JPH05187574A - 超小型バルブ - Google Patents

超小型バルブ

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JPH05187574A
JPH05187574A JP4143221A JP14322192A JPH05187574A JP H05187574 A JPH05187574 A JP H05187574A JP 4143221 A JP4143221 A JP 4143221A JP 14322192 A JP14322192 A JP 14322192A JP H05187574 A JPH05187574 A JP H05187574A
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valve seat
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fluid
legs
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JP4143221A
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Gary B Gordon
ギャリー・ビー・ゴードン
Phillip W Barth
フィリップ・ダブリュー・バース
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography
    • G01N30/04—Preparation or injection of sample to be analysed
    • G01N30/16—Injection
    • G01N30/20—Injection using a sampling valve

Abstract

(57)【要約】 【目的】微量調整が可能で、効率的な超小型バルブ。 【構成】本発明は、放射状に間隔のあいた層構成でクモ
状の脚部を有し、各脚部は実質的に熱膨張係数の異なる
材料からなる第１及び第２の層を有する。脚部はさらに
加熱素子を含み、一方の端部で固定され、脚部を選択的
に加熱することでたわみが生じ、放射状のコンプライア
ンスを提供する。各脚部の下層には、バルブ表面と位置
合わせされた流体オリフィスを有する半導体基板があ
る。脚部の湾曲によって流体オリフィスに関係してバル
ブ表面を変位させ、オリフィスを通って流体流を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
【０００１】本発明は、一般に、超小型バルブ(micromi
niature valves) に関するものである。
【０００２】
【従来技術とその問題点】電子集積回路チップの製造に
用いる多くの技術は、バルブ等の機械デバイスのマイク
ロ機械加工(micromachining)に容易に有用されている。
機械デバイスの微細加工については例えば、１９８３年
４月の「 Scientific American」の第４４〜５５頁に述
べられている。ここでは、ガスクロマトグラフィーに用
いられる超小型バルブの製造について説明されている。
シリコン・ガスクロマトグラフによるガス分析は、ガス
が流れるキャピラリの内壁に沿った液体中の様々な気体
の溶解度の差に基づいておこなわれる。超小型バルブ
は、例えば、このようなキャピラリを通るキャリア・ガ
スの流れを設定するガス流調整器として用いられる。こ
のようなバルブに対して何らかの機械的な発動(actuat
e) 手段を設けなければならない。
【０００３】ガスクロマトグラフのバルブのソレノイド
発動は、例えば、米国特許第４，４７４，８８９号に述
べられている。しかしながら、前述の発明者の１人が１
９９０年６月ＩＥＥＥ transactionの第６５〜６９頁に
おいて、十分な発動力を供給する際に困難性が見いださ
れ、このような発動はあまり魅力的でないと述べている
（「Electrically-activated, Micormachined Diaphrag
m Valve 」) 。ソレノイド発動型バルブに関連した別の
困難性は、それらが高価であり、周知の微細加工技術を
用いてもこのようなバルブの実質的な部分についてバッ
チ製造ができないことである。
【０００４】マイクロ機械加工によるバルブを発動させ
