined interval is designed to be small, the applied voltage is increased, or the electrode area is increased.
[0008]
However, if the predetermined interval is too small, good fluid circulation cannot be ensured when the nozzle is opened. Therefore, an interval of at least a certain distance must be ensured, and a larger electrostatic force is required. In order to obtain the above, it depends on the applied voltage and the size setting of the electrode area.
[0009]
In addition to this, when applying the voltage from the initial state where the predetermined interval is opened and displacing the valve until it abuts against the nozzle to close the nozzle, not only the force that pulls the valve toward the nozzle side, Since a force for resisting the resilience to return to the original state when the valve beam is bent is also required, an electrostatic force larger than the fluid pressure flowing through the valve hole is required.
[0010]
On the other hand, in recent years, since the device tends to be miniaturized, a design that increases the electrode area is not desirable because it increases the size of the device. In recent years, there has been a demand for lower power consumption, and it is not desirable to increase the applied voltage because it contradicts this. Therefore, in the structure of the valve element according to the prior art, there is a limit to achieving both high control of the fluid flowing through the nozzle and low power consumption at the high level in pursuit of miniaturization.
[0011]
An object of the present invention is to provide an electrostatically driven semiconductor microvalve that can achieve a high level of both good fluid control and low power consumption in view of the above-described problems of the prior art.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above-described object, an electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 of the present invention includes a frame having an opening in a central region by micromachining a semiconductor substrate, and an inside of the opening of the frame. And a thin beam having a flexibility that connects the valve body and the frame, and the valve body is displaceable in the substrate thickness direction with respect to the frame. And a valve seat on which the valve structure is mounted by fixing the frame to the surface so that the valve body portion matches the valve hole. The valve structure includes a movable electrode layer formed on a surface of the valve body portion facing the valve seat, and the valve seat is formed to face the movable electrode layer on the surface. Ta solid An insulating layer for preventing conduction between the two electrode layers is formed on at least one surface of the movable electrode layer and the fixed electrode layer, and the valve body portion includes the movable electrode layer. In a state where no voltage is applied to the fixed electrode layer, the valve hole is closed by the contact pressure so as to be in contact with a region around the opening of the valve hole, and a voltage is applied to the movable electrode layer and the fixed electrode layer. In the applied state, an electrostatic force that closes the valve hole between these electrode layers is generated,The beam has an elastic force that presses the valve body portion against a region around the opening of the valve hole..
[0013]
Here, the above-mentioned "in the state where no voltage is applied to the movable electrode layer and the fixed electrode layer, the valve hole is closed by the contact pressure so as to contact the region around the opening of the valve hole" When no voltage is applied and no fluid pressure is applied to the valve hole (hereinafter referred to as the initial state), the valve body portion is in contact with the area around the opening of the valve hole. I mean.
[0014]
In addition, the “contact pressure” means that in the initial state, the valve body portion is in contact with the area around the opening of the valve hole by the support force of the beam so that the valve body portion is in contact with the valve hole. It is a relatively small pressure that is pressed against the area around the opening. Therefore, even when no voltage is applied, when a fluid pressure larger than the contact pressure is applied to the valve hole, the valve body portion is pushed up.
[0015]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, as described above, in a state where no voltage is applied, the valve body portion is in contact with the opening peripheral region of the valve hole in the valve seat. When closing the valve hole by applying a voltage, the energy for displacing the valve body is useless, so the necessary electrostatic force is only the force required to resist the pressure of the fluid flowing through the valve hole. Become.
[0016]
In addition, since the distance between the movable electrode layer and the fixed electrode layer is substantially the minimum amount corresponding to the thickness of the insulating layer, the maximum electrostatic force can be efficiently obtained from the beginning of voltage application. Therefore, the power consumption required to close the valve hole is relatively small.
[0017]
On the other hand, when the valve hole is opened, when a fluid pressure larger than the contact pressure of the valve body part is applied to the valve hole without applying a voltage, the valve body part is pushed up to be in an open state. The ease of opening of the valve hole depends on the contact pressure of the valve body part. If the contact pressure of the valve body part is small, the valve hole is opened even with a small fluid pressure. The contact pressure of the valve body can be set to a desired magnitude by adjusting the supporting force of the valve body by the beam, for example.
[0018]
As described above, the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration can achieve both high fluid control and low power consumption at a high level.
[0020]
  AndThe electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration can reliably obtain the contact state of the valve body portion with respect to the valve hole by the elastic force. When used in a state where the valve structure is below the valve seat with respect to the direction, gravity due to the weight of the valve body part works in the direction in which the valve body part leaves the valve hole, The contact state of the valve body with respect to the valve hole can be maintained by the elastic force of the beam.
[0021]
  Further, the claims of the present invention2An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim1In the electrostatically driven semiconductor microvalve described in (1), the surface of the beam facing the valve seat side is made of a material having a linear expansion coefficient larger than the linear expansion coefficient of the material of the semiconductor substrate constituting the beam. A thin film layer is formed.
[0022]
In the electrostatic drive type semiconductor microvalve having such a configuration, the residual stress caused by the difference in linear expansion coefficient between the material of the semiconductor substrate and the material of the thin film layer is a direction in which the beam warps in the valve seat direction. Therefore, since the elastic force is urged to the beam, the beam is directed to the valve seat from the state before the valve structure is mounted on the valve seat and the two are integrated. It becomes easy to bend.
[0023]
  Further, the claims of the present invention3An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim1Or claim2In the electrostatically driven semiconductor microvalve described in the above, a non-facing surface of the beam with respect to the valve seat has a linear expansion coefficient smaller than a linear expansion coefficient of a material of the semiconductor substrate constituting the beam. A thin film layer made of a material is formed.
[0024]
In the electrostatic drive type semiconductor microvalve having such a configuration, the residual stress caused by the difference in linear expansion coefficient between the material of the semiconductor substrate and the material of the thin film layer is a direction in which the beam warps in the valve seat direction. Therefore, since the elastic force is urged to the beam, the beam is directed to the valve seat from the state before the valve structure is mounted on the valve seat and the two are integrated. Furthermore, it becomes easy to bend.
[0025]
  Further, the claims of the present invention4An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 is provided.3In the electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of the above, an opening portion of the valve hole is formed on a surface of the valve seat facing the valve body portion, or on a surface of the valve body portion facing the valve seat. Is formed in an annular shape so that the front end surface thereof serves as a sealing surface between the valve body portion and the valve seat when the valve hole is closed.
[0026]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, the annular projecting portion protrudes from the other portion of the facing surface toward the valve body portion side and comes into contact with the valve body portion. It becomes easy to obtain.
[0027]
  Further, the claims of the present invention5An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 is provided.4In the electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of the above, an opening portion of the valve hole is formed on a surface of the valve seat facing the valve body portion, or on a surface of the valve body portion facing the valve seat. Is formed, and a communication groove portion having at least one end communicating with the annular groove portion is formed.
[0028]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, the fluid flowing out from the valve hole is smoothly discharged by the annular groove portion and the communication groove portion. In addition, since the annular groove portion and the communication groove portion can release the air at the interface that is sealed at the moment when the valve hole is closed and the moment when the valve hole is opened, the open / close response is ensured relatively well.
[0029]
  Further, the claims of the present invention6An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 is provided.3In the electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of the above, an opening portion of the valve hole is formed on a surface of the valve seat facing the valve body portion, or on a surface of the valve body portion facing the valve seat. Grooves arranged radially are formed at a predetermined distance from.
[0030]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, the fluid flowing out from the valve hole is smoothly discharged by the radially arranged grooves. In addition, since the radially disposed grooves can release the air at the interface that is sealed at the moment of closing and opening the valve hole, the opening / closing response is ensured relatively well.
[0031]
  Further, the claims of the present invention7An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 is provided.6In the electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of the above, the movable electrode layer is continuously formed on a surface of the beam facing the valve seat, and the fixed electrode layer in the valve seat It is formed up to the region facing the beam.
[0032]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, since the facing area of the movable electrode layer and the fixed electrode layer is large, a large electrostatic force can be obtained with the same applied voltage, and thus low power consumption. This is advantageous for power generation.
[0033]
  Further, the claims of the present invention8An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 is provided.7In the electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of the above, the valve body portion and the valve seat are at the contact interface on the surface of at least one of the contact surfaces of the valve body portion and the valve seat. A sticking prevention means for preventing sticking is provided.
[0034]
The electrostatic drive type semiconductor microvalve configured as described above is used, for example, when the phenomenon that the valve body portion and the valve seat are difficult to dissociate from the contact state, that is, the interface sticking phenomenon occurs, in the sticking prevention means. Since the sticking force between the valve body portion and the valve seat due to the lever sticking phenomenon can be reduced, stable valve opening and closing can be realized.
[0035]
  Further, the claims of the present invention9An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim8In the electrostatic drive type semiconductor microvalve described in (1), the sticking prevention means is a microprojection formed on at least one surface of the valve body portion and the valve seat.
[0036]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, the minute protrusions that are easy to form make it difficult for moisture to adhere between the valve body portion and the valve seat, thereby preventing the interface sticking phenomenon.
[0037]
  Further, the claims of the present invention10An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim8Or claim9In the electrostatic drive type semiconductor microvalve described in the above, the sticking prevention means is subjected to a surface roughening treatment and / or a hydrophobic treatment formed on at least one surface of the valve body portion and the opposed surface of the valve seat. It is the place where it was given.
[0038]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, when the surface roughened portion is formed as the sticking prevention means, the contact portion between the valve body portion and the valve seat is in the contact interface. Even if moisture is present in the layer, the water layer in the interface does not have a uniform film thickness, so that the interfacial sticking phenomenon is prevented, and a portion subjected to hydrophobic treatment is formed as the sticking prevention means. In this case, it is difficult for moisture to adhere to the contact interface, so that the interface sticking phenomenon is prevented.
[0039]
  Further, the claims of the present invention11An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 is provided.10In the electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of the above, the valve structure has four beams, and each beam extends from each side in the frame and is arranged in a substantially bowl shape. Has been.
[0040]
The electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration is advantageous for miniaturization because the length of the beam can be increased even when the size of the valve structure is small, and the valve body portion is a substrate. When displacing in the thickness direction, a stroke up to a high position is possible while rotating in a plane parallel to the main surface of the substrate.
[0041]
  Further, the claims of the present invention12An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 is provided.10In the electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of the above, the valve structure supports the valve body portion in a cantilever shape with the beam extending from one side of the frame.
[0042]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, the structure of the valve structure is relatively simple, so that it is easy to process from the semiconductor substrate.
[0043]
  Further, the claims of the present invention13An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 is provided.12In the electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of the above, the insulating layer is made of SiO.2And an insulating material having a higher dielectric constant than SiN.
[0044]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve configured as described above, the higher the dielectric constant of the insulating layer, the larger the electrostatic force generated between the movable electrode layer and the fixed electrode layer with respect to the same applied voltage. Is SiO2In addition, the electrostatic force can be efficiently obtained by setting the dielectric constant higher than that of SiN.
[0045]
  Further, the claims of the present invention14An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim13In the electrostatically driven semiconductor microvalve described above, the insulating layer has a relative dielectric constant of 30 or more.
[0046]
The electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration can acquire the electrostatic force more efficiently by setting the insulating layer to have a relative dielectric constant of 30 or more.
[0047]
  Further, the claims of the present invention15An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim14In the electrostatically driven semiconductor microvalve described in the above, the insulating layer is made of BaTiO.Three, SrTiOThree, (Ba, Sr) TiOThreeIt is a layer made of at least one selected from
[0048]
In the electrostatic drive type semiconductor microvalve having such a configuration, the insulating layer is made of BaTiO.Three, SrTiOThree, (Ba, Sr) TiOThreeThe electrostatic force can be obtained more efficiently by using at least one layer selected from the above.
[0049]
  Further, the claims of the present invention16An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 is provided.15In the electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of the above, the valve body portion is formed thinner than the frame.
[0050]
The electrostatic drive type semiconductor microvalve having such a configuration performs the opening / closing operation of the valve hole because the mass of the valve body portion is reduced by forming the valve body portion thinner than the frame. It becomes easy.
[0051]
  Further, the claims of the present invention17An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim16In the electrostatic drive type semiconductor microvalve described in 1), the valve body portion has a recess on the side opposite to the surface on which the movable electrode layer is formed.
[0052]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, the recess can be easily formed, so that the valve body can be easily thinned.
[0053]
  Further, the claims of the present invention18An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim16In the electrostatic drive type semiconductor microvalve described in 1), the valve body portion includes a reinforcing rib on a surface opposite to the surface on which the movable electrode layer is formed.
[0054]
The electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration can provide a reinforcing effect on the valve body by providing the reinforcing rib.
[0055]
  Further, the claims of the present invention19An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 is provided.18In the electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of the above, it is formed at a corner of a corner formed at a connection portion between the beam and the frame and / or the valve body and / or at a bent portion of the beam. A chamfered portion is formed at the corner of the corner.
[0056]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, since the beam is thin, if stress is concentrated on the corner of the corner, cracks are likely to occur at the stress-concentrated portion. By forming, stress concentration can be prevented.
[0057]
  Further, the claims of the present invention20An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 is provided.19In the electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of the above, a movable electrode layer side electrically connected to the movable electrode layer through the frame is provided on a non-facing surface of the frame with respect to the valve seat An electrode pad is provided.
[0058]
The electrostatic driving type semiconductor microvalve having such a configuration provides a smaller electrostatic driving type microvalve without increasing the chip size because the electrode can be taken out by the movable electrode layer side electrode pad. be able to. Further, since the number of chips can be increased by downsizing, the manufacturing cost can be reduced.
[0059]
  Further, the claims of the present invention21An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim20In the electrostatically driven semiconductor microvalve described above, the valve structure is configured by an SOI substrate including a support layer, an intermediate oxide film, and an active layer, and the active layer is disposed on a surface facing the valve seat. In this case, a concave portion penetrating from the active layer to the support layer is provided, and a conductive first conductive portion is provided on the inner surface of the concave portion to provide the active layer, the support layer, and the movable electrode layer side electrode pad. And are electrically connected.
[0060]
  Further, the claims of the present invention22An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim20In the electrostatically driven semiconductor microvalve described in the above, the valve structure is configured by an SOI substrate including a support layer, an intermediate oxide film, and an active layer, and the surface of the frame facing the valve body portion includes the A second conductive portion having conductivity is provided to electrically connect the active layer and the support layer, and the active layer, the support layer, and the movable electrode layer side electrode pad are electrically connected.
[0061]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, by using the SOI substrate for the valve structure, the beam can be thinned with high accuracy and the rigidity of the beam can be reduced. Therefore, the exhaust performance of the valve can be improved and the driving voltage can be reduced. Here, if the electrode area is reduced instead of reducing the driving voltage, the chip size can be reduced, and the manufacturing cost can be further reduced.
[0062]
  Further, the claims of the present invention23An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 is provided.22The electrostatic drive semiconductor microvalve according to any one of the above, further includes a stopper for restricting the displacement of the valve body portion.
[0063]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, for example, when a large fluid pressure is applied to the valve hole, the valve body portion may be displaced beyond the allowable deflection of the beam, and the beam may be damaged. However, it is possible to prevent the beam from being damaged by restricting the displacement of the valve body more than necessary by the stopper.
[0064]
  Further, the claims of the present invention24An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim23In the electrostatic drive type semiconductor microvalve described in 1), the stopper is placed on the valve structure as a separate member from the valve structure with a predetermined distance from the valve body.
[0065]
The electrostatic drive type semiconductor microvalve having such a configuration can prevent the valve body portion from being destroyed by using the stopper as the valve structure.
[0066]
  Further, the claims of the present invention25An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim23In the electrostatically driven semiconductor microvalve described in the above, the inner wall portion of the frame of the valve structure includes a counterbore portion that is countersunk, and the stopper extends laterally from the beam or the valve body portion. It is the protrusion piece taken out and loosely inserted in the counterbore part.
[0067]
The electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration can restrict the valve body portion from being displaced upward by providing the protruding piece in the counterbore portion.
[0068]
  Further, the claims of the present invention26An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim23Or claim24In the electrostatically driven semiconductor microvalve described in (1), a bonding layer for bonding the two is provided between the frame and the stopper, and the bonding layer is provided between the stopper and the valve body portion. Forming a gap.
[0069]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, the gap between the valve body portion and the stopper can be accurately secured by the bonding layer, and the flow rate range of the fluid can be accurately controlled. In addition, since the electrostatic force acting between the movable electrode layer and the fixed electrode layer is determined by the above-described gap, it is possible to design the driving voltage to be low.
[0070]
  Further, the claims of the present invention27An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim23Or claim24In the electrostatic drive type semiconductor microvalve described in (1), a concave surface is provided on a surface of the stopper facing the valve body portion.
[0071]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve with such a configuration, the gap between the valve body portion and the stopper can be accurately secured by the recess, and the flow rate range of the fluid can be accurately controlled. In addition, since the electrostatic force acting between the movable electrode layer and the fixed electrode layer is determined by the above-described gap, it is possible to design the driving voltage to be low.
[0072]
  Further, the claims of the present invention28An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim26Or claim27In the electrostatic drive type semiconductor microvalve described in 1), the stopper is sized to cover at least the entire upper surface of the frame, and has an opening in at least one of the bonding layer, the frame, or the stopper.
[0073]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve configured as described above, the valve body reduces the pressure difference between the inside and outside of the electrostatically driven semiconductor microvalve due to the opening, and even if the electrostatic force for driving the valve body is small. The part can be driven, and the minute flow rate can be controlled with high accuracy.
[0074]
  Further, the claims of the present invention29An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim28In the electrostatically driven semiconductor microvalve described in (1), a step portion of the stopper facing the valve body portion is provided with a step portion, and the step portion communicates with the opening.
[0075]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, the pressure in the electrostatically driven semiconductor microvalve can be efficiently adjusted by the step portion communicating with the opening.
[0076]
  Further, the claims of the present invention30An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim28In the electrostatic drive type semiconductor microvalve described in (1), the opening penetrates the stopper in the thickness direction.
[0077]
In the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, since the opening penetrates in the thickness direction with respect to the stopper, for example, a fluid member can be easily taken out by attaching a tubular member.
[0078]
  Further, the claims of the present invention31An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim30In the electrostatically driven semiconductor microvalve described above, a third conductive portion having conductivity is formed along the opening to the stopper surface, and the third conductive portion and the movable electrode layer side electrode pad are formed. Are electrically connected.
[0079]
The electrostatic driving type semiconductor microvalve having such a configuration is configured such that the movable electrode layer is drawn to the upper surface of the stopper by electrically connecting the movable electrode layer side electrode pad and the third conductive portion. Thus, a smaller electrostatic drive type semiconductor microvalve can be provided.
[0080]
  Further, the claims of the present invention32An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim20To claims31In the electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of the above,valve seatA fixed electrode layer side electrode pad is formed on the non-facing surface of the valve structure with respect to the valve structure, and a conductive fourth conductive portion is provided in the valve hole, and the fourth conductive portion and the fixed portion are fixed. The electrode layer and the fixed electrode layer side electrode pad are electrically connected.
[0081]
Since the electrostatic drive type semiconductor microvalve having such a configuration does not increase the chip size by taking out an electrode connected to an external power source such as the fixed electrode layer side electrode pad to the outside of the electrostatic drive type semiconductor microvalve, A smaller electrostatically driven semiconductor microvalve can be provided.
[0082]
  Further, the claims of the present invention33An electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 1 is provided.19In the electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of the above, a movable electrode layer side electrode pad and a fixed electrode layer side electrode pad are formed on a surface of the valve seat facing the frame, and the frame and the valve A conductive bonding conductive portion is provided at a location between the body and where the movable electrode layer and the fixed electrode layer are not formed, the bonding conductive portion, the movable electrode layer, and the movable electrode layer side electrode. The pad is electrically connected, and the fixed electrode layer and the fixed electrode layer side electrode pad are electrically connected.
[0083]
Since the movable electrode layer side electrode pad and the fixed electrode layer side electrode pad can be formed on the same plane in the electrostatically driven semiconductor microvalve having such a configuration, probe inspection and mounting are facilitated. .
[0084]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each figure, the structure which attached | subjected the same code | symbol shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted.
[0085]
First, a first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve according to the first embodiment, FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 1, and FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along a YY section. 3 is a cross-sectional view showing the open state in FIG. 2A, and FIG. 4 is a perspective view showing the open state. 5 and 6 described later are cross-sectional views showing modifications of the first embodiment.
[0086]
As shown in FIGS. 1 to 4, the electrostatic drive type semiconductor microvalve is configured by integrally combining a valve structure 1 and a valve seat 2 on which the valve structure 1 is mounted. Here, the vertical direction of the electrostatically driven semiconductor microvalve cannot be uniquely defined because it depends on the orientation in the actual use state, but in the description of the first embodiment, for convenience of explanation, FIGS. As shown, the vertical direction is defined such that the arrangement side of the valve seat 2 is the lower side and the arrangement side of the valve structure 1 is the upper side.
[0087]
The valve structure 1 is a so-called MEMS structure formed by micromachining a silicon substrate. The valve structure 1 has an opening 10a that opens in a substantially square shape in the central region of the main surface of the substrate and has a vertical direction (substrate thickness). The frame 10 formed in a rectangular shape in plan view from the direction), the valve body part 11 disposed in the opening 10a of the frame 10, the valve body part 11 and the frame 10 are connected, and the valve body The part 11 has four thin-walled beams 12 having flexibility that can be displaced in the vertical direction with respect to the frame 10.
[0088]
As shown in FIG. 1, in the valve structure 1, the frame 10 has a rectangular shape when viewed from above, and the opening 10 a is formed so as to be somewhat biased toward one short side of the rectangle. And the width dimension of the frame piece in the other short side is large. The valve structure 1 includes a notch 16 that opens outward at the position of the frame piece having a large width dimension.
[0089]
Further, in the opening 10a of the frame 10, a separation region that separates them between the frame 10 and the valve body portion 11 is formed so as to surround the valve body portion 11, and each beam 12 is separated from the separation region. It arrange | positions in the lower part side of the valve structure 1, and connects the lower end part of the inner wall of the flame | frame 10, and the lower end part of the valve body part 11. FIG.
[0090]
Here, in the first embodiment, in the valve structure 1, the portion above the beam 12 in the above-described separation region is dug and formed by anisotropic etching. Therefore, the inner wall of the frame 10 and the valve body portion are formed. The outer peripheral side wall 11 is an inclined surface having a taper shape in which the above-mentioned separation region narrows downward in the width direction. Note that the isolation region described above may be one that has been dug vertically by dry etching such as RIE (reactive ion etching) or ICP (inductive recoupled plasma).