るための他の手段も知られている。米国特許第４，５８
１，６２４号では、静電気力を用いて可とう性ダイアフ
ラムをたわませ、ダイアフラムが出口開口弁座を密封さ
せる。しかしながら、信頼性のある発動のための十分な
力を提供することには問題がある。米国特許第４，８６
９，２８２号には、部分的に気体の圧力差によって発動
されるマイクロ機械加工されたバルブが示されている。
このようなバルブは必然的に複雑なものとなり、操作す
るためにガスを制御することが要求される。
【０００５】前述の論文には、互いに結合される一組の
材料（金属である必要はない）からなる、バイメタル・
ダイアフラムの使用が示されている。このマイクロ機械
加工によるバイメタル・ダイアフラムはシリコンの下側
表面とアルミニウムの上側表面を有している。ダイアフ
ラムの温度に変化が生じると、構造に応力が生成され、
たわみが生じ、ダイアフラムと下方向に依存する(downw
ardly-depending)中心ボスが弁座に囲まれる出口に対し
て動く。開示されている実施例では、この中心ボスはダ
イアフラムの熱的誘導たわみによって弁座に向かって動
かされる。このたわみは開かれている出口への通路を閉
じ、これにより、システムへの流体の流れが遮断され
る。
【０００６】前述の論文のバイメタル構造は従来技術に
基づくものである。すなわち、バイメタル構造は固体円
形ダイアフラムで、流体の流れを調整するためにたわ
む。この構造の改良として、例えば、シリコン・ダイア
フラム層上にアルミニウムをディポジットされるソレノ
イド・アクチュエータに置き換えられることができる。
よって、バイメタル構造は、周知のマイクロ微細加工技
術を用いて、完全なバッチ処理が可能となる。しかし、
このバルブは理想的なものではない。問題の一つに、ダ
イアフラムの非線形のたわみ対力特性である。超小型バ
ルブは、１平方インチ当り２００ポンド（ｐｓｉ）の圧
力で開閉することが要求される。また、ダイアフラムに
４０ミクロンの変位も必要とされる。このようなダイア
フラムの変位は、大きい変位に対する発動力の立方根で
変動し、これは非線形に、たわみの増加と不釣合いに著
しく増加する。曲がった状態では、たわみが小さいこと
からバルブは無駄になり、よって、大きく開かれた後、
力の増加による作業はほどんどおこなわれない。更に、
このバイメタル・ダイアフラムに関しては、過剰の熱損
失を避けるために、ダイアフラムを支持するフレームと
ダイアフラムを熱的に隔離させる新規な考慮が提案され
ている。超小型バルブに供給される電力を効率的に使用
することは重要である。しかし、上述の従来技術では、
このような効率的なバルブを何ら示唆されていない。
【０００７】
【発明の目的】本発明の目的は、上述の問題点を解消
し、広範な変位範囲全体において、効率的に動作する超
小型バルブを提供することにある。
【０００８】
【発明の概要】本発明では、バルブ開口を開閉する置換
可能なバルブ表面(face)または「フラップ(flap)」によ
って達成される。この置換可能バルブ表面は、本発明の
ー実施例では複数の脚部で、中心本体にクモの足のよう
に配列する脚部に支持される中心本体のー方の面であ
る。脚部は、柔軟性をもたすため、第１の端部と硬固に
固定され、第２の端部で浮遊している。。
【０００９】中心本体と脚部はアクチュエータ部材を呼
ばれる第１のたわみ部材を形成する。超小型バルブは、
オリフィス部材と呼ばれる第２のたわみ部材を含む。こ
れは、上昇した弁座に囲まれた中央の流体オリフィスを
備える硬固な弁座基板から構成される。アクチュエータ
部材はオリフィス部材の頂上部に配置される。中心本体
底部のバルブ表面は、オリフィス部材の頂部にある中央
流体オリフィスと整列する。この超小型バルブは、固定
的におよび柔軟に支持される脚部の端部の方位に依存し
て、常閉または常開のものである。
【００１０】脚部は少なくとも２つの層を有している。
脚部の第１および第２の層は、実質的に違う熱膨張係数
を有する材料によって構成される。脚部が加熱される
と、第１および第２の層の異なる膨張によって、脚部が
弓状となる。これにより、オリフィス部材の中央流体オ
リフィスに対してバルブ表面の変位が生じる。
【００１１】脚部の一方の端部の柔軟性のある支持は、
トーション・バー式サスペンションによって行われる。
このサスペンションにより、各脚部の一方の端部のヒン