[0091]
Further, the four beams 12 supporting the valve body portion 11 are images obtained by rotating the beam 12 when the valve structure 1 is rotated 90 degrees about the valve body portion 11 when viewed from above. Is substantially bowl-shaped so as to overlap with another beam 12 adjacent thereto. More specifically, each of the four beams 12 is connected to one side of two sides of the inner wall of the frame 10 whose base ends intersect at the inner corners at positions near the inner corners of the frame 10. And extending from the proximal end toward the distal end along the space between the inner wall on the other side intersecting at the inner corner of the frame 10 and the sidewall of the valve body 11 (separation region), The tip is bent toward the valve body 11 and connected to the corner of the valve body 11.
[0092]
In the first embodiment, the beam 12 is disposed not between the frame 10 and the valve body 11 so that the four beams form a substantially bowl shape instead of connecting the frame 10 and the valve body 11 at the shortest distance. Since the length of the beam 12 can be increased even if the width of the separation region is narrow, the size of the valve structure 1 can be easily reduced. Further, when the valve body portion 11 is displaced upward, a displacement stroke up to a high position is possible with rotation on a plane parallel to the substrate main surface.
[0093]
Further, in the first embodiment, a metal layer 14 such as aluminum is formed on the lower surface of the valve structure 1, that is, the lower surface of the frame 10, the valve body portion 11, and each beam 12, and the valve structure A metal layer 15 made of aluminum or the like is also formed on the upper surface and side surface of 1 so as to cover the frame 10, the valve body part 11, and each beam 12. It is connected integrally around the part. An insulating layer 3 is formed on the lower surface of the metal layer 14 to prevent the metal layer 14 from conducting to the valve seat 2 side.
[0094]
In the first embodiment, of the metal layer 14 formed on the lower surface of the valve structure 1, the lower surface portion of the valve body portion 11 functions as the movable electrode layer 13 facing the fixed electrode layer 21 of the valve seat 2 described later. It is supposed to be. In addition, an aluminum layer 4 for bonding to the upper surface of the valve seat 2 is provided in a strip shape at both ends on the long side of the lower surface of the valve structure 1.
[0095]
Here, in a preferred embodiment of the present invention, it is desirable that the beam 12 has an elastic force that presses the valve body portion 11 against a region around the opening of the valve hole 20 in the valve seat 2. That is, this elastic force can surely obtain a good contact state of the valve body part 11 with respect to the valve hole 20. For example, assuming that the electrostatic drive type semiconductor microvalve is used in a state where the valve structure 1 and the valve seat 2 are disposed upside down, the gravity due to the weight of the valve body 11 is 11 acts in a direction away from the valve hole 20, but if the beam 12 has the aforementioned elastic force, the contact state of the valve body portion 11 with respect to the valve hole 20 can be maintained against gravity.
[0096]
In order to obtain the above-described elastic force, the semiconductor microvalve of the first embodiment is such that the lower surface of the valve body portion 11 is joined to the lower surface of the valve structure 1 before the valve structure 1 is mounted on the valve seat 2. The beam 12 is bent downward in a no-load state (a state where no external force is applied) so as to be positioned below the portion (the lower surface of the bonding aluminum layer 4).
[0097]
By doing so, when the valve structure 1 is mounted on the upper surface of the valve seat 2 and joined and integrated via the joining aluminum layer 4, the lower surface of the valve body portion 11 is connected to the joining aluminum layer 4. Prior to hitting the upper surface of the seat 2, the valve body 11 comes into contact with the valve seat 2 surface (around the valve hole 20), and as a result, when the valve structure 1 is joined to the valve seat 2, As a result, the beam 12 bends upward as compared with the unloaded state, and a restoring elastic force to the original position is generated in a direction of pressing the valve body portion 11 against the valve seat 2.
[0098]
In order to realize this state, in the first embodiment, the insulating layer 3 is made of SiO.2By using a thin film layer having a linear expansion coefficient (α) larger than that of silicon, which is a constituent material of the beam 12, such as a film or polyimide, the beam 12 is bent downward in the state before the above-described joint integration. Can be made. That is, when α is larger than silicon as the material of the insulating layer 3, for example, in the film forming process of the insulating layer 3, when the film is formed under heating and then cooled, Due to the difference in expansion coefficient, a difference occurs in the thermal contraction rate due to cooling, and a residual stress that causes the insulating layer 3 having a large thermal contraction to deform silicon downward is generated at these interfaces.
[0099]
Therefore, the thinly formed beam 12 is distorted by the residual stress, and the tip side is bent downward. In the beam 12, the metal layer 14 is interposed between the silicon at the core and the insulating layer 3, but the strain stress due to the thermal contraction rate cancels out with the metal layer 15 on the upper surface side of the beam 12. The presence of the metal layer 14 is not particularly problematic.
[0100]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a modification of the first embodiment. As shown in FIG. 5, the electrostatically driven semiconductor microvalve (valve structure 1) is a part of the valve body 11. Only the thickness of the insulating layer 3 can be increased, or the thickness of the metal layer 14 (movable electrode layer 13 portion) can be increased so that the lower surface of the valve body 11 protrudes downward. In addition, when the lower surface of the valve body 11 protrudes below the joint surface of the valve seat 2 before joining with the valve seat 2 as described above, when the valve structure 1 is mounted and integrated on the valve seat 2. Further, the downward projecting dimension of the lower surface of the valve body portion 11 becomes a vertical margin, and an effect that secure contact between the lower surface of the valve body portion 11 and the valve seat 2 can be expected.
[0101]
Next, the valve seat 2 will be described. For example, as shown in FIG. 2, in the first embodiment, the valve seat 2 is formed to be a rectangle having substantially the same size as the outer size of the valve structure 1 by processing a glass substrate. The valve seat 2 includes a valve hole 20 penetrating from the lower surface to the upper surface at a position corresponding to the valve body portion 11. The valve hole 20 has a tapered shape that is dug from the lower surface of the glass substrate and narrows toward the opening on the upper surface.
[0102]
A fixed electrode layer 21 made of a metal layer such as aluminum is formed on the upper surface of the valve seat 2 in a region facing the bottom surface of the valve body 11. On the upper surface of the valve seat 2, an electrode pad 22 for external connection (hereinafter referred to as an external connection pad) 22 is formed at a position corresponding to the notch 16 of the valve structure 1. The connection pad 22 and the fixed electrode layer 21 are connected by a wiring path 23, and a voltage can be applied to the fixed electrode layer 21 by connecting the external connection pad 22 to an external power source.
[0103]
Further, on the upper surface of the valve seat 2, for example, an annular groove 24, which is an annular groove portion, is formed so as to surround the opening peripheral edge portion 25 of the valve hole 20. An end (hereinafter referred to as the other end of the annular groove 24 is referred to as the other end) is a communicating groove portion that extends to the long side end of the valve seat 2 and opens to the outside. ) 24a (see FIG. 14 described later).
[0104]
In the first embodiment, the electrostatically driven semiconductor microvalve is configured by mounting the valve structure 1 on the valve seat 2 and combining and integrating the both, and the valve structure 1 is configured by both the valve seat 2 and the valve structure 2. The connection fixing is performed by anodic bonding of the valve structure 1 to the upper surface of the valve seat 2 via a bonding aluminum layer 4 provided on the lower surface of the valve structure 1. At this time, as shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B), the insulating layer 3 ensures electrical insulation between the valve structure 1 and the valve seat 2, and the valve body portion 11 is composed of a movable electrode. In an initial state where no voltage is applied to the layer 13 and the fixed electrode layer 21, the contact pressure contacts the fixed electrode layer 21 of the valve seat 2 and closes the valve hole 20. As shown in FIGS. 3 and 4, when a fluid pressure is applied to the valve hole 20 from below in this initial state, the valve body portion 11 is pushed up when the large fluid pressure becomes larger than the contact pressure. The hole 20 is opened.
[0105]
On the other hand, when a voltage is applied between the movable electrode layer 13 and the fixed electrode layer 21, an electrostatic force is generated between the movable electrode layers 13 and 21 via the insulating layer 3, and the valve hole 20 is firmly closed. Note that by appropriately adjusting the magnitude of the applied voltage, the opening amount of the valve hole 20 can be adjusted, and further, the amount of fluid leakage can be controlled.
[0106]
In the electrostatic drive type semiconductor microvalve, since the valve body portion 11 is in a position to close the valve hole 20 in the initial state, the valve body portion is applied when the valve hole 20 is forcibly closed by electrostatic force by applying a voltage. The energy for displacing 11 is unnecessary, and the necessary electrostatic force is only the force required to resist the pressure of the fluid flowing through the valve hole 20. In addition, since the distance between the movable electrode layer 13 and the fixed electrode layer 21 is substantially only the thickness of the insulating layer 3, the maximum electrostatic force can be efficiently obtained from the beginning of the voltage application. Therefore, the energy required to close the valve hole 20 is very efficient, so that power consumption is small.
[0107]
In the first embodiment, as shown in FIG. 2, the surface height of the fixed electrode layer 21 is flat on both the inner side and the outer side across the annular groove 24, and the lower surface (insulating layer 3) of the valve body part 11. The surface is also a flat surface. Therefore, when the valve hole 20 is closed, the surface of the fixed electrode layer 21 and the lower surface of the valve body portion 11 are in close contact with each other over a wide area, so that the valve hole 20 is sealed at the moment of closing and opening. If the air at the interface cannot be vented, the open / close response may be deteriorated due to the damper effect. Air can be released from the sealed interface, and the opening / closing response is relatively good. Further, the fluid flowing out from the valve hole 20 is smoothly discharged by the annular concave groove 24 and the escape groove 24a.
[0108]
In the first embodiment, the opposing area of the movable electrode layer 13 and the fixed electrode layer 21 is substantially equal to the area of the lower surface of the valve body 11, but the modified embodiment shown in FIGS. 6 (A) and 6 (B). As described above, the size of the fixed electrode layer 21 may be increased so as to face the lower surface of the beam 12. Here, FIG. 6 shows a modified form in which the fixed electrode layer 21 is enlarged in FIG. 2, and FIG. 6 (A) is a cross-sectional view corresponding to the XX cross section of FIG. FIG. 6B is a cross-sectional view of a cross section corresponding to the YY cross section of FIG. In this case, the metal layer 14 on the lower surface of the beam 12 also functions as a part of the movable electrode layer 13 and the facing area is increased, so that a larger electrostatic force is obtained, the closing force of the valve hole 20 is increased, and power consumption is increased. It is advantageous for reduction.
[0109]
On the other hand, in the electrostatically driven semiconductor microvalve, the ease of opening when the valve hole 20 is opened depends on the magnitude of the contact pressure of the valve body 11, and the contact pressure of the valve body 11 is This generally depends on the support force of the valve body 11 by the beam 12. In the first embodiment, the beam 12 has four substantially bowl-shaped arrangements. Therefore, there is a tension escape place compared to the case where the valve body portion 11 is supported by, for example, a diaphragm or a cross beam, and the beam length is long. Can be relatively large, and the upward displacement stroke is also large, so that the opening of the valve hole 20 is good.
[0110]
In addition, the contact pressure of the valve body part 11 with respect to the valve seat 2 adjusts the support rigidity with which the beam 12 supports the valve body part 11 by changing the width dimension, thickness dimension, or length dimension of the beam 12. It can be designed as appropriate.
[0111]
As described above, in the electrostatically driven semiconductor microvalve, good control of fluid and low power consumption can be achieved at a high level. Furthermore, the electrostatic drive type semiconductor microvalve is expected to function as a check valve when fluid pressure is applied from above because the valve hole 20 is closed by the valve body 11 in the initial state.
[0112]
Next, another embodiment will be described based on FIG. 7 as a second embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view of the valve seat 2 in the second embodiment, and is a cross-sectional view showing a modified embodiment in which the periphery of the valve hole 20 is raised in the electrostatically driven semiconductor microvalve of the first embodiment.
[0113]
As shown in FIG. 7, for example, the valve seat 2 projects the opening peripheral edge 25 ′ of the valve hole 20 in the valve seat 2 into a ring shape that is one step higher than the periphery of the valve seat 2, and the tip surface thereof is the valve hole 20. It is set as the structure which becomes a sealing surface contact | abutted with the valve body part 11 in a closed state.
[0114]
In this case, it is the same as the case described above in the first embodiment that “the lower surface of the valve body portion 11 is positioned below the bonding portion of the lower surface of the valve structure 1 (the lower surface of the bonding aluminum layer 4)”. Furthermore, since the beam 12 is provided with an elastic force that presses the valve body 11 against the opening peripheral edge 25 ', a good contact state can be obtained. That is, on the upper surface of the valve seat 2, the opening peripheral portion 25 ′, which is an annular protrusion, protrudes one step higher, so that the opening peripheral portion 25 ′ is the valve body portion when the valve structure 1 is mounted on the valve seat 2. It is because it becomes easy to hit 11. When the valve structure 1 is joined and fixed to the valve seat 2, the opening peripheral edge 25 ′ pushes up the valve body 11, and the beam 12 is bent upward accordingly, so that a restoring elastic force is generated downward. It becomes.
[0115]
In addition, in 2nd Embodiment, although the case where the opening peripheral part 25 'which is a cyclic | annular protrusion part was formed one step higher than the circumference | surroundings was given, the valve seat 2 and the valve body part 11 are the same way of thinking. An annular protrusion (not shown) that includes the opening of the valve hole 20 inside is separately provided on either one of the opposing surfaces, and the tip surface of the annular protrusion is in a closed state of the valve hole 20. In this case, the sealing surface may be in contact with the valve body 11.
[0116]
Further, in the second embodiment, the opening peripheral edge portion 25 ′ that is an annular projecting portion is formed on the surface of the valve seat 2 that faces the valve body portion 11, but the valve hole 20 faces inward in plan view. You may form in the opposing surface to the valve seat 2 in the valve body part 11 so that it may include.
[0117]
By the way, in general, when moisture is present in the interface between two parallel surfaces that are in close contact with each other, compared to a dry state, the two close surfaces are not easily dissociated, so-called interfacial adhesion phenomenon. May occur. Depending on the use conditions, the electrostatic drive type semiconductor microvalve has the bottom surface of the valve body portion 11 (the surface of the insulating layer 3) and the fixed electrode layer of the valve seat 2 in a state where the valve hole 20 is closed by the valve body portion 11. It is assumed that moisture exists in the contact interface with the surface 21, and in this case, an interface sticking phenomenon occurs, and the valve body portion 11 is difficult to dissociate from the contact state with the valve seat 2. In order to solve such an interfacial adhesion phenomenon, the electrostatic drive type semiconductor microvalve has a lower surface (surface of the insulating layer 3) of the valve body portion 11 and an opposing surface (surface of the fixed electrode layer 21) on the valve seat 2 side. It is effective to provide a sticking prevention means for preventing the above-mentioned interfacial sticking phenomenon on the surface of at least one of the contact sites in FIG.
[0118]
Next, an embodiment in which the electrostatic drive type semiconductor microvalve is provided with an anti-adhesion means will be described as a third embodiment with reference to FIGS. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the valve seat 2 in the third embodiment. 9 to 11 are diagrams showing modifications of the third embodiment.
[0119]
The valve seat 2 includes a minute protrusion 24 b as a sticking prevention means on the surface of the fixed electrode layer 21.
The microprotrusions 24b prevent the formation of a uniform thin layer of moisture at the interface, thereby preventing the valve body 11 and the valve seat 2 from sticking to each other. Note that if the protrusion height is too large, the minute protrusion 24b causes undesirable leakage of fluid from the contact interface, so that the fluid leakage amount from the contact interface is within a permissible range.
[0120]
In addition, the sticking prevention means is a portion where a desired surface roughening treatment or a desired hydrophobic treatment is applied to the surface of the insulating layer 3 or the fixed electrode layer 21 of the valve body 11 in addition to the minute protrusions 24b. It may be a place where both the desired surface roughening treatment and the desired hydrophobic treatment have been performed. Further, the sticking prevention means may be one in which the microprojections 24b have been subjected to a surface roughening treatment, or the microprojections 24b may be subjected to a hydrophobic treatment, or the microprojections 24b may be subjected to a surface treatment. What gave both the roughening process and the hydrophobization process may be used.
[0121]
Further, a modification of the third embodiment will be described. For example, as shown in FIG. 9, the valve body portion 11 may be formed thinner than the frame 10 by removing the upper surface side. FIG. 9 is a cross-sectional view showing the valve body 11 in the third embodiment (a valve body showing a modified embodiment in which the thickness of the valve body 11 is reduced in the electrostatically driven semiconductor microvalve of the first embodiment). It is sectional drawing of the part 11. In this case, since the mass of the valve body part 11 becomes small, it becomes easy to displace, and it becomes easy to open and close the valve hole 20. For example, the method of thinning the valve body portion 11 may be to etch and scrape the silicon portion before forming the metal layer 15. In this case, the entire thickness of the valve body portion 11 is reduced.
[0122]
Here, FIG. 10 is a plan view showing a modified form of the valve body 11 in the third embodiment, and the surface on which the movable electrode layer 13 is formed in the electrostatically driven semiconductor microvalve of the first embodiment. It is the figure which provided the reinforcing rib 11a in the surface on the opposite side. When the valve body part 11 is thinned, as shown in FIG. 10, the upper surface of the valve body part 11 is preferably provided with a reinforcing rib 11a so as to reinforce the thinned and reduced strength.
[0123]
As another thinning method, the recess 11b may be dug and formed on the upper surface of the valve body 11 as shown in FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view showing a modified form of the valve body 11 in the third embodiment, which is opposite to the surface on which the movable electrode layer 13 is formed in the electrostatically driven semiconductor microvalve of the first embodiment. It is the figure which formed the recess 11b in the surface of the side, and was thinned. The recess 11b can be formed by digging the silicon substrate portion of the valve body 11 by etching so as to leave a predetermined thickness from above.
[0124]
Here, an example of a method for forming the valve structure 1 and the valve seat 2 in the semiconductor microvalve of the first embodiment will be briefly described with reference to FIGS.
[0125]
12A and 12B are process diagrams showing a processing process of the upper surface side structure of the valve structure 1. In FIG. 12, the process of the valve structure 1 at the chip level is described, but in actuality, the structure is formed for each cell in the state of a silicon wafer and then cut into individual chips. It is.
[0126]
First, as shown in FIG. 12A, the silicon substrate 100 is removed from the surface 102 of the upper surface portion of the valve body portion 11 except for the surface 103 to be the opening 10a and the surface 104 to be the notch 16. Resist or SiO 2 on the upper surface 101 of the frame 102Masked with a film, SiN film or the like. Then, as shown in FIG. 12B, the isolation region 107 and the notch equivalent concave portion 108 are dug out by anisotropic etching, leaving a thin thickness portion at the bottom, whereby the frame equivalent portion 105, the valve which is the remaining portion, and the valve A body equivalent portion 106 is formed.
[0127]
Next, a processing process of the lower structure of the valve structure 1 will be described. 13A to 13E are process diagrams showing a processing process of the lower surface side structure of the valve structure 1.
[0128]
First, as shown in FIG. 13A, the silicon substrate 100 on which the surface-side structure has been formed is turned over, and as shown in FIG. 13B, a metal layer such as aluminum or chromium is placed on the lower surface facing upward. 14 (for example, about 1 μm) is formed on the entire surface by sputtering or the like, and an insulating layer 3 is formed on the entire surface as shown in FIG. Then, as shown in FIG. 13 (D), a mask having a predetermined shape is applied to the surface of the insulating layer 3, and then a slit penetrating the separation region 107 formed on the opposite surface is formed so that the frame 10 and the valve body portion 11 are connected. A four rod-shaped beam 12 that separates and connects them is formed.
[0129]
At the same time, an opening is formed so as to penetrate the notch equivalent recess 108 to form the notch 16. A metal layer 15 is formed from the opposite surface side by sputtering or the like. Then, when the bonding aluminum layer 4 (for example, about 1 μm thick) is formed by sputtering or the like on both ends of the long side of the chip on the surface of the insulating layer 3, the structure of the valve structure 1 is completed.
[0130]
Next, the processing process of the valve seat 2 will be described with reference to FIG. 14A to 14C are process diagrams sequentially illustrating the process of forming the valve seat 2 from the glass substrate, and FIG. 14D is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. As shown in FIG. 14A, a glass substrate is prepared. As shown in FIG. 14B, a valve hole 20 penetrating from the lower surface to the upper surface of the glass substrate is formed and the valve hole 20 is formed. An annular concave groove 24 and a relief groove 24a are formed by sandblasting or the like so as to surround the upper surface opening of the first groove.
[0131]
Then, as shown in FIGS. 13C and 13D, after a metal layer is formed on the entire surface by sputtering, the remaining portions corresponding to the fixed electrode layer 21, the communication wiring path 23, and the external connection pads 22 are formed. The metal layer other than the remaining portion is removed by etching using a mask to form the fixed electrode layer 21, the wiring path 23, and the external connection pad 22. Thereby, the valve seat 2 is created.
[0132]
In addition, the process of the processing method described here is only an example of the formation method of the valve structure 1, and a known process technique can be adopted according to a change in shape and configuration, and the process design can be appropriately combined. For example, if the valve structure 1 is formed using an SOI substrate, the thickness design of the valve structure 1 can be easily performed in the processing process, which is preferably employed.
[0133]
Further, another modified embodiment will be described as a fourth embodiment with reference to FIGS. 15 to 23. FIG. 15 is a plan view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve in the fourth embodiment (in the first to third embodiments, the movable electrode layer 13 is constituted by a conductive diffusion layer by impurity doping into a silicon substrate. FIG. 6 is a plan view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve having a modified embodiment.
[0134]
16 is a plan view of the valve structure 1 as viewed from the mounting side on the valve seat 2. FIG. 17 is a cross-sectional view of the valve structure 1 in FIG. FIG. 3 is a perspective view of the valve seat 2. FIG. 19 is a graph showing the relationship between the electrostatic force between the electrodes and the relative dielectric constant of the insulating layer 3 between the electrodes (movable electrode layer 13 and fixed electrode layer 21) that oppose each other via the insulating layer 3. is there. In addition, FIG. 20, FIG. 21 mentioned later is a top view which shows the modification of 4th Embodiment.
[0135]
In the semiconductor microvalve in the fourth embodiment, as shown in FIGS. 16 and 17, instead of forming the metal layer 14 on the lower surface of the valve structure 1, the lower surface of the silicon substrate is processed during the processing of the silicon substrate. A conductive diffusion layer 17 is formed by doping impurities. The conductive diffusion layer 17 is formed on the lower surface of the frame 10, the valve body portion 11, and the beam 12, and the lower surface portion of the valve body portion 11 functions as the movable electrode layer 13. In this modification, the metal layer 15 is not formed on the upper surface side of the valve structure 1. Instead, a nitride film (SiN) (not shown) is formed on the upper surface of the valve structure 1.
[0136]
Since this nitride film has a linear expansion coefficient smaller than that of the silicon substrate, the upper surface side of the beam 12 is caused by the difference in linear expansion coefficient between this nitride film and silicon when the heat at the time of forming this nitride film cools down. Residual stress is generated at these interfaces, causing the beam 12 to bend downward. Thereby, the lower surface of the valve body part 11 protrudes downward in the state before mounting to the valve seat 2. The significance of this is as already described above.