ジ状の支持が達成される。中心本体に近い内側端部、ま
たは、中心本体から離れている端部のどちらにもトージ
ョン・バー式サスペンションを設けることができる。こ
のサスペンションが脚部の内側端部に設けられると、バ
ルブが動かされると閉じる。そして、外側端部に設けら
れる場合には開く。
【００１２】外側端部に設けられる場合、断面領域の減
少と熱流が通過する経路長の増加の双方により、熱い脚
部から周囲温度の弁座基板の損失を最小化するという更
なる目的がサスペンションによって達成される。
【００１３】バルブは数百ＰＳＩのような高圧下の動作
が最適である場合、バルブ・フラップおよび脚部は、開
かれている際にフラップが受ける厚さにおける移動を大
きくする。このような条件下では、フラップ部材は選択
的にアクチュエータ部材の直径部分より大きく形成させ
ることができ、脚部はその長さを減少させ、または、完
全になくすことも可能である。このような設計の変更は
許容できるものである。なぜならば、このように大きい
フラップはその厚みのために望まれない３乗則の力(cub
e-law force)の領域に入るために十分な柔軟性を有しな
いからである。この領域においては、ダイアフラムを変
位させるために要求される力はダイアフラムが曲がる距
離と直線的な関係がない。一般に、平坦なプレートまた
はダイアフラム素子を曲げるために要求される力には、
変位と線形に増加する項と変位の３乗で増加する項が含
まれている。およそ素子の厚さ以下の変位では、線形項
が優位で、素子は硬質のプレートとして作用することが
考えれている。これに対して、厚さよりはるかに大きい
変位には３乗項が優位となり、素子は薄い、柔軟なダイ
アフラムとして作用することが考えられている。３乗則
領域においては、要求される力は極めて迅速に確立され
ていく。そして、たわみを２倍にするためには８倍以上
の力が必要とされる。
【００１４】かくして、本願発明の重要な素子は、従来
技術における３乗則の不利益を回避することである。こ
れは、動作時には、ドーム状のようなたわみは実質的に
その厚さ以上になることがなく、望ましくは厚さよりも
はるかに小さくなるようにフラップの半径を最小化する
ことによって達成される。本発明における脚部は湾曲ビ
ームを含み、これらはダイアフラムにおいて生じる３乗
則による影響を受けない。
【００１５】本発明の最終的な素子は脚部のヒンジ状に
なっていない端部の堅固な支持素子である。これは、バ
イモル(bimorph) 構造の円周リングによって達成され
る。このリングは、通常、名目的には各脚部の幅と同じ
放射方向に幅がある。常閉にされている実施例では、第
１のたわみ部材のフラップ部分によってこの機能が達成
される。
【００１６】アクチュエータ部材を構成するための材料
を選択する際に考慮すべきファクタとして、熱膨張係
数、融点、強度、集積回路の製造プロセスの使用の容易
性が含まれている。第２の層の熱膨張係数は、第１の層
のそれよりも少なくとも５ppm/c 大きくすることが好ま
しい。典型的には、弁座基板部材に最も近い第１の層は
シリコンである。第２の層として選択される材料は、一
般的に、高い強度、高い熱膨張係数、比較的高い融点を
有するものである。脚部の可塑的な変形のために、バル
ブが動作する温度の範囲が制限されることから、強度お
よび融点がファクタとされる。ニッケルはこれらのパラ
メータに対して良好に評価されるもので、また、メッキ
およびディポジションの両方によって製造される。
【００１７】常閉の実施例では、中心本体から離れた脚
部の端部はトージョン・バー式サスペンションによって
接続され、その近傍の端部は中心本体に対して堅固に接
続されている。このクモのような脚部は典型的には放射
状に伸長しているけれども、重大ではない。サスペンシ
ョンは典型的には円周状のみぞの２個のリングによって
実現される。脚部または中心本体上の金属膜抵抗器は、
クモ状の脚部を弓状にする熱エネルギを導入するための
ヒータとして働く。抵抗器を流れる電流によりアクチュ
エータ部材が加熱される。アクチュエータ部材は典型的
には２つの主要な層によって構成され、「バイモル」構
造と呼ばれている。
【００１８】本発明の利点には、ドーム状のたわみの３
乗則領域を回避することにより、上述のように達成され
た効率が向上される線形性が含まれる。別の利点として
は、サスペンションにより熱的な隔離が改善され、膜構
造のー方の端部のヒンジ状の取付け部を設けることであ