[0137]
As in the first to third embodiments described above, the insulating layer 3 is formed on the surface of the conductive diffusion layer 17, and the bonding aluminum is formed at both ends on the long side of the lower surface of the valve structure 1. Layer 4 is formed. In this modification, a contact hole 31 reaching the conductive diffusion layer 17 is formed in a part of the insulating layer 3 at the lower surface position of the frame 10, and the conductive diffusion layer 17 is formed in a portion where the contact hole 31 is formed. A valve-side electrode 5 that is electrically connected through the contact hole 31 and is exposed on the surface of the insulating layer 3 is formed. As will be described later, the valve side electrode 5 is formed as a bump electrode to facilitate connection to the valve seat 2 side.
[0138]
In the fourth embodiment, the valve seat 2 has two external connection pads 22 and 26 on the upper surface thereof. Here, for convenience of explanation, the former is a first external connection pad 22 and the latter is a second external connection pad 26. The first external connection pad 22 and the second external connection pad 26 are electrically independent of each other, and the cutout portion 16 of the valve structure 1 is seen in a plan view of the electrostatically driven semiconductor microvalve as viewed from above. It is exposed at.
[0139]
Further, a receiving pad 27 for energizing the valve is formed at a position corresponding to the valve side electrode 5 on the upper surface of the valve seat 2, and the receiving pad 27 and the second external connection pad 26 are for communication. These wiring paths 28 are connected. When the valve structure 1 is mounted and integrated on the valve seat 2, the valve side electrode 5 coincides with and is connected to the receiving pad 27. In this modification, since both the first external connection pad 22 and the second external connection pad 26 are exposed at the notch 16, the connection to the external power source can be easily performed.
[0140]
By the way, in the fourth embodiment, in the initial state, the movable electrode layer 13 on the lower surface side of the valve body 11 and the fixed electrode layer 21 on the valve seat 2 face each other with the insulating layer 3 interposed therebetween. Therefore, in order to efficiently obtain a larger electrostatic force, it is effective to increase the dielectric constant of the insulating layer 3. The graph of FIG. 19 is a graph under a condition where the applied voltage is constant. As can be seen from this graph, the relative dielectric constant of the insulating layer 3 between the electrodes (movable electrode layer 13 and fixed electrode layer 21) is as follows. In the initial range where it begins to increase, the electrostatic force increases with a steep gradient, after which the gradient tends to be gradual. Therefore, it is preferable to select an insulating material having a high dielectric constant as the material of the insulating layer 3. For example, SiO2Since the relative dielectric constant is 4 and SiN is 7, an insulating material having a higher dielectric constant (for example, a relative dielectric constant of 30 or more) may be used. Specific examples of high dielectric constant materials include BaTiOThree(Dielectric constant 100-300), SrTiOThree(Relative dielectric constant 100-300), (Ba, Sr) TiOThree(Relative dielectric constant 300-1000) etc. can be illustrated.
[0141]
Here, FIG. 20 is a plan view showing an aspect in which chamfered portions 12a are provided at the corners of the corners of the beam 12 of the valve structure 1 in the electrostatically driven semiconductor microvalve according to the fourth embodiment. (A) is an enlarged view of a portion indicated by a dotted line H1 in FIG. 20, and FIG. 21 (B) is an enlarged view of a portion indicated by a dotted line H2.
[0142]
In the fourth embodiment, as a modified form thereof, as shown in FIGS. 20, 21 (A), and (B), a corner corner at a base portion where the beam 12 is connected to the frame 10 or the valve body portion 11, The chamfered portion 12 a may be formed at the corner of the corner formed in the bent portion of the beam 12. Since the beam 12 is thin, if one stress is concentrated at the corner of the corner, cracks are likely to occur at the stress-concentrated portion. However, stress concentration is prevented by forming the chamfered portion 12a at the corner of the beam 12. It is possible to prevent the beam 12 from being damaged. The chamfered portion 12a can be formed as a C surface or an R surface, for example.
[0143]
Moreover, in 4th Embodiment, although the double-supported type microvalve which supports the valve body part 11 with the four beams 12 of the substantially bowl-shaped arrangement | positioning was demonstrated, another deformation | transformation form can be illustrated. FIG. 22 is a plan view showing an aspect in which the beam 12 is formed into a so-called cantilever shape, and is a modified form in which the beam 12 is shaped so as to go around the separation region of the frame 10 and the valve body 11. FIG. 23 is a plan view showing another mode in which the beam 12 is cantilevered, and is a modified form in which the beam 12 is formed into the most common one-letter-shaped cantilever shape.
[0144]
Next, an embodiment provided with a stopper for restricting the displacement of the valve body 11 will be described as a fifth embodiment with reference to FIGS. 24 to 26 are cross-sectional views showing the electrostatic drive type semiconductor microvalve in the fifth embodiment (one aspect of the semiconductor microvalve in which the glass stopper 6 is provided in the electrostatic drive type semiconductor microvalve in the first embodiment). FIG.
[0145]
FIG. 27 is a perspective view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve provided with a glass stopper 6 in part in the fifth embodiment. FIG. 28A is a plan view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve in which a stopper piece 7 is provided in the structure of the valve structure 1 in the fifth embodiment, and FIG. It is sectional drawing in a cross section.
[0146]
First, in the fifth embodiment, as shown in FIGS. 24 to 27, a glass stopper (hereinafter referred to as a glass stopper) 6 is provided as an example of a stopper for restricting the displacement of the valve body 11.
[0147]
The electrostatically driven semiconductor microvalve shown in FIG. 24 has a configuration including a glass stopper 6 in the specific example shown in FIGS. 1 to 4 as the first embodiment. In this structure, a counterbore 61 that is a recess for securing a gap with the upper surface of the valve body 11 is formed on the lower surface of the glass stopper 6. In this example, since the upper surface of the frame 10 is also covered with the metal layer 15, the glass stopper 6 can be fixed by anodic bonding. Of course, the glass layer 6 may be directly anodically bonded to the frame 10 without providing the metal layer 15 on the frame 10.
[0148]
The counterbore 61 in FIG. 24 can be formed, for example, by removing a portion of the glass stopper 6 facing the valve body 11 by a predetermined thickness using sandblast. In this case, sand blasting can be formed at a high speed compared with etching of silicon or the like, and thus is suitable for a valve application for obtaining a large flow rate.
[0149]
On the other hand, the electrostatically driven semiconductor microvalve shown in FIG. 25 has a configuration including a flat glass stopper 6 in the specific examples shown in FIGS. 15 to 18 which are the fourth embodiment. In this example, a stopper bonding aluminum layer 8 as a stopper bonding layer is formed on the upper surface of the frame 10 with a thickness sufficient to secure a gap, and the glass stopper 6 is interposed via the stopper bonding aluminum layer 8. Anodically bonded on the frame 10. The stopper bonding aluminum layer 8 can be set with a thickness of about 0.1 μm by using a semiconductor process such as sputtering, so that a gap between the valve body 11 and the glass stopper 6 is ensured with high accuracy. it can.
[0150]
As described above, the electrostatically driven semiconductor microvalve is provided with the glass stopper 6 so that, for example, when a large fluid pressure is applied to the valve hole 20, the valve body portion 11 exceeds the allowable deflection of the beam 12. Displacement and damage to the beam 12 can be prevented.
[0151]
In addition, the electrostatic drive type semiconductor microvalve shown in FIG. The thickness processing of the valve body part 11 is performed, for example, by removing a predetermined thickness by anisotropically etching the surface of the valve body part 11 with respect to the glass stopper 6 with a solution such as KOH. You may process beforehand so that it may become thinner than the thickness of the flame | frame 10. In this case, the predetermined thickness removed by anisotropic etching is such a thickness that a sufficient gap is ensured between the upper surface of the valve body 11 and the lower surface of the glass stopper 6 when the valve body 11 is displaced. In anisotropic etching, it can be set with an accuracy of 1 μm or less. In FIG. 26, for example, the glass stopper 6 is directly anodically bonded to the frame 10.
[0152]
Here, in the electrostatic drive type semiconductor microvalve shown in FIGS. 24 and 26, the glass stopper 6 has a size that covers the entire surface of the frame 10 (not shown). If the space | interval which ensures the gap of the upper surface of the valve body part 11 and the lower surface of the glass stopper 6 is ensured when the space | interval of the valve body part 11 is displaced, for example, FIG. As shown in FIG. 27, the size configuration may cover a part of the frame 10.
[0153]
In the fifth embodiment, the stopper is made of glass, but, for example, a resin material can also be used. In this case, since processing such as press molding is easy, the stopper is formed at low cost.
[0154]
In such an electrostatic drive type semiconductor microvalve, the glass stopper 6 restricts the displacement of the valve body portion 11 to prevent the displacement of the valve body portion 11 from being excessive and to destroy the valve body portion 11. To prevent. Further, by forming the gap between the valve body 11 and the glass stopper 6 with high accuracy, the control of the fluid flow rate range can be performed with high accuracy. In addition, since the electrostatic force acting between the movable electrode layer 13 and the fixed electrode layer 21 is determined by the above-described gap, it is possible to design the driving voltage to be low.
[0155]
Here, instead of providing the glass stopper 6 in the electrostatically driven semiconductor microvalve in the fifth embodiment, as shown in FIGS. 28 (A) and (B), a protruding piece is formed in the structure of the valve structure 1. The stopper piece 7 may be provided. In FIG. 28, a counterbore portion 9 that opens to the lower side and the inner side is formed on a part of the inner wall portion of the frame 10, and the stopper piece 7 extends from a part of the side portion of the valve body portion 11 to the frame 10. It extends toward and is introduced into the counterbore part 9, and the stopper piece is in a loose insertion state with an interval with respect to the inner wall of the counterbore part 9. When the valve body portion 11 is displaced upward, the stopper piece 7 hits the top surface of the counterbore portion 9 so that the upward displacement of the valve body portion 11 is regulated.
[0156]
In forming the stopper piece 7 and the spot facing portion 9, for example, in the separation region between the spot facing portion 9 and the stopper piece 7, the substrate thickness direction is formed by digging by etching from the lower surface, The parallel direction can be engraved by sacrificial layer etching. At this time, it is convenient to use an SOI substrate having a buried oxide film at a position to be removed by the sacrifice layer. 28 shows an example in which the stopper piece 7 is provided at one location on the valve body portion 11, but it may be formed on each of the four side surfaces of the valve body portion 11. Instead of from the side, the beam 12 may protrude sideways on the tip side. The protruding piece may be formed in the structure of the valve structure 1.
[0157]
Next, an embodiment in which an opening is provided in the frame 10, the stopper, and the stopper bonding layer will be described as a sixth embodiment with reference to FIGS. FIG. 29 is a cross-sectional view and a perspective view ((A) is a cross-sectional view and (B) is a perspective view) showing an electrostatically driven semiconductor microvalve in the sixth embodiment. 30 and 31 are cross-sectional views showing modifications of the electrostatically driven semiconductor microvalve in the sixth embodiment.
[0158]
The electrostatic drive type semiconductor microvalve shown in FIG. 29 has a configuration provided with a hole 6a which is a fine opening functioning as a discharge port in the specific example shown in FIG. 25 which is the fifth embodiment. In FIG. 25, the stopper bonding aluminum layer 8 is partially removed, and the stopper bonding aluminum layer 8 is removed by a normal semiconductor process to form the hole 6a. In this case, the space S formed between the bulb structure 1 and the glass stopper 6 is not completely closed due to the presence of the hole 6a, but is almost close to the closed space. The glass stopper 6 covers the entire surface of the frame 10, but in FIG. 29B, for convenience, the glass stopper 6 is illustrated with the upper portion of the hole 6a removed.