る。第３の利点は、ー掃されない流体量の生成を最小化
するために、オリフィス領域の近傍の脚部間に開口を設
けることである。
【００１９】改善された線形性を備えるサスペンション
を用いることにより、従来技術に比べて、本願発明に係
る超小型バルブはより良好な信頼度で動作し、そして、
流れおよび圧力の点からみて高い性能を有する。
【００２０】
【発明の実施例】図１および図２に、ベースとして作用
する弁座基板１２を含む超小型バルブ１０が示されてい
る。中央流体オリフィス１４は、弁座基板１２を介して
異方性エッチングされる。このエッチングによって、図
示するように下側周辺部１５を有する先端が切り取られ
たピラミッド形状が形成される。基板１２の上部表面も
エッチングされ、流体オリフィス１４を包囲する弁座１
６を残すようにされる。図１においては、流体オリフィ
スおよび弁座が、超小型バルブの上部層を通して破線で
示されている。
【００２１】弁座基板１２はシリコン・チップであるこ
とが好ましく、マイクロ機械加工の技術において周知の
バッチ処理技術を用いてウェーハから製造されたもので
ある。超小型バルブ１０は本実施例では７ｍｍ×７ｍｍ
のものであるが重大なことではない。その周辺部におい
て、弁座基板１２の厚さは４００ミクロンである。
【００２２】図２に示すように、弁座基板１２の頂上部
を支持する第２の基板は、固定周辺部１７および中央の
フレキシブル部材２２を含むものである。第２の基板の
長さおよび幅は、弁座基板１２の寸法にー致する。以下
に詳述するように、固定周辺部１７、フレキシブル部材
の下部層１８及び下方向に依存するボス１３は、単一の
シリコン基板から形成される。好適な実施例では、シリ
コン層１８の厚さは３０ミクロンで、その厚さは超小型
バルブ１０の最大開口の大きさを決定するファクタであ
ることから、シリコン層の理想的な厚さはその適用に従
って変化する。
【００２３】蒸着、ホトリソグラフィーおよび電気的メ
ッキの技術を用いて、シリコン層１８の上にニッケルの
層２０をディポジットし、パターン形成される。実際に
は、ニッケル層の厚さは約３０ミクロンで、シリコン層
の厚さにほぼ等しいものである。図３に示されているも
のは、開口位置における合成されたシリコンおよびニッ
ケルの構成である。
【００２４】図１および図４に示されているものは、超
小型のデバイスに対するフレキシブル部材２２の構成で
ある。ニッケルはこのフレキシブル部材の部分だけを覆
っている。シリコン層およびニッケル層の両方は、フレ
キシブル部材２２におけるクモ状の脚部２６および２７
のアレイを画定するほぼ三角形状の開口２４を有する。
動作時において、バルブが開くと、上述したように開口
２４および流体オリフィス１４を通ってガスが流れ出
る。
【００２５】各脚部２６、２７は、放射状の内側端部に
おいて中心本体２８と堅固に接続する。脚部２６に含ま
れた螺旋パターンのニッケルは、加熱素子３２として作
用する。この加熱素子を通して電流を導通させることに
より、局部的な加熱が生じ、そして、脚部２６を構成す
るシリコン層１８およびニッケル層２０を通るように伝
導する。加熱された脚部２６は、加熱素子３２を持たな
い脚部２７から間隔をおいて配置される。８個の各加熱
素子は約５オームのインピーダンスを有している。バル
ブを駆動するために、アナログ信号またはより効果的な
デジタル・パルス幅変調信号を用いることができる。
【００２６】加熱素子３２は、５オームのインピーダン
スを達成するために１ミクロンの厚さを有している。各
加熱素子に対するまたはそれらからの電気的な経路は、
シリコン層１８の上の螺旋状の金属ディポジション・パ
ス３４、３６で、加熱素子が直列に接続されるように配
列されている。例えば、ディポジション・パス３４は接
地電位であると同時に、ディポジション・パス３６は次
の素子への直列接続に続く。金属ディポジション・パス
を通る電流は脚部の温度を周囲温度より約１００℃まで
上昇させ、バルブはこれによって完全に開かれる。
【００２７】脚部２６、２７はどちらもシリコン層１８
およびニッケル層２０の両方を介して形成された、複数
の円周のみぞ３８、４０と連係する。これらみぞは３つ
の役割がある。第１に、みぞは脚部を半径方向に後方の
シリコン層から脚部をかなりの程度に熱的に隔離する。
よって、脚部の所望のたわみを得るためにはより小さい
電力が必要とされる。第２に、円周のみぞ３８、４０