[0159]
Here, since the hole 6a is formed by a semiconductor process, the processing is performed with high accuracy, so that the pressure in the space S can be easily adjusted. Further, when the valve body 11 is driven, the air damper is communicated between the valve structure 1 and the glass stopper 6 through the hole 6a so that the outside of the electrostatically driven semiconductor microvalve communicates with the space S. In addition, the valve body 11 can be prevented from being destroyed. The opening length in the vertical direction of the hole 6a (h in FIG. 29) is fine, but the fineness is about the same order as the opening diameter (diameter) of the valve hole 20. For example, when the opening diameter (diameter) of the valve hole 20 is 0.3 mm, the opening length in the vertical direction of the hole 6a is about 0.1 mm to 0.3 mm. The opening length in the vertical direction of the hole 6a is preferably equal to or smaller than the opening diameter of the valve hole 20.
[0160]
Other variations are shown in FIGS. 30 and 31. The electrostatic drive type semiconductor microvalve shown in FIG. 30 is a hole which is an opening by removing a part of the frame 10 by a processing technique such as etching in the specific example shown in FIG. 26 which is the fifth embodiment. It is an example which formed the part 6a. Further, the electrostatic drive type semiconductor microvalve shown in FIG. 31 does not have the stopper bonding aluminum layer 8 in FIG. 25 and can be formed in the same manner as the counterbore part 61 shown in FIG. A step portion 61a extending to the outer edge of the type semiconductor microvalve is provided, and a part of the frame 10 on the outer edge side of the step portion 61a is removed to have a hole portion 6a.
[0161]
For example, when the step 61a is formed to a depth of about several tens of μm by sandblasting or the like, the hole 6a can be formed simultaneously with the formation of the step 61a. In this case, the height in the vertical direction of the hole 6a is equal to the height of the stepped portion 61a, but the size in the width direction can be freely controlled by the mask shape during processing. Can be done efficiently.
[0162]
In such an electrostatically driven semiconductor microvalve, the pressure of the fluid in the space S is higher than the pressure outside the hole 6a, that is, outside the electrostatically driven semiconductor microvalve due to the hole 6a. The pressure difference between the fluid pressure flowing into the electrically driven semiconductor microvalve and the pressure in the space S is reduced, and the valve body 11 can be driven even if the electrostatic force for driving the valve body 11 is small. In addition, it is possible to provide an electrostatically driven semiconductor microvalve capable of controlling a minute flow rate with high accuracy.
[0163]
In the sixth embodiment, the fine holes 6a that are openings are exemplified in the frame 10, the glass stopper 6, and the stopper bonding aluminum layer 8, but at least the frame 10 If the glass stopper 6 or the stopper bonding aluminum layer 8 is formed, the hole 6a is formed so as to extend over the frame 10, the glass stopper 6 or the stopper bonding aluminum layer 8. Of course.
[0164]
Next, an embodiment showing a different electrode lead-out structure in the first embodiment will be described as a seventh embodiment with reference to FIG. 32 is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along the line YY in FIG. 1) showing the electrostatically driven semiconductor microvalve in the seventh embodiment.
[0165]
As shown in FIG. 32, in the YY cross section shown in FIG. 2B, the electrostatically driven semiconductor microvalve is a non-facing surface of the frame 10 with respect to the valve seat 2 (the valve structure in FIG. 32). 1 is provided with a movable electrode layer-side electrode pad 30 that is electrically connected to the movable electrode layer 13 through the frame 10.
[0166]
Further, a fixed electrode layer side electrode pad 300 is formed on a non-facing surface of the valve seat 2 with respect to the valve structure 1 (the lower surface of the valve seat 2 in FIG. 32). A wiring path or the like that is the fourth conductive portion 32 electrically connected to the fixed electrode layer side electrode pad 300 is formed, and the fourth conductive portion 32 and the fixed electrode layer 21 are electrically connected. . A voltage can be applied between the movable electrode layer 13 and the fixed electrode layer 21 by connecting an external power source between the movable electrode layer side electrode pad 30 and the fixed electrode layer side electrode pad 300.
[0167]
The electrostatic drive type semiconductor microvalve connects the movable electrode layer 13 to the movable electrode layer side electrode pad 30 by making the movable electrode layer 13 conductive with the movable electrode layer side electrode pad 30 through the frame 10 as a substrate. It becomes the pulled out configuration. In addition, the electrostatic drive type semiconductor microvalve is electrically connected to the fixed electrode layer side electrode pad 300 via the fourth conductive portion 32 provided via the valve hole 20 so that the fixed electrode layer 21 is fixed to the fixed electrode layer side. The electrode pad 300 is drawn to the position.
[0168]
Here, examples of wiring materials such as the movable electrode layer 13, the fixed electrode layer 21, the movable electrode layer side electrode pad 30, the fixed electrode layer side electrode pad 300, and the fourth conductive portion 32 include metal thin films such as aluminum and chromium. However, the thin film can be formed by a method such as vacuum deposition, sputtering, or ion plating. Note that the fixed electrode layer side electrode pad 300, the fourth conductive portion 32, and the fixed electrode layer 21 may be integrally formed as long as they are electrically connected, or may be formed separately. Good.
[0169]
An insulating layer 3 is formed on the surface of the movable electrode layer 13 or the metal layer 14 provided on the lower surface of the valve body 11, the frame 10, and each beam 12 in order to prevent conduction with the valve seat 2 side. ing.
[0170]
In such an electrostatically driven semiconductor microvalve, there is no increase in chip size by taking out electrodes connected to an external power source such as the movable electrode layer side electrode pad 30 and the fixed electrode layer side electrode pad 300 to the outside of the valve. A small electrostatically driven microvalve can be provided. Further, since the number of chips can be increased by downsizing, the manufacturing cost can be reduced.
[0171]
Next, an embodiment showing a modification of the seventh embodiment will be described as an eighth embodiment with reference to FIG. FIG. 33 is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along the line YY in FIG. 1) showing the electrostatically driven semiconductor microvalve in the eighth embodiment.
[0172]
As shown in FIG. 33, in FIG. 32, the semiconductor substrate constituting the valve structure 1 is an SOI substrate, that is, the valve structure 1 is an active layer 40, an embedded intermediate oxide film 41 having an insulating property, and a support layer 42. It is comprised with the SOI substrate which consists of. In the eighth embodiment, the active layer 40 is arranged on the side facing the valve seat 2.
[0173]
The frame 10 includes a recess 43 that penetrates from the active layer 40 to the support layer 42, and a conductive film that is a first conductive portion 44 having conductivity such as aluminum or chromium is formed on the inner surface of the recess 43. Thus, the active layer 40, the support layer 42, and the movable electrode layer side electrode pad 30 are electrically connected, the active layer 40 and the support layer 42 are electrically connected, and the movable electrode layer 13 passes through the frame 10 as a substrate. The movable electrode layer side electrode pad 30 is drawn out.
[0174]
In such an electrostatically driven semiconductor microvalve, a thin beam 12 can be accurately formed by using an SOI substrate for the valve structure 1 and using a thin active layer 40. Thereby, since the rigidity of the beam 12 can be reduced, the exhaust performance of the valve can be improved and the driving voltage can be reduced. Here, if the electrode area is reduced instead of reducing the driving voltage, the chip size can be reduced, and the manufacturing cost can be further reduced.
[0175]
Next, an embodiment showing a modification of the eighth embodiment will be described as a ninth embodiment with reference to FIG. FIG. 34 is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along the line YY in FIG. 1) showing the electrostatically driven semiconductor microvalve in the ninth embodiment.
[0176]
As shown in FIG. 34, the conductive film that is the second conductive portion 45 passes, for example, from the surface facing the valve body portion 11 in the frame 10 to the frame 10 wall surface side facing the valve body portion 11. Then, it is formed up to the upper surface of the valve structure 1 and also functions as a movable electrode layer side electrode pad, and the active layer 40 and the support layer 42 are electrically connected. Regarding the second conductive portion 45, a region that functions as the movable electrode layer side electrode pad, a region that faces the valve body portion 11 in the frame 10, and a region on the wall surface side of the frame 10 that faces the valve body portion 11. May be integrally formed and electrically connected, or may be separately formed and electrically connected. In addition, the material of the 2nd electroconductive part 45 is aluminum, chromium, etc. as an example. In the eighth embodiment, as shown in FIG. 34, a conductive film (45a) made of the same material as that of the second conductive portion 45 is also provided around the valve body portion 11 and the beam 12 made of an SOI substrate. It is formed so as to cover.
[0177]
In such an electrostatically driven semiconductor microvalve, a thin beam 12 can be accurately formed by using an SOI substrate for the valve structure 1 and using a thin active layer 40. Thereby, since the rigidity of the beam 12 can be reduced, the exhaust performance of the valve can be improved and the driving voltage can be reduced. Here, if the electrode area is reduced instead of reducing the driving voltage, the chip size can be reduced, and the manufacturing cost can be further reduced.
[0178]
Next, an embodiment showing a modification in the seventh embodiment will be described as a tenth embodiment with reference to FIG. FIG. 35 is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along the line YY in FIG. 1) showing the electrostatically driven semiconductor microvalve in the tenth embodiment.
[0179]
As shown in FIG. 35, the electrostatically driven semiconductor microvalve includes a fine hole 6a that is an opening penetrating from the outside of the electrostatically driven semiconductor microvalve, and regulates the displacement of the valve body 11, for example. The glass stopper 6 is provided on the valve structure 1, and has a three-layer structure including the glass stopper 6, the valve structure 1, and the valve seat 2. In the tenth embodiment, the metal film 30a functioning as the movable electrode layer side electrode pad 30 in the seventh embodiment is formed on the upper surface of the frame 10 with a sufficient thickness to secure a gap. The glass stopper 6 is anodically bonded onto the frame 10 through 30a.
[0180]
Note that the glass stopper 6 is provided with a hole 6a at a position located at an upper portion between the frame 10 and the valve body 11, for example, and a large fluid pressure is applied to the valve hole 20 in the hole 6a, for example. In some cases, the same function as that of the hole portion 6a shown in FIGS. 29 to 31 of the sixth embodiment is achieved, and thus detailed description thereof is omitted here. Here, since the hole 6a which is an opening penetrates in the thickness direction with respect to the stopper, for example, by attaching a tubular member (not shown) to the hole 6a, the fluid medium from the hole 6a. Easy to take out.
[0181]
Here, in the tenth embodiment, the hole 6a is provided with a wiring path that is the third conductive portion 46 that is electrically connected to the metal film 30a and formed up to the upper surface of the glass stopper 6, The third conductive portion 46 is electrically connected to the movable electrode layer side electrode pad 30b connected to the external power source on the upper surface of the glass stopper 6. The material of the third conductive portion 46 is, for example, aluminum, chrome, etc., and in the tenth embodiment, the third conductive portion 46 is formed over the hole 6a and the upper surface portion of the glass stopper 6 as an example. As shown.
[0182]
In such an electrostatically driven semiconductor microvalve, the movable electrode layer 13 is pulled out to the upper surface of the glass stopper 6 by electrically connecting the metal film 30a, the third conductive portion 46, and the movable electrode layer side electrode pad 30b. Thus, a smaller electrostatic drive type microvalve can be provided.
[0183]
Next, another embodiment will be described as an eleventh embodiment with reference to FIG. FIG. 36 is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along the line YY in FIG. 1) showing the electrostatically driven semiconductor microvalve in the eleventh embodiment.
[0184]
The electrostatic drive type semiconductor microvalve includes a bonding electrode 50 such as a metal thin film provided between the frame 10 of the valve structure 1 and the valve seat 2, and the valve structure 1 is interposed via the bonding electrode 50. And the valve seat 2 are anodically bonded. On the joint surface side of the valve seat 2 with the frame 10, as shown in FIG. 36, a wiring path 51 electrically connected to the joining electrode 50, a movable electrode layer side electrode pad 52, and a fixed electrode layer side Electrode pads 53 are formed.
[0185]
Here, the movable electrode layer 13 is brought out to the movable electrode layer side electrode pad 52 by bringing the bonding electrode 50, the wiring path 51, and the movable electrode layer side electrode pad 52 into conduction.
[0186]
In addition, as shown in FIG. 36, the fixed electrode layer side electrode pad 53 extends, for example, the fixed electrode layer 21 to the end of the valve seat 2 by using, for example, a communication wiring, and the fixed electrode layer 21 and the fixed electrode. By making the layer side electrode pad 53 conductive, the fixed electrode layer 21 is drawn out to the fixed electrode layer side electrode pad 53. In addition, the material of the bonding electrode 50, the wiring path 51, the movable electrode layer side electrode pad 52, and the fixed electrode layer side electrode pad 53 is, for example, aluminum, chromium, or the like.
[0187]
In such an electrostatically driven semiconductor microvalve, the movable electrode layer side electrode pad 52 and the fixed electrode layer side electrode pad 53 can be formed on the same plane, so that probe inspection and mounting are facilitated. Further, since the position of the movable electrode layer side electrode pad 52 can be lowered as compared with the structure shown in FIG. 32, the movable electrode layer side electrode pad 52 can be housed in a thin package. It is possible to give superiority to the mounting.
[0188]
Finally, an embodiment that is (two) variations relating to the annular concave groove 24 and the escape groove 24a in the first embodiment will be described as a twelfth embodiment with reference to FIGS. 37 and 38 are plan views showing the valve seat 2 in the twelfth embodiment.
[0189]
Here, in the first embodiment, as shown in FIGS. 4 and 14, the escape groove 24 a has one end communicating with the annular groove 24 and the other end opened to the outside of the electrostatic drive type semiconductor microvalve. However, in the twelfth embodiment, as shown in FIG. 37, the electrostatically driven semiconductor microvalve has a communication groove portion configured such that the other end is within the range of the fixed electrode layer 21, for example. The difference is that 24c is provided. It should be noted that the other end of the communication groove 24c is not opened to the outside from the valve seat 2, that is, may be configured to fit within the valve seat 2 without being opened to the outside from the electrostatic drive type semiconductor microvalve. .
[0190]
Further, as a modified form in the first embodiment, the electrostatic drive type semiconductor microvalve takes a predetermined distance from the valve hole 20 and radiates with respect to each side of the valve seat 2 as shown in FIG. It is the structure provided with the arrange | positioned groove part 24d. The radially arranged grooves 24d are, for example, eight grooves that surround the valve hole 20. However, the number may be a desired number and is not opened to the outside from the valve seat 2. Any configuration that fits within the seat 2 is acceptable.
[0191]
Further, it is preferable that the radially arranged grooves 24d are arranged in a symmetrical pair. In this case, the fluid flowing out from the valve hole 20 is smoothly discharged by the radially arranged grooves 24d. The The communication groove 24c and the radially arranged grooves 24d described above can be formed by sandblasting or the like.
[0192]
In the twelfth embodiment, the above-described radially arranged grooves 24d are formed on the surface of the valve seat 2 facing the valve body 11, but have a predetermined distance from the valve hole 20 in plan view. Alternatively, the valve body 11 may be formed on a surface facing the valve seat 2.
[0193]
In such an electrostatically driven semiconductor microvalve, the communication groove 24c and the radially arranged grooves 24d are not opened to the outside from the valve seat 2, but are accommodated in the valve seat 2. Sometimes, foreign matter can be prevented from being mixed.
[0194]
Here, in the seventh embodiment to the ninth embodiment and the eleventh embodiment, the electrostatic drive type semiconductor is configured by combining the deformed portions as shown in the first embodiment to the sixth embodiment and the twelfth embodiment. Of course, a microvalve may be formed. In the tenth embodiment, an electrostatically driven semiconductor microvalve is configured by combining the modifications shown in the first to fourth embodiments and the twelfth embodiment. Of course, it may be formed.
[0195]
In the first to twelfth embodiments, the annular groove portion 24 and the communication groove portion 24a (or the communication groove portion 24c) are formed on the surface of the valve seat 2 facing the valve body portion 11, but in plan view. The valve body portion 11 may be formed on the surface facing the valve seat 2 so as to include the valve hole 20 inside.
[0196]
The present invention is not limited to the above-described embodiment and the description thereof, and various modifications are included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the scope of the claims. .
[0197]
【The invention's effect】
As described above, the electrostatically driven semiconductor microvalve according to the present invention can achieve a high level of both good fluid control and low power consumption.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve in a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve in the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an open state of the electrostatically driven semiconductor microvalve in the first embodiment.
FIG. 4 is a perspective view showing an open state of the electrostatically driven semiconductor microvalve in the first embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a modified form of the valve structure in the first embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing another modification of the electrostatically driven semiconductor microvalve in the first embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a valve seat in a second embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a valve seat in a third embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a valve body in a third embodiment.
FIG. 10 is a plan view showing a modified embodiment of the valve body in the third embodiment.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing another modification of the valve body in the third embodiment.
FIG. 12 is a process diagram showing a processing process of the upper surface side structure of the valve structure in the first embodiment.
FIG. 13 is a process diagram showing a processing process of the lower surface side structure of the valve structure in the first embodiment.
FIGS. 14A and 14B are a process diagram and a cross-sectional view showing a processing process of the valve seat in the first embodiment.
FIG. 15 is a plan view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve according to a fourth embodiment.
FIG. 16 is a plan view of the valve structure according to the fourth embodiment as viewed from the mounting side on the valve seat.
FIG. 17 is a cross-sectional view of a valve structure in a fourth embodiment.
FIG. 18 is a perspective view of a valve seat in the fourth embodiment.
FIG. 19 is a graph showing the relationship between electrostatic force and relative permittivity in an electrostatically driven semiconductor microvalve according to the fourth embodiment.
FIG. 20 is a plan view showing a modification of the valve structure according to the fourth embodiment.
21 is an enlarged plan view of dotted lines H1 and H2 shown in FIG.
FIG. 22 is a plan view showing a modified form of a beam in the fourth embodiment.
FIG. 23 is a plan view showing another modification of the beam in the fourth embodiment.
FIG. 24 is a cross-sectional view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve in a fifth embodiment.
FIG. 25 is a cross-sectional view showing another electrostatically driven semiconductor microvalve in the fifth embodiment.
FIG. 26 is a cross-sectional view showing another electrostatically driven semiconductor microvalve in the fifth embodiment.
FIG. 27 is a perspective view showing another electrostatically driven semiconductor microvalve in the fifth embodiment.
FIGS. 28A and 28B are a plan view and a sectional view in which a stopper piece is provided in the valve structure in the fifth embodiment. FIGS.
FIG. 29 is a cross-sectional view and a perspective view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve in a sixth embodiment.
FIG. 30 is a cross-sectional view showing a modified form of the electrostatically driven semiconductor microvalve in the sixth embodiment.
FIG. 31 is a cross-sectional view showing another variation of the electrostatically driven semiconductor microvalve in the sixth embodiment.
FIG. 32 is a cross-sectional view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve in a seventh embodiment.
FIG. 33 is a cross-sectional view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve in an eighth embodiment.
FIG. 34 is a cross-sectional view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve in a ninth embodiment.
FIG. 35 is a sectional view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve in a tenth embodiment.
FIG. 36 is a sectional view showing an electrostatically driven semiconductor microvalve in an eleventh embodiment.
FIG. 37 is a plan view showing a valve seat in a twelfth embodiment.
FIG. 38 is a plan view showing another modification of the valve seat in the twelfth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Valve structure
2 Valve seat
3 Insulation layer
6 Glass stopper
6a hole
10 frames
10a opening
11 Valve body
12 beams
13 Movable electrode layer
20 Valve hole
21 Fixed electrode layer
30, 30b, 52 Movable electrode layer side electrode pad
30a metal film
32, 44, 45, 46 Conductive part
40 Active layer
41 Intermediate oxide film
42 Support layer
43 recess
50 Bonding electrode
51 Wiring path
53, 300 Fixed electrode layer side electrode pad

Claims (33)

半導体基板をマイクロマシンニング加工することにより、中央領域に開口を有するフレームと、該フレームの開口内に配置された弁体部と、該弁体部と前記フレームとを連結し、前記弁体部が前記フレームに対し基板厚み方向に変位可能となる撓み性を有する薄肉のビームと、を備えるバルブ構造体と、
表面に開口する弁孔を有し、該弁孔に前記弁体部が一致するようにして前記フレームを表面に固定することによって前記バルブ構造体が搭載される弁座と、を具備し、
前記バルブ構造体は、前記弁体部における前記弁座への対向面において形成された可動電極層を有し、
前記弁座は、前記表面において前記可動電極層に対向するよう形成された固定電極層を有し、
前記可動電極層及び前記固定電極層の少なくとも一方の表面には、これら両電極層間の導通を防止するための絶縁層が形成され、
前記弁体部は、前記可動電極層及び前記固定電極層に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触しており、前記可動電極層及び前記固定電極層に電圧を印加した状態では、これら両電極層間に前記弁孔を閉止する静電気力を発生させ、
前記ビームは、前記弁体部を前記弁孔の開口周辺領域に対し押し付ける弾性力を有することを特徴とする静電駆動型半導体マイクロバルブ。By micromachining the semiconductor substrate, a frame having an opening in a central region, a valve body portion disposed in the opening of the frame, the valve body portion and the frame are connected, and the valve body portion is A thin-walled beam having a flexibility that can be displaced in the substrate thickness direction with respect to the frame, and a valve structure comprising:
And a valve seat on which the valve structure is mounted by fixing the frame to the surface so that the valve body portion coincides with the valve hole.