は、脚部の境界において回転可能な柔軟性を供給する。
加熱サイクルおよび弛緩時の収縮(contract uponrelaxa
tion)の間、柔軟性は脚部の膨張および弓形となるとき
のこれらの境界において経験される動きに適合する。第
３に、みぞは回転的な柔軟性に加えて側面的な柔軟性を
与え、それらが弓状に形成されるときに脚部２６が内側
に引かれる傾向となるように調整される。
【００２８】図１に示されているように、バルブの上部
表面には一対の導電性パッド４２、４４が含まれてい
る。図示されない駆動回路がパッドと電気的に接続して
おり、トレース４６，４８、４９を介して、加熱素子３
２に電流を供給する。付加的なパッド４５、トレース４
７が示されている。製造において、パッド４５およびト
レース４７は金属グリッドに接続され、ニッケル層の電
気的なメッキ中に基板と金属グリッドの接触を維持す
る。
【００２９】好適な実施例では、以下に述べるような手
順で製造がおこなわれる。オリフィス・ウェーハと呼ば
れる第１のシリコン・ウェーハにおいては、中央流体オ
リフィス１４を包囲する持ち上がった(raised)弁座１６
を構成するために、良好に確立されたバッチ式製造及び
シリコンのマイクロ機械加工の技術が用いられる。これ
らの製造ステップに続いて、ウェーハを個別のオリフィ
ス・チップに切断することによってオリフィス・ウェー
ハが分離され、そして、各オリフィス・チップを洗浄す
る。
【００３０】アクチュエータ・ウエーハと呼ばれる第２
のシリコン・ウェーハは次のように処理される。この第
２のウェーハの双方の主要表面上で、最初に二酸化シリ
コンの層を成長させ、次に窒化シリコンの層をディポジ
ットさせる。これらの層は、ウェーハの頂部表面上でホ
トリソグラフィーによってパターン形成させ、ある領域
内でホールを形成させる。これは後でクモ状の脚部２６
と２７との間の領域２４においてシリコンを完全にエッ
チングされる。二酸化シリコン層および窒化シリコン層
は、ウェーハの底部表面上でパターン形成され、ウェー
ハの底部側上の領域を画定する。これは、各フレキシブ
ル部材２２の中心本体２８の底部上のボス１３となり、
また、中心本体を包囲する脚部２６、２７の厚さとな
る。次に、蒸着またはスパッタリングを用いて、ニッケ
ルの層２０を頂部表面上にディポジットする。そして、
このニッケルを薄膜抵抗領域３２および後で厚いニッケ
ルを電気メッキされる他の領域のどちらも残すようにパ
ターン形成する。そして、ホトレジストの層がディポジ
ットされ、ホトリソグラフィーによってパターン形成さ
れ、ある領域をホトレジストを通してホールを画定する
ようにエッチングする。この領域は次にクモ状の脚部の
間の領域のシリコンを完全にエッチングされる。そし
て、電気メッキが施される領域のニッケル層はホールを
画定するようにホトレジストをエッチングする。次に、
厚いニッケル領域を形成するために、このような電気的
メッキがおこなわれる。上記の電気的メッキ処理におい
ては、連続的な金属グリッドが用いられる。この金属グ
リッドとの接触を維持する目的のためにパッド４５が設
けられる。このグリッドは後でウェーハを個別のチップ
に切断する際に破壊される。ホトレジストは、プラズマ
・エッチングに対するマスクとして更に用いられる。こ
のプラズマ・エッチングをクモ状脚部の最終的な厚さよ
りもわずかに大きい深さのピットをシリコンからエッチ
ングするために用いる。
【００３１】次に、アクチュエータ・ウェーハの頂部表
面は、ガラス・プレート上にワックスを接着することに
よって保護される。そして、ウェーハの後部表面は水酸
化カリウム水溶液中でエッチングされ、アクチュエータ
・ウェーハの底部側上でボス１３を形成させ、また、頂
部側からすでにエッチングされたピットに到達するまで
底部をエッチングし、クモ状の脚部２６および２７も形
成させる。アクチュエータをガラス・プレートから除去
し、切断によって個別のアクチュエータ・チップに分離
させ、これらのアクチュエータ・チップを洗浄する。
【００３２】最後に、個別のアクチュエータ・チップを
個別のオリフィス・チップに２つのチップの表面が一緒
に位置するようにボンディングさせ、２つのチップの露
出したエッジにエポキシ接着剤等の接着剤のビードを形
成させる。この接着剤の硬化に続いて、結果完成したバ
ルブ構成をパッケージ化することができる。