The valve structure has a movable electrode layer formed on a surface of the valve body portion facing the valve seat,
The valve seat has a fixed electrode layer formed on the surface so as to face the movable electrode layer,
On at least one surface of the movable electrode layer and the fixed electrode layer, an insulating layer for preventing conduction between these two electrode layers is formed,
In a state where no voltage is applied to the movable electrode layer and the fixed electrode layer, the valve body portion is in contact with an opening peripheral region of the valve hole so as to close the valve hole with its contact pressure, and the movable body layer is movable. In a state where a voltage is applied to the electrode layer and the fixed electrode layer, an electrostatic force is generated between the electrode layers to close the valve hole,
The electrostatic drive type semiconductor microvalve characterized by the said beam having the elastic force which presses the said valve body part with respect to the opening peripheral region of the said valve hole . 前記ビームにおける弁座側への対向面には、前記ビームを構成する前記半導体基板の材料が有する線膨張係数よりも大きい線膨張係数の材料からなる薄膜層が形成されている請求項１に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。Wherein the facing surfaces of the valve seat side of the beam, according to claim 1, a thin film layer made of the material of the semiconductor substrate larger linear thermal expansion coefficient than the material having the configuring the beam is formed Electrostatic drive type semiconductor micro valve. 前記ビームにおける前記弁座に対しての非対向面には、前記ビームを構成する前記半導体基板の材料が有する線膨張係数よりも小さい線膨張係数の材料からなる薄膜層が形成されている請求項１又は請求項２に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。A thin film layer made of a material having a linear expansion coefficient smaller than a linear expansion coefficient of a material of the semiconductor substrate constituting the beam is formed on a non-facing surface of the beam with respect to the valve seat. The electrostatic drive type semiconductor microvalve of Claim 1 or Claim 2 . 前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むよう環状に突出し、その先端面が前記弁孔の閉止状態における前記弁体部と前記弁座との封止面となる環状突状部が形成されている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The valve seat facing the valve body portion or the valve seat facing the valve seat on the valve seat protrudes in an annular shape so as to include the opening of the valve hole on the inner side, and the tip surface of the valve seat faces the valve seat. The electrostatic drive semiconductor microvalve according to any one of claims 1 to 3 , wherein an annular projecting portion serving as a sealing surface between the valve body portion and the valve seat in a closed state of a hole is formed. 前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むような環状溝部を形成するとともに、該環状溝部に少なくとも一端が連通する連通溝部を形成した請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。An annular groove portion including an opening portion of the valve hole on the inside is formed on a surface facing the valve body portion in the valve seat or a surface facing the valve seat in the valve body portion. electrostatic drive type semiconductor microvalve according to at least one end one of claims 1 to 4 to form a communicating groove which communicates with the groove. 前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部から所定の距離をとり放射状に配置された溝部を形成した請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。Grooves that are radially arranged at predetermined distances from the opening of the valve hole are formed on the surface of the valve seat facing the valve body portion, or on the surface of the valve body portion facing the valve seat. The electrostatic drive type semiconductor microvalve according to any one of claims 1 to 3 . 前記ビームにおける前記弁座への対向面には、前記可動電極層が連続的に形成され、前記弁座における前記固定電極層は、前記ビームとの対向領域まで形成されている請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The movable electrode layer is continuously formed on a surface of the beam facing the valve seat, and the fixed electrode layer of the valve seat is formed up to a region facing the beam. Item 7. The electrostatic drive type semiconductor microvalve according to any one of Items 6 to 6 . 前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面には、前記弁体部と前記弁座とが接触界面で固着するのを防止する固着防止手段を設けた請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The sticking prevention means which prevents that the said valve body part and the said valve seat stick at a contact interface is provided in the surface of the contact part of at least one of the said valve body part and the opposing surface of the said valve seat. The electrostatic drive type semiconductor microvalve according to claim 7 . 前記固着防止手段は、前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の表面に形成された微小突起である請求項８に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The electrostatic drive type semiconductor microvalve according to claim 8 , wherein the sticking prevention means is a minute protrusion formed on at least one surface of the valve body portion and the opposed surface of the valve seat. 前記固着防止手段は、前記弁体部と前記弁座の対向面の少なくとも一方の表面に形成された表面粗面化処理及び／又は疎水化処理が施された箇所である請求項８又は請求項９に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。Said anti-sticking means, according to claim 8 or claim at least one of formed on a surface the surface roughening treatment and / or hydrophobic treatment of the facing surfaces of the valve seat and the valve body portion is a portion that has been subjected to 9. The electrostatic drive type semiconductor micro valve according to 9. 前記バルブ構造体は、前記ビームを４本有し、各ビームは、前記フレーム内の各辺から延出して略卍状を成すよう配置されている請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The valve structure has four said beams, each beam according to any one of claims 1 to 10 is arranged so that a substantially swastika shape extending from each side of the said frame Electrostatic drive type semiconductor micro valve. 前記バルブ構造体は、前記ビームが前記フレーム内の一辺から延出されて片持ち梁状に前記弁体部を支持している請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The electrostatic drive type according to any one of claims 1 to 10 , wherein the valve structure supports the valve body portion in a cantilever shape with the beam extending from one side in the frame. Semiconductor micro valve. 前記絶縁層は、ＳｉＯ2及びＳｉＮよりも高誘電率の絶縁材料からなる請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The electrostatic drive semiconductor microvalve according to any one of claims 1 to 12 , wherein the insulating layer is made of an insulating material having a higher dielectric constant than SiO 2 and SiN. 前記絶縁層は、比誘電率が３０以上である請求項１３に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The electrostatic drive semiconductor microvalve according to claim 13 , wherein the insulating layer has a relative dielectric constant of 30 or more. 前記絶縁層は、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3から選ばれた少なくとも一種からなる層である請求項１４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The electrostatic drive semiconductor microvalve according to claim 14 , wherein the insulating layer is a layer made of at least one selected from BaTiO 3 , SrTiO 3 , and (Ba, Sr) TiO 3 . 前記弁体部は、前記フレームに比べて薄肉に形成されている請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The electrostatically driven semiconductor microvalve according to any one of claims 1 to 15 , wherein the valve body portion is formed thinner than the frame. 前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側には凹所を備えている請求項１６に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 16 , wherein the valve body portion includes a recess on a side opposite to a surface on which the movable electrode layer is formed. 前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側の面には補強リブを備えている請求項１６に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 16 , wherein the valve body portion includes a reinforcing rib on a surface opposite to a surface on which the movable electrode layer is formed. 前記ビームと前記フレーム及び／又は弁体部との連結部に形成される入隅コーナー、及び／又は前記ビームの屈曲部に形成される入隅コーナーにおいて面取り部が形成されている請求項１乃至請求項１８のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。2. A chamfered portion is formed at a corner corner formed at a connecting portion between the beam and the frame and / or the valve body portion and / or a corner corner formed at a bent portion of the beam. The electrostatic drive type semiconductor micro valve according to claim 18 . 前記フレームにおける前記弁座に対しての非対向面には、前記フレーム内を通じて前記可動電極層と電気的に接続される可動電極層側電極パッドを設けた請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The non-facing surface against the valve seat in said frame, one of claims 1 to 19 provided with the movable-electrode-layer side electrode pad the being movable electrode layer electrically connected through the said frame The electrostatic drive type semiconductor microvalve described in 1. 前記バルブ構造体は、支持層、中間酸化膜、活性層からなるＳＯＩ基板で構成され、前記弁座との対向面側に前記活性層を配置する場合に、前記活性層から前記支持層まで貫通する凹部を設け、該凹部の内面には、導電性を有する第１導電部を設けて、前記活性層と前記支持層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続した請求項２０に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The valve structure is composed of an SOI substrate including a support layer, an intermediate oxide film, and an active layer. When the active layer is disposed on the side facing the valve seat, the valve structure penetrates from the active layer to the support layer. a recess provided on the inner surface of the recess, provided with a first conductive portion having conductivity, to claim 20 which electrically connects the movable electrode layer side electrode pad and the active layer and the support layer The electrostatic drive type semiconductor microvalve described. 前記バルブ構造体は、支持層、中間酸化膜、活性層からなるＳＯＩ基板で構成され、前記フレームにおける前記弁体部への対向面には、前記活性層と前記支持層とを電気的に接続する導電性を有する第２導電部を設け、前記活性層と前記支持層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続した請求項２０に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The valve structure is configured by an SOI substrate including a support layer, an intermediate oxide film, and an active layer, and the active layer and the support layer are electrically connected to a surface of the frame facing the valve body portion. 21. The electrostatic drive type semiconductor microvalve according to claim 20 , wherein a second conductive part having conductivity is provided, and the active layer, the support layer, and the movable electrode layer side electrode pad are electrically connected. 前記弁体部の変位を規制するストッパを更に備えた請求項１乃至請求項２２のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The electrostatic drive type semiconductor microvalve according to any one of claims 1 to 22 , further comprising a stopper for restricting displacement of the valve body portion. 前記ストッパは、前記バルブ構造体とは別部材として前記弁体部と所定間隔をおいて前記バルブ構造体上に載置されたものである請求項２３に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。24. The electrostatic drive type semiconductor microvalve according to claim 23 , wherein the stopper is placed on the valve structure as a separate member from the valve structure with a predetermined distance from the valve body. 前記バルブ構造体の前記フレームの内壁部は、座ぐりされた座ぐり部を備え、前記ストッパは、前記ビーム又は前記弁体部から側方に延出され前記座ぐり部内に遊挿された突出片である請求項２３に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。An inner wall portion of the frame of the valve structure includes a counterbore portion, and the stopper extends laterally from the beam or the valve body portion and protrudes loosely inserted into the counterbore portion. The electrostatically driven semiconductor microvalve according to claim 23 , wherein the electrostatically driven semiconductor microvalve is a piece. 前記フレームと前記ストッパとの間に、前記両者を接合するための接合層を設け、該接合層にて、前記ストッパと前記弁体部との間にギャップを形成した請求項２３又は請求項２４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。Between the said frame stopper, a bonding layer for bonding the both provided at the bonding layer, according to claim 23 or claim to form a gap between the stopper and the valve body portion 24 The electrostatic drive type semiconductor microvalve described in 1. 前記ストッパにおける前記弁体部に対しての対向面には、凹部を備えた請求項２３又は請求項２４に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The electrostatic drive semiconductor microvalve according to claim 23 or 24 , wherein a concave surface is provided on a surface of the stopper facing the valve body portion. 前記ストッパは、少なくとも前記フレーム上面全面を覆うサイズであり、前記接合層又は前記フレーム又は前記ストッパの、少なくともいずれかに開口部を備えた請求項２６又は請求項２７に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The stopper is sized to cover at least the frame the entire upper surface of the bonding layer or the frame or the stopper, the electrostatic drive type semiconductor according to claim 26 or claim 27 with an opening in at least one Micro valve. 前記ストッパにおける前記弁体部に対しての対向面には、段部を備えるとともに、該段部は、前記開口部に連通する請求項２８に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。29. The electrostatic drive type semiconductor microvalve according to claim 28 , wherein a surface of the stopper facing the valve body portion is provided with a step portion, and the step portion communicates with the opening. 前記開口部は、前記ストッパに対して厚み方向に貫通した請求項２８に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。The electrostatic drive semiconductor microvalve according to claim 28 , wherein the opening penetrates in the thickness direction with respect to the stopper. 前記開口部に沿って前記ストッパ表面まで、導電性を有する第３導電部を形成して、該第３導電部と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続した請求項３０に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。Until the stopper surface along said opening, to form a third conductive portion having conductivity, according to claim 30 which is electrically connected to the third conductive portion and the movable electrode layer side electrode pad Electrostatic drive type semiconductor micro valve. 前記弁座における前記バルブ構造体に対しての非対向面には、固定電極層側電極パッドを形成し、前記弁孔には、導電性を有する第４導電部を設け、該第４導電部と前記固定電極層と前記固定電極層側電極パッドとを電気的に接続した請求項２０乃至請求項３１のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。A fixed electrode layer side electrode pad is formed on a non-facing surface of the valve seat with respect to the valve structure, and a conductive fourth conductive portion is provided in the valve hole. The fourth conductive portion It said electrostatic driving type semiconductor microvalve as claimed in any one of the fixed claims are electrically connected electrode layer and said stationary electrode layer side electrode pad 20 through claim 31. 前記弁座における前記フレームへの対向面には、可動電極層側電極パッド及び固定電極層側電極パッドを形成し、前記フレームと前記弁体との間であり、前記可動電極層及び前記固定電極層が形成されていない箇所に導電性の接合用導電部を設け、該接合用導電部と前記可動電極層と前記可動電極層側電極パッドとを電気的に接続するとともに、前記固定電極層と前記固定電極層側電極パッドとを電気的に接続した請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。A movable electrode layer side electrode pad and a fixed electrode layer side electrode pad are formed on the surface of the valve seat facing the frame, and the movable electrode layer and the fixed electrode are between the frame and the valve body. A conductive bonding conductive portion is provided at a position where no layer is formed, and the conductive portion for bonding, the movable electrode layer, and the movable electrode layer side electrode pad are electrically connected; and the fixed electrode layer The electrostatic drive type semiconductor microvalve according to any one of claims 1 to 19 , wherein the fixed electrode layer side electrode pad is electrically connected.
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