【００３３】ニッケルに代わって他の材料を用いること
も可能である。脚部２６の上部層２０は、シリコン層と
は実質的に異なる熱膨張係数を有することが好ましい。
更に、この上部層は、通常の動作において可塑性の変形
が生じないように、高い融点を持つことが好ましい。ニ
ッケルは好適な金属であるが、銅は良好な代替物であ
る。従来に用いられていたアルミニウム等は、次の二つ
の理由のためにこの構成のには好適な選択ではない。第
１に、アルミニウムは水溶液から電気的なメッキを施す
ことができず、このため、ニッケルまたは銅のような材
料では可能な、バイモル構造上に厚い、パターン化され
た層を加工することができない。熱蒸着またはスパッタ
リング等の周知のプロセスによる厚いアルミニウム層の
ディポジションは無駄でかつ高価なもので、また、ホト
リソグラフィー技術によるこのような層のパターン形成
は困難で、最終構造における活性領域の無駄となる。第
２に、ニッケルまたは銅に比べてアルミニウムの降伏応
力が低いため、大きな作動力および長期にわたる安定な
デバイス特性のどちらにも適切ではない。また、脚部の
低部層１８にシリコンを使用することは重大なことでは
ない。しかし、シリコンは周知の加工プロセスの使用を
可能とする。膜抵抗３２の代わりに、拡散抵抗またはト
ランジスタのような能動的な拡散デバイスを用いること
ができる。
【００３４】動作時には、図２に示されるように超小型
バルブ１０は閉の状態にあり、ここではボス１３は弁座
１６と接触して、流体流オリフィス１４に流体が流入す
ることを防ぐ。本実施例において、シリコン層１８にお
ける動作領域全体はニッケル２０で覆われている。即
ち、電気メッキされたニッケルは、放射状に伸びる脚部
２６に制限されるのではなく、シリコン層の中心領域を
超えて伸長されている。熱エネルギが加熱素子３２から
導出され、脚部に導入されると、シリコン層およびニッ
ケル層の熱膨張係数の差によって、脚部が下方向に弓状
となり、このためにボス１３を弁座１６から離れるよう
に持ち上がり、バルブが開かれる。
【００３５】図１〜図４において、硬固なサスペンショ
ンはクモ状の脚部２６の放射状の内側端部に設けられ、
放射状の外側端部において円周状のみぞ３８、４０によ
って柔軟なサスペンションが提供される。熱膨張によっ
て、サスペンションに対する力が生成される。円周状の
みぞはクモ状の脚部の弓状の形成を可能とし、これによ
り流体オリフィス１４に関係してバルブ表面２８が変位
する。放射状の外側端部の柔軟なサスペンションによ
り、ボス１３は図２の常閉位置から図３の開放位置へ移
動する。
【００３６】比較をすると、図５の実施例では、超小型
バルブ５０の脚部５２の内側端部５２における円周状の
みぞ５４が脚部５２の下方向への弓状の形成を可能とす
る。このため、脚部５２を加熱すると、この第２の実施
例のバルブ表面３０が下方向に変位し、流体オリフィス
（図示せず）を密封する。従って、超小型バルブ５０は
常開のバルブである。
【００３７】ここで図１〜図４に戻ると、円周状のみぞ
３８、４０によって供給されるトージョン・バー・ヒン
ジは、半径方向のコンプライアンス、回転および熱的隔
離が可能とする。動作時には、脚部２６、２７の加熱に
よって、フレキシブル部材２２が上方向に変位し、流体
オリフィス１４が開く。このようなことが生じる機構で
は、脚部が加熱されたときに弓状となる。それらは、最
も内側の端部に堅固に取り付けられていることから、最
も外側の端部の下方向に湾曲し、サスペンションに対し
て力を与え、ボス１３を持ち上げる。
【００３８】弓状の形成には、脚部を内側方向に引く第
２の傾向がある。この傾向を抑制することにより、持ち
上げる動作を抑える。シリコン層１８およびニッケル層
２０内のみぞ３８、４０を形成するために材料を除去す
ることにより、脚部２６、２７の半径方向の動きが可能
となる。
【００３９】バルブに適切な制御信号を印加することに
より、０〜３０ミクロンとの間に制御可能な大きさに開
くことができる。このような超小型バルブ１０の一つの
適用例としてガスクロマトグラフが挙げられる。タンク
からガスクロマトグラフの注入貯蔵器へのガスの流れを
バルブによって制御する。流体センサは流れを計測し、
バルブを電気的に制御するフィードバックを提供し、ガ
ス流が所望の大きさになるように調整する。バルブは、
２００ｐｓｉにおいて流れを４００ｓｃｃｍまで制御す
ることができる。作動時間は、典型的には、数百ミリ秒
である。
【００４０】サスペンションを通って弁座基板１２まで
の熱流を介して、脚部２６、２７の導電的な冷却によっ
て、超小型バルブ１０が閉じられる。バルブの速度は、
主として、フレキシブル部材２２の熱量およびサスペン
ションの熱抵抗によって決定される。
【００４１】図５に示される第２の実施例は、常開式の
超小型バルブ５０で、第１の実施例と同様に動作する。
超小型バルブには３６本の脚部５２が含まれている。ニ
ッケルの層がシリコンの円形層を覆う。脚部５２が加熱
されると、この脚部は弁座（図示せず）に近接するよう
に曲がり、バルブ表面３０の直下となる。円周状のみぞ
５４によって提供される湾曲可能なサスペンションが脚
部５２の内側端部に設けられることから、バルブ表面の
変位は下向きとなる。また、脚部５２が加熱されると、
みぞ５４は湾曲可能な半径方向のコンプライアンスを提
供する。
【００４２】第１および第２の実施例のどちらも、第１
のフレキシブル部材２２の厚さを増加させることによ
り、より高い動作圧力を得ることができる。超小型バル
ブ上の脚部の本数は重大ではない。この脚部の形状は重
要なものではあるが、重大ではない。放射状に伸びる脚
部の代わりとして、螺旋状の脚部が可能である。ある適
用例では、下方向に依存するボス１３を除外することが
望まれることもある。
【００４３】
【発明の効果】以上説明したように、ドーム状のたわみ
の３乗則領域を回避し、線形性のフレクシブル部材を提
供し、サスペンションを設けることにより熱的な隔離を
改善する。オリフィス領域の近傍の脚部間に開口を設け
ることによって、停止流体量の生成を最小化する。した
がって、より良好な信頼度で動作し、そして、流れおよ
び圧力の点からみて高い性能を有する本願発明に係る超
小型バルブを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のー実施例である超小型バルブの平面
図。
【図２】図１の閉状態の２−２側断面図。
【図３】図１の開状態の側断面図。
【図４】図１の部分詳細平面図。
【図５】本発明の他の実施例である超小型バルブの平面
図。
【符号の説明】
１０、５０: 超小型バルブ １２: 弁座基板 １４: 中央流体オリフィス １６: 弁座 １８: シリコン層 ２０: ニッケル層 ２２: フレキシブル部材 ２４: 開口 ２６、２７、５２: 脚部 ２８: 中心本体 ３０: バルブ表面 ３２: 加熱素子 ３８、４０、５４: みぞ ４２、４４: 導電性パッド

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】その中を貫通する流体オリフィスを備える
    弁座基板と、 前記弁座基板と連結し、前記流体オリフィスを選択的に
    遮断するたわみ部材と、 前記たわみ部材は前記流体オリフィスと一致する中央フ
    ラップと前記中央フラップから周辺領域に伸びる複数の
    間隔のあいた層領域を有し、 前記層領域の第１及び第２の層は実質的に異なる熱膨張
    係数を有し、 前記層領域と熱的に連結し、前記第１及び第２の層の異
    なる熱膨張によって前記層領域を湾曲させ、前記流体オ
    フィリスに関連して前記中央フラップに変位を生じさせ
    る加熱手段とからなることを特徴とする超小型バルブ。
  2. 【請求項２】請求項第１項記載の超小型バルブはさらに
    前記層領域を前記中央フフラップの１つと前記周辺領域
    に支持させるサスペンション手段を含むことを特徴とす
    る超小型バルブ。
  3. 【請求項３】その中に流体流路を有する半導体基板と、 前記流体流路は弁座において端子を備え、 前記端子において前記弁座と整列するバルブ表面と、 前記バルブ表面と接触する第１の端部を備えるクモ状の
    脚部と、 前記脚部は実質的に異なる熱膨張係数を備える別個の材
    料からなる第１及び第２の層を有し、 前記脚部の第２の端部と接触し、前記バルブ表面を弁座
    と位置合わせするための支持手段とを含むことを特徴と
    する超小型バルブ。
  4. 【請求項４】請求項第３項記載の超小型バルブはさらに
    前記脚部の温度を選択的に上昇させる加熱手段を含むこ
    とを特徴とする超小型バルブ。
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